毕业设计（论文）气压辅助铸造成型技术.doc

1 绪论1.1 铸造在国民经济中的地位铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械制造工业的重要基础，在许多机械中，铸件重量占整机重量的比例很高，内燃机80%，拖拉机65%-80%，液压件、泵类机械50%-60%。作为我国支柱产业正在大力发展的汽车工业，其心脏部分发动机的关键零件，如缸体、缸盖、曲轴、缸套、活塞、进气管、排气管等八大件几乎全部由铸造成而成；冶金、矿山、电站等重大关键设备需求优质的重大型铸件；另外国民经济的基础设施和人民生活也需要大量铸件，输水（气）管道则需要各种尺寸的高韧性球墨铸铁管。因此，铸造在国民经济中占着相当重要的位置。1.2 铸造技术的现状铸造是现代制造工业的基础工艺之一。它是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇入铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间。铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成形方法（如锻、轧、焊、冲等）所做不到的。因此在机器制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的表面；生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。铸造铝合金的密度比铸铁和铸钢小，而比强度则较高。因此在承受同样载荷条件下采用铝合金铸件，可以减轻结构的重量，故在航空工业及动力机械和运输机械制造中，铝合金铸件得到广泛的应用。铝合金有良好的表面光泽，在大气及淡水中具有良好的耐腐蚀性，故在民用器皿制造中，具有广泛的用途。纯铝在硝酸及醋酸等氧化性酸类介质中具有良好的耐蚀性，因而铝铸件在化学工业中也有一定的用途。纯铝及铝合金有良好的导热性能，放在化工生产中使用的热交换装置，以及动力机械上要求具有良好导热性能的零件，如内燃机的汽缸盖和活塞等，也适于用铝合金来制造。铝合金具有良好的铸造性能。由于熔点较低（纯铝熔点为660.230C，铝合金的浇注温度一般约在730750oC左右），故能广泛采用金属型及压力铸造等铸造方法，以提高铸件的内在质量，尺寸精度和表面光洁程度以及生产效率。铝合金由于凝固潜热大，在重量相同条件下，铝液的凝固过程时间延续比铸钢和铸铁长得多，放流动性良好，有利于铸造薄壁和结构复杂的铸件。铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的表面；生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。1.2.1 铸造存在的缺陷 在实际生产中,由于多方面因素的影响,铸造件会出现多种缺陷,如气孔、缩松、冷隔、拉痕、裂纹、表面花纹等, 严重的会导致批量废品, 造成相当严重的经济损失。(1)缩孔、缩松 与压铸件相比,挤压铸件一般具有更大的壁厚(数十毫米以上) ,因此更容易发生缩孔(见图1-1) 和缩松,特别是在型腔与内浇口相连处等厚大部位或最后凝固的部位。挤压铸造的补缩不良一般有金属液的凝固收缩超过所设计的补缩能力、凝固顺序设计或控制不当和挤压压力作用不到位等3个原因。图1-1 挤压铸件上的典型缩孔(壁厚:45 mm)(a) 铸件内部厚大部位 (b) 内浇口根部缩孔（a）金属液的凝固收缩超过所设计的补缩能力该问题主要是由于浇注温度过高、合金成分变化导致凝固温度区间变大等原因造成,因此在生产中要严格监控浇注温度和合金成分,并及时作出调整。（b）凝固顺序设计或控制不当当靠近内浇口的铸件形状内部有型芯时,特别需要注意型腔充填的速度切换位置和对于型芯的冷却。在冲头速度切换成高速以前,金属液与型芯接触将导致型芯温度升高,型芯实际形成热节,对所接触的金属液将失去冷却作用,引起缩孔或缩松。因此,在工艺上一般需要将充型速度的切换位置后移一段距离,同时要加强对型芯的冷却。（c）凝固过程中挤压压力作用不到位挤压铸造的理想状态是挤压压力在型腔内金属液的整个凝固过程中发挥有效作用,以促进金属液流动,补偿凝固收缩造成的孔隙。