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金屬型重力鑄造工藝與模具

更新時間:2017-06-26 點擊數:715

金屬型重力鑄造工藝與模具

概述

金屬型鑄造又稱硬模鑄造,它是將液體金屬澆入金屬鑄型,以獲得鑄件的一種鑄造方法。鑄型是用金屬制成,可以反復使用多次(幾百次到幾千次)。

金屬到鑄造與砂型鑄造比較:在技術上與經濟上有許多優點。

(1) 金屬型生產的鑄件,其機械性能比砂型鑄件高。同樣合金,其抗拉強度平均可提高約25%,屈服強度平均提高約20%,其抗蝕性能和硬度亦顯著提高; 
(2) 鑄件的精度和表面光潔度比砂型鑄件高,而且質量和尺寸穩定; 
(3) 鑄件的工藝收得率高,液體金屬耗量減少,一般可節約15~30%; 
(4) 不用砂或者少用砂,一般可節約造型材料80~100%;

此外,金屬型鑄造的生產效率高;使鑄件產生缺陷的原因減少;工序簡單,易實現機械化和自動化。金屬型鑄造雖有很多優點,但也有不足之處。如:

(1) 金屬型制造成本高; 
(2) 金屬型不透氣,而且無退讓性,易造成鑄件洗不足、開裂或鑄鐵件白日等缺陷; 
(3) 金屬型鑄造時,鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度,鑄件在鑄型中停留的時間,以及所用的涂料等,對鑄件的質量的影響甚為敏感,需要嚴格控制。

金屬型鑄造目前所能生產的鑄件,在重量和形狀方面還有一定的限制,如對黑色金屬只能是形狀簡單的鑄件;鑄件的重量不可太大;壁厚也有限制,較小的鑄件壁厚無法鑄出。因此,在決定采用金屬型鑄造時,必須綜合考慮下列各因素:鑄件形狀和重量大小必須合適;要有足夠的批量;完成生產任務的期限許可。

金屬型鑄件形成過程的特點

金屬型和砂型,在性能上有顯著的區別,如砂型有透氣性,而金屬型則沒有;砂型的導熱性差,金屬型的導熱性很好,砂型有退讓性,而金屬型沒有等。金屬型的這些特點決定了它在鑄件形成過程中有自己的規律。

型腔內氣體狀態變化對鑄件成型的影響:金屬在充填時,型腔內的氣體必須迅速排出,但金屬又無透氣性,只要對工藝稍加疏忽,就會給鑄件的質量帶來不良影響。

鑄件凝固過程中熱交換的特點:金屬液一旦進入型腔,就把熱量傳給金屬型壁。液體金屬通過型壁散失熱量,進行凝固并產生收縮,而型壁在獲得熱量,升高溫度的同時產生膨脹,結果在鑄件與型壁之間形成了“間隙”。在“鑄件一間隙一金屬型”系統未到達同一溫度之前,可以把鑄件視為在“間隙”中冷卻,而金屬型壁則通過“間隙”被加熱。

金屬型阻礙收縮對鑄件的影響:金屬型或金屬型芯,在鑄件凝固過磋甲無退讓性,阻礙鑄件收縮,這是它的又一特點。

金屬型鑄造工藝

1金屬型的預熱

未預熱的金屬型不能進行澆注。這是因為金屬型導熱性好/液體金屬冷卻決,流動性劇烈降低,容易使鑄件出現冷隔、澆不足夾雜、氣孔等缺陷。未預熱的金屬型在澆注時,鑄型,將受到強烈的熱擊,應力倍增,使其極易破壞。因此,金屬型在開始工作前,應該先預熱,適宜的預熱溫度(即工作溫度),隨合金的種類、鑄件結構和大小而定,一般通過試驗確定。一般情況下,金屬型的預熱溫度不低于1500C。

金屬型的預熱方法有:

(1)用噴燈或煤氣火焰預熱;(2)采用電阻加熱器;(3)采用烘箱加熱,其優點是溫度均勻,但只適用于小件的金屬型;(4)先將金屬型放在爐上烘烤,然后澆注液體金屬將金屬型燙熱。這種方法,只適用于小型鑄型,因它要浪費一些金屬液,也會降低鑄型壽命。

2 金屬型的澆注

金屬型的澆注溫度,一般比砂型鑄造時高。可根據合金種類、如化學成分、鑄件大小和壁厚,通過試驗確定。下表中數據可供參考。

各種合金的澆注溫度

合金種類 澆注溫度℃ 合金種類 澆注溫度℃ 
鋁錫合金 350~450 黃銅 900~950 
鋅合金 450~480 錫青銅 1100~1150 
鋁合金 680~740 鋁青銅 1150~1300 
鎂合金 715~740 鑄鐵 1300~1370

