金属模铸造解析

金属型铸造工艺

1、 概述

1.1铸造原理

金属铸造俗称硬模铸造，是用金属材料制造铸件，并在重力下将熔融金属浇入铸型获得铸件的工艺方法。由于一副金属型可以浇注几百次至几万次，故金属型铸造又称为永久型铸造。金属型铸造既适用于大批量生产形状复杂的铝合金、镁合金等非铁合金铸件，也适合于生产钢铁金属的铸件、铸锭等。

1.2工艺过程

1.3工艺特点

（1）优点

1）金属型的热导率和热容量大，冷却速度快，铸件组织致密，力学性能比砂型铸件高15%左右。

2）能获得较高尺寸精度和较低表面粗糙度值的铸件，并且质量稳定性好。

3）因不用和很少用砂芯，改善环境、减少粉尘和有害气体、降低劳动强度。

（2）缺点

1）金属型本身无透气性，必须采用一定的措施导出型腔中的空气和砂芯所产生的气体。

2）金属型无退让性，铸件凝固时容易产生裂纹

3）金属型制造周期较长，成本较高。因此只有在大量成批生产时，才能显示出好的经济效果。

1.4金属型铸件的一般要求

金属型铸件最小壁厚 (单位：mm)

金属型铸件内孔的最小尺寸 (单位：mm)

2.铸件工艺设计

2.1基准面的选择

基准面决定铸件各部分相对的尺寸位置。所以选择铸造基面时，必须和铸件机械加工的加工基准面统一，其选择原则为：

1） 非全部加工的铸件，应尽量取非加工面作为基面。因为加工面在加工过程中，尺寸会因加工而变动，所以可能将造成相对尺寸位置的变动。而且铸件经过加工后，去掉的加工余面也不便检查。

2） 采用非加工面作基面时，应该选尺寸变动最小、最可靠的面作基面。用活块形成的铸件表面最好不选为基面。

3） 基面应尽可能平整和光洁，不应当有残余浇冒口、毛刺、飞翅等。

4） 全部加工的零件，应取加工余量最小的面作为基面，以保证机械加工时不至因加工余量不够而造成废品。

5） 为了检验尺寸方便，最好是选择较大的平面作为基面，尽量避免选取弯曲的面，或是有铸造斜度的面为基面。

2.2铸件在金属型中的位置

原则：①便于安放浇注系统，保证合金液平稳充满铸型

②便于合金顺序凝固，保证补缩。

③使型芯（或活块）数量最少、安装方便、稳固、取出容易。

④力求铸件内部质量均匀一致，盖子类及碗状铸件可水平安放。

⑤便于铸件取出，不致拉裂和变形。

2.3分型面的选择

原则：①简单铸件的分型面应尽量选在铸件的最大端面上

②矮的盘形和筒形铸件的分型面应尽量不选在轴心上

③分型面应尽可能地选在同一个平面上

④应保证铸件分型方便，尽量用或不用活块

⑤分型面的位置应尽量使铸件避免做铸造斜度，而且容易取出铸件

⑥分型面应尽量不选在铸件的基准面上，也不要选在精度要求高的表面上

⑦应便于安放浇冒口和便于气体从铸型中排出

2.4铸件工艺性设计

2.4.1铸件工艺性设计原则铸件工艺性设计应在尽量满足产品结构要求的前提下，通过调整机械加工余量、增大铸造斜度、增加工艺余量和工艺肋及工艺凸台等方法，使铸件结构更加合理，从而获得优质铸件。铸件工艺性设计原则：

