1)砂型铸造的工艺过程

砂型铸造的工艺过程如图3－2－1所示。其中，造型和造芯两道工序对铸件的质量和铸造的生产率影响最大。

图3-2-1　砂型铸造的工艺过程

2)铸型

铸型是用型砂、金属材料或其他耐火材料制成，包括形成铸件形状的空腔、芯子和浇冒口系统的组合整体。用型砂制成的铸型称为砂型。砂型用砂箱支撑时，砂箱也是铸型的组成部分，它是形成铸件形状的工艺装置。

图3－2－2为两箱造型时的铸型装配图。

图3-2-2　铸型的组成

表3－2－1为砂型各组成部分的名称与作用。

表3-2-1　砂型各组成部分的名称与作用

3)型砂和芯砂

砂型铸造用的造型材料主要是型砂和芯砂。铸件的砂眼、夹砂、气孔及裂纹等均与型砂和芯砂的质量有关。

(1)型砂和芯砂应具备的主要性能

①强度　指型砂、芯砂抵抗外力破坏的能力。强度过低，易造成塌箱、冲砂、砂眼等缺陷;强度过高，易使型(芯)砂透气性和退让性变差。黏土砂中黏土含量越高，砂型紧实度越高，砂子的颗粒越细，强度越高。含水量过多或过少均使型(芯)砂的强度变低。

②可塑性　指型砂、芯砂在外力作用下变形，去除外力后能完整地保持已有形状的能力。可塑性好，造型操作方便，制成的砂型形状准确、轮廓清晰。可塑性与含水量、粘结剂的材质及数量有关。

③透气性　即紧实砂样的孔隙度。若透气性不好，则易在铸件内部形成气孔等缺陷。型(芯)砂的颗粒粗大、均匀，且为圆形，黏土含量少，型(芯)砂舂得不过紧，均可使透气性提高。含水量过多或过少均可使透气性降低。

④耐火性　指型(芯)砂抵抗高温热作用的能力。耐火性差，铸件易产生粘砂。型(芯)砂中SiO2含量越多，型(芯)砂颗粒越大，耐火性越好。

⑤退让性　指铸件在冷凝时，型(芯)砂可被压缩的能力。退让性不好，铸件易产生内应力或开裂。型(芯)砂越紧实，退让性越差。在型(芯)砂中加入木屑等物可以提高退让性。

⑥溃散性　型砂和芯砂在浇注后，容易溃散的性能。溃散性对清砂效率和劳动强度有显著影响。

此外，型砂和芯砂还要具有好的流动性、不粘模性、保存性和耐用性以及低的吸湿性、发气性等。选择型(芯)砂时还必须考虑它们的资源与价格等问题。

(2)常用型砂、芯砂的种类及应用

型砂和芯砂都是由原砂、粘结剂、辅助材料以及水等原材料配制而成的。按粘结剂的种类可分为：

①黏土砂　由原砂(应用最广泛的是硅砂)、黏土(或膨润土)、水及辅助材料(煤粉、木屑等)按一定比例配制而成的黏土砂，是迄今为止铸造生产中应用最广泛的型砂。它可用于制造铸铁件、铸钢件及有色合金铸件的砂型和不重要的芯子。图3－2－3为黏土砂结构示意图。

图3-2-3　黏土砂结构

黏土砂根据其功能及使用方式的不同，可分为：面砂、背砂、单一砂;湿型砂、干型砂、表面干型砂等。

②水玻璃砂　由水玻璃为粘结剂配制而成的型砂。它是除了黏土砂以外用得最广泛的一种型砂。

水玻璃砂铸型或芯子无需烘干，硬化速度快，生产周期短，易于实现机械化，工人劳动条件好。但铸件易粘砂，型(芯)砂退让性差，落砂困难，耐用性更差。

③油砂和合脂砂　虽然黏土砂和水玻璃砂也可以用来制造芯子，但对于结构形状复杂、要求高的芯子，则难以满足要求。因为芯子在浇注后被高温金属液所包围，芯砂应具有比一般型砂更高的性能要求。尺寸较小、形状复杂或较重要的芯子，可用油砂或合脂砂制造。