为保证金属液由型腔远端向内浇口的顺序凝固,使来自冲头的挤压压力能有效作用于型腔内所有部位金属液凝固的全过程。当某些关键部位向内浇口方向或向其它非关键部位无法实现顺序凝固时,可以考虑使用局部增压方法。(2) 气孔 挤压铸造由于充型速度远慢于普通压铸,所以只要保证金属液由下向上平稳充填,和型腔内没有死角,一般不会有卷气或憋气引起的气孔。因此,挤压铸造中重点要控制的是金属液的含气量,防止形成析出性气孔。(3) 组织不致密性缺陷由于挤压铸件组织致密度不够的缺陷可能引起挤压铸件的力学性能下降15 %左右。在实际生产中,一般无法观察到这种缺陷,而通常是当铸件力学性能测试出现问题后才会发现,而此前生产一直在持续,会造成大量损失。因此,生产中一定要严格控制金属液熔化温度和保温时间,并采用相对高于设计标准的挤压压力,同时加强对这些措施执行情况的监管。(4) 组织割裂性缺陷挤压铸造中由于内浇口厚大,料筒内壁上先期凝固的皮膜和金属液表面的氧化皮非常容易被卷入型腔,形成的典型组织割裂缺陷见图1-3。此类缺陷在组织内部,因此最好利用X光探伤进行在线检查,否则容易造成批量废品,带来较大损失。目前常用的方法包括防止氧化皮或先期凝固皮膜的形成和对已形成皮膜的滤除。前者一般通过对给料系统的保温或加热(如使用陶瓷料勺、恒温料筒等) 、加快给料循环来实现、使用封闭给料系统(如东芝机械的DXHV系列机器使用的电磁泵给料系统) ;后者则可以通过料柄处设计挡渣槽、在浇道系统使用滤网、设计捕渣包等方法实现。图1-3 割裂组织的氧化皮(5) 冷隔由于挤压铸造的金属液流动速度很慢,而充型前金属液充填浇道系统的速度更慢,因此当冲头速度切换成高速充填型腔之前,如果有少量金属液进入型腔,则会立即凝固,并与后续金属液凝固后形成严重冷隔。另外一种主要的冷隔成因是金属液在型腔内部喷溅或不连续导致后续的液流与先期凝固的部分无法有效熔合。这种冷隔往往由表面深入铸件内部,甚至贯穿整个壁厚(见图1-4) ,是挤压铸造中最严重的缺陷之一。针对这种类型的冷隔,工艺设计和控制上要注意以下两个方面: （a）高速充型前金属液一定不能进入型腔;（b）保证金属液在型腔内平衡、平稳的流动。图1-4 挤压铸件上的冷隔重皮实际上是冷隔的一种,与图1-5所示冷隔的区别在于,重皮是“平铺”在铸件局部的表面,与内部组织间没有熔合成一体,厚度一般为150 210 mm。由于重皮在铸件表面往往没有如图1-5所示的开口,在现场的表观检查中难以分拣。重皮部位在受到冲击或疲劳载荷的情况下,表皮非常容易剥落,所以潜在的安全性风险极大。对于重皮缺陷的基本预防方法,除上述方法以外,还可以考虑提高模具温度,使用保温性良好的脱模剂和适当提高浇注温度等措施。(6) 粘模壁厚非常厚大的挤压铸件往往使型腔表面受高温作用时间长,因而比一般压铸更容易发生粘模问题,见图1-5。解决粘模问题的典型对策包括使用隔离作用更强的脱模剂、提高脱模剂浓度、强化脱模剂喷涂、强化模具冷却、使用更低的浇注温度等。但在使用提高脱模剂浓度和强化脱模剂喷涂时,需要注意脱模剂在型腔表面的均匀性和残留量,局部过多的脱模剂残留可能使铸件表面形成“麻点”(见图1-6) ,影响铸件品质。图1-5 挤压铸件上的粘模图图1-6 脱模剂残痕(7) 缩裂与缩凹 对于比较厚大的挤压铸件而言,特别要避免壁厚发生急剧变化和局部形状发生锐角或直角变化。在工艺方面,要特别注意模具温度场的控制,强化对壁厚处的冷却,此外要保证对于厚大部位的补缩和挤压压力的有效作用。在不影响产品性能和功能的前提下,尽量选用成分接近共晶的合金,如ADC12。使用晶粒细化剂以抑制树枝晶长大也是预防此类缺陷的有效方法之一。1.3 国内外发展趋势 发达国家总体技术先进、产品质量好、效率高、环境污染少、原辅材料已经形成商品化系列供应，生产普遍实现机械化、自动化、智能化、普遍采用液态金属过滤技术，过滤技术可适应高温诸如钴基、镍基合金及不锈钢液的过滤。过滤后的钢铸件射线探伤A级合格率提高十三个百分点，铝镁合金经过过滤，抗拉强度提高百分之五十、伸长率提高百分之百以上。