①为了简化金属型结构，提高铸件质量，产品中需要机械加工的小孔（螺纹孔、安装孔）一般不铸出来

②产品中局部厚大处，当不便于设置冒口补缩时，有些小孔也应铸出来，以加快厚大部位的冷却速度，避免产生缩松。

③为了便于设置冒口以对整体铸件进行补缩，有些大孔也不应该铸出，同时还要调整加工余量，满足铸件顺序凝固的要求

④为了防止铸件在生产过程中变形，对一些形的铸件应增加防变形肋，待最后工序

加工去掉。

⑤加工过程中装卡定位性能差的铸件，可以根据需要设计定位装卡凸台，其位置应有利于铸件补缩。

⑥在不影响产品性能的前提下，可以局部加大铸造斜度，避免设计活块。

2.4.2铸件工艺性设计参数的选择

（1）加工余量：与砂型铸件相比，金属型铸件的加工余量可以适当减少。铸件加工余量的选择应考虑下列原则：

①零件尺寸精度要求高、表面粗糙度值要求低的加工面，可适当放大加工余量。

②加工面越大，加工余量应相应加大。

③加工面距加工基准面越远，加工余量应相应增加。

④用砂芯形成的铸件表面，应比用金属芯形成的表面给予较大的加工余量。

⑤浇冒口开设的加工面应予较大的加工余量。

（2）工艺余量：为了保证铸件的顺序凝固，有时需要将铸件某一局部余量加大，这种超过了机械加工余量规定的额外部分，称为工艺余量。

（3）铸件尺寸公差：见GB/T14-1999

（4）铸造圆角：铸造圆角半径R（mm）一般可以按以下公式计算：

式中、’为铸件相邻壁的厚度

对于铸铁件，为避免铸件表层白口，铸造圆角半径R(mm)可按下式计算：

（5）铸造斜度：铸件铸造斜度的大小，与铸件表面和金属型间的相对位置有关。凡是在铸件冷却时与金属型表面有脱离倾向的面，应给予较小的铸造斜度，凡是铸件冷却时趋向于包紧金属型或芯的面，应给予较大的斜度。例：铸件的孔及凹进部分，其铸造斜度应大些，一般可取2°-7°,对不加工面可取2°-3°,加工表面可取3°-7°

2.4.3铸件图的绘制

绘制铸件图的过程就是铸造与零件设计、机械加工等部门将铸件的基准面、加工余量位置及数值、特殊位置的铸造斜度等铸造工艺因素及技术要求，以图加以说明。铸件图既是设计、制造金属型和铸件验收的技术依据，也是机械加工、设计制造工装夹具的技术文件之一。

2.5浇注系统

2.5.1浇注系统的设计原则

设计和计算可以参照砂型铸造的方法，但应考虑金属型铸造冷却快、排气条件差、浇注位置受到限置等特点，具体原则如下：

① 浇注系统尺寸的大小应保证金属液在规定的时间内能良好的充满金属型。

② 金属液应平稳流入型腔，不直接冲击芯和型壁，避免产生涡流和飞溅。

③ 金属液应顺序地充填铸型，以利于金属型腔中气体的排除。

④ 铸型的热分布应合理，有利于铸件金属凝固，以便于铸件得到充分的补缩。

⑤ 浇注系统结构设计应简单、体积小、在保证铸件质量的前提条件下，金属液消耗尽可能小。

2.5.2浇注系统的形式，常见的浇注形式如下：

①顶注式：，适用于矮而简单的铸件，一般镁合金铸件高度不大于80mm，铝合金铸件的高度不大于100mm

②中注式：，适用于铸件高度适中（在100mm左右），外形特殊、两端及四周均有厚大部位，难以采用其它浇注方法的铸件。

③底注式：，广泛用于各种尺寸及各种合金的铸件。非铁合金用得较多，特别是易产生氧化渣的金属多用这种方法。

④缝隙式：特别适合质量要求高或高度较大的筒形或板状铸件。

2.5.3烧注系统的组成部分

①浇口杯：浇口杯接受和贮存一定量的金属液，同时起到缓冲和浮渣的作用。

②直流道：1)直流道一般设计成封闭式。

2)不带浇口杯的直流道，上部喇叭口直径最好不小于d30mm。

3)垂直浇道底部受金属液的冲击力很大，故高度一般不应超过150mm，如果直流道需要设计得比较高时，可改用倾斜浇道，但倾斜浇道高度也不应超过250mm。

4)当直浇道设计超过250mm，可采用蛇形浇道。

5)直浇道的截面形状最好是圆形。而且直径最好不超过25mm。否则易产生涡流，造成浇注过程中金属液内产生中空现象，卷入气体，造成氧化夹渣。

6)对于大型铝合金铸件，可将一个大的截面的直浇道分成2-3个截面较小的直浇道。

③横浇道：横浇道起缓冲、稳流和挡渣的作用，并将直浇道的金属液分配给内浇道。金属液一般不设计，除了底注式加上横浇道。

④内浇道：内浇道直接与铸件相连，起着控制金属液流动速度和方向的作用。

内浇道设计：a、内浇道比横浇道设计得扁平一些，并均匀地分布于铸件各特殊部位，每个内浇道只负担一部分型腔金属液的充型，力求使金属液流动平稳。

B、为制造方便，内浇道应尽量设计在分型面上。

C、内浇道的厚度一般应为与铸件相连接处的对应的铸件壁厚的50%-80%。对于薄壁铸件，可比铸件壁厚小2mm左右。

D、内浇道的宽度，一般为内浇道厚度的3倍以上。

E、内浇道长度：小型铸件为10-20mm

中型铸件为20-40mm

小型铸件为30-60mm

⑤缝隙浇道：

2.5.4金属型铸造浇注系统尺寸计算：

根据金属液流入型腔时平均上升速度计算法：

根据实际经验，金属液在金属型中平均上升速度v平升=

式中－铸件平均壁厚mm

则浇注时间t(s)由下式决定

式中h-金属型腔的高度(cm)

