鑄造工藝學(xué)(課本)
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秋季學(xué)期 鑄造工藝學(xué)教案 主講教師 榮守范 目 錄 第一章 鑄造工藝設(shè)計(jì)概論 1 第一節(jié) 鑄造工藝設(shè)計(jì)的概念、設(shè)計(jì)依據(jù)、內(nèi)容及程序 1 第二節(jié) 鑄造工藝設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境保護(hù)的關(guān)系 3 第二章 鑄造工藝方案的確定 4 第一節(jié) 零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性 4 第二節(jié) 造型、造芯方法的選擇 4 第三節(jié) 澆注位置的確定 6 第四節(jié) 分型面的選擇 8 第三章 砂芯設(shè)計(jì)及鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù) 10 第一節(jié) 砂芯設(shè)計(jì) 10 第二節(jié) 鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù) 12 第四章 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 第一節(jié) 液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)基本組元中的流動(dòng) 17 第二節(jié) 澆注系統(tǒng)的基本類型及選擇 21 第三節(jié) 計(jì)算阻流截面的水力學(xué)公式 25 第四節(jié) 鑄鐵件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 28 第五節(jié) 其他合金鑄件澆注系統(tǒng)的特點(diǎn) 32 第六節(jié) 金屬過濾技術(shù) 35 第五章 冒口、冷鐵和鑄肋 37 第一節(jié) 冒口的種類及補(bǔ)縮原理 37 第二節(jié) 鑄鋼件冒口的設(shè)計(jì)與計(jì)算 39 第三節(jié) 鑄鐵件實(shí)用冒口的設(shè)計(jì) 44 第四節(jié) 提高通用冒口補(bǔ)縮效率的措施和特種冒口 53 第五節(jié) 冷鐵 56 第六節(jié) 鑄肋 59 第一章 鑄造工藝設(shè)計(jì)概論 第一節(jié) 鑄造工藝設(shè)計(jì)的概念、設(shè)計(jì)依據(jù)、內(nèi)容及程序 一、概念 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求金屬鑄件具有高的力學(xué)性能、尺寸精度和低的表面粗糙度值；要求具有某些特殊性能，如耐熱、耐蝕、耐磨等，同時(shí)還要求生產(chǎn)周期短，成本低。因此，鑄件在生產(chǎn)之前，首先應(yīng)進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，使鑄件的整個(gè)工藝過程都能實(shí)現(xiàn)科學(xué)操作，才能有效地控制鑄件的形成過程，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的效果。 鑄造工藝設(shè)計(jì)就是根據(jù)鑄造零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)條件等，確定鑄造方案和工藝參數(shù)，繪制鑄造工藝圖，編制工藝卡等技術(shù)文件的過程。鑄造工藝設(shè)計(jì)的有關(guān)文件，是生產(chǎn)準(zhǔn)備、管理和鑄件驗(yàn)收的依據(jù)，并用于直接指導(dǎo)生產(chǎn)操作。因此，鑄造工藝設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)鑄件品質(zhì)、生產(chǎn)率和成本起著重要作用。 二、設(shè)計(jì)依據(jù) 在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)者應(yīng)掌握生產(chǎn)任務(wù)和要求，熟悉工廠和車間的生產(chǎn)條件，這些是鑄造工藝設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。此外，要求設(shè)計(jì)者有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并應(yīng)對(duì)鑄造先進(jìn)技術(shù)有所了解。具有經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和發(fā)展觀點(diǎn)，才能很好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。 （一）生產(chǎn)任務(wù) （1）鑄造零件圖樣 提供的圖樣必須清晰無誤，有完整的尺寸和各種標(biāo)記。設(shè)計(jì)者應(yīng)仔細(xì)審查圖樣。注意零件的結(jié)構(gòu)是否符合鑄造工藝性，若認(rèn)為有必要修改圖樣時(shí)，須與原設(shè)計(jì)單位或訂貨單位共同研究，取得一致意見后以修改后的圖樣作為設(shè)計(jì)依據(jù)。 （2）零件的技術(shù)要求 金屬材質(zhì)牌號(hào)、金相組織、力學(xué)性能要求、鑄件尺寸及重量公差及其他特殊性能要求，如是否經(jīng)水壓、氣壓試驗(yàn)，零件在機(jī)器上的工作條件等。在鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意滿足這些要求。 （3）產(chǎn)品數(shù)量及生產(chǎn)期限 產(chǎn)品數(shù)量是指批量大小。生產(chǎn)期限是指交貨日期的長(zhǎng)短。對(duì)于批量大的產(chǎn)品，應(yīng)盡可能采用先進(jìn)技術(shù)。對(duì)于應(yīng)急的單件產(chǎn)品，則應(yīng)考慮使工藝裝備盡可能簡(jiǎn)單，以便縮短生產(chǎn)周期，并獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。 （二）生產(chǎn)條件 （1）設(shè)備能力包括起重運(yùn)輸機(jī)的噸位和最大起重高度、熔爐的形式、噸位和生產(chǎn)率、造型和制芯機(jī)種類、機(jī)械化程度、烘干爐和熱處理爐的能力、地坑尺寸、廠房高度和大門尺寸等。 （2）車間原材料的應(yīng)用情況和供應(yīng)情況。 （3）工人技術(shù)水平和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。 （4）模具等工藝裝備制造車間的加工能力和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。 （三）考慮經(jīng)濟(jì)性 對(duì)各種原材料、爐料等的價(jià)格、每噸金屬液的成本、各級(jí)工種工時(shí)費(fèi)用、設(shè)備每小時(shí)費(fèi)用等，都應(yīng)有所了解，以便考核該項(xiàng)工藝的經(jīng)濟(jì)性。 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容和程序 鑄造工藝設(shè)計(jì)的一般內(nèi)容和程序 項(xiàng)目 內(nèi)容 用途及應(yīng)用范圍 設(shè)計(jì)程序 鑄造工藝圖 在零件圖上，用標(biāo)準(zhǔn)（JB2435-78）規(guī)定的紅、藍(lán)色符號(hào)表示出：澆注位置和分型面，加工余量，鑄造收縮率（說明）。