油砂性能优良，但油料来源有限，又是工业的重要原料。为节约起见，合脂砂正在越来越多地代替油砂。

④树脂砂　树脂砂以合成材料为粘结剂，是一种造型或造芯的新型材料。用树脂砂造型或制芯，铸件质量好，生产率高，节省能源和工时费用，减少清理工作量，工人劳动强度低，易于实现机械化和自动化，适宜于成批大量生产。

除此以外，还有自硬砂、纸浆废液砂、糖浆砂以及石灰石砂等。

(3)型(芯)砂的配制

型(芯)砂质量的好坏，取决于原材料的性质及其配比和配制方法。

目前，工厂一般采用混砂机配砂(如图3－2－4)。混砂工艺是先将新砂、旧砂、粘结剂和辅助材料等按配方加入混砂机，干混2～3分钟后再加水湿混5～12分钟，性能符合要求后出砂。使用前要过筛并使砂松散。

型(芯)砂的性能可用型砂性能试验仪(如锤击式制样机、透气性测定仪、SQY液压万能强度试验仪等)检测。单件小批生产时，可用手捏法检验型砂性能(如图3－2－5)。

图3-2-4　碾轮式混砂机

图3-2-5　手捏法检验型砂

4)造型

造型方法分为手工造型和机器造型两类。

(1)手工造型

常用的手工造型方法有整模造型、分模造型、挖砂造型和活块造型等。

①整模造型　整模造型的模样是一个整体。造型时模样全部在一个砂箱内，分型面是一个平面。这类模样的最大截面在端部，而且是一个平面。整模造型工艺过程如图3－2－6。

图3-2-6　整模造型工艺过程

整模造型不会产生错箱等缺陷，模样制造、造型都比较简便，适用于生产各种批量和形状简单的铸件，如齿轮坯、轴承等。

②分模造型　分模造型是把模样沿最大截面处分为两个半模，并将两个半模分别放在上、下箱内进行造型，依靠销钉定位。分模造型的分型面一般是一个平面，根据铸件形状的不同分型面也可为曲面、阶梯面等。其造型过程与整模造型基本相同。图3－2－7为异口径管铸件分模造型的主要过程。分模两箱造型时，型腔分别处在上型和下型中，因模样高度降低，起模、修型都比较方便。同时，对于截面为圆形的模样而言，不必再加拔模斜度，使铸件的形状和尺寸更精确。对于管子、套筒这类铸件，分模造型容易保证其壁厚均匀。因此，分模造型广泛用于回转体铸件和最大截面不在端部的其他铸件，如水管、阀体、箱体、曲轴等。分模造型时，要特别注意使上型对准下型并紧固，以免产生错箱，影响铸件质量，增加清理工时。

受铸件的形状限制或为了满足一定的技术要求，不宜用分模两箱造型时，可选用分模多箱造型。图3－2－8(a)所示槽轮铸件，中间的截面比两端小，用一个分型面如图3－2－7那样造型就不能满足其圆周方向上力学性能一致的要求。这时可以在铸件上选取1、2两个分型面，进行三箱造型。其造型的主要过程如图3－2－8所示。三箱造型要求中箱高度与模样的相应尺寸一致，造型过程较繁，生产率低，易产生错箱缺陷，只适用于单件小批量生产。在成批大量生产中，可采用带外芯的分模两箱造型，如图3－2－9。如果槽轮较小，质量要求较高，也可用带外芯的整模两箱造型，如图3－2－10。

图3-2-7　分模造型

图3-2-8　分模三箱造型

图3-2-9　采用外芯的分模两箱造型

图3-2-10　改用外芯的整模两箱造型

③挖砂造型　铸件若按其结构形状来看，需要分模造型，但为了制造模样方便，或者将模样做成分开模后很容易损坏或变形，这时仍将模样做成整体。为了使模样能从砂型中取出来，可采用挖砂造型，如图3－2－11。

图3-2-11　挖砂造型

挖砂造型一定要挖到模样的最大截面处。挖砂所形成的分型面应平整光滑，坡度不能太陡，以便于顺利地开箱。

挖砂造型要求工人的操作水平较高，且操作麻烦，生产率低，只适用于单件小批量生产。成批生产时，采用假箱造型(图3－2－12)或成型模板造型(图3－2－13)来代替挖砂造型，可以大大提高生产率，还可以提高铸件质量。

图3-2-12　假箱造型(www.daowen.com)

