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气压辅助铸造成型技术 1

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

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温度一般约在730～750oC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。

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（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。

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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

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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。

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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Ra1.6～Ra2.5，尺寸精度高（可达2～5），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

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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,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。

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,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,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]

[5]

[4]

[2]

[3]

,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。

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(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,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,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]

[8]

[7]

,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（20~60kPa），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：

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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。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压铸相关企业的研究热点

[11]

[10]

[9]

,

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

。

1.5 目的及意义

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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。

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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：

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堵头 冷却水嘴 冒口 浇注口 浇道 排气孔 通气管 开关 气泵

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。

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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：4.5～

5.5Si，1.0～1.5Cu，0.4～0.6Mg。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200～225℃，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δ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

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图3-2铸件二维图

(1) 砂型铸造工艺简介：

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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，

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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；

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(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

陕西科技大学毕业论文 18

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15～30％ (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；

(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15～30％；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。

(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;

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 材料 热处理 型腔板 HT20 人工时效 顶杆 T8A HRC38 定位销 4Cr5MoVSi HRC38 3.3.2金属型的结构形式

气压辅助铸造成型技术 19

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

[13]

3.3.3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=［Ap + Ap·ε±δ］±ΔAx （3-1）

式中：Ap——铸件的名义尺寸，mm；

陕西科技大学毕业论文 20

ε——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；

δ——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0.2～0.3之间 取0.2mm

ΔAx——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·ε% （3-2）

L0=θ·R （3-3）

θ=θ0+θ0·ε% （3-4）

式中L0——零件弧长 mm； L——模具弧长 mm；

θ——模具弧的圆心角，rad；

ε%——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ε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：

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图3-6 型腔尺寸的计算

(2) 分型面尺寸的确定

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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

尺寸名称 铸件轮廓至金属型边缘的距离 同一金属型布置多件时，铸件的距离 直浇口至铸件的距离 金属型下缘（垂直分型时）至铸件或浇口的距离 直浇口高度比铸件上缘高出的距离 一般为20～40mm [17]

参考数据/mm 一般在25～30mm 一般不小于30mm 一般为10～35mm 一般为30～50mm 分型面尺寸如下图所示：

图3-7 分型面的尺寸

气压辅助铸造成型技术 23

（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1.3kg N取12次/h

所以有公式（3-5）可得：

Q放= q·N·m=796x12x1.3=12417.6KJ/h

ii 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=φ1·A （3-6） 式中φ1——模具自然传热面积的热流量KJ/（m2·h）；

A——Ac+Af·k；

Ac——模具四个侧面的面积； Af——模具分型面面积；

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K——开模率 取0.2

Ac=320×120×2+360×120×2=0.0768+0.0864=0.163m2 Af=360×320=0.1152m2

锌合金φ1=4187KJ/（m2·h），铝合金和镁合金φ1=6280KJ/（m2·h），铜合金φ1=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，该公式过于粗略，误差较大，正常情况下占20%～25%。

iii 模具表面的空气对流散热Qc

由于模具表面的工作温度小于300℃，故Qc可按下列经验公式计算：

Qc =4.187×（0.25+360/tm+300）·A·（tm- t0）4/3 （3-7） 式中tm，t0——铸造过程中模具的温度和室温，tm=200℃，t0=30℃； A——模具的散热面积，m2； 所以 Qc =1521.2KJ/h