起模斜度，模樣的反變形量，分型負(fù)數(shù)，工藝補(bǔ)正量，澆注系統(tǒng)和冒口，內(nèi)外冷鐵，鑄肋，砂芯形狀，數(shù)量和芯頭大小等 用于制造模樣、模板、芯盒等工藝裝備，也是設(shè)計(jì)這些金屬模具的依據(jù)。還是生產(chǎn)準(zhǔn)備和鑄件驗(yàn)收的根據(jù)。適用于各種批量的生產(chǎn)。 （1）零件的技術(shù)條件和結(jié)構(gòu)工藝性分析 （2）選擇鑄造及造型方法 （3）確定澆注位置和分型面 （4）選用工藝參數(shù) （5）設(shè)計(jì)澆冒口，冷鐵和鑄肋 （6）砂芯設(shè)計(jì) 鑄件圖 反映鑄件實(shí)際形狀、尺寸和技術(shù)要求。用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定符號(hào)和文字標(biāo)注，反映內(nèi)容：加工余量，工藝余量，不鑄出的孔槽，鑄件尺寸公差，加工基準(zhǔn)，鑄件金屬牌號(hào)，熱處理規(guī)范，鑄件驗(yàn)收技術(shù)條件等 是鑄件檢驗(yàn)和驗(yàn)收、機(jī)械加工夾具設(shè)計(jì)的依據(jù)。 適用于成批、大量生產(chǎn)或重要的鑄件 （7）在完成鑄造工藝圖的基礎(chǔ)上，畫出鑄件圖 鑄型裝配圖 表示出澆注位置，分型面、砂芯數(shù)目，固定和下芯順序，澆注系統(tǒng)、冒口和冷鐵布置，砂箱結(jié)構(gòu)和尺寸等 是生產(chǎn)準(zhǔn)備、合箱、檢驗(yàn)、工藝調(diào)整的依據(jù)。適用于成批、大量生產(chǎn)的重要件，單件生產(chǎn)的重型件 （8）通常在完成砂箱設(shè)計(jì)后畫出 鑄造工藝卡 說明造型、造芯、澆注、開箱、清理等工藝操作過程及要求 用于生產(chǎn)管理和經(jīng)濟(jì)核算。依據(jù)批量大小，填寫必要內(nèi)容 （9）綜合整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容 鑄造工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容的繁簡(jiǎn)程度，主要決定于批量的大小、生產(chǎn)要求和生產(chǎn)條件。一般包括下列內(nèi)容：鑄造工藝圖，鑄件（毛坯）圖、鑄型裝配圖（合箱圖）、工藝卡及操作工藝規(guī)程。廣義地講，鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì)也屬于鑄造工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容，例如模樣圖、芯盒圖、砂箱圖、壓鐵圖、專用量具圖和樣板圖、組合下芯夾具圖等。 大量生產(chǎn)的定型產(chǎn)品、特殊重要的單件生產(chǎn)的鑄件等鑄造工藝設(shè)計(jì)一般訂得細(xì)致，內(nèi)容涉及較多。單件、小批生產(chǎn)的一般性產(chǎn)品，設(shè)計(jì)內(nèi)容可以簡(jiǎn)化。在最簡(jiǎn)單的情況下，只繪一張鑄造工藝圖。 鑄造工藝設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容和一般設(shè)計(jì)程序如表所列。 第二節(jié) 鑄造工藝設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和環(huán)境保護(hù)的關(guān)系 鑄造工藝設(shè)計(jì)人員應(yīng)時(shí)刻關(guān)心鑄件成本、節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)問題。從零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性的改進(jìn)，鑄造、造型、造芯方法的選擇，鑄造工藝方案的確定，澆注系統(tǒng)和冒口的設(shè)計(jì)，直至鑄件清理方法等，每道工序都與上述問題有關(guān)。舉例而言，對(duì)鑄鋼件采用保溫冒口后，絕大多數(shù)的鑄件工藝出品率都可以提高10％～20％，甚至更高。 專門的分析表明，鑄件的工藝出品率還不能充分表明保溫冒口的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)該用鑄件成品率來考核。鑄件成品率的定義是鑄件質(zhì)量除以投入熔爐中的金屬原料質(zhì)量，，以百分?jǐn)?shù)表示。它和鑄件工藝出品率的差別是計(jì)入了熔煉和澆注的損耗。對(duì)鑄鋼來說，這種損耗約占6％。用普通砂型冒口的鑄鋼件成品率約為43％；而用保溫冒口的鑄鋼件成品率約為68％。相應(yīng)地，利潤(rùn)率也由原來的5.37％增加為14.16％。 由此可見，鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)，采用不同的工藝，對(duì)鑄造車間或工廠的金屬成本、熔煉金屬量、能源消耗、鑄件工藝出品率和成品率、工時(shí)費(fèi)用、鑄件成本和利潤(rùn)率等，都有顯著的影響。 鑄造工藝設(shè)計(jì)中要注意節(jié)約能源。例如，采用濕型鑄造法比干型鑄造法要節(jié)省燃料消耗。使用自硬砂型取代普通干砂型，采用冷芯盒法制芯，而不選用普通烘干法制或熱芯盒法，都可以節(jié)約燃料或電力消耗。 為了保護(hù)環(huán)境和維護(hù)工人身體健康，在鑄造工藝設(shè)計(jì)中要避免選用有毒害和高粉塵的工藝方法，或者應(yīng)采用相應(yīng)對(duì)策，以確保安全和不污染環(huán)境。例如，當(dāng)采用冷芯盒制芯工藝時(shí)，對(duì)于硬化氣體中的二甲基乙胺、三乙胺、SO2等應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，經(jīng)過有效地吸收、凈化后，才可以排放入大氣。對(duì)于澆注、落砂等造成的煙氣和高粉塵空氣，也應(yīng)凈化后排放。 第二章 鑄造工藝方案的確定 第一節(jié) 零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性 1. 零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性 指的是零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)符合鑄造生產(chǎn)的要求，易于保證鑄件品質(zhì)，簡(jiǎn)化鑄造工藝過程和降低成本。 2. 考察零件結(jié)構(gòu)鑄造工藝性的依據(jù) 1. 避免缺陷方面 壁厚不能有急劇變化 設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)冷卻時(shí)使鑄件收縮受阻的形狀 鑄件應(yīng)避免設(shè)計(jì)成大的水平平面 設(shè)計(jì)鑄件窗口時(shí)不得削弱鑄件強(qiáng)度 鑄件不要設(shè)計(jì)成有清砂困難的形狀 設(shè)計(jì)需加工的鑄件時(shí)不要忘記設(shè)計(jì) 加工時(shí)的裝卡部位 設(shè)計(jì)有加工面的鑄件時(shí) 不要忽視盡量減少加工面積 簡(jiǎn)化鑄造工藝方面 設(shè)計(jì)重而大的鑄件時(shí) 不應(yīng)忘記在鑄件上設(shè)計(jì)吊運(yùn)措施 設(shè)計(jì)鑄件時(shí)，肋的布置不應(yīng)妨礙起模 設(shè)計(jì)鑄件內(nèi)腔肋時(shí)不得妨礙清砂 或削弱型芯強(qiáng)度 設(shè)計(jì)鑄件凸臺(tái)時(shí)不得妨礙起模和造型 設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)注意盡量不采用多個(gè)分型面 設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)盡量減少采用型芯 設(shè)計(jì)的鑄件應(yīng)盡量避免采用孤懸的型芯 設(shè)計(jì)的鑄件不應(yīng)引起型芯支撐不穩(wěn)定 材質(zhì)方面 灰鑄鐵的加強(qiáng)肋不應(yīng)設(shè)在受拉伸側(cè) 球墨鑄鐵件（缸體）結(jié)構(gòu)的合理與不合理 可鍛鑄鐵軸承座 銅合金三通閥閥體鑄件 第二節(jié) 造型、造芯方法的選擇 砂型鑄造的各種造型、造芯方法可參照以下原則選用： 1、優(yōu)先采用潮型 當(dāng)濕型不能滿足要求時(shí)再考慮使用表干砂型、干砂型或其它砂型。 