金属液在浇道内的流速，取决于铸件的重量、金属液的密度、浇注时间和浇道最小截面面积：

式中v平升－金属液在金属型中平均上升速度(cm/s)

Amin= =

W－铸件的重量(g)

－金属液的密度g/cm

式中t－浇注时间(s)

Amin—浇道的最小截面积(cm)

2.6冒口设计

3、 金属型模具设计

3.1金属型结构设计

3.1.1金属型型体设计

（1）金属型壁厚：金属型壁厚主要影响铸型的重量、强度及铸件的冷却速度。型壁太厚，增加了铸型重量，加快了铸件冷却速度。型壁太薄，由于温度不均匀而产生应力使其变形，缩小使用寿命。

金属型的壁厚与铸件壁厚、铸件材料、铸型外廓尺寸及毛胚加工方法有关，也与金属型本身的材质有关，必须综合考虑各种影响因素来确定不同条件下最合适的金属型壁厚。如下表：（铝合金铸件用金属型壁厚单位㎜）

（2）型腔尺寸计算：型腔尺寸是决定铸件尺寸精度的主要因素。金属型型腔尺寸的计算，除根据铸件尺寸和公差外，还应考虑合金的收缩、涂料厚度、金属型加温后的膨胀以及金属型各部分的间隙等。

1）型腔尺寸可用如下公式计算

式中－型腔尺寸（㎜）

－铸件尺寸的中间值（㎜）

－综合线收缩率（%）

－涂料厚度（㎜）

－铸件尺寸制造（㎜）

2）铸件的中间值可以按以下公式计算

=

式中－铸件的最小极限尺寸（㎜）

－铸件尺寸公差

3）综合线收缩率包括铸件收缩和金属型膨胀。一般大型薄壁铸件取下限，小型铸件为了计算方便，通常取1%

4）涂料厚度一般情况下每边为0.1-0.3㎜，型腔凹处取正值，凸处取负值，中心距L处等于零。

（3）其它尺寸的确定

1）型腔表面至金属型边缘的距离不小于20㎜。

2）一型多件的铸型，铸件与铸件间的距离，小件不小于10㎜，一般铸件不小于30㎜。

3）定位销孔表面至铸型边缘的距离不小于10㎜

4）直浇道至铸件间的距离一般取10-25㎜，内浇道长度一般取8-12㎜，直浇道高度应比铸件顶部高出40-60㎜

5）为了开型方便，一般在金属型的分型面上设计撬开金属型的槽子。

（4）砂芯头与金属芯座配合间隙

3.1.2金属型的排气系统

由于金属型本身不透气，因此型腔的排气问题必须足够重视，否则会造成气孔、冷隔和欠铸等缺陷。

（1）排气孔：一般在型腔最后充满处开直径为1-5㎜的圆形排气孔。

（2）排气槽：排气槽又称通气槽、通气沟等。对于气槽的深度h，对于铸铁和青铜一般为0.25㎜，对于铝合金一般为0.5㎜，宽度一般为10-15㎜

（3）排气塞：排气塞又称通气塞，一般用45钢或铜棒制成。

3.1.3金属型操纵机构设计

（1）锁紧机构

锁紧机构的作用就是使两半型夹紧，使分型面的间隙最小，防止金属液从分型面流出，并在一定程度上防止金属型的翘曲变形。

（2）抽芯机构

1）撬杆抽芯机构

2）螺杆抽芯机构

3）偏心抽芯机构

4）偏心轮抽芯机构

5）齿轮齿条抽芯机构

6）蜗轮蜗杆抽芯机构

（3）铸件顶出机构

3.2金属型的尺寸精度及表面粗糙度

3.2.1金属型的尺寸精度

（1）型腔尺寸公差，金属型型腔的尺寸公差见下表

型腔转接圆弧半径公差：

角度尺寸公差

金属型装配后，其左右半型、半型与底座之间的平行度、垂直度每100㎜不大于0.05㎜，分型面之间的间隙不大于0.1㎜，局部间隙不大于0.2㎜，安装螺孔、孔距公差±0.1㎜。

（2）活动部件与金属型之间的间隙：金属型总是在受热状态下工作的，受热后的金属芯、顶杆、活块等活动部件与金属型本体之间的配合就比常温时为紧，为了保证铸件的尺寸精度及正常生产，活动部件与金属型之间应保持一定的间隙，见下表：