iv 模具四侧面辐射所散发的热量QR

44

QR=ε·A·C0［（273+tm/100）（-273+ t0/100）］ （3-8）

式中ε——辐射率，四侧面为粗加工表面，取ε=0.9—1 在此取1；

C0——绝对黑体的辐射系数，取C0=20.5KJ/（m2·K4·h）；

将有关数据代入式④得：

QR=1390KJ/h

v 由压机固定板传导所散发的热量QL

QL=A·β·Δt （3-9） 式中β——热传导系数，KJ/（m2·h·℃），普通渗碳钢β=500；

Δt——动，定模座板与压机固定板的温差，持续工作情况下Δt=20℃； 将有关数据代入式⑤得：

气压辅助铸造成型技术 25

QL=0.763×500×20=0.163×10000=1630KJ/h

由以上计算得到模具每小时自然传热所散发的热量是： QZ=Qc+ QR + QL=1521.2+1390+1630=4541.2 KJ/h

vi 特定部位散发的热量

部分金属模，压机的分流锥，浇口套，定模安装板等常设计冷却通道，所以计算模具热平衡时应设入特定比为散发的热量Q2

QZ=φ2·A2 （3-10） 式中φ2——特定常设通道的面积热流量，φ2=（210～250）×10 KJ/（m·h）；

4

2

A2——特定常设通道的表面积，m2；

当该部分没有常设冷却通道时，粗略视为没有散热。在此由于此模具只采用两块简单的型腔板进行试验，因此这部分散热不考虑。 (c) 模具壁厚与热平衡的关系

金属型工作处在高温下，材料强度以降低，且在开模取出铸件时受力较大，为防止翘曲变形，金属型要有足够大的强度和刚度。

金属性壁厚H，其导热系数为λ，则金属型的热阻为H/λ。设金属型壁与铸件的接触面积为F，其密度为ρ，比热容为C，浇注后型壁温度场的平均温度升高为Δt，则金属型的蓄热量Q可以用下式表示：

Q=F×H×C×Δt×ρ （3-11） 由此可以看出，增大金属型的壁厚，则提高了其热阻，从而降低了铸件的冷却速度。但在另一方面，增加壁厚可以增加金属性的蓄热能力，会加速铸件的冷却。对浇注有色金属而言，由于铸型温度相对较低，因而因对流和辐射方式向周围介质的放热有一定的限度，此时，铸型的蓄热能力起主要作用。图2.1说明了铸件凝固时间与金属型壁厚的关系，因此，决定金属型壁厚时要考虑两个因素：型体的结构强度和刚度以及型壁对铸件的散热（或冷却条件）。一般而言，考虑了冷却条件后所确定的型壁厚度，能保证结构具有必要的强度。综合考虑，取型腔壁厚为60mm。 (d) 模具强度的校核

i侧壁厚度的计算

此型腔为整体式，任一侧壁均可简化为三边固定一边自由的矩形板，当熔体注入时，其最大变形发生在自由边的中点，变形量δmax（mm）取0.05mm，

δmax =C·p·h4/E·a3 （3-12）

式中C——由L/h而定的常数，其值可由查表得到

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L——侧壁内侧边长，mm；

h——侧壁内侧边高（型腔的深度），mm； 按允许δ计算侧壁厚度

4c?p?h a=3 （3-13）

E??在此，由于铸件的形状不规则，因此按照它的大概轮廓，将其近似成矩形进行计算。 近似成矩形的个参数为L=300mm，h=35mm，C=0.93，P=100MP，E为弹性模量，其值为2.1×105MP。将个参数代入（3-13）式得：a=23.2mm。

ii底板厚度的计算

此模具型腔板可近似看成支撑在垫块上其中部悬空的整体式矩形腔，当它受到压强为P的熔体作用时，板的中点将产生一巨大变形，其值为：

δmax=C1·p·b4/E·S3 (3-14) 式中C1——常数，有底板内壁边长之比L/h而定，其值可由查表得知；查表可取C1=0.03，δmax取0.05mm；

4C?P?b S=3 （3-15）

E??将②式代入数据可求得S=27mm。 所以，模具的壁厚满足要求。 (4) 浇注系统的形状及尺寸

浇注系统又简称浇口，一般由四部分组成：外浇口（浇口杯，浇口盆），直浇道，横浇道，内浇道。

浇注系统应满足以下要求：

(a)控制金属流动的速度和方向，并保证充满型腔；

(b)金属液在型腔中的流动应平稳，均匀，以避免夹带空气，产生金属氧化物； (c)有利于铸件温度的合理分布； (d)浇注系统应具有除渣功能；

由于此模具为一模两腔的形式，所以采用双向横浇道进行浇注，如图3-8所示： I 常用浇注时间经验公式为：

t=k3??G1=3×35?1.3=5.46s （3-16） 式中t——浇注时间（s）；

G1——浇入型内的金属液总重量（kg）；G1=0.5×2+0.5×2×30%=1.3kg δ——铸件的平均厚度，5mm；

气压辅助铸造成型技术 27

k——系数，取0.3；

图3-8 双向横交道示意图

[14]