在考慮應(yīng)用濕型時(shí)應(yīng)注意以下幾種情況： （1）鑄件過高，金屬靜壓力超過濕型的抗壓強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮使用干砂型或自硬砂型等。 要具體分析：如果鑄件壁薄，雖然鑄件很高大，但出現(xiàn)漲砂、粘砂、跑火的傾向小?？梢园汛讼拗七m當(dāng)放寬。因?yàn)樵跐沧⒔Y(jié)束前，金屬靜壓力尚未達(dá)到最高值時(shí)，鑄件下部表面上已凝結(jié)一層金屬殼。此外，采用優(yōu)質(zhì)鈉膨潤(rùn)土型砂或活化膨潤(rùn)土型砂，其砂型濕壓強(qiáng)度較高，為鑄造較高大的逐漸創(chuàng)造了條件。 （2）澆注位置上鑄件有較大水平壁時(shí)，用濕型容易引起夾砂缺陷，應(yīng)考慮使用其他砂型。 （3）造型過程長(zhǎng)或需長(zhǎng)時(shí)間等待澆注的砂型不宜用濕型。例如在鑄件復(fù)雜，砂芯多，下芯時(shí)間長(zhǎng)且鑄件尺寸大等條件下，濕型放置過久會(huì)風(fēng)干，使表面強(qiáng)度降低，易出現(xiàn)沖砂缺陷。因此濕型一般應(yīng)在當(dāng)天澆注。如需次日澆注，應(yīng)將造好的上下半型空合箱，防止水分散失，于次日澆注前開箱、下芯，再合箱澆注。更長(zhǎng)的過程應(yīng)考慮用其他砂型。 （4）型內(nèi)放置冷鐵較多時(shí)，應(yīng)避免使用濕型。如果濕型內(nèi)有泠鐵時(shí)，冷鐵應(yīng)事先預(yù)熱，放入型內(nèi)要及時(shí)合箱澆注，以免冷鐵變冷而凝結(jié)“水珠”，澆注后引起氣孔缺陷。 認(rèn)為濕型不可靠時(shí)，可考慮使用表干砂型，砂型只進(jìn)行表面烘干，根據(jù)鑄件大小及壁厚，烘干深度在15~18mm。它具有濕型的許多優(yōu)點(diǎn)，而在性能上卻比濕型好，減少了氣孔、沖砂、脹砂、夾砂的傾向。多用于手工或機(jī)器造型的中大件。 對(duì)于大型鑄件，可以應(yīng)用樹脂自硬砂型、水玻璃砂型以及粘土干砂型。用樹脂自硬砂可以獲得尺寸精確、表面光潔的鑄件，但成本較高。 2、造型、造芯方法應(yīng)和生產(chǎn)批量相適應(yīng) 大量生產(chǎn)的工廠應(yīng)創(chuàng)造條件采用技術(shù)先進(jìn)的造型、造芯方法。老式的震擊式或震壓式造型機(jī)生產(chǎn)線生產(chǎn)率不高，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，噪聲大，不適應(yīng)大量生產(chǎn)的要求，應(yīng)逐步加以改造。對(duì)于小型鑄件，可以采用水平分型或垂直分型的無箱高壓造型機(jī)生產(chǎn)線、實(shí)型造型線生產(chǎn)效率又高，占地面積也少；對(duì)于中件可選用各種有箱高壓造型機(jī)生產(chǎn)線、氣沖造型線。為了適應(yīng)快速、高精度造型生產(chǎn)線的要求，造芯方法可選用：冷芯盒、熱芯盒及殼芯等造芯方法。 中等批量的大型鑄件可以考慮用樹脂自硬砂造型和造芯、拋砂造型等。 單件小批量的重型鑄件，手工造型仍是重要的方法，手工造型能適應(yīng)各種復(fù)雜的要求，比較靈活，不要求很多工藝裝備?？梢詰?yīng)用水玻璃砂型、VRH法水玻璃砂型、有機(jī)酯水玻璃自硬砂型、粘土干砂、樹脂自硬砂型及水泥砂型等；對(duì)于單件生產(chǎn)的重型鑄件，采用地坑造型法成本低，投產(chǎn)快。批量生產(chǎn)或長(zhǎng)期生產(chǎn)的定型產(chǎn)品采用多箱造型、劈箱造型法比較適宜。雖然模具、砂箱等開始投資高，但可以從節(jié)約造型工時(shí)、提高產(chǎn)品質(zhì)量方面得到補(bǔ)償。 3、造型方法應(yīng)適合工廠條件 如有的工廠生產(chǎn)大型機(jī)床床身等鑄件，多采用組芯造型法。著重考慮設(shè)計(jì)、制造芯盒的通用化問題，不制作模樣和砂箱，在地坑中組芯；而另外的工廠則采用砂箱造型法，制作模樣。不同的工廠生產(chǎn)條件、生產(chǎn)習(xí)慣、所積累的經(jīng)驗(yàn)各不一樣。如果車間內(nèi)吊車的噸位小、烘干爐也小，而需要制作大件時(shí)，用組芯造型法是行之有效的。 每個(gè)鑄工車間只有很少的幾種造型、造芯方法，所選擇的方法應(yīng)切合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件。 4、要兼顧鑄件的精度要求和成本 各種造型、造芯方法所獲得的鑄件精度不同，初投資和生產(chǎn)率也不一致，最終的經(jīng)濟(jì)效益也有差異。因此，要做到多、快、好、省，就應(yīng)當(dāng)兼顧到各個(gè)方面。應(yīng)對(duì)所選用的造型方法進(jìn)行初步的成本估算，以確定經(jīng)濟(jì)效益高又能保證鑄件要求的造型、造芯方法。 第三節(jié) 澆注位置的確定 鑄件的澆注位置是指澆注時(shí)鑄件在型內(nèi)所處的狀態(tài)和位置。確定澆注位置是鑄造工藝設(shè)計(jì)中重要的一環(huán)，關(guān)系到鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、鑄件的尺寸精度及造型工藝過程的難易，因此往往須制訂出幾種方案加以分析、對(duì)比，擇優(yōu)選用。澆注位置與造型（合箱）位置、鑄件冷卻位置可以不同。生產(chǎn)中常以澆注時(shí)分型面是處于水平、垂直或傾斜位置，分別稱為水平澆注、垂直澆注或傾斜澆注，但這不代表鑄件的澆注位置的函義。 澆注位置一般于選擇造型方法之后確定。根據(jù)合金種類、鑄件結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求，結(jié)合選定的造型方法，先確定出鑄件上質(zhì)量要求高的部位（如重要加工面、受力較大的部位、承受壓力的部位等）。結(jié)合生產(chǎn)條件估計(jì)主要廢品傾向和容易發(fā)生缺陷的部位（如厚大部位容易出現(xiàn)收縮缺陷。大平面上容易產(chǎn)生夾砂結(jié)疤。薄壁部位容易發(fā)生澆不到、冷隔。薄厚相差懸殊的部位應(yīng)力集中，容易發(fā)生裂紋等）。這樣在確定澆注位置時(shí)，就應(yīng)使重要部位處于有利的狀態(tài)，并針對(duì)容易出現(xiàn)的缺陷，采取相應(yīng)的工藝措施予以防止。 應(yīng)指出，確定澆注位置在很大程度上著眼于控制鑄件的凝固。實(shí)現(xiàn)順序凝固的鑄件，可消除縮孔、縮松，保證獲得致密的鑄件。在這種條件下，澆注位置的確定應(yīng)有利于安放冒口；實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固的鑄件，內(nèi)應(yīng)力小，變形小，金相組織比較均勻一致，不用或很少采用冒口，節(jié)約金屬，減小熱裂傾向。鑄件內(nèi)部可能有縮孔或軸線縮松存在。因此多應(yīng)用于薄壁鑄件或內(nèi)部出現(xiàn)輕微軸線縮松不影響使用的情況下。