国内铸造技术水平高的仅限于少数骨干企业，行业整体水平落后，铸件质量低，材料和能源投入可占到产值的55%到70%，经济效益差，劳动条件恶劣，污染严重。铸模仍以手工或简单机械进行模具加工，工艺设计多凭个人经验，计算机应用少；铸造技术装备差，特种铸造技术和关键设备主要依靠国外引进。国内铸造行业正在深入研究压铸充型、凝固规律，开发新型压铸设备及控制系统，改善液面加压系统性能以满足工艺要求；开展半固态合金压铸及新型压铸涂料研究；开发新压铸技术及金属基复合材料、镁合金、高铝锌基合金等压铸新合金材料；采用快速原型制作技术制作压铸模；开发能与工艺密切结合可满足各种工艺参数要求的低压铸造设备；推行低压铸造模具CAD、合金液填充和凝固过程模拟，是模具满足充填铸型时平稳流动、顺序凝固、及时、充分补缩的要求。开发高度自动化的低压铸造机和高可靠性零部件、复杂、薄壁、致密铸件生产及时。目前简单结构铸件生产中基本不存在问题；复杂型腔铸件中存在夹杂、气孔、气泡、缩松、结晶组织粗大或偏析、裂纹、冷隔等缺陷，产生的原因各异，其中夹杂问题通过原材料的冶炼技术及金属溶液过滤技术获得极大的改善，气孔、气泡问题经过合理的型腔设计、型芯发气量的减少及排气措施的加强也取得长足进展。然而面对缩孔、缩松、结晶组织粗大或偏析、裂纹等缺陷，目前国内外理论上还是偏向于采用物理场，如电场、磁场、超声波、压力场、温度场等措施来改善结晶过程，以便解决问题。1.4 现有的新型技术目前仅有压力场和温度场调控在实际生产中发挥作用；压力场的具体应用就是压力铸造、低压铸造、压差铸造和真空吸铸、加氧压铸、挤压铸造、半固态压铸等。1.4.1 压力铸造 压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的少，无切削特种铸造方法。该方法的生产过程是，液态金属在高速高压作用下射入紧锁的模具型腔内并保压，结晶直至凝固，是原材料变成半成品或成品。它所获得的铸件表面粗糙度通常可达到Ra1.6Ra2.5，尺寸精度高（可达25），机械性能好，生产效率高，是一种精密成型工艺。 但是，压力铸造也存在着一些缺陷，例如：内部气孔和疏松。其产生的原因在于充型时，型腔的气体没有完全排除。并且铸件在凝固收缩时也得不到补缩，这对压铸件的性能和扩大其应用范围都有不利的影响。近年来国内外采用了一些新的工艺措施。目前，国内外采用“真空”、“加压”方法来提高铸件质量的铸造工艺主要有两种。图1-7 真空增压设备原理示意图1真空增压铸造是在真空吸铸、低压铸造及差压铸造的基础上发展起来的一种反重力铸造方法2,是将“真空浇注”和“加压凝固”融为一体复合而成的一种铸造技术3。真空增压铸造设备示意图如图1-7 ,其工艺过程如下。(1) 铸型和装有金属液的浇包安置在工作舱内,并快速关闭舱门,实现工作舱的密封。(2) 启动设备,对工作舱抽真空,并在真空气氛下完成铸件的浇注、充型。(3) 对工作舱充压,并保压一段时间,使铸件在外加压力条件下凝固成形。具体特征如下：(1) 真空除气在浇注以前,首先将熔炼好的金属液置于浇包内安放在工作舱里,通过真空储能罐和真空泵对工作舱抽气,达到设定的真空度后进行浇注和充型。在真空条件下，熔炼过程中溶解于金属液内的气体易于析出4,这可使成形的铸件中气体含量降低,从而保证其长期使用过程中的尺寸精度；在真空条件下液面也不易发生氧化形成氧化膜5,这有利于金属液的纯化和净化。此外,在真空条件下铸型表面吸附的气体以及水分都可以通过减压充分除去,避免充型时造成侵入性气孔。(2) 真空充型充型的过程中型腔保持真空状态,金属液不会出现吸气或卷气现象5,6,也避免型腔内气体反压对充型的阻碍作用,强化充型能力,为充型平稳顺利提供有利条件。金属液充型过程中铸型排气量极低,降低了对铸型透气性的要求。在真空充型所提供的有利条件下,金属液表面张力降低、铸型型腔气阻小,金属液流动性大幅提高,十分有利于薄壁复杂铸件的浇注充型,保障铸件的顺利成形。(3) 加压凝固加压凝固时,为金属液完成补缩作用提供驱动力7,由于外力对枝晶间隔液态金属的挤滤作用和使初凝枝晶发生显微变形8,大幅提高了冒口的工艺补缩能力,结果使铸件内部缩松得到显著改善，金属晶体致密度得到提高。