3.2.2金属型的表面粗糙度

金属型各部分的表面粗糙度见下表：

（1）金属型平均寿命如下：

注：铸件类型并无明确规定，一般小型铸件指0.5㎏以下的铸铁件和5kg以下的铸钢件。特大铸件指重量在1t以上，壁厚达100㎜以上的铸件。

（2）延长金属型的寿命的措施

1）正确地选择金属型材料

2）正确地设计金属型壁厚

3）正确地设计金属型结构，尽可能地避免尖角及壁厚的急刷变化。

4）设计浇注系统应尽可能使金属液平稳进入型腔，避免金属液强烈冲刷型腔工作面。对钢铁金属铸件，应尽可能将浇注系统设计在砂芯中。

5）金属型毛胚要进行热处理，消除铸造应力。

6）应选择合适的涂料和正确的喷涂工艺以尽可能避免“热冲击”。正确地进行金属型预热和冷却。正确掌握铸件脱型的时间。

7）金属型使用应仔细清理，使用后要妥善保管。

为提高金属型寿命，可进行局部渗硅、渗铬、渗铝、以及进行阳极化、等离子喷涂等保护措施。

4、铸造工艺

4.1金属型的准备

4.1.1金属型的清理

金属型的清理方法主要有手工清理、喷砂和化学清理。

4.1.2金属型的预热

金属型的预热是浇注前必不可少的工序之一。金属型在喷刷涂料前需先预热，预热温度根据涂料成分和涂抹方法确定。温度过低，涂料中水分不易蒸发，涂料容易流淌。温度过高，涂料不易粘附，造成涂料层不均匀，使铸件表面粗糙。常用金属型预热温度见下表：

金属型喷完涂料后还需要进一步预热，其目的是：

①避免金属液冷却太快，造成铸件产生气孔、冷隔、浇不到、缩孔、裂纹等缺陷。

②防止铸铁件表面产生白口

③保护金属型，避免急冷、急热而引起金属型剧烈收缩和膨胀，延长其使用帮命。

④减轻铸件包紧力，利于脱型

⑤确保操作者的安全

以下表格为各种合金浇注前金属型预热温度

4.1.3涂料

（1）喷刷涂料的目的：喷刷涂料的目的在于保护金属型，避免金属液直接接触金属型型腔，使铸件表面光洁，便于脱型。还可以利用涂料的不同厚度创造顺序凝固条件，减少铸件缺陷。对铸铁件还可以避免产生白口。

（2）对涂料的要求：涂料应具备足够的耐热性、化学稳定性和一定的导热性能。使用时流动性要好，发气量要低，在剧烈温度变化时不发生龟裂和剥落。

（3）涂料的涂抹的原则：

注：工作温度就是金属型浇注前的温度

A、金属型的型腔、金属型芯及浇冒口部位的型面均应喷刷涂料。型腔、型芯及涂料应保证铸件表面光洁、浇冒口采用保温涂料。

B、铸件壁越厚，涂料层应减薄，反之，铸件壁越薄，涂料层应增厚，以利于冒口的充分的补缩。

C、开型困难及易拉伤铸件的部位，应喷刷润滑性好的石墨涂料。

D、涂抹涂料的顺序是先喷刷浇冒口系统，后喷刷需要涂料层厚的型腔表面，然后喷刷需要涂料薄的型腔表面。

4.2金属型的浇注工艺

4.2.1合金的浇注温度

合金的浇注温度应根据铸件的结构及对铸造工艺进行具体分析后确定，在确定时应考虑下列因素：

1）形状复杂及壁薄的铸件，浇注温度应偏高些，形状简单、壁厚及重大的铸件，浇注温度可适当降低。

2）金属型预热温度低时，应提高合金的浇注温度。为了充满铸件的薄断面，提高合金的浇注温度比提高金属型的温度效果要好些。

3）由于铸件结构特点的要求，浇注速度是不同的，当浇注速度快时，可稍许降低合金的浇注温，需缓慢浇注的铸件，浇注温度可适当提高。

4）采用顶注式系统时，可用较低的浇注温度，采用底注时，可采用较高浇注温度。

5）当金属型中有很大的砂型时，可适当降低合金的浇注温度。

几种合金的浇注温度见下表：

注：以上表格仅显示铝合金类。

4.2.2浇注工艺

（1）常规浇注：通常情况下浇注应注意下列事项：

1）浇注一定要平稳，不可中断液流。应尽量使金属液沿浇道壁流入型腔，以利于消除气孔、渣孔等铸造缺陷。

2）浇注时按照先慢、后快、再慢的浇注原则。

3）浇包嘴应尽可能靠近浇口杯，以免金属液流过长造成氧化，防止铸件产生氧化夹杂。例如浇注铝全金，最好不要超过50㎜。

4）同样可以采用砂型铸造时的浇注经验及注意事项。