這時(shí)，如果鑄件有局部肥厚部位，可置于澆注位置的底部，利用冷鐵或其它激冷措施，實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固?；诣T鐵、球墨鑄鐵件常利用凝固階段的共晶體積膨脹來消除收縮缺陷，因此，可不遵守順序凝固條件而獲得健全鑄件。 根據(jù)對(duì)合金凝固理論的研究和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定澆注位置時(shí)應(yīng)考慮以下原則： 1、鑄件的重要部位應(yīng)盡量置于下部 鑄件下部金屬在上部金屬的靜壓力下凝固并得到補(bǔ)縮，組織致密。 2、重要加工面應(yīng)朝下或呈直立狀態(tài) 經(jīng)驗(yàn)表明，氣孔、非金屬夾雜物等缺陷多出現(xiàn)在朝上的表面，而朝下的表面或側(cè)立面通常比較光潔，出現(xiàn)缺陷的可能性小。個(gè)別加工表面必須朝上時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放大加工余量，以保證加工后不出現(xiàn)缺陷。 各種機(jī)床床身的導(dǎo)軌面是關(guān)鍵表面，不允許有砂眼、氣孔、渣孔、裂紋和縮松等缺陷，而且要求組織致密、均勻，以保證硬度值在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，盡管導(dǎo)軌面比較肥厚，對(duì)于灰鑄鐵件而言，床身的最佳澆注位置是導(dǎo)軌面朝下。缸筒和卷筒等圓筒形鑄件的重要表面是內(nèi)、外圓柱面，要求加工后金相組織均勻、無缺陷，其最優(yōu)澆注位置應(yīng)是內(nèi)、外圓柱面呈直立狀態(tài)。 3、使鑄件的大平面位置朝下，避免夾砂結(jié)疤類缺陷 對(duì)于大的平板類鑄件，可采用傾斜澆注，以便增大金屬液面的上升速度，防止夾砂結(jié)疤類缺陷。傾斜澆注時(shí)，依砂箱大小，H值一般控制在200~400mm范圍內(nèi)。 4、應(yīng)保證鑄件能充滿 對(duì)具有薄壁部分的鑄件，應(yīng)把薄壁部分放在下半部或置于內(nèi)澆道以下，以免出現(xiàn)澆不到、冷隔等缺陷。 5、應(yīng)有利于鑄件的補(bǔ)縮 對(duì)于因合金體收縮大或鑄件結(jié)構(gòu)上厚薄不均勻而易于出現(xiàn)縮孔、縮松的鑄件，澆注位置的選擇應(yīng)優(yōu)先考慮實(shí)現(xiàn)順序凝固的條件，要便于安放冒口和發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用。雙排鏈輪鑄鋼件的正確澆注位置如圖所示。 6、避免用吊砂、吊芯或懸臂式砂芯，便于下芯、合箱及檢驗(yàn) 經(jīng)驗(yàn)表明，吊砂在合箱、澆注時(shí)容易塌箱。向上半型上安放吊芯很不方便。懸臂砂芯不穩(wěn)固，在金屬浮力作用下易偏斜，故應(yīng)盡力避免。此外，要照顧到下芯、合箱和檢驗(yàn)的方便。 7、應(yīng)使合箱位置、澆注位置和鑄件冷卻位置一致 這樣可以避免在合箱后，或于澆注后再次翻轉(zhuǎn)鑄型。翻轉(zhuǎn)鑄型不僅勞動(dòng)量大，而且易引起砂芯移動(dòng)、掉砂、甚至跑火等缺陷。 只在個(gè)別情況下，如單件、小批量生產(chǎn)較大的球墨鑄鐵曲軸時(shí)，為了造型方便和加強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮效果，常采用橫澆豎冷方案。于澆注后將鑄型豎起來，讓冒口在最上端進(jìn)行補(bǔ)縮。當(dāng)澆注位置和冷卻位置不一致時(shí)，應(yīng)在鑄造工藝圖上注明。 此外，應(yīng)注意澆注位置、冷卻位置與生產(chǎn)批量密切相關(guān)。同一個(gè)鑄件，例如球鐵曲軸，在單件小批生產(chǎn)的條件下，采用橫澆豎冷是合理的。而當(dāng)大批大量生產(chǎn)時(shí)，則應(yīng)采用造型、合箱、澆注和冷卻位置一致的臥澆、臥冷方案。 第四節(jié) 分型面的選擇 分型面（parting plan） 是指兩半型相互接觸的表面。 除了地面軟床造型、明澆的小件、實(shí)型鑄造法及熔模鑄造以外，都要選擇分型面。 分型面的選擇原則 1.應(yīng)使鑄件全部或大部置于同一半型內(nèi) 分型面主要是為了取出模樣而設(shè)置的，但對(duì)鑄件精度會(huì)造成損害。 1） 箱對(duì)準(zhǔn)時(shí)的誤差會(huì)使鑄件產(chǎn)生錯(cuò)偏 2） 箱不嚴(yán)，會(huì)使鑄件在垂直分型面方向上的尺寸增加因此，為了保證鑄件精度，如果做不到上述要求，也應(yīng)盡可能把鑄件的加工面和加工基準(zhǔn)面放在同一半型內(nèi)。 2.應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)目 分型面少，鑄件精度就容易保證，且砂箱數(shù)目少。但這不是絕對(duì)的。 3.機(jī)器造型的中小件，一般只允許有一個(gè)分型面，以便充分發(fā)揮造型機(jī)的生產(chǎn)率，凡不能出砂的部位均采用砂芯，而不允許用活塊或多分型面。 但在下列情況下，往往采用多分型面的劈箱造型 1）鑄件高大而復(fù)雜，采用單分型面會(huì)使模樣很高，起模斜度會(huì)使鑄件形狀有較大的改變 2）砂箱很深，造型不方便 3）砂芯多而型腔深且窄，下芯困難 我們選擇分型面時(shí)總的原則是應(yīng)該盡量減少分型面，但針對(duì)具體條件，有時(shí)采用多分型面也是有利的。如右圖所示： 4.分型面應(yīng)盡量選用平面 平直的分型面可簡(jiǎn)化造型過程和模底板的制造，易于保證鑄件精度，在機(jī)器造型中，如鑄件形狀必須采用不平分型面，應(yīng)盡量選用規(guī)則的曲面，如圓柱面或折面。因?yàn)橹挥猩稀⑾履５装灞砻媲染_一致時(shí)才能合箱嚴(yán)密，不規(guī)則曲面會(huì)給模底板的加工帶來困難。 規(guī)則曲面分型面 手工造型時(shí)，曲面分型面是用手工切挖型砂來實(shí)現(xiàn)的，只是增加了切挖的步驟，卻減少了砂芯的的數(shù)目。因此，手工造型中有時(shí)采用挖砂造型形成的不平分型面。 4. 應(yīng)便于下芯、合箱和檢查型腔尺寸 在手工造型時(shí)，模樣及芯盒尺寸精度不高，在下芯、合箱時(shí)，造型工需要檢查型腔尺寸，并調(diào)整砂芯位置，才能保證壁厚均勻。為此，應(yīng)盡量把主要砂芯放在下半型中。下圖的減速器箱蓋的手工造型工藝方案采用兩個(gè)分型面，目的就是便于合箱時(shí)檢查尺寸。 5. 不使砂箱過高 分型面通常選在鑄件最大截面上，以使砂箱不至于過高。因?yàn)樯跋涓?，?huì)使造型困難，填砂、緊實(shí)、起模、下芯都不方便。幾乎所有的造型機(jī)都對(duì)砂箱高度有限制。手工鑄造大型鑄件時(shí)，一般選用多分型面，即用多箱造型以控制每節(jié)砂箱的高度，使其不致過高。 6. 受力件的分型面的選擇不應(yīng)削弱鑄件 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 7. 注意減輕鑄件清理和機(jī)械加工量 以上簡(jiǎn)要介紹了選擇分型面的原則，這些原則有的相互矛盾和制約。一個(gè)鑄件應(yīng)以哪幾項(xiàng)原則為主來選擇分型面，這需要進(jìn)行多個(gè)方案的對(duì)比，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)作出正確的判斷，最后選出最佳方案，付諸實(shí)施。 第三章 砂芯設(shè)計(jì)及鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù) 第一節(jié) 砂芯設(shè)計(jì) 1. 砂芯的功用 形成鑄件的內(nèi)腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位 砂型局部要求特殊性能的部分，有時(shí)也用砂芯 2. 