金属型浇铸模具理论.docx

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金属型浇铸模具理论

一、概述

二、铸件工艺设计

三、金属型设计

四、铸造工艺

五、金属型铸造机

六、铸件常见缺陷及防止方法

一、概述

1、铸造原理：

利用重力浇注，进入金属型模具。

2、工艺流程：

3、工艺特点之缺点：

（1）金属型的热导率和热容量大，浇注的金属液很快结晶凝固，降低了充型能力，故对铸件的壁厚设计有一定要求，一般不小于2mm。

（2）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。

（3）金属型无退让性，铸件凝固时容易产生裂纹和变形，不适用于热裂倾向大的合金。

二、铸件工艺设计

1基准面的选择

2铸件在金属型中的位置

3分型面的选择

4铸件工艺性设计

5浇注系统

6冒口设计

1、基准面的选择：

基准面决定铸件各部分相对的尺寸位置。

所以选择铸造基准面时，必须和铸件机械加工的基准面统一，其选择原则为：

（1）非全部加工的铸件，应尽量选取非加工面作为基准面。

（2）采用非加工面作基准面时，应该选尺寸变动小、最可靠的面作基准面。

最好不选用活块形成的铸件表面作为基准面。

（3）基准面应平整和光洁，不应有残余浇冒口、毛刺、飞翅等。

（4）全部加工的零件，应选加工余量最小的面作为基准面，以保证机械加工时不致因加工余量不够而造成废品。

（5）为了便于检验尺寸，应选择较大的平面作为基准面，不采用曲面或有铸造斜度的面作为基准面。

2、铸件在金属型中的位置

•便于安放浇注系统，保证合金液平稳充满铸型

•便于合金顺序凝固，保证补缩

•使型芯（或活块）数量最少、安装方便、稳固，取出容易

•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

•便于铸件取出，不致拉裂和变形。

3、分型面的选择

•简单铸件的分型面应尽量选在铸件的最大端面上

•分型面应尽可能地选在同一个平面上

•应保证铸件分型方便，尽量少用或不用活块

•分型面的位置应尽量使铸件避免做铸造斜度，而且很容易取出铸件

•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较高的表面上

•应便于安放浇冒口和便于气体从铸型中排出。

4、铸件工艺性设计

（1）铸件工艺性设计原则

－简化金属型结构，某些小孔一般不铸出来，但当不便于补缩时，有些小孔也应铸造出来；

－为了便于设置冒口以对整体铸件进行补缩，有些大孔也可以不铸出；

－对一些易变形的铸件应增加防变形肋，待最后工序加工去掉；

－对于加工过程中装卡定位性差的铸件，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；

－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）铸件工艺性设计参数的选择

1）加工余量

－零件尺寸精度要求高、表面粗糙度值要求低的加工面，应给予较大的加工余量；

－加工面越大，加工余量应越大；

－加工面距加工基准面越远，加工余量应越大；

－铸件用砂芯形成的表面，应比用金属芯形成的表面的加工余量大；

－浇冒口开设的加工面应给予较大的加工余量。

2）工艺余量

工艺余量是指超过机械加工余量的部分。

工艺余量根据铸件实际结构情况确定，应保证铸件顺序凝固。

3）铸件尺寸公差

一般按照GB确定，特殊要求由供需双方协商确定。

4）铸造圆角

铸造圆角半径R（mm）一般可以按下式计算：

R＝～

式中δ、δ´——铸件相邻壁的厚度（mm）

5）铸造斜度

－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。

对于铸件尺寸要求精确的非加工面，若不允许有铸造斜度时，可考虑改变分型面，或使用金属活块、以及采用砂芯等方法来解决。

各种合金铸件的铸造斜度可参考下表：

（理论值不一定适用）

铸件表面位置

铝合金

镁合金

铸铁

铸钢

外表面

0°30′

≥1°

1°

1°～1°30′

内表面

0°30′～2°

≥2°

>2°

（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、铸造斜度等铸造工艺因素及技术要求，以图加以说明，并经多方会签确定的过程。

