第11章铸造
第一节概述
铸造是将液态金属浇注到具有与零件形状相适应的铸型中，冷却凝固后，获得毛坯或零件的方法，称为铸造（cast,casting）。
用铸造方法生产的毛坯与零件统称铸件，铸造后还需加工者称毛坯，不需加工直接使用者称零件。
除了砂型铸造外，还有特种铸造，其中主要包括熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造以及壳型铸造等。
铸造生产在工业生产中得到广泛应用。以重量计算，铸件约占一般机械重量的(45～90) %，占切削机床重量的80%，占汽车重量的(40～60) %，占拖拉机重量的(70～80) %，重型机械、矿山机械、水力发电设备的铸件重量约占85%以上。铸造能得到如此广泛的应用，是因它具有一系列的优点：
1.能够制造各种尺寸和形状复杂的零件或毛坯，其轮廓尺寸可小至几毫米，大至几十米，重量可小至几克，大至数百吨。形状有最简单的平板、圆柱体等，也有内腔复杂的铸件如汽缸体等。
2.铸件与机器零件的形状和尺寸都可以做到最为接近( 尤其是精密铸造)，因而切削加工余量可以减到最小，这就减少了金属材料的消耗量和节约了加工工时。
3.适应性强，铸造方法可以铸造各种合金(象铜合金、铝合金、镁合金、铸钢和铸铁等)，对于脆性金属，如铸铁等，铸造是唯一的毛坯制造方法。铸造既适于单件小批生产，又适于大批大量生产。
4.设备投资少，铸件的成本较低，而且原材料来源广泛，价格低廉，金属废料(浇、冒口、废铸件)可以再次直接熔化使用，此外，在大多数情况下，无须进行巨大的生产准备工作，生产周期短。
但铸件生产目前还存在着不少问题，如用同种金属材料制成的零件，铸件的机械性能不如锻件高，这主要是因为铸件内部晶粒粗大，常有缩松、气孔等，铸件质量不够稳定，废品率往往比其它加工方法高。此外，在砂型铸造中，铸件表面质量不高。工人劳动强度大，劳动条件差等。随着现代铸造技术的发展，这些缺点将会逐步克服。
铸造在我国有着悠久的历史，新中国建立的50年来，我国的铸造业发生了巨大的变化，目前我国已成为世界上第二大铸件生产国. 从产量的比较看，我国的铸造业在国际铸造中占有重要的地位。铸造在我国的机械制造业中具有不可替代的作用，是为机械制造业提供毛坯最多的行业. 铸造行业是非常典型的劳动密集型产业，随着经济全球化的发展，尤其是我国加入WTO后，会给我国铸造业提供更大
的发展空间。我国的铸造业已具有年产1500万吨的生产能力，进入90年代后期，每年生产铸件的产量都在1000万吨以上.
第二节砂型铸造(sand casting)
一、造型材料
制作铸型(mold)与型芯(core)的材料分别称为型砂（molding sand）或芯砂（core sand），统称为造型材料(molding medium)，一般来说，生产一吨铸件就需要4～5吨型砂。
原砂多为天然的石英砂(以SiO2为主，另含少量矿物杂质)，粘结剂一般为粘土，还有水玻璃、树脂等。混合后的型砂结构如图27-3所示。粘土吸水后形成粘土膜，均匀裹在砂粒表面并将各砂粒粘起来，而在砂粒之间形成的空隙可以透气。
造型材料应具备的性能：
1.强度
型砂制成砂型后受到外力作用而不破坏的性能称为强度。也就是指铸型在制造、搬运及浇注时，不致破坏的能力。型砂强度不好，则可能发生塌箱、掉砂，甚至被液态金属冲毁，造成砂眼、夹砂等缺陷。型砂的粒度愈细、粘土含量愈多、紧实度愈大则强度愈高。
2.透气性
造型材料具有使气体通过的性能称为透气性。砂型透气性不良，浇注液体金属产生的气体就不能顺利排出，使铸件产生气孔。型砂的砂粒粗大、均匀、且为圆形，粘土含量少，型砂舂得不过紧，型砂含水量适当均可使砂粒间空隙增多，透气性提高。