砂芯應(yīng)滿足以下要求 具有足夠的強(qiáng)度和剛度 在鑄件形成過程中砂芯所產(chǎn)生的氣體能及時(shí)排出型外 鑄件收縮時(shí)阻力小，容易清砂 一、確定砂芯形狀（分塊）幾分盒面選擇的基本原則 總原則 使造芯到下芯的整個(gè)過程方便 不致造成氣孔等缺陷 鑄件內(nèi)腔尺寸精確 使芯盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 （一）保證鑄件內(nèi)腔尺寸精確 凡是鑄件內(nèi)腔尺寸要求較嚴(yán)的部分應(yīng)由同一半砂芯形成，避免被分盒面所分割，更不宜化分為幾個(gè)砂芯。但手工造型中大的砂芯，為保證某一部位精度，有時(shí)需將砂芯分塊。 （二）保證操作方便 復(fù)雜的大砂芯、細(xì)而長(zhǎng)的砂芯可分為幾個(gè)小而簡(jiǎn)單砂芯。細(xì)而長(zhǎng)的砂芯易變形，應(yīng)分成數(shù)段，并設(shè)法使芯盒通用。在劃分砂芯時(shí)要防止液體金屬鉆入砂芯分割面的縫隙，堵塞砂芯通氣道。 （三）保證鑄件壁厚均勻 使砂芯的起模斜度和模樣的起模斜度大小、方向一致，保證鑄件壁厚均勻 （四）應(yīng)盡量減少砂芯數(shù)目 用砂胎（自帶砂芯）或吊砂可減少砂芯，右圖為12VB柴油機(jī)曲軸定位套的機(jī)器造型方案。 在手工造型時(shí)，遇到難于出模的地方，一般盡量用模樣“活塊”，即用“活塊”取代砂芯。這樣雖然增加了造型工時(shí)，但卻節(jié)省了芯盒、制芯工時(shí)及費(fèi)用 （五）填砂面應(yīng)寬敞，烘干支撐面是平面 為此，需要進(jìn)爐烘干的大砂芯，常被沿最大截面切分為兩半制作。 （六）砂芯形狀適應(yīng)造型、制芯方法 高速造型線限制下芯時(shí)間，對(duì)一型多鑄的小鑄件，不允許逐個(gè)下芯，因此，劃分砂芯形狀時(shí)，常把幾個(gè)到十幾個(gè)小砂芯連成一個(gè)大砂芯，以便節(jié)約下芯、制芯時(shí)間，以適應(yīng)機(jī)器造型節(jié)拍的要求。 對(duì)殼芯、熱芯和冷芯盒砂芯要從便于射緊砂芯方面來考慮改進(jìn)砂芯形狀。 除上述的原則外，還應(yīng)使沒塊砂芯有足夠的斷面，保證有一定的強(qiáng)度和剛度，并能順利排出砂芯中的氣體；使芯盒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造和使用等。 二、芯頭設(shè)計(jì) 芯頭： 伸出鑄件以外不與金屬接觸的砂芯部分。 對(duì)芯頭的要求 定位和固定砂芯，使砂芯在鑄造中有準(zhǔn)確的位 置，并能承受砂芯重力及澆注時(shí)液體金屬對(duì)砂芯的浮力，使之不破壞 芯頭應(yīng)能及時(shí)排出澆注后砂芯所產(chǎn)生的氣體至型外 上下芯頭及芯號(hào)容易識(shí)別，不致下錯(cuò)方向或芯號(hào) 下芯、合型方便，芯頭應(yīng)有適當(dāng)斜度和間隙 芯頭可分為垂直芯頭和水平芯頭 （包括懸臂式芯頭）兩大類 （一）芯頭的組成 典型的芯頭的結(jié)構(gòu)如右圖所示。 包括：芯頭長(zhǎng)度、斜度、間隙、壓環(huán)、防壓環(huán)和積砂槽等結(jié)構(gòu) 1、芯頭長(zhǎng)度 砂芯伸入鑄型部分的長(zhǎng)度 2、芯頭斜度 對(duì)垂直芯頭，上、下芯頭都應(yīng)設(shè)有斜度 3、芯頭間隙 為了下芯方便，通常在芯頭和信座之間留有間隙 4、壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽 壓環(huán)的作用 合箱后它能把砂芯壓緊，避免金屬液沿間隙鉆入芯頭 防壓環(huán)的作用 下芯、合箱時(shí)，它可防止此處砂型被壓塌，因而可以防止掉砂 集砂槽的作用 用來存放個(gè)別的散落砂粒，這樣就可以加快下芯速度 （二）芯頭承壓面積的核算 由于砂芯的強(qiáng)度通常都大于鑄型的強(qiáng)度，故只核算鑄型的許用壓應(yīng)力即可。如果實(shí)際承壓面積不能滿足上式要求，則說明芯頭尺寸過小，應(yīng)適當(dāng)放大芯頭。若受砂箱等條件限制，不能增加芯頭尺寸，可采用提高芯座抗壓強(qiáng)度（許用壓應(yīng)力）的方法，如在芯座部分附加砂芯、鐵片、耐火磚等。在許可的情況下，附加芯撐，也等于增加了承壓面積。 （三）特殊定位芯頭 有的砂芯有特殊的定位要求，如防止砂芯在型內(nèi)繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，不許可軸向位移偏差過大或下芯時(shí)搞錯(cuò)方位，這時(shí)就應(yīng)采用特殊定位芯頭。 第二節(jié) 鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù) 鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù)（簡(jiǎn)稱工藝參數(shù)） 通常是指鑄造工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要確定的某些數(shù)據(jù)，這些工藝數(shù)據(jù)一般都與模樣及芯盒尺寸有關(guān)，即與鑄件的精度有密切關(guān)系，同時(shí)也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過程有關(guān)。 鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù)主要有： 1. 鑄件尺寸公差 2. 鑄件重量公差 3. 機(jī)械加工余量 4. 鑄造收縮率 5. 起模斜度 6. 最小鑄出孔及槽 7. 工藝補(bǔ)正量 8. 分型負(fù)數(shù) 9. 反變形量 10. 砂芯負(fù)數(shù) 11. 非加工壁厚的負(fù)余量 12. 分芯負(fù)數(shù) 一、鑄件的尺寸公差 指鑄件各部分尺寸允許的極限偏差 一種鑄造方法得到的尺寸精度如何，與生產(chǎn)過程的 許多因素有關(guān)，其中包括： 1. 鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 2. 模具的類型和精度 3. 鑄件材質(zhì)的種類和成分 4. 造型材料的種類和品質(zhì) 5. 技術(shù)和操作水平 可以通過以下措施來提高公差等級(jí)： 1. 對(duì)設(shè)備和工裝進(jìn)行改進(jìn)、調(diào)整和維修 2. 嚴(yán)格工藝過程的管理 3. 提高操作水平 鑄件基本尺寸即鑄件圖上給定的尺寸，應(yīng)包括機(jī)械加工余量。 公差帶應(yīng)對(duì)稱分布，有特殊要求時(shí)，也可非對(duì)稱分布，并應(yīng)在圖樣上注明或技術(shù)文件中規(guī)定。 壁厚尺寸公差一般可降低一級(jí) 二、鑄件重量公差 以占鑄件公稱質(zhì)量的百分率為單位的鑄件質(zhì)量變動(dòng)的允許值。 GB/T11351－89規(guī)定了鑄件質(zhì)量公差的數(shù)值、確定方法及檢驗(yàn)規(guī)則，與GB6414－86《鑄件尺寸公差》配套使用。 質(zhì)量公差代號(hào)用字母“MT”（Mass Tolerances的縮寫）表示。 質(zhì)量公差等級(jí)和尺寸公差等級(jí)相對(duì)應(yīng)，由精到粗也分為16級(jí)，從MT1～MT16。 三、機(jī)械加工余量 為保證鑄件加工面尺寸和零件精度，應(yīng)有加工余量，即在鑄件工藝設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先增加的，而后在機(jī)械加工是又被切去的金屬層厚度，簡(jiǎn)稱加工余量。 