II 阻流组元（或内浇道）截面积的计算及各组元之间的比例关系的确定 ①水力学计算法

把金属溶液看作普通流体，浇注系统看作管道，在封闭式浇注系统中，内浇道为阻流组元，根据流量方程和伯努利方程可推导出铸件内浇道截面积的计算公式： S内=

G10.31?tH0=

1.30.31?0.5?5.4620

=3.8cm2 （3-17）

式中S内——内浇道截面积（cm2）；

G1——型内金属液的总重量（kg），1.3kg μ——流量系数，取0.6； t——浇注时间（s），5.46s；

H0——作用于内浇道的金属液压头（cm），取20

因为式中的H0在浇注时大多是变化的，可用平均压头H均代替，水力学公式可改为： S内=

G10.31?tH均 （3-18）

G1——包括浇冒口在内的金属总重量（kg），浇冒口的重量按铸件的比例求出，

取铸件的30%。 ②最小截面积法

设金属型的型腔高度为H（cm），浇注时间为ts，则金属液在型腔中的平均上升速度为V升（cm/s），即

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V升 =

H （3-19） t如果铸件的平均壁厚为b（cm），则V升可由下列经验公式求得： V升=以上两式可求得浇注时间 t=式中的系数3～4.2；

浇注系统内的流速v决定于铸件重量Q（N），金属液的重度У（N/cm3），浇注时间（s）及浇道的最小面积。其值可用下是表达： V=整理得： A最小=

HH? （3-21） V升3~4.2b3~4.2 （3-20） bQ （3-22）

??t?A最小(3~4.2) （3-23）

??v?b?H?Q 关于v的大小，根据前人经验，对于铝合金一般不超过150cm/s。

确定A最小后，再按比例计算各部分截面积，对于铝，镁合金多采用开放式浇注系统。直，横，内浇口总断面积比可参考下列比例：

小型铸件 （<12kg）：A直：A横：A内=1：（1.5～3）：（1.5～3） 取1:1.5:1.5 由上式计算可得：A直=3.09cm2，

根据比例可知：A横= 4.6cm2 A内=4.6cm2。 ③浇口杯尺寸的确定

浇口杯的作用是接纳来自浇包的金属液，便于浇注，缓和金属液的冲击，把金属液较平稳的引入直浇道，阻挡金属液中熔渣和防止气体卷入直浇道。

浇口杯的形状有两大类，一是漏斗形，二是池形。本模具采用漏斗形，尺寸如图3-9示确定：

图3-9 浇口杯的设计图

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由此可确定D=48mm，3/4d=1.5mm。 (5) 冒口的形状及尺寸的确定

金属型铸造的冒口和砂型铸造时具有同等的作用：即为补缩，集渣和排气。它的设计原则也与砂型用冒口相同。由于金属型冷却速度大，而冒口有常采用保温材料或砂层，况且，铝合金在金属型中的凝固方式一般为中间凝固状态或体积凝固状态，因而冒口的补缩范围根本无法达到整个铸件而只限于只限于冒口安放处的局部热节。所以其冒口的形状和尺寸与热解的形状和位置有很大的关系，很难通过理论计算来获得，一般采用与热节大小有关的经验公式计算（本次实验中，浇注完成后通入高压气体，大大减少了补缩量，故本模具中的冒口主要起排起作用）。图3-10表示如何由铸件的热节来确定冒口的尺寸，根据前人经验，明冒口D=（1.2---1.5）d ，H=（0.8---1.5）D，其中D为冒口根部直径，d为冒口补缩处的热节圆直径，H为冒口高度。

由此方法可求得冒口的根部直径为7.5mm，顶部直径为2.5mm。布置的具体位置如图3-11所示，除此之外，在铸件的下凸台处为防止浇不到，特意设置两个直径为2mm的通气孔。

图 3-10

(6) 冷却水道的设计

当合金每小时放出的热量远大于模具自然散发的热量与常设通道所散发的热量（在此不考虑）之和时，则应根据则应根据剩余的热量分别设置相应的冷却水道，是模具的各部分均能保持大致的平衡。设计原则如下：

(a)冷却通道的直径d可视压铸件的形状，大小及壁厚确定，一般取d=6～12mm，过大易使模具激冷而产生龟裂，过小传热效果差。在此取8mm。

(b)通道壁与型腔间距s一般取d的1.5～2倍，s过大传热效果差，过小易产生穿透裂纹，当压铸件壁厚过大时，s可取小值，s减小一半，散发热量增加50%，冷却介质一般采用水。