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。

5、浇注系统

（1）浇注系统的设计原则

（2）浇注系统的形式及特点

（3）浇注系统的组成部分

（4）浇注系统的计算

（1）浇注系统的设计原则

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地充填金属型，尽量避免产生紊流，以防止卷气和渣。

（倾斜浇注可解决）

2）金属液的引入位置应使金属液平稳流入型腔，尽量不冲击型芯和型壁，避免产生涡流和飞溅，并利于金属型型腔中气体的排除。

3）铸型的热分布应合理，有利于铸件顺序凝固，以便于铸件得到充分的补缩。

4）浇注系统结构设计应简单、体积小，在保证铸件质量的前提下，金属液消耗量应最少，并且便于铸型开合、取件及从铸件上清除浇冒口。

（2）浇注系统的形式及特点

顶注式

•铸型热分布有利于补缩，金属液消耗量少，结构简单，制造方便。

•金属液充填型腔时易产生飞溅，不利于排气，铸件易产生氧化夹渣等缺陷。

•适用于矮而简单的铸件。

高度超过100mm的铝、镁合金铸件宜采用倾斜浇注，倾斜角度为30°～50°。

中注式

•金属液流动比顶注式平稳，能获得比底注式较合理的热分布，但不能完全避免产生飞溅和涡流。

•适用于高度较高又不便于采用底注式的铸件。

底注式

•金属液由下而上平稳地充填铸型，有利于排气、排渣。

热分布不利于金属液顺序凝固。

•广泛应用于各种尺寸的铸件，为了克服热分布不合理产生的缺陷，可以采取增加工艺余量使铸件上厚下薄；从顶冒口中补充金属液；控制金属型的涂料厚度。

缝隙式

•金属液由下而上逐步充填铸型，流动平稳，挡渣排气条件好，金属型的热分布合理。

•铸件结构受到限制，金属液消耗量多，切割、清理浇口费工。

•适用于质量要求较高的铸件。

（3）浇注系统的组成部分

1）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）直浇道

直浇道形式主要有垂直、倾斜和蛇形等。

3）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。

4）内浇道

直接与铸件相连，控制金属液流动的速度和方向，与铸件质量密切相关。

5）缝隙浇道

一般由直浇道、横浇道、立筒和缝隙组成。

如下图

（4）浇注系统的计算

确定浇注系统截面积时，通常先计算浇道的最小截面积，然后再根据比例关系确定其他单元的截面积。

浇注时间一般比砂型铸造短20％～40％。

τ＝

式中τ——浇注时间（s）

H——铸件高度（cm）

v——金属液在型腔中平均上升速度（cm/s）

对于铝、镁合金铸件：

式中δ——铸件壁厚（cm）

式中v——浇道最小截面积中金属液平均速度（cm/s）

W——铸件的重量（g）

ρ——金属液的密度（g/cm3）

τ——浇注时间（s）

Amin——浇道的最小截面积（cm2）

v也可以根据经验选取。

对于铝合金，一般v<150cm/s；对于镁合金，一般v<130cm/s.

对于铝、镁合金，为防止金属液产生飞溅，通常采用开放式浇注系统。

大型铸件：

A直:

A横:

A内＝1:

（2～3）:

（3～6）

中型铸件：

A直:

A横:

A内＝1:

（2～3）:

（2～4）

小型铸件：

A直:

A横:

A内＝1:

（1.5～3）:

（1.5～3）

6、冒口设计

•铝、镁合金铸件冒口的体积一般为它所补缩的铸件热节体积的1～1.5倍。

•明冒口高度一般应大于60mm，过低补缩效果不好；但也不应大于200mm，否则会产生其他缺陷。

冒口直径一般以不超过100mm为宜。

•对不宜用冒口补缩的部位，可采用冷铁激冷或将冷铁和冒口联合使用。

•对铝、镁合金铸件，常在冒口工作表面涂绝热性能好的涂料，也可以加厚涂料层。

还可将冒口设在内浇道和直浇道之间，冒口既能补缩又可起集渣的作用。

三、金属型设计

1金属型结构形式

2金属型结构设计

3金属型操纵机构设计

4金属型加热和冷却

5金属型用材料及其选用

6金属型寿命

1、金属型结构形式

•整体金属型

•水平分型金属型

•垂直分型金属型

•综合分型金属型

整体金属型水平分型金属型

垂直分型金属型综合分型金属型

2、金属型结构设计

（1）金属型型体设计

（2）型芯设计

（3）活块设计

（4）金属型的排气系统

（1）金属型型体设计

1）金属型壁厚

一般是根据经验数据列出的图表或计算公式确定。

铸件壁厚与铸铁金属型壁厚的关系

•

•对于铝合金铸件，金属型壁厚可以薄一些。

•若采用钢或球铁制成的金属型时，其壁厚可适当减薄。

铝、镁合金铸造使用铸铁做金属型时，金属型的壁厚见下表：

铸件壁厚δ件

金属型壁厚δ型

选用原则

＜10

10～15

15～30

＞30～50

15～20

20～25

25～30

（1～1.3）δ件

大型壁厚铸件取上限

δ件——铸件壁厚

铝、镁合金铸造使用铸铁做金属型时，还可以根据分型面的尺寸确定金属型的壁厚：

分型面平均尺寸S

金属型壁厚δ型

＜125

125～160

160～200

200～500

＞500～800

S＝

式中l、b分别表示金属型分型面的长和宽

金属型加强筋的箱形结构

2）金属型分型面上的尺寸

尺寸名称

尺寸值（mm）

型腔边缘至金属型边缘的距离（a）

25~30

型腔边缘间的距离（b）

﹥30

小件10～20

直浇道边缘至型腔边缘间的距离（c）

10～25

型腔下缘至金属型底边间的距离（d）

30～50

型腔上缘至金属型上边间的距离（e）

40～60

金属型分型面上的尺寸

3）型腔尺寸计算

确定金属型的型腔和型芯尺寸时，主要是根据铸件外形和内腔的名义尺寸，并考虑铸件的线收缩和涂料层厚度以及加工公差等。

金属型型腔和型芯的尺寸可按下式计算：

Ax=（A+Aε+2δ）±ΔAx

Dx=（A+Aε-2δ）±ΔDx

式中Ax，Dx——分别为型腔和型芯的尺寸

A，D——分别为铸件的外形和内孔的名义尺寸

ε——铸件材料的线收缩率

δ——涂料层的厚度（一般取0.1mm~0.3mm）

ΔAx，ΔDx——金属型加工公差

金属型型腔和型芯尺寸的确定

4）型体定位

为了使金属型半型间不发生错位，常用定位销定位，也可采用止口定位。

（2）型芯设计

型芯种类及特点

型芯种类

特点

可抽出金属芯

铸件冷却速度快，组织致密均匀，尺寸精度高，表面粗糙度值低，生产周期短，成本低

铝、镁合金铸件应优先选用

可熔金属芯

主要用来铸造铸件中的细孔通道

砂芯

可以做出最复杂的型芯，但铸件质量、尺寸精度、表面粗糙度都比金属芯差

只有在不能使用金属芯时选用

壳芯

铸件质量、尺寸精度和表面粗糙度接近金属芯，同时还可以做出复杂的型芯

广泛用来代替砂芯（铝合金铸件）

铝合金活塞金属型

用砂芯形成浇冒口系统局部采用砂芯防止铸件开裂

砂芯芯头、芯座间的斜度与间隙

（3）活块设计