目前真空增压铸造技术已成功应用于航空航天、国防军工、船舶类铝合金薄壁铸件的工程化生产10,不仅获得十分优异的铸件冶金品质,而且实现传统铸造技术难以企及的铸件合格率,真空增压铸造技术已经成为大型复杂薄壁铸件铸造的重要手段。1.4.2 低压铸造低压铸造是使液体金属在压力作用下完成充填型腔及凝固过程中获得铸件的一种铸造方法。由于所用的压力较低（2060kPa），所以叫做低压铸造。其工艺过程是：在密封的坩埚（或密封罐）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管进入直浇道上升，通过内浇道平稳地进入型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流回坩埚，再开型并取出铸件。(1) 优点： (a)液体金属充型比较平稳(b)铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件(c)铸件组织致密，机械性能高(d)提高了金属液的工艺收得率，一般情况下不需要冒口，使金属液的收得率大大提高，收得率一般可达90(e)劳动条件好，易实现机械化和自动化(2) 缺点：(a)该方法对设备要求比较高，设备容易损坏(b)这种方法只适用于大批量生产，不适宜小批量单件生产(c)管道腐蚀严重，使用时间短(d)凝固时间长，生产周期比较长1.4.3 差压铸造差压铸造又称反压铸造、压差铸造。它是在低压铸造的基础上，铸型外罩个密封罩，同时向坩埚和罩内通入压缩空气，但坩埚内的压力略高，使坩埚内的金属液在压力差的作用下经升液管充填铸型，并在压力下结晶。它是低压铸造与压力下结晶两种铸造方法的结合。这种工艺与一般铸造方法相比，使铸件强度提高约25，延伸率提高约50。但设备较庞大，操作麻烦，只有特殊要求时才应用。其工作原理图1-8所示： 图1-8 压差铸造原理图1.4.4真空压铸图1-9 真空压铸原理示意图11真空压铸是在压铸过程中抽除型腔内气体,以消除或减少压铸件内的气孔和溶解气体,提高压铸件的力学性能和表面质量的一种压铸工艺9。其原理是在压射过程中,活塞刚刚封闭给料孔的时刻开始启动真空泵,将密闭连通的压室、型腔中的空气通过真空阀抽出,在金属液基本充满型腔,液流前沿接近排气道时真空阀闭合, 使金属液在真空环境下填充型腔。由于型腔处于真空状态,紊流的金属液也不再会包卷气体形成气孔10,从根本上消除了压铸零件气孔的成因。目前,真空压铸已成为Ryobi、日产、本田等大型压铸相关企业的研究热点11。1.5 目的及意义在金属铸件毛坯制造过程中，缩松、缩孔、气孔、气泡、热裂纹、冷裂纹等缺陷对铸件毛坯的质量产生严重影响，技术人员采用合理设计浇注系统实现顺序凝固、压力铸造等工艺获得了一定的效果，生产实践证明在外压作用下金属熔液凝固时可以获得良好的结晶组织，能够保证铸件毛坯的质量：但是对于型腔复杂铸件毛坯，顺序凝固工艺很难实现，压力铸造工艺中压力传递的沿程损失很大很难满足补缩要求，特别是压力铸造工艺很难应用于大型单件或小批量铸件毛坯的生产中。因此实现等压力凝固技术就成了改善型腔复杂铸件毛坯质量必须解决的问题。在金属铸件毛坯生产中，金属液浇注、凝固过程都会对铸件毛坯的质量产生重要的影响。浇注金属液时，金属液在流动过程中会包卷气体，形成气孔；金属液内或金属液与铸型间发生反应生成的气体也会形成气孔，金属液的热作用使型砂中的挥发物质挥发生成气体而形成气孔。金属液凝固时，气体的溶解度降低，析出的气体来不及排除也会产生气孔。在真空条件下浇注、充型，可完全避免充型过程中金属液的卷气，消除铸件内侵入性气孔和大幅减少金属液表面氧化膜的产生，有利于铸件的充型，减少铸件的冷隔。加压凝固时，通过向铸件毛坯型腔中通入高压气体，使金属液在均匀压力下凝固，对于消除或减少铸件缩孔、缩松、针孔等缺陷，提高铸件的力学性能等有更好的效果。本试验所采用就是通过在真空条件下浇注、充型，在均匀压力下凝固的方法来获得质量较好的铸件。 2 气压辅助铸造成型技术2.1 技术介绍2.1.1 技术原理(1) 方案简介：制造型芯时，在与铸件毛坯开孔相对应的位置分别设置堵头，浇注完成后堵头与铸件毛坯形成密封闭壳体，通过堵头上的主气管调控铸件毛坯内腔中气体的进出，实现负压浇注，较高压力凝固。