3.耐火性
型砂在高温作用下而不软化、不烧结的性能称为耐火性。型砂耐火性差时，砂粒易粘附在铸件表面，使清理和切削加工困难。型砂中石英(SiO2)含量高而杂质少时，其耐火性好。圆形和大颗粒的砂粒耐火性也好。为防止粘砂，可在型砂中混入少量煤粉或在型腔和型芯表面涂上一层涂料。
4.退让性
指铸件在冷却、凝固收缩时铸型能被压溃而不阻碍收缩的能力。退让性不好时，铸件收缩受阻，产生内应力，使铸件变形甚至出现裂纹。型砂中粘土量愈多，高温时发生烧结，退让性将愈差。在型砂中加入少量木屑，或采用其它粘结剂如油和树脂，可改善退让性。
此外，还需考虑型砂的回用性、发气性和出砂性等。回用性良好的型砂便于重复使用，型砂耗费量低；发气性低的型砂浇注时自身产生的气体少，铸件不易产生气孔；出砂性好的型砂浇注冷却后残留强度低，
铸件易于清理。
二、各种造型方法的特点和应用
(一)各种手工造型（hand molding）方法的特点和应用
将型砂塑造成砂型的过程称为造型（molding）。造型可用手工和机器进行，两者主要区别是生产效率和铸型的尺寸精度有差异，但就其造型工艺而言无本质的差别。故本部分以手工造型为主。
一般造型可用手工操作，大批量或大量生产时可用机器造型。
手工造型方法按砂箱特征区分有两箱造型、三箱造型、地坑造型、脱箱造型；按模型特征区分有整模造型、挖砂造型、假箱造型、分模造型、活块造型、刮板造型。
1.整(体)模造型
当零件外形轮廓的最大截面位于其一端时，可将其端面作为分型面进行造型，因零件端面以下没有妨碍起模的部分，故可将模型做成与零件形状相适应的整体结构，称为整体模。用整体模进行的造型方法叫整模造型。
特点：采用整体模型，整个模型基本上在一个砂箱内形成。分型面是平面，故铸型简单，操作方便，不会错箱。适用于铸件最大截面靠一端，且为平面的铸件。
2.分开模造型
当零件外形轮廓上的最大截面不是在零件的端面，而是居于中间时，为了便利起模，必须将模型沿铸件中间的最大截面分做成两半，并以此模型分开的面(分模面（die parting face）)作该件造型时砂型的分型面（joint face，mold joint），才能进行造型。
分模造型时，模型的分模面与铸型的分型面重合，起模方便，尤其适合需要用水平型芯形成内孔的铸件，因为它将使下芯操作方便，浇注时型芯产生的气体很容易由分型面排出，因此分模造型最广泛地应用于铸造生产中。值得指出的是，分开模的分模面是依铸件的外形的最大截面而定，模型的两半并非一定是大小对称的两半。
特点：当铸件的最大截面不在端面时，为了从铸件中起出模型，常将模型最大截面处分成两半，并用销钉将其定位，以保证两半模型形成完整的铸件轮廓，模型被分割的平面称分模面，分模面常常就是分型面，型腔位于上、下两个半型内。分模造型常用于铸件最大截面在中部(或圆形)的铸件。
3.活块造型
铁水温度
当零件的外形上有局部妨碍起模的凸台或筋条时，可将模型上的这部分做成活动的，称之为活块(loose piece)。
模型上的活块部分与模型主体用销钉或燕尾榫连接，起模时先取出模型主体，然后再从侧面取出活块。由于取活块过程较为困难，因而此部分铸件精度较差。
活块造型操作困难，生产率低，主要用于单件、小批量生产带有突出部分，难以起模的铸件。
4.挖砂造型
当零件的外形轮廓为曲面或阶梯面，又不便沿其最大截面将模型做成分开模，只允许采用整体模结构时，则这类零件就须用挖砂造型。
挖砂造型适用于单件、小批生产分型面不是平面的铸件。
5.三箱造型
