金屬模鑄造

金屬鑄造俗稱硬模鑄造，是用金屬材料製造鑄件，並在重力下將熔融金屬澆入鑄型獲得鑄件的工藝方法。由於一副金屬型可以澆注幾百次至幾萬次，故金屬型鑄造又稱為永久型鑄造。

基本介紹

• 中文名：金屬模鑄造

鑄造工藝

鑄造原理

金屬型鑄造既適用於大批量生產形狀複雜的鋁合金、鎂合金等非鐵合金鑄件，也適合於生產鋼鐵金屬的鑄件、鑄錠等。

工藝特點

優點如下：

1）金屬型的熱導率和熱容量大，冷卻速度快，鑄件組織緻密，力學性能比砂型鑄件高15%左右。

2）能獲得較高尺寸精度和較低表面粗糙度值的鑄件，並且質量穩定性好。

3）因不用和很少用砂芯，改善環境、減少粉塵和有害氣體、降低勞動強度。

缺點如下：

1）金屬型本身無透氣性，必須採用一定的措施導出型腔中的空氣和砂芯所產生的氣體。

2）金屬型無退讓性，鑄件凝固時容易產生裂紋

3）金屬型製造周期較長，成本較高。因此只有在大量成批生產時，才能顯示出好的經濟效果。

鑄件要求

金屬型鑄件最小壁厚 (單位：mm)

鑄件外廓尺寸	鑄鋼件	灰鑄鐵件; （含球墨鑄鐵）	可鍛鐵件	鋁合金鑄件	鎂合金鑄件	銅合金鑄件
<70×70	5	4	2.5-3.5	2-3	——	3
70×70－; 150×150	——	5	——	4	2.5	4-5
>150×150	10	6	——	5	——	6-8

金屬型鑄件內孔的最小尺寸 (單位：mm)

鑄造合金	孔的最小直徑d	孔深
不通孔	通孔
鑄鋼	>12	>15	>20
鑄鐵	>12	>15	>20
鋅合金	6~8	9~12	12~20
鎂合金	6~8	9~12	12~20
鋁合金	8~10	12~15	15~20
銅合金	10~12	10~15	15~20

模具設計

結構設計

1、金屬型型體設計

（1）金屬型壁厚：金屬型壁厚主要影響鑄型的重量、強度及鑄件的冷卻速度。型壁太厚，增加了鑄型重量，加快了鑄件冷卻速度。型壁太薄，由於溫度不均勻而產生應力使其變形，縮小使用壽命。

金屬型的壁厚與鑄件壁厚、鑄件材料、鑄型外廓尺寸及毛胚加工方法有關，也與金屬型本身的材質有關，必須綜合考慮各種影響因素來確定不同條件下最合適的金屬型壁厚。如下表：（鋁合金鑄件用金屬型壁厚單位㎜）

鑄件壁厚	金屬型壁厚
<10	15-20
>10-15	20-25
>15-30	25-30
>30	(0.8-1.2)

（2）綜合線收縮率包括鑄件收縮和金屬型膨脹。一般大型薄壁鑄件取下限，小型鑄件為了計算方便，通常取1%

合金	無阻收縮（%）	部分受阻收縮（%）	全受阻收縮（%）
鋁合金	0.9-1.2	0.7-0.9	0.5-0.7
鎂合金	1.0-1.2	0.8-1.0	0.6-0.8