加工余量過大，浪費(fèi)金屬和加工工時(shí) 過小，降低刀具壽命，不能完全去除鑄件表面缺陷，缺陷甚至露出鑄件表皮，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。 影響加工余量的主要因素有： 1. 鑄造合金種類 2. 鑄造工藝方法 3. 生產(chǎn)批量 4. 設(shè)備及工裝的水平 5. 加工表面所處的澆注位置（頂、底、側(cè)面） 6. 鑄件基本尺寸的大小和結(jié)構(gòu) 四、鑄造收縮率 鑄造收縮率K的定義是 鑄造收縮率的影響因素： 合金的種類及成分 鑄件冷卻、收縮時(shí)受到的阻力的大小 冷卻條件的差異等 因此，要十分準(zhǔn)確地給出鑄造收縮率是很困難的 如何正確地選擇鑄造收縮率： 對(duì)于大量生產(chǎn)的鑄件，一般應(yīng)在試生產(chǎn)過程中，對(duì)鑄件多次劃線，測(cè)定鑄件各部分的實(shí)際收縮率，反復(fù)修改木模，直至鑄件尺寸符合鑄件圖樣要求。然后再以實(shí)際鑄造收縮率設(shè)計(jì)制造金屬模 對(duì)于單件、小批量生產(chǎn)的大型鑄件，鑄造收縮率的選取必須有豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)要結(jié)合使用工藝補(bǔ)正量，適當(dāng)放大加工余量等措施來保證鑄件尺寸達(dá)到合格 五、起模斜度 為了方便起模，在模樣、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免損壞砂型或砂芯。這個(gè)斜度，稱為起模斜度。 起模斜度應(yīng)在鑄件上沒有結(jié)構(gòu)斜度的、垂直于分型面（分盒面）的表面上應(yīng)用其大小應(yīng)依模樣的起模高度、表面粗糙度以及造型（芯）方法而定。 使用起模斜度時(shí)應(yīng)注意： 起模斜度應(yīng)小于或等于產(chǎn)品圖上所規(guī)定的起模斜度值，以防止零件在裝配或工作中與其它零件相妨礙 盡量使鑄件內(nèi)、外壁的模樣和芯盒斜度取值相同，方向一致，以使鑄件壁厚均勻 在非加工面上留起模斜度時(shí)，要注意與相配零件的外形一致，保持整臺(tái)機(jī)器的美觀 同一鑄件的的起模斜度應(yīng)盡可能只選用一種或兩種斜度，以免加工金屬模時(shí)頻繁地更換刀。 六、最小鑄出孔及槽 零件上的孔、槽、臺(tái)階等，是鑄出來好，還是機(jī)械加工出來好？ 這應(yīng)從品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)角度等方面全面考慮。 一般說來： 較大的孔、槽等應(yīng)鑄出來，以便節(jié)約金屬和加工工時(shí)，同時(shí)還可以避免鑄件局部過厚所造成的熱節(jié)，提高鑄件質(zhì)量。孔、槽比較小，或者鑄件壁很厚，則不宜鑄出孔，直接依靠加工反而更方便。有特殊要求的孔，如彎曲孔，無法實(shí)行機(jī)械加工，則一定要鑄出?？捎勉@頭加工的受制孔（有中心線位置精度要求）最好不鑄出，鑄出后很難保證鑄孔中心位置準(zhǔn)確，再用鉆頭擴(kuò)孔也無法糾正中心位置。 七、工藝補(bǔ)正量 在單件、小批量生產(chǎn)中，由于選用的收縮率與鑄件的實(shí)際收縮率不符，或由于鑄件產(chǎn)生了變形、操作中的不可避免的誤差（如工藝上允許的錯(cuò)型偏差、偏芯誤差）等原因，使得加工后的鑄件某些部分的厚度小于圖樣要求尺寸，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因強(qiáng)度太弱而報(bào)廢。 因工藝需要在鑄件相應(yīng)非加工面上增加的金屬層厚度稱為工藝補(bǔ)正量。 工藝補(bǔ)正量可粗略地按下述經(jīng)驗(yàn)公式來確定 八、分型負(fù)數(shù) 干砂型、表面烘干型以及尺寸很大的濕型，分型面由于烘烤、修整等原因一般都不很平整，上下型接觸面很不嚴(yán)密。為了防止?jié)沧r(shí)跑火，合箱前需要在分型面之間墊以石棉繩、泥條或油灰條等，這樣在分型面處明顯地增大了鑄件的尺寸。為了保證鑄件尺寸精確，在擬定工藝時(shí)，為抵消鑄件在分型面部位的增厚（垂直于分型面的方向），在模樣上相應(yīng)減去的尺寸,稱為分型負(fù)數(shù) 分型負(fù)數(shù)的大小和砂箱尺寸、鑄件大小有關(guān) 一般大件，起模后分型面容易損壞，修型烘干后變形量大，所以合型時(shí)墊的石棉繩等也厚度大些，故分型負(fù)數(shù)也應(yīng)增大此外，還和工廠習(xí)慣，墊用材料有關(guān)。一般在0.5～6mm之間干砂型、表面烘干型、自硬砂型以及砂箱尺寸超過2m以上的濕型才應(yīng)用分型負(fù)數(shù)。濕型分型負(fù)數(shù)一般較小 九、反變形量 鑄造較大的平板類、床身類鑄件時(shí)，由于冷卻速度的不均勻性，鑄件冷卻后常出現(xiàn)變形。為了解決撓曲變形問題，在制造模洋時(shí)，按鑄件可能產(chǎn)生變形的相反方向作出反變形模樣，使鑄件冷卻后變形的結(jié)果正好將反變形抵消，得到符合設(shè)計(jì)要求的鑄件。 這種在模樣上作出的預(yù)變形量稱為反變形量（又稱反撓度、反彎勢(shì)、假曲率） 影響反變形量的因素: 十、砂芯負(fù)數(shù)（砂芯減量） 大型粘土砂芯在舂砂過程中砂芯向四周漲開，刷涂料以及在烘干過程中發(fā)生的變形，使砂芯四周尺寸增加。為了保證鑄件尺寸準(zhǔn)確，將芯盒的長(zhǎng)、寬尺寸減去一定量，這個(gè)被減去的尺寸稱為砂芯負(fù)數(shù)。 砂芯負(fù)數(shù)只應(yīng)用于大型粘土砂芯，其數(shù)值依工廠實(shí)際經(jīng)驗(yàn)確定 流態(tài)砂芯、自硬砂芯、殼芯、熱芯盒砂芯及小的粘土砂芯均不采用砂芯負(fù)數(shù)。 十一、非加工壁厚的負(fù)余量 在手工粘土砂造型、制芯過程中，為了取出木模（如芯盒中的肋板），要進(jìn)行敲模，木模受潮時(shí)將發(fā)生膨脹，這些情況均會(huì)使型腔尺寸擴(kuò)大，從而造成非加工壁厚的增加，使鑄件尺寸和重量超過公差要求。為了保證鑄件尺寸的準(zhǔn)確性，凡形成非加工壁厚的木?；蛐竞袃?nèi)的肋板厚度尺寸應(yīng)該減小，即小于圖樣尺寸。所減小的厚度尺寸稱為非加工壁厚的負(fù)余量 十二、分芯負(fù)數(shù) 對(duì)于分段制造的長(zhǎng)砂芯或分開制造的大砂芯，在接縫處應(yīng)留出分芯間隙量，即在砂芯的分開面處，將砂芯尺寸減去間隙尺寸，被減去的尺寸，稱為分芯負(fù)數(shù)。 分芯負(fù)數(shù)是為了砂芯的拼合及下芯方便而采用的。不留分芯負(fù)數(shù)，就必須用手工磨出間隙量，這將延長(zhǎng)工時(shí)并惡化勞動(dòng)條件。分芯負(fù)數(shù)可以留在相鄰的兩個(gè)砂芯上，每個(gè)砂芯各留一半；也可留在指定的一側(cè)的砂芯上。根據(jù)砂芯接合面的大小一般留1～3mm。分芯負(fù)數(shù)多用于手工造芯的大砂芯。 第四章 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一節(jié) 液態(tài)金屬在澆注系統(tǒng)基本組元中的流動(dòng) 1. 型壁的多孔性、透氣性和合金液的不相潤(rùn)濕性，給合金液的運(yùn)動(dòng)以特殊邊界條件 2. 在充型過程中，合金液和鑄型之間有著激烈的熱作用、機(jī)械作用和化學(xué)作用 3. 澆注過程是不穩(wěn)定流動(dòng)過程 1. 在型內(nèi)合金液淹沒了內(nèi)澆道之后，隨著合金液面上升，充型的有效壓力頭漸漸變小 2. 型腔內(nèi)氣體的壓力并非恒定 3. 澆注操作不可能保持澆口杯內(nèi)液面的絕對(duì)穩(wěn)定 4. 合金液在澆注系統(tǒng)中一般呈紊流狀態(tài) 5. 