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图3-11 浇注系统的布置

6.1 冷却水道散发的热量

Q3=Q- QC -QK -QL=∑Aφ （3-24）

式中A——每个冷却水道的表面积，m2 φ——冷却通道的面积热流量，KJ/ m2·h；

φ可根据型腔投影长度L0，单通道入口至出口长度L1及S与d之间的关系由表3-2确定。d=8mm s=12mm L1=320mm

表3-2 S与d之间的关系

S与d的关系 S<2d 2d3d φ（KJ/ m2·h） L0 L1/2 146.5×104 125.6×104 104.7×104 最终确定φ为146.5× 104。 6.2 冷却通道个数n的确定

d，n取决于模具的结构，型腔分布，要反复调整计算，

∑A= Q3/φ=nЛd L1或n=∑A/（Лd L1） （3-25）

气压辅助铸造成型技术 31

设动模冷却通道散发

1的热量，即5251KJ/h，则 2∑A=0.1154m2

n= ∑A/（Лd L1）=2.5 取3 （3-26） 由于此冷却属于浅型腔压铸件模具的冷却，因此采用动，定模两侧与型腔等距离钻冷却水孔的形式，如图3-12所示：

图3-12 冷却水道设计图

在此模具中冷却水道的计算是按照320mm（型腔的宽度）设计的，但是由于此铸件整体上看是一个圆弧形的，而且两头带凸台，凸台部位在凝固过程当中容易产生缩孔，原因是得不到足够的金属液的补充，因此，在合理设计冒口和浇注系统的同时，应该先让两个凸台部位先凝固，这样的话，周围的未凝固的金属液就可以对凸台部位进行补缩，

陕西科技大学毕业论文 32

同时减少或消除了凸台部位出现缩孔的现象。如果采取整体冷却的方法，铸件在凝固的过程当中将会向圆弧的中心方向收缩，最终会导致整个铸件钩在模具的型腔当中（铸件两端有凸台），很难脱出，所以还是要先让两边凝固，最后再使中间凝固，这样浇注系统就可以给铸件提供金属液的补缩，因此就可以避免或减少以上所说的情况。因此采用如图3-12所示的形式。 (7) 金属型顶出机构

此次试验的开合模过程是由人工来完成的，因此顶出铸件的过程也是有人工来完成，在型腔内对应铸件的凸沿部位安装推杆，开模之后再把铸件用顶杆顶出。 (8) 金属型的定位，导向及锁紧机构

由于采用矩形分型面，本次模具的定位及导向主要靠分布在两侧的定位销实现，而锁紧机构，由于是人工浇注，采用机械中常用的螺栓紧固件进行锁紧。 (9) 排气系统的设计

此模具的排气装置主要靠冒口，出气孔和分型面。 (10) 砂芯的设计

本次试验中所使用的砂芯，是由专门的木模造型的，为保证砂芯牢靠稳定的放置在金属型内，芯头设置的稍微长一些，本试验中芯头的长度在35-40mm之间。 砂芯的成分为呋喃树脂，型砂，其树脂加入量为型砂重量的0.8%至1.1%。，另外配置相当比例的固化剂。

图3-13 木模三维图

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图 3-14 木模二维图

综合考虑做出的金属模具图如下所示：

图3-15 金属型模具图

3.4后期试验准备

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(1) 模具的准备

由于模具在加工过程当中出现一些问题，没有能及时把冷却水道加工出来，所以后期决定采用这套没有冷却水道金属型铸造模具实现本次试验。 (2) 砂芯模具的准备

本次砂芯是用专门的木模制作成的，模具虽然外形比较简单，但是制作成本太高，因此最终还是靠自己亲自动手，做成一套比较类似于先前模具的木模，不会影响到试验的效果。 (3) 其它辅助装置

(a)熔炼炉及附属装置

目前广泛使用的是电阻加热炉，其次是电热反射炉。金属熔炼不仅仅是单纯的熔化，还包括冶炼过程，使浇进铸型的金属，在温度、化学成分和纯净度方面都符合预期要求。为此，在熔炼过程中要进行以控制质量为目的的各种检查测试，液态金属在达到各项规定指标后方能允许浇注。有时，为了达到更高要求，金属液在出炉后还要经炉外处理，如脱硫、真空脱气、炉外精炼、孕育或变质处理等。熔炼金属常用的设备有冲天炉、电弧炉、感应炉、电阻炉、反射炉等。