采用树脂与砂型制造热溃散性好的型芯，型芯的通气性良好；制造型芯时，在型芯与铸件毛坯开孔对应的位置分别设置堵头，堵头的材料组分与铸件毛坯相同或接近，堵头的厚度为铸件毛坯厚度的1-5倍，其余外形尺寸与铸件毛坯开孔相当；在型芯内部设置有通气主管和通气侧管，通气主管通过一个或一个以上堵头，并与该堵头密封连接，其余堵头分别与一根通气侧管一端固定连接，该通气侧管的另一端与通气主管为插拔式连接，通气主管位于铸件毛坯型腔内的部分和通气侧管上均布通气小孔，满足浇注是型腔中气体的排出和凝固时施压气体在型腔中的均布；通过主管另一端穿过铸型，连接于两个并联的阀门，其中一个阀门与真空泵相连接，一个阀门与压力起源相连接。将制备好的型芯放置在金属铸型之中，组成铸件毛坯铸造系统，关闭与压力起源相连接的阀门，打开与真空泵相连接的阀门，启动真空泵抽出气体，是铸型型腔中处于负压状态，并在随后的浇注过程中保持负压状态，浇注于铸型型腔的金属溶液与堵头热熔接，浇注完成后铸件毛坯与堵头构成了密封壳体，然后马上关闭与真空泵相连接的阀门，打开与压力起源想连接的阀门，向铸件毛坯型腔内部通入压力为2-10Mpa的干燥空气或惰性气体，气体经过砂芯均布于铸件毛坯的型腔内，金属溶液将在压力的作用下凝固，从而实现负压浇注，压力下凝固。当金属液完全凝固，铸件毛坯温度低于再结晶温度时，关闭与压力气源相连接的阀门，使铸件毛坯型腔内的气体压力逐渐降低到常压，为铸件毛坯继续冷却所产生的收缩量提供空间。开箱后，通过切割或冲裁的工序将堵头与铸件分离，再将砂型倒出。(2) 铸造系统的示意图如下：浇道浇注口冷却水嘴冒口排气孔堵头气泵开关通气管真空泵图2-1 铸造系统图2.1.2 技术特性及优点(1) 该工艺得到的铸件的结晶组织得到明显改善，晶粒均匀细小，组织致密度、均匀性好、性能优异；(2) 低成本，可以用简单的设备实现压铸加工的工艺，可以大大减少缩松的出现；(3) 能耗低，大大减少浇冒口的尺寸，材料利用率低；(4) 可以生产大型制件，尤其适宜小批量单件生产。3 试验部分3.1 铸件材料的确定此铸件材质选用ZL105，ZL105是AL-Si系列合金13，其成分w（%）为：4.55.5Si，1.01.5Cu，0.40.6Mg。加铜使合金强度显著增加，伸长率下降，耐热性上升，工作温度可达200225，加镁使合金强度急剧上升，而塑性急剧下降，为保持一定的塑性，将镁控制在5%左右，铜镁比保持在2.5左右。ZL105铸造性能，焊接性能，切削性能以及气密性良好，高温强度较高，但塑性底，结晶温度间隔较宽，较易产生缩松，热烈倾向大，因含硅低，无需变质处理，通氮气精炼即可。金属液在凝固过程12中，其断面一般存在着三个区域，即固态区，凝固区，液态区。凝固区就是位于液态区和凝固区之间的“固态和液态共存”的区域，其宽度成为凝固区宽度。凝固区宽度对铸件质量有很大影响，铸件的凝固方式正是根据断面上所呈现的凝固区宽度大小，而区分逐层凝固，体积凝固和中间凝固。凝固区宽度很窄时，属逐层凝固方式，凝固区宽度很宽时，体积凝固方式，介于窄凝固区和宽凝固区的称中间凝固区，其补缩特征，热烈倾向和充型能力介于逐层凝固和体积凝固方式之间。由于ZL105铝合金结晶潜热大，结晶温度范围较大，同时由于涂料层的存在导致金属型的吸热速度降低，则整个铸件的凝固方式为中间凝固方式。3.2 试验方案的确定3.2.1 方案一 采用砂型铸造装置本次试验选用的铸件是救护车上的电话外壳，铸件图如图2-2，由于是空心结构，故铸型需要由外砂型和型芯两部分组成。 图3-1 铸件三维图 图3-2铸件二维图(1) 砂型铸造工艺简介：以砂型和砂芯为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来生产铸件的方法。砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。为了提高铸件的表面质量，常在砂型和型芯表面刷一层涂料。涂料的主要成分是耐火度高、高温化学稳定性好的粉状材料和粘结剂，另外还加有便于施涂的载体（水或其他溶剂）和各种附加物。 (2) 砂型 制造砂型的基本原材料是铸造砂和砂型粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂。硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。为使制成的砂型和型芯具有一定的强度，在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏，一般要在铸造中加入型砂粘结剂，将松散的砂粒粘结起来成为型砂。应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。砂型铸造中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。图3-3 砂型铸造工艺(3) 优点：（a）粘土的资源丰富、价格便宜，加工成本低。（b）使用过的粘土湿砂经适当的砂处理后，绝大部分均可回收再用。（c）制造铸型的周期短、工效高。（d）混好的型砂可使用的时间长。砂型舂实以后仍可容受少量变形而不致破坏，对拔模和下芯都非常有利，外砂型具有退让性。（e）砂型透气性好、铸件的取出方便， 图3-4 砂型铸造简图(4) 缺点：(a)结合本次试验，试验过程中，浇注前需要抽真空，保持一定的真空度，当浇注完后需要通高压气体，无论是抽气还是通入高压气体都需要密封，采用外砂型密封性不容易保证。(b)混砂时要将粘稠的粘土浆涂布在砂粒表面上，需要使用有搓揉作用的高功率混砂设备，否则不可能得到质量良好的型砂。(c)由于型砂混好后即具有相当高的强度,造型时型砂不易流动，难以舂实,手工造型时既费力又需一定的技巧，用机器造型时则设备复杂而庞大。(d)铸型的刚度不高，铸件的尺寸精度较差。铸件易于产生冲砂、夹砂、气孔等缺陷3.2.2 方案二 金属型铸造 对于铝合金而言，目前国内外采用较多的铸造方法是金属型铸造，金属型铸造又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。本次试验浇注的是一个救护车电话外壳，故可以采用外形用金属铸型成型，内形采用砂芯成型的方法。(1) 金属型的预热  未预热的金属型不能进行浇注。这是因为金属型导热性好液体金属冷却决，流动性剧烈降低，容易使铸件出现冷隔、浇不足夹杂、气孔等缺陷。未预热的金属型在浇注时，铸型，将受到强烈的热击，应力倍增，使其极易破坏。因此，金属型在开始工作前，应该先预热，适宜的预热温度（即工作温度），随合金的种类、铸件结构和大小而定，一般通过试验确定。一般情况下，金属型的预热温度不低于1500C。金属型的预热方法有：(a)用喷灯或煤气火焰预热；(b)采用电阻加热器；(c)采用烘箱加热，其优点是温度均匀，但只适用于小件的金属型；(d)先将金属型放在炉上烘烤，然后浇注液体金属将金属型烫热;(2) 金属型的浇注    金属型的浇注温度，一般比砂型铸造时高。可根据合金种类、如化学成分、铸件大小和壁厚，通过试验确定。由于金属型的激冷和不透气，浇注速度应做到先慢，后快，再慢。在浇注过程中应尽量保证液流平稳。结合本次试验，综合考虑试验设备浇注温度采用680-730度(3) 金属型工作温度的调节  要保证金属型铸件的质量稳定，生产正常，首先要使金属型在生产过程中温度变化恒定。所以每浇一次，就需要将金属型打开，停放一段时间，待冷至规定温度时再浇。如靠自然冷却，需要时间较长，会降低生产率，因此常用强制冷却的方法。冷却的方式一般有以下几种：(a)风冷：即在金属型外围吹风冷却，强化对流散热。风冷方式的金属型，虽然结构简单，容易制造，成本低，但冷却效果不十分理想。(b)间接水冷：在金属型背面或某一局部，镶铸水套，其冷却效果比风冷好，适于浇注铜件或可锻铸铁件。但对浇注薄壁灰铁铸件或球铁铸件，激烈冷却，会增加铸件的缺陷。(c)直接水冷：在金属型的背面或局部直接制出水套，在水套内通水进行冷却，这主要用于浇注钢件或其它合金铸件，铸型要求强烈冷却的部位。(4) 金属型的涂料在金属型铸造过程中，常需在金属型的工作表面喷刷涂料。涂料的作用是：调节铸件的冷却速度；保护金属型，防止高温金属液对型壁的冲蚀和热击；利用涂料层蓄气排气。根据不同合金，涂料可能有多种配方，涂料基本由三类物质组成：(a)粉状耐火材料（如氧化锌，滑石粉，锆砂粉、硅藻土粉等）；(b)粘结剂（常用水玻璃，糖浆或纸浆废液等）(c)溶剂（水）。