由于金屬型的激冷和不透氣,澆注速度應做到先慢,后快,再慢。在澆注過程中應盡量保證液流平穩。

3鑄件的出型和抽芯時間

如果金屬型芯在鑄件中停留的時間愈長,由于鑄件收縮產生的抱緊型芯的力就愈大,因此需要的抽芯力也愈大。金屬型芯在鏡件中最適宜的停留時間,是當鑄件冷卻到塑性變形溫度范圍,并有足夠的強度時,這時是抽芯最好的時機。鑄件在金屬型中停留的時間過長,型壁溫度升高,需要更多的冷卻時間,也會降低金屬型的生產率。 熱點模具網

最合適的拔芯與鑄件出型時間,一般用試驗方法確定。

4金屬型工作溫度的調節

要保證金屬型鑄件的質量穩定,生產正常,首先要使金屬型在生產過程中溫度變化恒定。所以每澆一次,就需要將金屬型打開,停放一段時間,待冷至規定溫度時再澆。如靠自然冷卻,需要時間較長,會降低生產率,因此常用強制冷卻的方法。冷卻的方式一般有以下幾種:

(1)風冷:即在金屬型外圍吹風冷卻,強化對流散熱。風冷方式的金屬型,雖然結構簡單,容易制造,成本低,但冷卻效果不十分理想。 
(2)間接水冷:在金屬型背面或某一局部,鑲鑄水套,其冷卻效果比風冷好,適于澆注銅件或可鍛鑄鐵件。但對澆注薄壁灰鐵鑄件或球鐵鑄件,激烈冷卻,會增加鑄件的缺陷。 
(3)直接水冷:在金屬型的背面或局部直接制出水套,在水套內通水進行冷卻,這主要用于澆注鋼件或其它合金鑄件,鑄型要求強烈冷卻的部位。因其成本較高,只適用于大批量生產。

如果鑄件壁厚薄懸殊,在采用金屬型生產時,也常在金屬型的一部分采用加溫,另一部分采用冷卻的方法來調節型壁的溫度分布。

5金屬型的涂料

在金屬型鑄造過程中,常需在金屬型的工作表面噴刷涂料。涂料的作用是:調節鑄件的冷卻速度;保護金屬型,防止高溫金屬液對型壁的沖蝕和熱擊;利用涂料層蓄氣排氣。 熱點模具網

根據不同合金,涂料可能有多種配方,涂料基本由三類物質組成:1.粉狀耐火材料(如氧化鋅,滑石粉,鋯砂粉、硅藻土粉等);2.粘結劑(常用水玻璃,糖漿或紙漿廢液等);3.溶劑(水)。具體配方可參考有關手冊。

涂料應符合下列技術要求:要有一定粘度,便于噴涂,在金屬型表面上能形成均勻的薄層;涂料干后不發生龜裂或脫落,且易于清除;具有高的耐火度;高溫時不會產生大量氣體;不與合金發生化學反應(特殊要求者除外)等。

6復砂金屬型(鐵模復砂)

涂料雖然可以降低鑄件在金屬型中的冷卻速度,但采用刷涂料的金屬型生產球墨鑄鐵件(例如曲軸),仍有一定困難,因為鑄件的冷速仍然過大,鑄件易出現白口。若采用砂型,鑄件冷速雖低,但在熱節處又易產生縮松或縮孔,在金屬型表面復以4-8mm的砂層,就能鑄出滿意的球墨鑄鐵件。

復砂層有效地調節了鑄件的冷卻速度,一方面使鑄鐵體不出白口,另一方面又使冷速大于砂型鑄造。金屬型無潰散性,但很薄的復砂卻能適當減少鑄件的收縮阻力。此外金屬型具有良好的剛性,有效地限制球鐵石墨化膨脹,實現了無冒口鑄造,消除疏松,提高了鑄件的致密度。如金屬型的復砂層為樹脂砂,一般可用射砂工藝復砂,金屬型的溫度要求在180~200℃之間。復砂金屬型可用于生產球鐵,灰鐵或鑄鋼件,其技術效果顯著。 
金屬型的壽命

提高金屬型壽命的途徑為:

1.選用導熱系數大,熱膨脹系數小,而且強度較高的材料制造金屬型; 
2.合理的涂料工藝,嚴格遵守工藝規范; 
3.金屬型結構合理,制造毛坯過程中應注意消除殘余應力; 
4.金屬型材料的晶粒要細小。