结合现有设备及本试验特点，本次试验中采用高温电炉，型号为OR 2-30。 (b)供气系统

在低压铸造中，正确控制对铸型的充型和增压是获得良好铸件的关键，这个控制完全由供气系统来实现。根据不同铸件，不同铸件的要求，供气系统应可以任意调节，工作要稳定可靠，结构要使维修方便。

由于制件的型腔比较小，在型腔里所埋通气管的直径受到限制，制件本身是异形曲面，考虑到埋管的方便及成本性，本次在砂芯中铺设的通气管为铜管，在使用之前先用钢锯在上面拉几个通气孔。金属型腔外边的气管通通使用塑料管，能保证密封性而且拆装方便。

结合现有设备及本试验特点，本次试验中采用真空泵和空气压缩机对型腔进行抽真空和压入气体

(c)冷却装置

由于本次试验用到的模具没有加工出冷却水道，因此，采用水雾喷雾的方法更合理更方便，冷却效果也可以保证。

3.5 分析主要参数的影响

(1) 充型和增压

升液压力是指当金属液面上升到浇口，所需要的压力。金属液在升液管内的上升速度应尽可能缓慢，以便有利于型腔内气体的排出，同时也可使金属液在进入浇口时不致产生喷溅。

气压辅助铸造成型技术 35

(2) 充型压力和充型速度

充型压力Pa是指使金属液充型上升到铸型顶部所需的压力。在充型阶段，金属液面上在型腔中的升压速度就是充型速度。 (3) 增压和增压速度

金属液充满型腔后，再继续增压，使铸件的结晶凝固在一定大小的压力作用下进行，这时的压力叫结晶压力。结晶压力越大，补缩效果越好，最后获得的铸件组织也愈致密。但通过结晶增大压力来提高铸件质量，不是任何情况下都能采用的。 (4) 保压时间

型腔压力增至结晶压力后，并在结晶压力下保持一段时间，直到铸件完全凝固所需要的时间叫保压时间。如果保压时间不够，铸件未完全凝固就卸压，型腔中的金属液将会全部或部分流回批捐，造成铸件“放空”报废：如果保压时间过久，则浇口残留过长，这不仅降低工艺收得率，而且还会造成浇口“冻结”，使铸件出型困难，故生产中必须选择一适宜的保压时间。 (5) 铸型温度及浇注温度

低压铸造可采用各种铸型，对非金属型的工作温度一般都为室温，先特殊要求，而对金属型的工作温度就有一定的要求。如铸造铝合金时，金属型的工作温度一般控制在200～500C，浇注薄壁复杂件时，可高达300～500C。

关于合金的浇注温度，实践证明，在保证铸件成型的前提下，应该是愈低愈好。 (6) 涂料

如用金属型低压铸造时，为了提高其寿命及铸件质量，必须刷涂料；涂料应均匀，涂料厚度要根据铸件表面光洁度及铸件结构来决定；结合本试验采用粘结剂，从成本出发并考虑实际效果采用水玻璃。

3.6试验过程

(1) 模具的预热

本次试验实现采用喷灯烧热模具，然后再浇注液体金属将金属型烫热; (2) 铝合金熔化

将铝块放入熔炉内加热，经过一个小时的加热，铝锭已经完全融化，调节熔炉温度到680度730度之间，使之适于金属型的浇注温度。 (3) 浇注

用铝勺子在熔融的铝溶液表面撇一下，尽量避免表面的被氧化溶液，然后将铝勺里的熔融铝溶液快速的倒入已经预热的型腔内，十秒之后，迅速通入干燥的高压气体并保压三分钟，待制件完全凝固。 (4) 脱模过程

等制件冷却后，将模具打开，取出制件。

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试验所得到铸件图如下：

图3-16 铸件图

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4 试验结论

4.1 试验结果

本次试验由于前期模具准备不是特别充分，特别是木模的加工进度出现问题，导致后期时间上比较紧张，但最后还是用简单的方式做了出来，试验效果没有预期的好，但是气孔、缩松还是有部分减少，方法本身没有问题，只是有些细节之处还需要做大量的更细致的工作以进一步改进完善。此次试验得出的制件看起来比较粗糙，而且还有一些工艺上的缺陷，但其结构比较致密，基本实现了试验目的。