具体配方可参考有关手册 料应符合下列技术要求：要有一定粘度，便于喷涂，在金属型表面上能形成均匀的薄层；涂料干后不发生龟裂或脱落，且易于清除；具有高的耐火度；高温时不会产生大量气体；不与合金发生化学反应（特殊要求者除外）等。(5) 金属型的优点有：(a)结合本次试验，试验过程中，浇注前需要抽真空，保持一定的真空度，当浇注完成后需要通高压气体，无论是抽气还是通入高压气体都需要密封，采用金属型密封性容易保证。(b)金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高，同样合金，其抗拉强度平均可提高约25，屈服强度平均提高约20，其抗蚀性能和硬度亦显著提高；(c)铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定；(d)铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约1530(e)生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；(6) 金属型的缺点：(a)金属型制造成本高，加工过程复杂；(b)金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件洗不足、开裂或铸铁件白日等缺陷; (c) 金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。3.2.3 初选方案：结合本次试验，由于在气压辅助下进行，要求模具应有无透气性，因此选用金属型成型制件的外形，而内形则用砂芯成型。虽然金属型腔的加工过程复杂，加工成本高，但是考虑到次试验需要进行多次浇注，为了获得合适的试验参数需要反复的实验，使试验具有对比性，应该尽量保持外部其它条件的统一，况且金属型浇注又具有金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高；同样合金，其抗拉强度平均可提高约25，屈服强度平均提高约20，其抗蚀性能和硬度亦显著提高；铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定; 铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约1530；生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少等优点，故选用金属型加砂芯浇注。3.3 救护车电话外壳模具的设计3.3.1金属型材料的选择从金属型破坏的原因分析可以看到，制造金属型的材料应该满足：耐热性和导热性良好，反复受热时不变形，不破坏，应具有一定的强度，韧度及耐磨性；机械加工性好。即选以下材料：表1 模具材料的选择零件 型腔板 顶杆 定位销材料 HT20 T8A 4Cr5MoVSi热处理 人工时效 HRC38 HRC383.3.2金属型的结构形式金属型的结构取决于铸件形状、尺寸大小；分型面数量；合金种类和生产批量等条件。按分型面位置，金属型结构有以下几种形式：(1) 整体金属型，铸型无分型面，结构简单，但它只适用于形状简单，无分型面的铸件；(2) 水平分型金属型，它适用于薄壁轮状铸件。(3) 垂直分型金属型，这类金属型便于开设浇冒口和排气系统，开合型方便，容易实现机械化生产；多用于生产简单的小铸件；(4) 综合分型金属型：它由两个或两个以上的分型面组成，甚至由活块组成，一般用于复杂铸件的生产。操作方便，生产中广泛采用。结合顶注式浇注方式，此次金属型的分型结构采用垂直分型式。图3-5 金属型的几种结构形式133.3.3金属型的主体的设计金属型主体系指构成型腔，用于形成铸件外形的部分。主体结构与铸件大小，其在型中的浇注位置，分型面以及合金的种类等有关。在设计时应力求使型腔的尺寸准确；便于开设浇注系统和排气系统，铸件出型方便，有足够的强度和刚度等。(1) 型腔尺寸的计算计算金属型的型腔和型芯尺寸时，首先根据铸件基本尺寸加上其平均公差得出铸件的平均尺寸，然后考虑合金的线收缩和涂料层厚度。