多相流動(dòng) 一般合金液總含有某些少量固相雜質(zhì)、液相夾雜和氣泡，在充型過程中還可能析出晶粒及氣體，故充型時(shí)合金液屬于多相流動(dòng) 二、澆口杯（pouring cup）中的流動(dòng) 三、直澆道中的流動(dòng) 直澆道的功用 直澆道的形狀 金屬液在直澆道中的流動(dòng)的特點(diǎn) 盡管非充滿的直澆道有帶氣的缺點(diǎn)，但在特定條件下也會(huì)采用 如階梯式澆注系統(tǒng)中為了實(shí)現(xiàn)自下而上地逐層引入金屬的目的而采用 又如用底注包澆注的條件下，為了防止鋼液溢至型外而使用非充滿態(tài)的直澆道 四、直澆道窩 金屬液對(duì)直澆道底部有強(qiáng)烈的沖擊作用，并產(chǎn)生渦流和高度紊流區(qū)， 常引起沖砂、渣孔和大量氧化夾雜物等鑄造缺陷。設(shè)直澆道窩（凹井） 可改善金屬液的流動(dòng)狀況。 直澆道窩的作用 直澆道窩形狀 五、橫澆道中金屬的流動(dòng) 橫澆道的功用 向內(nèi)澆道分配潔凈的金屬液 儲(chǔ)留最初澆入的含氣量和渣污的低溫金屬液并阻留渣滓 使金屬液流平穩(wěn)和減少產(chǎn)生氧化夾渣物 橫澆道的阻渣原理 橫澆道發(fā)揮阻渣作用應(yīng)具備的條件 橫澆道應(yīng)成充滿流態(tài)，即滿足充滿的條件 流速應(yīng)盡可能低 內(nèi)澆道的位置關(guān)系要正確 強(qiáng)化橫澆道阻渣的措施 六、金屬液在內(nèi)澆道中的流動(dòng) 內(nèi)澆道的功用 控制充型速度和方向，分配金屬，調(diào)節(jié)鑄件各部位的溫度和凝固順序，澆注系統(tǒng)的金屬液通過內(nèi)澆道對(duì)鑄件有一定補(bǔ)縮作用。設(shè)計(jì)內(nèi)澆道時(shí)還應(yīng)避免流入型腔時(shí)的噴射現(xiàn)象和飛濺，使充型平穩(wěn)。 澆口比的影響 直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道截面積之比（即S直:S橫:S內(nèi)）稱為澆口比（gating ratio） 以內(nèi)澆道為阻流時(shí)，金屬液流入型腔時(shí)噴射嚴(yán)重 以直澆道下端或附近的橫澆道為阻流時(shí)，充型較平穩(wěn)，S內(nèi)/S阻比值越大則越平穩(wěn) 內(nèi)澆道流量的不均勻性 同一橫澆道上由多個(gè)等截面的內(nèi)澆道時(shí)， 各內(nèi)澆道的流量不等，試驗(yàn)表明： 一般條件下，遠(yuǎn)離直澆道的內(nèi)澆道流量大，且先進(jìn)入金屬。近直澆道的流量小，且后進(jìn)入金屬。 （澆注初期，進(jìn)入橫澆道的金屬液流向末端時(shí)失去動(dòng)能而使壓力升高，金屬液首先在末端充滿并形成末端壓力高而靠近直澆道壓力低的態(tài)勢(shì)，故而形成這種流量分布；但當(dāng)總壓頭小而橫澆道很長(zhǎng)時(shí)，沿程阻力大，也會(huì)出現(xiàn)近直澆道處壓力高的情況，這時(shí)近處的內(nèi)澆道流量大） 內(nèi)澆道的基本設(shè)計(jì)原則 內(nèi)澆道在鑄件上的位置和數(shù)目應(yīng)服從所選定的凝固順序 或補(bǔ)縮方法 方向不要沖著細(xì)小砂芯、型壁、冷鐵和芯撐，必要時(shí) 采用切線引入 內(nèi)澆道應(yīng)盡量薄，薄的內(nèi)澆道的好處是 降低內(nèi)澆道的吸動(dòng)區(qū)，有利于橫澆道阻渣 降低初期進(jìn)入渣的可能性 減輕清理工作量 內(nèi)澆道薄于鑄件的壁厚，在去除澆道時(shí)不易損害鑄件 對(duì)鑄鐵件，薄的內(nèi)澆道能充分利用鑄件本身的石墨化 膨脹獲得緊實(shí)的鑄件 對(duì)薄壁鑄件可用多內(nèi)澆道的澆注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮，這時(shí) 內(nèi)澆道尺寸應(yīng)符合冒口頸的要求 第二節(jié) 澆注系統(tǒng)的基本類型及選擇 一、澆注系統(tǒng)的充滿理論 澆注系統(tǒng)的充滿理論 橫澆道充滿條件的公式 二、封閉、開放式澆注系統(tǒng) 封閉式澆注系統(tǒng) 封閉式澆注系統(tǒng)可理解為正常澆注條件下，所有組元能被金屬液充滿的澆注系統(tǒng)，也稱為充滿式澆注系統(tǒng)。（因全部截面上的金屬液壓力均高于型壁氣體壓力，故是有壓或正壓系統(tǒng)） 優(yōu)點(diǎn) 封閉式澆注系統(tǒng)有較好的阻渣能力，可防止金屬液卷入氣體，消耗金屬少，清理方便 缺點(diǎn) 進(jìn)入型腔的金屬液流速度高，易產(chǎn)生噴濺和沖砂，使金屬氧化，使型內(nèi)金屬液發(fā)生擾動(dòng)、渦流和不平靜 因此，主要應(yīng)用于不易氧化的各種鑄鐵件。對(duì)于容易氧化的輕合金鑄件、采用漏包澆注的鑄鋼件和高大的鑄鐵件，均不宜使用 開放式澆注系統(tǒng) 在正常澆注條件下，金屬液不能充滿所有組元的澆注系統(tǒng)，又稱為非充滿式或非壓力式澆注系統(tǒng)。 完全開放式澆注系統(tǒng)在內(nèi)澆道被淹沒之前，各組元均呈非充滿流態(tài)，幾乎不能阻渣而且會(huì)帶入大量氣體。因此，使用轉(zhuǎn)包澆注的鑄鐵件上不宜應(yīng)用這種澆注系統(tǒng)。 主要優(yōu)點(diǎn) 進(jìn)入型腔時(shí)金屬液流速度小，充型平穩(wěn)，沖刷力小，金屬氧化輕。適用于輕合金鑄件、球鐵件等漏包澆注的鑄鋼件也宜采用開放式澆注系統(tǒng)，但直澆道不能成充滿態(tài)，以防鋼水外溢，造成事故。 主要缺點(diǎn) 阻渣效果稍差，內(nèi)澆道較大，金屬消耗略多 三、按內(nèi)澆道在鑄件上的位置分類 頂注式澆注系統(tǒng) 優(yōu)點(diǎn): 容易充滿，可減少薄壁件澆不到、冷隔方面的缺陷 充型后上部溫度高于底部，有利于鑄件自下而上 的順序凝固和冒口的補(bǔ)縮 冒口尺寸小，節(jié)約金屬 內(nèi)澆道附近受熱較輕 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于清除 缺點(diǎn): 易造成沖砂缺陷金屬液下落過程中接觸空氣，出現(xiàn)飛濺、氧化、 卷入空氣等現(xiàn)象，使充型不平穩(wěn) 易產(chǎn)生砂孔、鐵豆、氣孔和氧化夾雜物缺陷 大部分澆注時(shí)間，內(nèi)澆道工作在非淹沒狀態(tài)， 橫澆道阻渣條件相對(duì)較差 底注式澆注系統(tǒng) 為了克服這些缺點(diǎn)，采用快澆和分散的多內(nèi)澆道，大的S內(nèi)/S阻比值，使用冷鐵和安放冒口或用高溫金屬補(bǔ)澆冒口等措施，?？墒盏綕M意的結(jié)果 中間注入式澆注系統(tǒng) 從鑄件中間某一高度面上開設(shè)內(nèi)澆道的稱為中間注入式澆注系統(tǒng) 對(duì)內(nèi)澆道以下的型腔部分為頂注式；對(duì)內(nèi)澆道以上的型腔部分相當(dāng)于底注式。故它兼有頂注式和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。由于內(nèi)澆道在分型面上開設(shè)，故極為方便，廣為應(yīng)用。適用于高度不大的中等壁厚的鑄件。 階梯式澆注系統(tǒng) 在鑄件不同高度上開設(shè)多層內(nèi)澆道的稱為階梯式澆注系統(tǒng) 階梯式澆注系統(tǒng)適用于高度大的中、大型鑄件。