4.2 铸件质量的检测及缺陷分析

对铸件质量检验的目的是保证铸件的质量符合验收的技术条件，其包括外观质量和内在质量。

外观质量包括铸件的尺寸公差，表面粗糙度，重量公差，浇冒口残留量，表面缺陷，表面硬度，试样端口质量。内在质量包括铸件力学性能，化学成分，金相组织，内部缺陷等等。

(1) 力学性能的检验

拉伸强度，屈服点，伸长率，断面收缩率用拉伸试验机测定，冲击吸收功或冲击韧度用冲击试验机测定；挠度和抗弯强度用横向弯曲试验方法测定；硬度用各种硬度计测定。

(2) 铸件特殊性能检验

其包括铸件的耐热性、耐腐蚀性、耐磨性、摩擦性能、减震性、防爆性能、点穴性能、磁学性能、热血性能等，其检验方法应符合有关经验仪器和方法标准的规定。 (3) 铸件的化学分析

一般分为炉前检验和成品终端检验。炉前检验采用热分析、超申博、超声波法、光谱法，气体快速分析法等快速分析方法及相应仪器。成品分析主要有滴定法，分离法，分解法，容量法、重量法等。 (4) 铸件金相组织的检验

要对铸件进行金相检测，首先要截取金相试样，简单地说分为:取样→镶嵌→磨光与抛光→侵蚀→观察照相等五个步骤。

取样：金相的试样是整个零件的一部分，确定取样部位后，一般取直径10～15mm的圆柱体或每边长10～15mm的立方体，在截取过程中，要求试样内部的组织不发生改变。组织的改变，对检验结果就会带来谬误。

镶嵌：由于试样的尺寸太小，所以要把试样镶起来，然后进行打磨。

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磨光：试样经嵌镶后，首先将试样修整成平直试样，粗磨仅去掉切割痕，但仍有较深的粗磨痕，要经过细磨进一步磨光；金相试样的磨光除了要使表面光滑平整外，更重要的是应尽可能地减少表层损伤；每一道磨光工序必须除去前一道工序造成的变形层(至少应使前一道工序产生的变形层减少到本道工序产生的变形层深度)，而不是仅仅把前一道工序的磨痕除去，同时，该道工序本身应做到尽可能地减少损伤，以便于进行下一道工序。精磨的目的是消除粗磨时留下的较深的磨痕，为下一步抛光打好基础；精磨是在砂纸上进行；水砂纸为SiC磨料不溶于水，320#、500#、800#三种水砂纸进行磨光后即可进行抛光。

抛光：试样磨光后，要仔细地用水将其洗净，以除去砂粒；抛光与磨光的机理基本相同，即嵌在抛光织物纤维上的每颗磨粒可以看成是一把刨刀，根据它的取向，有的可以切除金属，有的则只能使表面产生划痕；由于磨粒只能以弹性力与试样作用，它所产生的切屑(划痕及变形层都要比磨光时细小和浅得多；在抛光的过程中，不断地倾注抛光微粉的悬浮液，要保持抛光布具有一定的湿度，直到磨痕全面消除，试样达到镜面一样的光亮表面为止；由于这些粒子很细，所以能磨去试样表面上微细不平处，而使试样能磨得很光亮，直到没有磨痕；试样经抛光后用水冲洗，然后吹干，不能擦干&以待浸蚀。

浸蚀：为使金属试样能显出其组织。试样必须经过某些酸性酒精溶液或水溶液的浸蚀。浸蚀的时间视合金的性质与组织而定，试样浸蚀后。应立即用水冲洗。倾斜试样让水尽量自动流走。并在表面滴几滴酒精。让酒精完全覆盖表面。然后吹干即可在显微镜下观察。

(5) 铸件内部缺陷的无损检验

主要检验方法有射线探伤法和超声波探伤法，射线探伤能发现铸件内部的缩孔，缩松，疏松，夹杂物，气孔裂纹等缺陷，确定缺陷平面投影的位置、大小和缺陷种类。超声波探伤可发现形状简单、表面平整铸件内的缩孔、缩松、夹杂物、裂纹等缺陷，确定缺陷的位置和尺寸，但难判定缺陷的种类。