金屬型鑄件的工藝設計

根據金屬型鑄造工藝的一些特點,為了保證鑄件質量,簡化金屬型結構,充分發揮它的技術經濟效益,首先必須對鑄件的結構進行分析,并制訂合理的鑄件工藝。

1鑄件結構的工藝性分析

金屬型鑄造結構工藝性的好壞,是保證鑄件質量,發揮金屬型鑄造優點的先決條件。合理的鑄造構應遵循下列原則:

1)鑄造結構不應阻礙出型,防礙收縮;2)厚差不能太大,以免造成各部分溫差懸殊,從而引起鑄件縮裂和縮松;3)限制金屬型鑄件的最小壁厚。

另外,對鑄件非加工面的精度和光潔度應要求適當。

2 鑄件在金屬型中的澆注位置

鑄件的澆注位置直接關系到型芯和分型面的數量、液體金屬的導入位置,冒口的補縮效果,排氣的通暢程度以及金屬型的復雜程度等。選擇澆注位置的原則如下:

1.保證金屬液在充型時流功平穩,排氣方便,避免液流卷氣和金屬被氧化; 此篇文章來自中國熱點模具網 
2. 有利于順序凝固,補縮良好,以保證獲得組織致密的鑄件; 
3.型芯數目應盡量減少,安放方便、穩定、而且易于出型; 
4.有利于金屬型結構簡化,鑄件出型方便等。

3 鑄性分型面的選擇

分型面形式一般有垂直、水平和綜合分類(垂直、水平混合分型或曲面分型)三種。選擇分型面的原則如下:

1.為簡化金屬型結構,提高稿件精度,對形狀教簡單的鑄件最好都布置在半型內,或大部分布置在半型內; 
2.分型面數目應盡量少,保證鑄件外形美觀,鑄件出型和下芯方便; 
3.選擇的分型面應保證設置澆冒口方便,金屬充型時流動平穩,有利于型腔里的氣體排出; 
4.分型面不得選在加工基準面上; 
5,盡量避免曲面分型,減少拆卸件及活決數量。

4 澆鑄系統設計

根據金屬型鑄造的某些特點,在設計澆注系統時須注意以下幾點:金屬澆注速度大,超過砂型的約20%。其次,在液體金屬充型時,型腔里的氣體要能順利排除,其流向應盡可能與液流方向一致,順利的將氣體擠向冒口或出氣冒口;此外,應注意使液體金屬在充型時流動平穩,不產生渦流,不沖擊型壁或型芯,更不可產生飛濺。

金屬型的澆注系統一般分為頂注式底注式和側注式三類。 
 

 

1)頂注式,其熱分布較合理,有利于順序凝固,可減少金屬液的消耗,但金屬液流動不平穩,易進法,鑄件高時,易沖擊型膠底部或型芯。若用于澆注鋁合金件,一般只適用于鑄件高度小于100毫米的簡單件; 
2)底注式,金屬液流動較平穩,有利于排氣,但溫度分布不合理,不利于鑄件順利凝固; 
3)側注式,兼有上述兩者的優點,金屬液流動平穩,便于集渣,排氣等,但金屬液消耗大,澆口清理工作量大。

金屬型澆注系統的結構與砂型鑄造基本相似,但由于金屬型壁不透氣,導熱能力強,因此要求澆注系統結構,能有利于降低金屬液流速,流動平穩,減少其對型壁的沖刷。除應保證型腔內氣體有充裕的時間排除外,還保證在充型過程中不得產生噴濺。

當用金屬型澆注黑色金屬時,由于鑄件冷速大,液流的粘度急劇增加,因此多采用封閉式澆口,其各部分截面積比例為:F內:F橫:F直=1:1.15:1.25

5 冒口設計

金屬型鑄造的冒口和砂型鑄造時具有同等的作用:即為補縮、集渣和排氣。它的設計原則也與砂型用冒口相同。由于金屬型冷卻速度大,而冒口又常采用保溫涂料或砂層,因此金屬型的冒口尺寸可比砂型的冒口小。

金屬型鑄件的工藝參數 
 


由于金屬型工藝的特點,其鑄件的工藝參數與砂型鑄件略有區別。金屬型鑄件的線收縮率不僅與合金的線收縮有關,還與鑄件結構、鑄件在金屬型中收縮受阻的情況、鑄件出型溫度,金屬型受熱后的膨脹及尺寸變化等因素有關,其取值還要考慮在試澆過程中留有修改尺寸的余地。