具有垂直分型面的中大件可優(yōu)先采用 第三節(jié) 計(jì)算阻流截面的水力學(xué)公式 一、奧贊公式 把澆注系統(tǒng)視為充滿流動(dòng)金屬液的管道，是用水力學(xué)原理計(jì)算澆注系統(tǒng)阻流（最小截面積）的基礎(chǔ)，所導(dǎo)出的公式適用于轉(zhuǎn)包澆注的封閉式澆注系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的解法中假定: 1) 金屬液從澆口杯頂液面至流出阻流所作的功，可用 總質(zhì)量m、重力加速度g和平均計(jì)算壓力頭Hp的連 乘積來表示，即等于mgHp 2) 假定鑄件（型腔）的橫截面積S沿高度方向不變 二、澆注時(shí)間 快澆、慢澆 澆注時(shí)間對(duì)鑄件質(zhì)量有重要影響，應(yīng)考慮鑄件結(jié)構(gòu)、合金和鑄型等方面的特點(diǎn)來選擇快澆、慢澆或正常澆注為好 合適的澆注時(shí)間的確定 快澆的優(yōu)點(diǎn): 金屬的溫度和流動(dòng)性降低幅度小，易充滿型腔。減小皮下氣孔傾向。充型期間對(duì)砂型上表面的熱作用時(shí)間短，可減少夾砂結(jié)疤類缺陷。 對(duì)灰鑄鐵、球墨鑄鐵件，快澆可以充分利用共晶膨脹消除縮孔縮松缺陷。 快澆的缺點(diǎn)： 對(duì)型壁有較大的沖擊作用，容易造成漲砂、沖砂、抬箱等缺陷。澆注系統(tǒng)的重量稍大，工藝出品率略低。 薄壁的復(fù)雜鑄件、鑄型上半部分有薄壁的鑄件，具有大平面的鑄件，鑄件表皮易生成氧化膜的合金鑄件，采用底注式澆注系統(tǒng) 而鑄件頂部又有冒口的條件下和各種中大型灰鑄鐵件、球墨鑄鐵件。 慢澆的優(yōu)點(diǎn) 金屬對(duì)型壁的沖刷作用輕；可防止?jié)q砂、抬箱、沖砂等缺陷。有利型內(nèi)、芯內(nèi)氣體的排除。對(duì)體收縮大的合金，當(dāng)采用頂注法或內(nèi)澆道通過冒口時(shí)， 慢澆可減小冒口。澆注系統(tǒng)消耗金屬少。 慢澆的缺點(diǎn) 澆注期間金屬對(duì)型腔上表面烘烤時(shí)間長(zhǎng)，促成夾砂結(jié)疤和粘砂類缺陷。金屬液溫度和流動(dòng)性降低幅度大，易出現(xiàn)冷隔、澆不到及鑄件表皮皺紋。 慢澆還常降低造型流水線的生產(chǎn)率。 慢澆法適用于 有高的砂胎或吊砂的濕型；型內(nèi)砂芯多，砂芯大而芯頭小或砂芯排氣條件差的情況下；采用頂注法的體收縮大的合金鑄件。 合適的澆注時(shí)間與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型工藝條件、合金種類及選用的澆注系統(tǒng)類型等有關(guān)。每種鑄件，在已確定的鑄造工藝條件下， 都對(duì)應(yīng)有適宜的澆注時(shí)間范圍。由于近年來普遍認(rèn)識(shí)到快澆對(duì)鑄件的益處，因此澆注時(shí)間比過去普遍縮短，特別是灰鑄鐵和球墨鑄鐵件更是如此。 液在型內(nèi)的上升速度 經(jīng)驗(yàn)公式或圖表所確定的澆注時(shí)間沒有考慮每個(gè)鑄件的具體條件和工藝因素，如： 澆注時(shí)間應(yīng)小于形成澆不到和冷隔的最大允許澆注時(shí)間 還應(yīng)短于形成夾砂結(jié)疤類缺陷的極限允許時(shí)間 澆注時(shí)間應(yīng)大于氣體從型內(nèi)逸出的最小允許時(shí)間 澆注時(shí)間應(yīng)大于型內(nèi)金屬液形成嚴(yán)重紊流程度的允許充型時(shí)間等 顯然，這些都和型內(nèi)金屬液的上升速度密切相關(guān) 從理論上看，存在著υ型min（防止?jié)膊坏?、冷隔和夾砂類缺陷）和υ型max（保證型內(nèi)排氣和防止過度紊流）兩個(gè)極限值，合適的澆注時(shí)間τ應(yīng)滿足 四、流量系數(shù)μ的確定 澆注系統(tǒng)的流量系數(shù)通常是指阻流截面的 流量系數(shù)。 如果阻流不設(shè)在內(nèi)澆道，則內(nèi)澆道的流量系數(shù)比澆注系統(tǒng)（阻流）的流量系數(shù)值要小。流量系數(shù)與澆注系統(tǒng)中各部分的的阻力及行腔內(nèi)流動(dòng)阻力大小有關(guān)，凡與此有關(guān)聯(lián)的因素，如澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸、澆口比，鑄件復(fù)雜程度、鑄型條件、合金特性、澆注溫度等都對(duì)值有影響。因此，準(zhǔn)確地確定流量系數(shù)值是件困難的工作。常用如下兩種方法： 對(duì)重要的鑄件或大量生產(chǎn)的鑄件，可用水力模擬實(shí)驗(yàn)法，在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)出流量系數(shù) 對(duì)一般鑄件根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，下面介紹這方面的經(jīng)驗(yàn)。 對(duì)球墨鑄鐵件可依下圖確定流量系數(shù) 對(duì)鋼鐵件，一般只核算最小上升速度。對(duì)易氧化的輕合金鑄件，要注意限制最大上升速度，以免高度紊流而造成大量的氧化夾雜物。 使用以上兩表的條件應(yīng)符合：砂型無明出氣孔或冒口，透氣率一般，澆注溫度正常，使用轉(zhuǎn)包澆注。當(dāng)不符合上述條件時(shí)，應(yīng)對(duì)μ值進(jìn)行修正。 第四節(jié) 鑄鐵件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算 一、設(shè)計(jì)步驟 通常在確定鑄造方案的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。大致步驟為 1、選擇澆注系統(tǒng)類型 2、確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目和金屬引入方向 3、決定直澆道的位置和高度 4、計(jì)算澆注時(shí)間并核算金屬上升速度 5、計(jì)算阻流截面積S阻 6、確定澆口比并計(jì)算各組元截面積 7、繪出澆注系統(tǒng)圖形 實(shí)踐證明，直澆道應(yīng)設(shè)計(jì)得高一些，因?yàn)橹睗驳肋^低使充型及液態(tài)補(bǔ)縮壓力不足，易出現(xiàn)鑄件棱角和輪廓不清晰、澆不到、上表面縮凹等缺陷。一般使直澆道高度等于上砂箱高度。 直澆道的位置應(yīng)設(shè)在橫、內(nèi)澆道的對(duì)稱中心點(diǎn)上，以使金屬液流程最短，流量分布均勻。近代造型機(jī)（如多觸頭高壓造型機(jī)）模板上的直澆道位置一般都被確定，在這樣的條件下應(yīng)遵守規(guī)定的位置。直澆道距離第一個(gè)內(nèi)澆道應(yīng)有足夠的距離。 要注意，重要的是核算鑄件最大橫截面處的型內(nèi)金屬上升速度。當(dāng)不滿足要求時(shí)，應(yīng)縮短澆注時(shí)間或改變澆注位置。 以奧贊公式計(jì)算S阻。如果鑄件質(zhì)量很大，則計(jì)算鑄件質(zhì)量m時(shí)，應(yīng)包括型腔擴(kuò)大量——由于各種原因引起的增重。增重原因有： 木模壁厚偏差 起模時(shí)擴(kuò)砂量 鑄型及砂芯干燥過程中的尺寸變化 合箱偏差及澆注時(shí)的漲砂等 增重因鑄件大小、鑄型等工藝條件而異，一般增重在3％～7％?？紤]鑄件增重，不僅使?jié)沧⑾到y(tǒng)計(jì)算精確，更重要的是提供了澆注時(shí)所需的金屬量。 澆注系統(tǒng)中主要組元的截面積比例關(guān)系——S直：ΣS橫： ΣS阻稱為澆口比。以阻流面積為尺度（作為1）。可依表4-12選擇和確定澆口比 二、階梯式澆注系統(tǒng)的計(jì)算 除了多直澆道的階梯式以外，其余幾種類型都需滿足以下兩個(gè)條件才能實(shí)現(xiàn)分層引注： （1）連接各層內(nèi)澆道的分配直澆道（包括緩沖 直澆道、反直澆道）應(yīng)呈非充滿狀態(tài) （2）再分配直澆道中液態(tài)金屬的自由液面以下 的有效壓力頭，應(yīng)小于兩層內(nèi)澆道之間的 距離，既h有效下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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