当金属型分型取出铸件受到阻碍时，对阻碍分型取出铸件的部分可以设计成活块。

采用活块虽然会使铸件方便地从铸型中取出，但会使分型面增加、金属型结构复杂、操作麻烦，导致产品尺寸精度不高，生产效率低。

因此，设计金属型时应尽量少用或不用活块。

（4）金属型的排气系统

1）排气孔一般在型腔最后充满处开直径为φ1～5mm的圆形排气孔。

2）排气槽一般设置在金属型的分型面上以及活块、镶件的结合面上。

3）排气塞（通气塞）。

金属型分型面上的排气槽

排气槽尺寸

排气塞型式

装配在金属型上的排气塞

3金属型操纵机构设计

（1）锁紧机构

（2）抽芯机构

（3）铸件顶出机构

（4）金属型型体与传动机构的连接

（1）锁紧机构

－摩擦锁

－楔销锁

－偏心锁

摩擦锁紧机构

楔销锁紧机构偏心锁紧机构

（2）抽芯机构

－撬杆抽芯机构

－齿条-齿轮抽芯机构

－螺杆抽芯机构

－偏心轴抽芯机构

撬杆抽芯机构

撬杆抽芯机构结构简单，适用于起模斜度大、长度较短的简单型芯。

齿条-齿轮抽芯机构

齿条-齿轮抽芯机构应用较为广泛，抽芯平稳，抽芯距离大，省力，但结构较为复杂，一般用于抽拔金属型底部或侧面的型芯。

螺杆抽芯机构

螺杆抽芯机构结构简单、省力、操作方便。

偏心轴抽芯机构

偏心轴抽芯机构结构简单，使用方便，适合于抽拔位于金属型底部的型芯。

（3）铸件顶出机构

顶杆位置的选择应使铸件均匀顶出，防止铸件产生变形及其他一些缺陷，应注意：

1）顶杆应布置在铸件受夹紧力最大的地方；

2）顶杆的数量应足够多，并且分布合理；

3）顶杆与铸件接触面积应足够大，防止铸件发生局部变形和在铸件表面产生压痕；

4）顶杆应尽可能地布置在浇冒口上或铸件需机加工的部位；

5）当铸件结构不宜布置顶杆时，可设置专门的工艺凸台。

单个顶杆机构组合顶杆机构1－金属型2－顶杆

3－顶杆板

两半型中不同的铸造斜度

（4）金属型型体与传动机构的连接

金属型型体与传动机构的连接方式有多种，如用螺纹、插销和T型槽连接等。

插销连接更换金属型方便，但结构较复杂，并要求插销应有足够的抗剪强度；T形槽连接结构简单，抗剪能力强，便于制造。

这些方式也可用在金属型动型板与传动机构的连接。

4金属型加热和冷却

（1）金属型加热装置

（2）金属型冷却装置

金属型加热装置及特点

箱式电阻炉加热

采用台车炉，将金属型放入电炉中加热。

金属型结构简单，成本低，型温均匀，加热效果好，但生产过程中加热困难，型温不易控制。

适用于多品种、中小型金属型加热。

固定式电加热器加热

在金属型铸造机的安装板上设计电加热器，金属型安装在铸造机上加热。

金属型结构简单，成本低，加热方便，在生产过程中容易补充加热，型温容易控制，但效率低，不安全。

适用于中小型金属型加热。

移动式电加热器加热

加热器放在两半型之间通电加热，金属型结构简单，成本低，加热方便、安全，但热效率低，型温不均匀，补充加热时必须停止浇注。

适用于单一分型面的各种尺寸的金属型。

直接式电加热器加热

金属型中设置电加热元件，通电对金属型直接加热。

热效率高，使用方便，型温容易控制，但金属型体积增大，成本高，不安全。

适用于大量生产的大型金属型。

煤气加热

用煤气或液化气对金属型加热。

使用方便、快捷、经济，但型温不易控制。

移动式加热器用于各种尺寸的金属型；固定式加热器用于大型金属型。

用熔融金属加热

用熔融金属液连续浇注一定数量的铸件来提高金属型的工作温度，加热方便，速度快，但不安全，金属型寿命短。

适用于生产过程中的补充加热。

金属型局部电加热装置

金属型冷却装置及特点

在金属型背面设置散热片或散热刺冷却