图3-2-13　成型底板造型

假箱造型是利用预先制备好的半个铸型简化造型操作的方法。此半型称为假箱，其上承托模样，可供造另半型，但不用来组成铸型。

成型底板可根据生产批量的大小，分别用金属或木材制作。

④活块造型　活块造型是将整体模或芯盒侧面的伸出部分做成活块，起模或脱芯后，再将活块取出的造型方法，如图3－2－14。活块用销子或燕尾榫与模样主体联接。造型时应特别细心，舂砂时要防止舂坏活块或将其位置移动，起模时要用适当的方法从型腔侧壁取出活块。活块造型操作难度较大，取出活块要花费工时，活块部分的砂型损坏后修补较困难，故生产率低，且要求工人的操作水平高。活块造型只适用于单件小批量生产。成批生产时，可用外芯取代活块(图3－2－15)，以便于造型。

图3-2-14　活块造型

图3-2-15　用外砂芯做出活块

⑤刮板造型　不用模样用刮板操作的造型和造芯方法。根据砂型型腔和砂芯的表面形状，引导刮板作旋转、直线或曲线运动，见图3－2－16和图3－2－17。刮板造型能节省制模材料和工时，但对造型工人的技术要求较高，生产率低，只适用于单件小批量生产中制造尺寸较大的回转体或等截面形状的铸件。

(2)机器造型

机器造型是用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序，是现代化铸造生产的基本方式。与手工造型相比，机器造型可显著提高铸件质量和铸造生产率，改善工人的劳动条件。但是，机器造型用的设备和工装模具投资较大，生产准备周期较长，对产品变化的适应性比手工造型差，因此，机器造型主要用于成批大量生产。

机器造型紧实型砂的常用方法有：

①振压紧实　振压紧实综合应用了振实和压实紧砂的优点，型砂紧实均匀，是目前生产中应用较多的一种。图3－2－18为振压造型机的紧砂过程。

图3-2-16　带轮的刮板造型过程

图3-2-17　用往复移动式刮板造型

图3-2-18　振压造型机紧砂过程

振压造型机常常两台配对使用，分别造上型和下型，故这种机器造型只适用于两箱造型。为了提高生产率，采用机器造型的铸件应避免使用活块，尽可能不用或少用芯子。

②微振压紧实　在高频率(700～1 000次/分)、低振幅(5～10 mm)振动下，利用型砂的惯性紧实作用，同时或随后加压的造型方法。它不仅噪音小，且型砂紧实度更均匀，生产率更高。

③射砂紧实　利用压缩空气将型(芯)砂高速射入砂箱(芯盒)而进行紧实的方法。由于填砂和紧实同时进行，故生产率高。目前主要用于制芯。

④抛砂紧实　抛砂紧实是用离心力抛出型砂，使型砂在惯性力下完成填砂与紧实的方法。抛砂紧实生产率高，型砂紧实均匀，可用于大中型铸件的生产。砂箱尺寸应大于800 mm×800 mm。

此外，还有无箱射压造型、多触头高压式造型、薄壳压膜式造型、负压造型、二氧化碳法造型、自硬砂造型、流态砂造型等。

机器造型的起模方式主要有：顶箱起模、落模起模、翻台起模、漏模起模等(图3－2－19)。

图3-2-19　起模方式

5)造芯

芯子主要用来形成铸件的内腔。为了简化某些复杂铸件的造型工艺，也可以部分或全部用芯子形成铸件的型腔。根据芯子的尺寸、形状、生产批量以及技术要求的不同，制芯方法也不同。通常有手工造芯和机器造芯两大类。机器造芯的生产率高，紧实均匀，芯子质量好，适用于成批大量生产。根据芯盒材料的不同，手工造芯有塑料芯盒、金属芯盒和木芯盒，而机器造芯有壳芯式、热芯盒射砂式、射芯式、挤压式、振实式及压实式芯盒等。根据芯盒结构的不同，又可分为：整体式芯盒，用于形状简单的中、小砂芯，如图3－2－20(a);对开式芯盒，用于圆形截面的较复杂的砂芯，如图3－2－20(b);组合式芯盒，用于形状复杂的中、大型砂芯，如图3－2－20(c)。对于内径大于200 mm的弯管砂芯，可用刮板制芯，如图3－2－17(b)。为了保证芯子的尺寸精度、形状精度、强度、透气性和装配稳定性，造芯时应根据芯子的尺寸大小、复杂程度及装配方案采取以下措施：