由于金属型在较高温度下工作，还应考虑其热膨胀量（由于此铸件的结构和形状比较简单，所以金属材料热膨胀的因素对其尺寸影响不大，可忽略）。然后按下式计算型腔尺寸A A= + ·±±Ax （3-1）式中：铸件的名义尺寸，mm； 铸件的收缩率，%，由于铸件的材料是铝合金ZL105，经查阅相关资料 取1.00； 金属型涂料层厚度，mm （涂料层在型腔凹处取正，在型腔凸处取负），一般在0.20.3之间 取0.2mm Ax型腔尺寸制造公差 取公差等级为IT10级 此外，由于此铸件上带有圆弧，因此圆弧部分应该按圆弧类铸件线收缩率给定的方法进行计算，即 L=L0+ L0·% （3-2） L0=·R （3-3）=0+0·% （3-4）式中L0零件弧长 mm； L模具弧长 mm； 模具弧的圆心角，rad；%线收缩率实际上很难把型腔的尺寸计算的特别精确，因为影响因素变化大，特别是铸件的线收缩率和阻碍收缩系数K，因浇注情况不同，受阻情况不同，即使在同一个铸件上，变化也很大，所以难以估算准确。在本铸件上，弯曲的弧度比较多，但是由于此铸件的把手处接近于圆筒形，所以设计脱模斜度时，取比较大的值，铸件很容易取出。脱模斜度取5o。具体计算的尺寸如图所示：图3-6 型腔尺寸的计算(2) 分型面尺寸的确定在垂直分型时，金属型分型面的形状可设成矩形，其尺寸与铸件的大小有关，对于中小件的金属型，其分型面的尺寸可参阅下列表格：表3-1 分型面尺寸的确定一览表17 尺寸名称 参考数据/mm铸件轮廓至金属型边缘的距离一般在2530mm同一金属型布置多件时，铸件的距离一般不小于30mm直浇口至铸件的距离一般为1035mm金属型下缘（垂直分型时）至铸件或浇口的距离一般为3050mm直浇口高度比铸件上缘高出的距离一般为2040mm分型面尺寸如下图所示：图3-7 分型面的尺寸（3）模具热平衡的意义及壁厚(a) 保持热平衡的意义此铸造是连续反复浇注的，为了保证成批铸件的质量高而稳定，就要求金属型的工艺规范保持稳定，首先是保持温度规范的稳定。金属液的浇注温度一般可以很方便的由保温炉控制，故在工作中应很好的控制金属型的温度。金属性的温度靠吸热和散热来维持的。当选择了合适的型温后，就必须在浇注的各个循环中保持一致，这样铸造出来的铸件质量才能稳定一致。 (b) 热平衡的计算 要使模具温度保持一定的范围，就要求在一个浇注循环中，金属型及型芯（由于型芯较小，可忽略）从液态金属得到的热量Q放，与散失到周围介质的热量Q失相等，得到的热量多了，就需要冷却，散失的热量多了，就需要补充加热。本文通过理论计算，得出了对流，辐射，传导散热所占的比例，并据此提出了简化计算公式。i 合金也放出的热量Q放 铸造过程当中，合金液放出的热量计算公式为： Q放=q·N·m (3-5)式中q合金液从浇注温度到铸件出模温度所放出的平均热量KJ/kg；N每小时浇注的次数，次/h ，在此是5分/次；m每次浇注合金的重量，kg/次；（其中，锌合金取q=176KJ/次，铝硅合金取q=888KJ/kg，镁合金取q=712KJ/kg，铝镁合金取q=796KJ/kg） 此次材料为铝镁合金 取q=796KJ/kg m取1.3kgN取12次/h所以有公式（3-5）可得：Q放= q·N·m=796x12x1.3=12417.6KJ/hii 模具自然传热所散失的热量Q1 自然传热应包括模具表面的空气对流，辐射和模具与压机固定板传导所散发的热量。目前，对流，辐射，传导散热一般资料推荐用下列公式进行粗略计算： Q1=1·A （3-6）式中1模具自然传热面积的热流量KJ/（m2·h）； AAc+Af·k； Ac模具四个侧面的面积； Af模具分型面面积； K开模率 取0.2Ac=320×120×2+360×120×2=0.0768+0.0864=0.163m2Af=360×320=0.1152m2 锌合金1=4187KJ/（m2·h），铝合金和镁合金1=6280KJ/（m2·h），铜合金1=8374 KJ/（m2·h）。 所以 Q1=6280 KJ/（m2·h）·（0.163×0.1152×0.2）=2470.6KJ/h 由于近似计算公式没有考虑铸件的壁厚，轮廓尺寸，模具模块的相对大小，没有考虑环境温度和压机固定板传热对散热的影响，