此试验的目的主要是为了验证气压辅助铸造成型技术能否改善铸件的结晶组织，事实上是可以证明此方法没有问题，得到的铸件晶粒均匀细小，组织致密度、均匀性都良好，达到预期的目的。因此对铸件外观质量的要求不是很严格，但是由于各方面的原因，铸出来的制件还存在一些缺陷。下面对铸件常见的一些缺陷进行分析，并且提出一些解决措施。

(1) 欠铸（浇不足、轮廓不清、边角残缺） 形成原因：

(a)铝液流动性不强，液中含气量高，氧化皮较多。 (b)浇铸系统不良原因。内浇口截面太小。

(c)排气条件不良原因。排气不畅，涂料过多，模温过高导致型腔内气压高使气体不

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易排出。 防止办法：

(a)提高铝液流动性，尤其是精炼和扒渣。适当提高浇温和模温。提高浇铸速度。改进铸件结构，调整厚度余量，设辅助筋通道等

(b)增大内浇口截面积。

(c)改善排气条件，增设液流槽和排气线，深凹型腔处开设排气塞。使涂料薄而均匀，并待干燥后再合模。 (2) 裂纹：

特征：毛坯被破坏或断开，形成细长裂缝，呈不规则线状，有穿透和不穿透二种，在外力作用下呈发展趋势。冷、热裂的区别：冷裂缝处金属未被氧化，热裂缝处被氧化。 形成原因：

(a)铸件结构欠合理，收缩受阻铸造圆角太小。 (b)顶出装置发生偏斜，受力不匀。 (c)模温过低或过高，严重拉伤而开裂。 (d)合金中有害元素超标，伸长率下降。 防止方法：

(a)改进铸件结构，减小壁厚差，增大圆角和圆弧R，设置工艺筋使截面变化平缓。 (b)修正模具。

(c)调整模温到工作温度，去除倒斜度和不平整现象，避免拉裂。（4）控制好铝涂成份，成其是有害元素成份。 (3) 凹陷：

特征：在平滑表面上出现的凹陷部分。 形成原因：

(a)铸件结构不合理，在局部厚实部位产生热节。 (b)合金收缩率大。 (c)浇口截面积太小。 (d)模温太高。 防止方法：

(a)改进铸件结构，壁厚尽量均匀，多用过渡性连接，厚实部位可用镶件消除热节。 (b)减小合金收缩率。 (c)适当增大内浇口截面面积。

(d)降低铝液温度和模具温度，采用温控和冷却装置，改善模具热平衡条件，改善模具排气条件，使用发气量少的涂料。

(4) 变形特征：铸件几何形状与设计要求不符的整体变形。 形成原因：

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(a)铸件结构设计不良，引起不均匀的收缩。 (b)开模过早，铸件刚性不够。 (c)铸造斜度小，脱模困难。 (d)取置铸件的操件不当。 (e)铸件冷却时急冷起引的变形。 防止方法：

(a)改进铸件结构，使壁厚均匀。 (b)确定最佳开模时间，增加铸件刚性。 (c)放大铸造斜度。

(d)取放铸件应小心，轻取轻放。 (e)放置在空气中缓慢冷却

4.3 心得体会

四个月的时间匆匆过去，中间有喜悦也有酸楚，回顾一下自己历程，写一点心得，为以后的学弟学妹们起一个小小提示。

首先，拿到毕设题目要尽快把自己的蓝图勾画出来，不能走一步算一步，必须把整体把握好。不能拖延，总以为还有很多时间，其实到后期会发现，如果前期多做一些工作，后期会稍微轻松一点，工期要往前赶，免得出现什么意外措手不及。

思路告诉老师，同时你会发现有好多问题都是在与老师沟通是找到了新的解决方法，或者有了新的设计思路。

再次，就是一定要边做边学软件，千万不能在做毕设期间，拿着本软件教程从第一页开始看，这样效率最低了，最好是根据已有论文资料中提到的软件用途，有针对性的学。什么事总是想起来简单，但是做起来并不是你想的那么回事。开始是学习PRO-E软件，感觉很简单，看了几个例子视频，觉得其实没什么大不了的，后来才发现低估了这个东西，毕竟是一个软件，不是想的那么简单的，如果只是想简单的把铸件图形画出来那是相当的容易，但是当我画到模具图示就感觉比较困难了，在学习软件的时候一定要把握住要点，不能走马观花，只有把每个工具彻底了解了，你才能在运用的时候胸有成竹。