当零件的外形上出现两个大截面之间夹着一小截面时，若只用一个分型面，两个砂箱造型，则不能起模。必须将砂型沿两个最大截面分型，即用两个分型面，三个砂箱造型，同时还应将模型分成两块或多块，才能使模型从砂型中取出。三箱造型操作是较复杂的，它比两箱造型多了一个分型面，同时就增加
了一次错箱的可能性，从而降低铸件的尺寸精度。只有在单件和中、小批量生产形状复杂具有两个分型面的铸件时才采用。
以上五种围绕解决不同形状模型起模而产生的造型方法，是我们应掌握的内容。这些基本造型方法并非一定是单独使用，实际上往往是在一个铸件上综合应用多种造型方法。
6.刮板造型
对于某些回转体型或等截面形状的大、中型铸件，如带轮、简单汽缸盖、弯管等，若生产数量不多，为节省制造实体模型所需的材料和工时，可用与铸件截面形状相应的刮板来造型，缩短生产周期，这种造型方法称为刮板造型（sweep moulding）。造型时，既可用下砂箱，也可不用下砂箱，直接在砂坑中造型。刮板分为绕轴线旋转及沿导轨往复移动的两类。
7.地坑造型
在车间地面上挖一个地坑代替下砂箱，将模型放入地坑中填砂造型称为地坑造型。
这种方法不用砂箱或只用上箱，减少了砂箱的投资，但造型费工难烘干，劳动量大，且要求工人技术较高。
在成批、大量生产时，应采用机器造型，就是将造型过程中的两道基本工序－紧砂和起模－机械化。大大提高劳动生产率，提高铸件的精度和表面质量，改善劳动条件。
机器造型是采用模板进行两箱造型的。模板是将模型、浇注系统沿分型面与底板联结成一整体的专用模具，造型后底板形成分型面，模型形成铸型型腔。机器造型时多是由专门造上箱及专门造下箱的两台机器配对生产，因此机器造型通常只允许两箱造型。
用机器造型的零件只能有一个分型面，即只能用两箱造型，同时还要求尽量少用或不用活块，因为取出活块费时，因此，对于形状上需要采用三箱造型和活块造型的零件，当进行机器造型时，就必须用下型芯的方法，将三箱变为两箱，或用型芯代替活块。因此，设计大批量生产铸件及确定其造型工艺时，需考虑机器造型这些工艺要求。
机器造型所用的模型与底板连成一体，称为模板(或型板)。模板上有定位销与砂箱精确定位，所以机器造型生产的铸件精度较好。
三、浇注系统（gating system）
浇注时(pouring)，金属液注入铸型型腔内所经过的通道称为浇注系统，它包括外浇口、直浇口、横浇口和内浇口。
外浇口（pouring basin）的作用是减少金属流对铸型的冲击并能浮渣。直浇口是通过其高度产生的静压力使金属液迅速充满型腔，直浇口（sprue hole）的锥度有利于取出浇口棒。横浇口(cross gate runner)主要起挡渣作用，其截面多为梯形，常做在上砂箱内，位于内浇口之上。内浇口(ingate)直接和型腔相连，主要作用是控制金属液流入型腔的速度和方向，使之平稳地充满型腔，其截面常为扁平的梯形，在下砂箱的分型面上。
为了保证浇注时金属液能平稳连续的注入型腔，并把熔渣等杂质阻挡在型腔以外，一般应使内浇口截面积总和小于横浇口截面积，而横浇口截面积则小于直浇口截面积。
冒口(riser，rising head)主要是对铸件最后冷却部位的收缩提供金属进行补缩，以便使铸件的缩孔集中在冒口内，故冒口尺寸要足够大，此外，冒口还有排气和集渣的作用。
四、铸件的常见缺陷
铸件缺陷（casting defect）产生原因是复杂的，应该根据具体情况综合分析，出原因，再采取相应措施加以防止。有缺陷的铸件则应在保证质量的前提下尽力修复，以免浪费。
表27-1为铸件几种常见缺陷及其产生的原因。
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