砂型铸造

出处：按学科分类—工业技术北京工业大学出版社《热加工手册》第138页（5863字）

砂型铸造是指铸型由砂型和砂芯组成，而砂型和砂芯是用砂子和黏结剂为基本材料制成的．图3-2为砂型铸造工艺过程．

3．1．4．1 造型材料及型砂制备

造型材料就是用来生产砂型和砂芯的材料．材料性能直接影响到砂型(砂芯)的质量好坏，进而影响铸件的质量．因此对铸造用材料的选择和使用至关重要．一般造型材料的选择都是从产地开始，结合生产需要考虑材料性能指标来采购．主要品种为原砂、黏结剂及辅助材料．

图3-2 砂型铸造工艺流程图

1．原砂和黏结剂

原砂目前主要指石英砂、黏土砂、石灰石砂及特种砂几种．石英砂主要成分为SiO₂，质量分数在90%以上它熔点高、分布广，适宜铸铁、铸钢生产用．黏土砂指黏土质量分数为2%～50%的砂子，它耐火度低，常用于铸铁、有色金属件造型用辅料中，以提高湿强度，改善造型性能．石灰石砂多用于铸钢件中．特种砂指含铬、镁、锆矿砂，耐火度高，稳定性好，多用于铸钢件生产中作为面砂和涂料使用．

黏结剂指黏土、膨润土两种．黏土具有使砂子的可塑性、强度都得到提高的性能而广泛作为型砂、芯砂的黏结剂．而膨润土实际上是一种微晶高岭土，熔点可达1200～1300℃，被水湿润后体积膨胀，黏结性能比普通黏土高几倍．一般黏土多作为干型砂和芯砂的黏结剂，而膨润土作为湿型砂的黏结剂．

特殊黏结剂指油类黏结剂、合脂黏结剂、树脂黏结剂以及自硬性黏结剂等．油类黏结剂包括桐油、亚麻仁油等，用来做油砂芯．合脂黏结剂性能与油类相似，也用来做制芯时的黏结剂．树脂黏结剂指合成树脂，有热固性，加热后可硬化，如酚醛树脂、呋喃树脂等，一般多用于壳型芯黏结和热芯盒砂黏结剂．自硬性黏结剂主要是水玻璃、水泥之类，由于有自行硬化的特性，多作为型砂、芯砂的黏结剂．此外还有沥青、松香、糊精等可溶性或水溶性黏结剂在芯砂中使用．

2．型砂、芯砂和涂料

型砂中的黏土砂(又分为面砂、背砂和单一砂)主要用于造型．面砂要求用新砂配制，应有较高的可塑性、强度和耐火度．背砂是充填砂，一般使用旧砂配制，透气性要好．型砂又分为湿型砂(也称潮模砂)和干型砂(也称干模砂)．另外还有水玻璃砂和自硬砂．水玻璃砂也叫二氧化硅砂，它是以水玻璃为黏结剂配制的铸造用砂，可以自然干燥硬化，也可通CO₂硬化，多用于铸钢生产．自硬砂又分为有机黏结剂自硬砂和无机黏结剂自硬砂两种．

芯砂分为黏土芯砂、油芯砂和特种黏结剂砂几种．一般根据造型需要选用黏土芯砂或油芯砂．复杂的小截面尺寸的芯子多用油砂芯或特种芯砂．

涂料是为了提高型(芯)表面耐火度，保持表面粗糙度而配制的一种悬浊液，如常使用的石墨粉、石英粉等．

3．造型材料性能控制

造型材料性能直接影响砂型(砂芯)质量，因此材料性能必须得到控制．一般来讲材料性能主要指物理化学性能、力学性能和工艺性能．物理化学性能包括热稳定性、发气性、透气性和退让性．力学性能包括湿强度、干强度、高温强度、表面强度等．而工艺性能一般指可塑性、流动性、出砂性等．对于型砂的各种性能国家都有明确指标可参照，也可以用“型砂试验仪”进行测定，以保证符合造型、制芯的要求．

4．造型材料预处理

造型用砂子除新砂外还要添旧砂，并按一定配比混合．而且，正常情况下新旧砂都要进行使用前处理，以去除砂子中的杂质，特别是金属物、非金属杂物．另外还要烘干，使之达到复用的性能．图3-3为型砂处理工艺流程图．

图3-3 型砂处理工艺流程图

5．型砂的制备

型(芯)砂的制备过程是将各种组成物按一定比例均匀混合，使之获得好的强度、透气性及可塑性．为此将使用各种相应的混砂设备来达到目的．目前混制型(芯)砂的设备很多，如摆轮式混砂机、碾轮式混砂机、叶片式混砂机、行星转子式混砂机等多种高速、高效混砂设备．常用的碾轮式混砂机如图3-4所示；高性能的行星转子式混砂机如图3-5所示．

图3-4 碾轮式混砂机结构图

1—外刮板；2—外圈；3—刮板架；4—供水阀；5—内刮板；6—碾轮；7—十字头；8—出砂口；9—气缸；10—气阀；11—取样器；12—曲柄；13—卸砂门

图3-5 S16C系列(高性能)行星转子式混砂机

1—四联组V形带；2—转臂；3—混砂转子；4—气动卸砂门；5—转臂驱动电机；6—刮板；7、12—润滑脂压注油杯；8—底盘；9—齿轮联轴器；10—2K-H行星减速机；11—三联组V形带；13—转子驱动电机；14—壁刮板