散热片及散热刺的数量愈多，散热面积愈大，散热效果愈好。

一般散热刺平径直径10mm左右，间距30～40mm。

散热片的厚度，根据金属型的大小，选4～12mm，片与片的间距为散热片厚度的1～1.5倍，高度都以不超过金属型外廓尺寸为宜

适用于用铸铁制成的金属型

对金属型抽气或通压缩空气冷却

在金属型背面留出抽气空间，用抽气机抽气，也可以用压缩空气吹气，以达到降低金属型温度的目的。

散热效果好，使用安全，不影响金属型使用寿命。

对金属型通水冷却

在金属型型腔背面钻通水孔，温度升高时，通水冷却，效果最好，但应避免冷却速度太快而降低金属型使用寿命。

用于铜合金铸件。

设置激冷块冷却

对要求局部激冷的金属型，在激冷处安置激冷块，加快该处的冷却速度，以防止产生缩松。

激冷块的材料为阴极铜。

设置冷却筋与冷却孔冷却

对易产生轻微缩松的铸件，可在其局部较厚的部位型面上开设冷却筋或冷却孔。

冷却筋为2～4mm的三角形，冷却孔常设在分型面上，直径为2～4mm

空气冷却金属型水冷金属型

5金属型用材料及其选用

（1）对金属型材料的要求

－具有足够的高温强度和热稳定性；

－具有足够的强度和韧性；

－在高温金属液作用下不致被熔焊；

－温度急剧变化时产生的热应力要小，不易产生翘曲、变形和裂纹；

－铸造性能及机械加工性能要好。

（2）材料的选择

金属型的型体、底板及型芯等广泛采用铸铁和中碳钢。

铸铁制的金属型寿命低、修补时没有碳钢方便，所以复杂型面的金属型常用碳钢制造，而小型芯和薄活块，浇注时受金属液包围，工作条件恶劣，宜采用合金钢制造。

6金属型寿命

（1）平均寿命

金属型寿命是指金属型在其报废前所能浇注铸件的绝对次数，一般与金属型材料、铸件材料及铸件特性等因素有关。

对于非铁合金铸铁金属型，小型铸件可浇注数万至数十万次，中型铸件可浇注数万次。

（2）金属型破坏类型及原因

热应力的叠加

铸铁金属型坯料的内应力没有及时消除而存留在加工后的金属型内，浇注时受金属液的热作用，产生新的热应力，若两种应力符号相同时，将产生叠加，当应力大于材料的强度极限时，金属型就会出现开裂。

热疲劳应力

每浇注一次，金属型内表面就得经受一次交变应力的作用。

长期工作，金属型内表面就得承受无数次交变应力的作用，当这种交变应力超过金属型的疲劳强度极限时，金属型内表面上就会出现微小裂纹。

随着浇注次数的增多，裂纹扩展，会在金属型工作表面形成明显的网状裂纹，严重时，金属型会因此报废。

金属型受交变热应力示意图

氧气侵蚀

金属型高温工作条件下，氧气会进入金属型的热疲劳裂纹中，与金属型发生较剧烈的氧化反应，使裂纹处组织疏松并进一步扩展。

金属液冲刷

浇注时，金属液对金属型工作表面有剧烈的热冲击作用，使金属型温度迅速升高，强度降低。

有时受金属液侵蚀的表面会与铸件粘合在一起，强力取出铸件时会损坏金属型工作表面。

铸件的摩擦

因金属型无退让性，取出铸件时会与包住铸件的金属型产生较大的表面接触摩擦，引起破坏。

对于金属型温度升得较高得表面，破坏的可能性较大，如浇注系统、型芯等处，较易磨损。

四、铸造工艺

1金属型的准备

2金属型的浇注工艺

3金属型的试铸

1金属型的准备

（1）金属型的清理

（2）金属型的预热

（3）涂料及涂敷工艺

（1）金属型的清理

清理方法可以是手工清理、喷砂或化学清理。

（2）金属型的预热

金属型在喷刷涂料前需先预热，对于铝、镁合金通常预热到150℃～200℃；喷完涂料还需进一步预热至金属型的工作温度，对于铝合金，一般预热到200℃～300℃，薄壁件预热到300℃～350℃，对于镁合金，一般预热到200℃～350℃，薄壁件预热到300℃～400℃。