為取出金屬型芯和鑄件,在鑄件的出芯和出型方向應取適當斜度,對各種不同合金鑄件的鑄造斜度參閱有關手冊。

金屬型鑄件精度一般比砂型鑄件高,所以加工裕量可較小,一般在0.5~4mm之間。

在確定鑄件工藝參數之后,就可繪制金屬型鑄件工藝圖,該圖與砂型鑄件的工藝圖基本相同。

金屬型的設計

鑄件工藝圖繪制之后,就可進行金屬型設計。設計內容主要包括確定金屬型的結構、尺寸、型芯、排氣系統和頂桿機構等。

對設計的金屬型應力求結構簡單,加工方便,選材合理,安全可靠。.金屬型的結構形式

1金屬型的結構形式

金屬型的結構取決于鑄件形狀、尺寸大小;分型面數量;合金種類和生產批量等條件。按分型面位置,金屬型結構有以下幾種形式:

1.整體金屬型,鑄型無分型面,結構簡單,但它只適用于形狀簡單,無分型面的鑄件; 熱點模具網 
2.水平分型金屬型,它適用于薄壁輪狀鑄件。 
3.垂直分型金屬型,這類金屬型便于開設澆冒口和排氣系統,開合型方便,容易實現機械化生產;多用于生產簡單的小鑄件; 
4.綜合分型金屬型:它由兩個或兩個以上的分型面組成,甚至由活塊組成,一般用于復雜鑄件的生產。操作方便,生產中廣泛采用。

2 金屬型主體設計

金屬型主體系指構成型腔,用于形成鑄件外形的部分。主體結構與鑄件大小,其在型中的澆注位置,分型面以及合金的種類等有關。在設計時應力求使型腔的尺寸準確;便于開設澆注系統和排氣系統,鑄件出型方便,有足夠的強度和剛度等。

3 金屬型芯的設計

根據鑄件的復雜情況和合金的種類可采用不同材料的型芯。一般澆注薄壁復雜件或高熔點合金(如銹鋼、鑄鐵)時,多采用砂芯,而在澆注低熔點合金(如鋁、鎂合金)時,大多采用金屬芯。在同一鑄件上也可砂芯和金屬芯并用。

4 金屬型的排氣

在設計金屬型時就必須有排氣設施,其排氣的方式有以下幾種:

1.利用分型面或型腔零件的組合面的間隙進行排氣。 
2.開排氣槽。即在分型面或型腔零件的組合面上,芯座或頂桿表面上做排氣槽。 
 

3.設排氣孔。排氣孔一般開設在金屬型的最高處。 
4.排氣塞是金屬型常用的排氣設施

5 頂出鑄件機構設計

金屬型腔的凹凸部分,對鑄件的收縮會有阻礙,鑄件出型時就會有阻力,必須采用頂出機構,方可將鑄件項出。在設計頂出機構時,須注意下面幾點:防止頂傷鑄件,即防止鑄件被頂變形或在鑄件表面頂出凹坑;防止頂桿卡死,首先是頂桿與頂桿孔的配合間隙要適當。如果間隙過大易鉆入金屬,過小則可能造成卡死的現象。根據經驗最好采用D4/dC4級配合。

6 金屬型的定位、導向及鎖緊機構

金屬型合型時,要求兩半型定位準確,、一般采用兩種辦法,即定位銷定位和“止口”定位。對于上下分型,而分型面為圓形時,可采用“止口”定位,而對于矩形分型面大多采用定位銷定位。定位銷應設在分型面輪廓之內,當金屬型本身尺寸較大,而自身的重量也較大時,要保證開合型定位方便,可采導向形式。

7 金屬型材料的選擇

從金屬型的破壞原因分析可以看到,制造金屬型的材料,應消足下列要求:耐熱性和導熱性好,反復受熱時不變形,不破壞;應具有一定的強度、韌性及耐磨性,機械加工性好。

鑄鐵是金屬型最常用的材料。其加工性能好,價廉,一般工廠均能自制,并且它又耐熱、耐磨,是一種較合適的金屬型材料。只是在要求高時,才使用碳鋼和低合金鋼。 
采用鋁合金制造金屬型,在國外已引起注意,鋁型表面可進行陽極氧化處理,而獲得一層由Al2O3及Al2O3·H2O組成的氧化膜,其熔點和硬度都較高,而且耐熱、耐磨。據報導這種鋁金屬型,如采用水冷措施,它不僅可鑄造鋁件和銅件,同樣也可用來澆注黑色金屬鑄件。 


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