3．1．4．2 造型和制芯

造型指制造砂型的工艺过程，制芯指制造砂芯的工艺过程．一个完整的造型(制芯)工艺过程包括填砂、紧实、起模等基本工序．用手工完成上述工序叫手工造型(制芯)，用机器设备完成上述工序叫机器造型(制芯)．选用哪种方法造型(制芯)，要根据铸件批量、铸件复杂程度以及工厂规模来决定．机器造型(制芯)可减轻劳动强度、提高生产率并能保证铸件质量．目前机器造型(制芯)设备种类很多，分类也较复杂，但均有国家标准型号．从工艺角度考虑，紧实方法有：震击紧实、压实紧实、射压紧实、抛砂紧实．分型方法有水平分型和垂直分型．起模方法有顶箱起模、转台和翻台起模、漏模起模．制芯分吹芯、射芯和挤压芯等．在实际应用中既有多功能、多用途的各种设备，也有综合型的、效率高的、自动化程度高的造型(制芯)设备．下面简单介绍几种常见的造型、制芯设备．

多触头高压造型机的主要优点是砂型紧实度高而均匀，因而制造出的型腔尺寸精度高，表面光滑，生产率高．但机器复杂，成本也高，见图3-6．

中、小厂一般常用Z148K型压实造型机．图3-7是一种气动微震压实造型机，其结构简单，生产率高，维护容易，成本低．

无箱自动射压造型机是一种目前适用于批量大、生产率高、机械化程度高的先进造型设备．这种造型设备只需六道工序即可完成一个造型循环，如图3-8所示．

图3-6 框形机架气动微震多触头高压造型机

1—框形机架；2—压实机构；3—多触头；4—定量砂斗；5—油缸；6—框架；7—底架；8—模板穿梭小车；9—震击机构；10—油缸；11—模板框

图3-7 Z148K型气动微震压实造型机

图3-8 垂直分型无箱射压造型机

1—射砂筒；2—射砂阀；3—贮气罐；4—增速油缸；5—控制系统；6—罩壳；7—泵站；8—后框架；9—机座；10—导杆；11—主油缸；12—中框架；13—压实板；14—造型室；15—反压板；16—浇注台

抛砂机是用来生产大、中铸件的一种设备，它适用性广，工作灵活，无噪声，生产率高，特别适宜单件小批量生产．抛砂机有固定式和移动式两种，可组成生产线使用．图3-9为Z6312D抛砂机结构示意图．

射芯机是专门用来生产芯子的设备．它生产率高，射芯质量好，适应性广．射芯机的种类也很多，有普通射芯机、热芯盒射芯机、冷芯盒射芯机和吹芯机、壳芯机等．热芯盒射芯机如图3-10、图3-11所示．

图3-9 Z6312D抛砂机

1—座椅；2—抛砂头；3—小臂皮带输送机；4—小臂回转油缸；5—大臂皮带输送机；6—油冷式电动滚筒；7—大臂立柱；8—底座；9—拉杆；10—大臂；11—升降油缸；12—平行臂；13—抛砂头电动机；14—小臂

图3-10 Z8612热芯盒射芯机

1—电动振动器；2—上射砂筒；3—砂斗；4—砂闸板；5—密封圈；6—射砂阀；7—砂闸板气缸；8—橡皮减震器；9—活塞；10—弹簧；11—阀杆；12—横梁；13—射腔；14—射砂头；15—齿条；16—蜗轮箱体；17—升降手柄；18—锁紧手柄；19—进气阀门；20—放水龙头；21—导气筒；22—下射砂筒；23—工作台；24—工作台横梁；25—排气阀；26—加热板；27—顶板；28—总操纵阀手柄；29—立柱；30—夹紧缸；31—移出气缸；32—导销；33—升降活塞；34—进排气阀；35—底座

图3-11 Z8612型热芯盒射芯机

3．1．4．3 熔化与浇注

铸造合金熔化是保障获得预定的化学成分和具有适宜浇注温度的金属液体并尽量减少金属液中气体和夹杂物的重要过程．熔化主要包括炉料处理、配料、加料和炉中熔化后炉前处理等环节．目前，在炉后配料、加料已基本由机械完成，如采用电磁配铁秤完成吸、放料及定量，用加料机完成加料工作．熔化则采用规范化的冲天炉和电炉承担，并配以现代仪器检测料位、燃烧状况控制合金成分、金属液温度以满足浇注需要．对于机械化程度较高的铸造厂浇注也已由机械代替人工操作，浇注车、机械手使定位、定量、保温一体化，使浇注过程更趋合理、科学，更能保证任何种类合格铸件的获得．

3．1．4．4 洛砂与清理

从铸型中取出已冷凝铸件的工作过程叫落砂．落砂后的铸件要清理掉砂芯、黏砂块、飞边毛刺及浇冒口等，此工作叫清理．整个落砂清理过程是铸造生产中的最后一道工序．当然，获得的毛坯件还不是铸件成品，还要进行必要的机械加工．落砂清理劳动强度最大，环境最恶劣．目前国家十分重视铸造业工人工作环境的改善，重视工人们的身体健康．凡有规模、有批量的铸造生产厂基本上完成了落砂、清理机械化操作．落砂用震动落砂机，清砂用水力清砂，浇冒口用冒口切割机等．清理环节如采用抛丸清理滚筒，效果非常好．下面介绍几种常用的落砂清理机械，由于种类很多，型号也多，故已规格化．图3-12为双轴惯性振动落砂机外形图；图3-13为抛丸清理滚筒外形图，图3-14为工作原理图