（3）塗料厚度一般情況下每邊為0.1-0.3㎜，型腔凹處取正值，凸處取負值，中心距L處等於零。

（4）砂芯頭與金屬芯座配合間隙

2、金屬型的排氣系統

由於金屬型本身不透氣，因此型腔的排氣問題必須足夠重視，否則會造成氣孔、冷隔和欠鑄等缺陷。

（1）排氣孔：一般在型腔最後充滿處開直徑為1-5㎜的圓形排氣孔。

（2）排氣槽：排氣槽又稱通氣槽、通氣溝等。對於氣槽的深度h，對於鑄鐵和青銅一般為0.25㎜，對於鋁合金一般為0.5㎜，寬度一般為10-15㎜

（3）排氣塞：排氣塞又稱通氣塞，一般用45鋼或銅棒製成。

3、金屬型操縱機構設計

（1）鎖緊機構

鎖緊機構的作用就是使兩半型夾緊，使分型面的間隙最小，防止金屬液從分型面流出，並在一定程度上防止金屬型的翹曲變形。

（2）抽芯機構

1）撬桿抽芯機構

2）螺桿抽芯機構

3）偏心抽芯機構

4）偏心輪抽芯機構

5）齒輪齒條抽芯機構

6）蝸輪蝸桿抽芯機構

4、金屬型的尺寸精度

（1）型腔尺寸公差，金屬型型腔的尺寸公差見下表

型腔轉接圓弧半徑公差：

圓弧半徑基本尺寸	<6	>6-16	>16-40	>40-63	>63-100
鑄件公差	CT8-CT10
圓弧半徑偏差	±0.20	±0.22	±0.25	±0.28	±0.32

角度尺寸公差

短鄰邊長度	<10	>10-18	>18-30	>30-50	>50-80	>80-120	>120-260	>260-360	>360
角度偏差	45’	30’	25’	20’	10’	6’	5’	4’	3’

金屬型裝配後，其左右半型、半型與底座之間的平行度、垂直度每100㎜不大於0.05㎜，分型面之間的間隙不大於0.1㎜，局部間隙不大於0.2㎜，安裝螺孔、孔距公差±0.1㎜。

（2）活動部件與金屬型之間的間隙：金屬型總是在受熱狀態下工作的，受熱後的金屬芯、頂桿、活塊等活動部件與金屬型本體之間的配合就比常溫時為緊，為了保證鑄件的尺寸精度及正常生產，活動部件與金屬型之間應保持一定的間隙，見下表：

公稱尺寸	配合間隙
<50	0.2-0.3
>50-100	0.3-0.4
>100-250	0.4-0.5
>250	0.5-0.8

表面粗糙度

金屬型各部分的表面粗糙度見下表：

加工部位		表面粗糙度
型腔	相應於鑄件的有加工餘量的部分	6.3-3.2
一般要求	3.2-1.6
個別部分特殊要求	0.8
分型面、安裝面、定位銷孔		6.3-1.6
澆注系統		6.3-3.2
型芯及有加工餘量部分		6.3-3.2
相互滑動或接觸部分		3.2-1.6
通氣槽		6.3
冒口部分		12.5-6.3
非加工面的減輕部分		12.5

壽命

金屬型平均壽命如下：

	鑄鋼	鑄鐵	非鐵合金
小型鑄件	500-1000	>5000	數萬至數十萬次
中型鑄件	300-500	1000-5000	數萬次
大型鑄件	100-250	200-500	－
特大鑄件	20-50	50-200	－

註：鑄件類型並無明確規定，一般小型鑄件指0.5㎏以下的鑄鐵件和5kg以下的鑄鋼件。特大鑄件指重量在1t以上，壁厚達100㎜以上的鑄件。

延長壽命措施

1）正確地選擇金屬型材料

2）正確地設計金屬型壁厚

3）正確地設計金屬型結構，儘可能地避免尖角及壁厚的急刷變化。

4）設計澆注系統應儘可能使金屬液平穩進入型腔，避免金屬液強烈沖刷型腔工作面。對鋼鐵金屬鑄件，應儘可能將澆注系統設計在砂芯中。

5）金屬型毛胚要進行熱處理，消除鑄造應力。

6）應選擇合適的塗料和正確的噴塗工藝以儘可能避免“熱衝擊”。正確地進行金屬型預熱和冷卻。正確掌握鑄件脫型的時間。

7）金屬型使用應仔細清理，使用後要妥善保管。

為提高金屬型壽命，可進行局部滲矽、滲鉻、滲鋁、以及進行陽極化、等離子噴塗等保護措施。

鑄件工藝

基準面

基準面決定鑄件各部分相對的尺寸位置。所以選擇鑄造基面時，必須和鑄件機械加工的加工基準面統一，其選擇原則為：

1） 非全部加工的鑄件，應儘量取非加工面作為基面。因為加工面在加工過程中，尺寸會因加工而變動，所以可能將造成相對尺寸位置的變動。而且鑄件經過加工後，去掉的加工余面也不便檢查。