最后，我要强调的，可能也是最重要的那就是不能过分依赖别人，在开始阶段，我总想着让学长先完成试验要用到的模具和器材的准备工作，但是后来我发现我彻彻底底的错了，学长在此试验中其实有更重要任务要去完成，我的任务只是试验的一小部分。后来是通过自己动手才赶上进度。在做毕业设计的过程当中，常常感觉到这句话：“山重水复疑无路，柳暗花明又一村。”通常，一定是有解决的办法，只是需要去努力做努

其次，有问题多问导师，不能自己闷头做，方向偏了仍不知道，多把自己的想法和

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力想。这次型芯模具的加工就体现了这一点。当时我找不到合适的木头，去了一个旧货市场想买点木头，结果那个老板给我拿了一块旧菜板，这激发了我，后来我就是用一块菜板做的型芯模具。越到最后阶段，越要有毅力和状态，不能前紧后松，觉得前面做了不少，后面可以放松了。一定坚持，毕业设计的最后几天很忙很累，这是一个过程，总是要经历的，经历的总是有收获的。越到最后阶段，越要有毅力和状态，不能前紧后松，觉得前面做了不少，后面可以放松了。一定坚持，毕业设计的最后几天很忙很累，这是一个过程，总是要经历的，经历的总是有收获的。坚持到底，你就会看到胜利的果实。

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5 致谢

光阴似箭，转眼间大学四年的生活转眼间就结束了，如今站在临毕业的门槛上，回首这几个月来的点点滴滴，感触颇多。首先通过几个月论文的辛苦写作，既锻炼了我的工作能力，也锻炼了我的与人协作的能力，同时也磨练了我的意志，对我大学期间所学的知识进行了一次考察和升华。在毕业论文付梓之际，我想向曾经给过我帮助和支持的人们表示衷心的感谢。

首先，要向我的论文指导老师陈海峰老师致以诚挚的谢意。在论文的写作过程中，从选题立意、谋篇布局、收集资料、形成提纲直至全文定稿，都是在陈老师的悉心指导下完成的：百忙之中老师抽空认真细致地伏案为我们修改论文的情景，仍历历在目；辅导时老师循循善诱、不断启发我们思考的话语，仍犹鸣在耳。在整个毕业论文指导期间，陈老师严谨求实的治学态度、兢兢业业的工作作风以及谦厚亲切的师德风范使我受益匪浅。在陈老师外出带实习期间还多次关心我的试验进度。在陈老师的指导下我明晰了论文的关键所在以及文章的主旨思路，也学到了诸多方面的知识，专业水平有了很大的提高。

其次，我也很感谢曾珊琪老师和孙立新老师以及铸造实训室的丁师傅，是她们授予我模具方面的知识，使我对模具的设计工艺，加工工艺，以及模具寿命方面的知识有了很大的了解，并最终设计出模具。感谢田普健老师，因为正是在他的带领下，才使我有了一定的pro-e三维软件的基础，虽然现在画图的技术还不是很过硬，但最终也画出了零件及模具的三维图画。

感谢学长易福磊，因为之所以能够完成最后的试验，那是因为在他的大力帮助之下。先是帮我完成二维铸件图，然后再帮我完成木模结构图，是他教会我试验应该怎么去做，况且先做什么，后做什么，他都耐心的给我一一陈述。

其次，要感谢这四年中我所有的恩师。是他们在学习上的不断指导和帮助，增添了我智慧的力量，更加懂得了为人处事的道理；是他们用渊博的知识和精心的授课深深吸引了我，使我感到了学习的快乐，较好地掌握了每门功课的内容，为毕业论文的顺利完成打下了良好的基础。

再次，要感谢我亲爱的同学们，是他们伴我度过了人生中最关键、最美好的大学时光，和他们日常相处的点点滴滴让我印象深刻。是同学们对我的启发和帮助，为我营造了和谐的研究氛围，给予我战胜困难的勇气和信心。

最后，再次衷心的感谢各位老师和在我论文写作过程中给予我帮助的同学和朋友。

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6 参考资料

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