（3）涂料及涂敷工艺

1）喷刷涂料的目的

保护金属型，改善型腔中气体的排除条件，避免金属液直接接触金属型型壁，使铸件表面光洁，便于脱型。

不同涂料厚度还可以调整凝固顺序，减少铸件缺陷。

气体通过涂料层排出

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）涂料的涂敷原则

金属型的型腔、型芯及浇冒口部位的型面均应喷刷涂料。

型腔、型芯所用涂料应保证铸件表面光洁，浇冒口应采用保温涂料。

铸件壁越厚，涂料层应减薄；反之，铸件壁越薄，涂料层应增厚。

但冒口至需要补缩部位的涂料层厚度可逐渐减薄，以利于冒口的充分补缩。

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。

涂敷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，最后喷刷需要涂料层薄的型腔表面。

4）涂料配方

涂料一般由粉状耐火材料（如氧化锌、白垩粉等）、粘结剂（如水玻璃）、载体（如水）和其他附加物（如石墨粉、滑石粉等）组成。

铝合金铸件用涂料配方（质量分数）

成分

配方

用途

氧化锌

水玻璃

水

9～11

6～8

其余

中小型及表面要求光洁的铸件型腔工作面

氧化锌

白垩粉

二氧化钛

水玻璃

水

其余

表面要求光洁的铸件型腔工作面

氧化锌或白垩粉

石墨粉

二氧化钛

水玻璃

水

其余

大型及厚壁铸件及表面容易拉铝的型腔工作面

成分

配方

用途

石墨粉

水玻璃

水

10～15

其余

用于斜度小的型芯及厚壁铸件型腔工作面

氧化锌

二氧化钛

石棉粉

水玻璃

水

其余

薄壁铸件的型腔工作面

石棉粉

氧化锌

水玻璃

水

10～12

10～18

其余

浇冒口系统涂料

石墨粉

钙基润滑脂

用于金属型摩擦部位

2金属型的浇注工艺

（1）合金的浇注温度

（2）浇注工艺

（3）铸件在金属型中的保持时间

（1）合金的浇注温度

1）形状复杂及壁薄的铸件，浇注温度应偏高些；形状简单、壁厚及重量大的铸件，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。

3）浇注速度快时，可适当降低浇注温度；需缓慢浇注的铸件，浇注温度应适当提高。

4）顶注式浇注系统可采用较低的浇注温度；底注式浇注系统要求较高的浇注温度。

5）当金属型中有很大的砂芯时，可适当降低合金的浇注温度。

铝合金：

铝硅合金680℃～740℃

铝铜合金700℃～750℃

镁合金：

720℃～780℃

（2）浇注工艺

1）常规浇注

－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；

－按照先慢、后快、再慢的浇注原则；

－浇包嘴应尽可能靠近浇口杯。

2）倾斜浇注（比较好的方式）

开始浇注时将金属型倾斜一个角度（一般为45°），然后随浇注过程而逐渐放平。

3）振动浇注

振动浇注可以细化晶粒，提高铸件力学性能，减少铸造缺陷。

（3）铸件在金属型中的保持时间

铸件在金属型中的保持时间取决于铸件壁厚、铸件材质及金属型的工作温度。

一般希望金属液在铸型中凝固后立即抽芯脱型，因此时铸件收缩小，产生的内应力小，形成裂缝的可能性小。

脱型时间太晚，铸件对金属型的包紧力增加，会造成金属型分不开和

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