2） 採用非加工面作基面時，應該選尺寸變動最小、最可靠的面作基面。用活塊形成的鑄件表面最好不選為基面。

3） 基面應儘可能平整和光潔，不應當有殘餘澆冒口、毛刺、飛翅等。

4） 全部加工的零件，應取加工餘量最小的面作為基面，以保證機械加工時不至因加工餘量不夠而造成廢品。

5） 為了檢驗尺寸方便，最好是選擇較大的平面作為基面，儘量避免選取彎曲的面，或是有鑄造斜度的面為基面。

鑄件位置

原則：

①便於安放澆注系統，保證合金液平穩充滿鑄型

②便於合金順序凝固，保證補縮。

③使型芯（或活塊）數量最少、安裝方便、穩固、取出容易。

④力求鑄件內部質量均勻一致，蓋子類及碗狀鑄件可水平安放。

⑤便於鑄件取出，不致拉裂和變形。

分型面選擇

原則：

①簡單鑄件的分型面應儘量選在鑄件的最大端面上

②矮的盤形和筒形鑄件的分型面應儘量不選在軸心上

③分型面應儘可能地選在同一個平面上

④應保證鑄件分型方便，儘量用或不用活塊

⑤分型面的位置應儘量使鑄件避免做鑄造斜度，而且容易取出鑄件

⑥分型面應儘量不選在鑄件的基準面上，也不要選在精度要求高的表面上

⑦應便於安放澆冒口和便於氣體從鑄型中排出

工藝性設計

1、鑄件工藝性設計原則鑄件工藝性設計應在儘量滿足產品結構要求的前提下，通過調整機械加工餘量、增大鑄造斜度、增加工藝餘量和工藝肋及工藝凸台等方法，使鑄件結構更加合理，從而獲得優質鑄件。鑄件工藝性設計原則：

①為了簡化金屬型結構，提高鑄件質量，產品中需要機械加工的小孔（螺紋孔、安裝孔）一般不鑄出來

②產品中局部厚大處，當不便於設定冒口補縮時，有些小孔也應鑄出來，以加快厚大部位的冷卻速度，避免產生縮松。

③為了便於設定冒口以對整體鑄件進行補縮，有些大孔也不應該鑄出，同時還要調整加工餘量，滿足鑄件順序凝固的要求

④為了防止鑄件在生產過程中變形，對一些形的鑄件應增加防變形肋，待最後工序

加工去掉。

⑤加工過程中裝卡定位性能差的鑄件，可以根據需要設計定位裝卡凸台，其位置應有利於鑄件補縮。

⑥在不影響產品性能的前提下，可以局部加大鑄造斜度，避免設計活塊。

2、鑄件工藝性設計參數的選擇

①零件尺寸精度要求高、表面粗糙度值要求低的加工面，可適當放大加工餘量。

②加工面越大，加工餘量應相應加大。

③加工面距加工基準面越遠，加工餘量應相應增加。

④用砂芯形成的鑄件表面，應比用金屬芯形成的表面給予較大的加工餘量。

⑤澆冒口開設的加工面應予較大的加工餘量。

3、鑄件圖的繪製

繪製鑄件圖的過程就是鑄造與零件設計、機械加工等部門將鑄件的基準面、加工餘量位置及數值、特殊位置的鑄造斜度等鑄造工藝因素及技術要求，以圖加以說明。鑄件圖既是設計、製造金屬型和鑄件驗收的技術依據，也是機械加工、設計製造工裝夾具的技術檔案之一。