图3-2-20　芯盒种类

①放置芯骨(图3－2－21)以提高砂芯强度，防止砂芯在制造、搬运、使用中被损坏。

图3-2-21　芯骨

图3-2-22　在芯子上开排气道

②开排气道(图3－2－22)以便浇注时顺利而迅速地排出芯子中的气体。芯子中的排气道一定要与砂型的排气道接通。

③在芯子表面刷涂料以降低铸件内腔的表面粗糙度并防止粘砂。铸铁件芯子常用石墨涂料，铸钢件芯子则用石英粉涂料，有色金属铸件的芯子可用滑石粉涂料。

④烘干芯子以提高芯子强度和透气性，减少芯子在浇注时的发气量。

芯子必须有足够的尺寸和合适的形状，以保证其在安放时定位准确并稳定可靠。若铸件形状特殊，单靠芯头不能使芯子牢固固定时，还可以用芯撑(图3－2－23)加以固定。浇注时芯撑和液体金属可以熔焊在一起，但铸件致密性差。

图3-2-23　用芯撑支撑芯子

6)浇注系统设计

合理选择浇注系统各部分的形状、尺寸和位置，对于获得合格铸件、减少金属的消耗具有重要的意义。若浇注系统设计得不合理，铸件易产生冲砂、砂眼、渣眼、浇不足、气孔和缩孔等缺陷。

典型的浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道组成，如图3－2－24所示。

图3-2-24　浇注系统

(1)浇口杯

浇口杯是漏斗形的外浇口，单独制造或直接在铸型中形成，成为直浇道顶部的扩大部分。它承接来自浇包的金属液，减缓金属液流的冲击，使金属液平稳地流入直浇道，并具有挡渣和防止气体卷入浇道的作用。

(2)直浇道

直浇道是浇注系统中的垂直通道。通常带有一定的锥度，其截面多为圆形。直浇道以其高度所产生的静压力，使金属液充满型腔的各个部分。

(3)横浇道

横浇道是浇注系统中的水平通道。其截面多为梯形，一般设在上砂型分型面以上的位置。横浇道将金属液分配给各个内浇道并起挡渣作用。

(4)内浇道

内浇道是浇注系统中引导金属液进入型腔的部分。其截面多为扁梯形或三角形。内浇道的位置应低于横浇道，以便于把横浇道中靠底层的纯净金属液引入型腔。内浇道控制金属液流入型腔的方向和速度，调节铸件各个部分的冷却速度。内浇道的形状、位置和数目，以及导入液流的方向，是决定铸件质量的关键之一。

开设内浇道时必须注意以下各点：

①尽可能使金属液进入铸型及金属液在型腔中流动的途径最短。

②应使金属液顺着铸型型腔壁流动，不使其正面冲击铸型和芯子，尤其不许冲击突出的砂型部分。对于圆形铸件，内浇道应沿切线方向开设。

③内浇道不要开设在铸件的重要部位。因为内浇道附近的金属液冷却慢，晶粒粗大，力学性能较差。

④对于壁厚较均匀，面积较大的盖、罩、盘类铸件，应增加内浇道的尺寸和数量，使金属液均匀分散地引入型腔，避免冷隔和变形。

⑤壁厚相差不大、收缩不大(如灰铸铁)的铸件，内浇道多开在薄壁处，使铸件各处冷却均匀，有利于减小铸件的内应力。壁厚相差较大，特别是收缩大(如球墨铸铁、铸钢)的铸件，内浇道多开在厚壁处，以保证金属液对铸件的补缩，有利于防止缩孔。

⑥内浇道与铸型的接合处应带有缩颈，以保证清除浇口时不撕裂铸件，如图3－2－25。按内浇口在铸件上的位置，浇注系统可设计成多种形式，如图3－2－26。要根据铸件的材料、形状、尺寸和质量要求来选择浇注系统的形式。如一般两箱分模造型的中小型铸件，多采用侧注式浇注系统;对于重量小、高度不大、形状简单以及不易氧化的薄壁和中厚壁铸件，多采用顶注式浇注系统;对易氧化的铝、镁合金大铸件和铸钢件，多采用底注式浇注系统，对高度较大的复杂铸件，可采用阶梯式浇注系统。

图3-2-25　内浇道的缩颈

图3-2-26　常见浇注系统的形式