4、澆注系統

澆注系統的設計原則。設計和計算可以參照砂型鑄造的方法，但應考慮金屬型鑄造冷卻快、排氣條件差、澆注位置受到限置等特點，具體原則如下：

① 澆注系統尺寸的大小應保證金屬液在規定的時間內能良好的充滿金屬型。

② 金屬液應平穩流入型腔，不直接衝擊芯和型壁，避免產生渦流和飛濺。

③ 金屬液應順序地充填鑄型，以利於金屬型腔中氣體的排除。

④ 鑄型的熱分布應合理，有利於鑄件金屬凝固，以便於鑄件得到充分的補縮。

⑤ 澆注系統結構設計應簡單、體積小、在保證鑄件質量的前提條件下，金屬液消耗儘可能小。

5、燒注系統的組成部分

①澆口杯：澆口杯接受和貯存一定量的金屬液，同時起到緩衝和浮渣的作用。

②直流道：1)直流道一般設計成封閉式；2)不帶澆口杯的直流道，上部喇叭口直徑最好不小於d30mm；3)垂直澆道底部受金屬液的衝擊力很大，故高度一般不應超過150mm，如果直流道需要設計得比較高時，可改用傾斜澆道，但傾斜澆道高度也不應超過250mm；4)當直澆道設計超過250mm，可採用蛇形澆道；5)直澆道的截面形狀最好是圓形。而且直徑最好不超過25mm。否則易產生渦流，造成澆注過程中金屬液內產生中空現象，捲入氣體，造成氧化夾渣；6)對於大型鋁合金鑄件，可將一個大的截面的直澆道分成2-3個截面較小的直澆道。

③橫澆道：橫澆道起緩衝、穩流和擋渣的作用，並將直澆道的金屬液分配給內澆道。金屬液一般不設計，除了底注式加上橫澆道。

④內澆道：內澆道直接與鑄件相連，起著控制金屬液流動速度和方向的作用。

內澆道設計

a、內澆道比橫澆道設計得扁平一些，並均勻地分布於鑄件各特殊部位，每個內澆道只負擔一部分型腔金屬液的充型，力求使金屬液流動平穩。

B、為製造方便，內澆道應儘量設計在分型面上。

C、內澆道的厚度一般應為與鑄件相連線處的對應的鑄件壁厚的50%-80%。對於薄壁鑄件，可比鑄件壁厚小2mm左右。

D、內澆道的寬度，一般為內澆道厚度的3倍以上。

E、內澆道長度：小型鑄件為10-20mm

中型鑄件為20-40mm

小型鑄件為30-60mm

鑄造工藝

金屬型清理

金屬型的清理方法主要有手工清理、噴砂和化學清理。

金屬型預熱

金屬型的預熱是澆注前必不可少的工序之一。金屬型在噴刷塗料前需先預熱，預熱溫度根據塗料成分和塗抹方法確定。溫度過低，塗料中水分不易蒸發，塗料容易流淌。溫度過高，塗料不易粘附，造成塗料層不均勻，使鑄件表面粗糙。常用金屬型預熱溫度見下表：

鑄造合金	預熱溫度℃
鑄鐵	80-150
鑄鋼	100-250
鋁合金	150-200
鎂合金	150-200
銅合金	80-120

金屬型噴完塗料後還需要進一步預熱，其目的是：

①避免金屬液冷卻太快，造成鑄件產生氣孔、冷隔、澆不到、縮孔、裂紋等缺陷。

②防止鑄鐵件表面產生白口

③保護金屬型，避免急冷、急熱而引起金屬型劇烈收縮和膨脹，延長其使用幫命。

④減輕鑄件包緊力，利於脫型

⑤確保操作者的安全

以下表格為各種合金澆注前金屬型預熱溫度

塗料

（1）噴刷塗料的目的：噴刷塗料的目的在於保護金屬型，避免金屬液直接接觸金屬型型腔，使鑄件表面光潔，便於脫型。還可以利用塗料的不同厚度創造順序凝固條件，減少鑄件缺陷。對鑄鐵件還可以避免產生白口。

（2）對塗料的要求：塗料應具備足夠的耐熱性、化學穩定性和一定的導熱性能。使用時流動性要好，發氣量要低，在劇烈溫度變化時不發生龜裂和剝落。

（3）塗料的塗抹的原則：

鑄造合金	鑄件特點	預熱溫度℃	工作溫度℃
灰鑄鐵	－	250-350	>200
可鍛鑄鐵	－	150-250	120-160
鑄銅	－	150-300	>80
鋁合金	一般件	200-300	200-300
薄壁複雜件	300-350	300-350
金屬芯	200-300	200-300
鎂合金	一般件	200-350	200-350
薄壁複雜件	300-400	300-400
金屬芯	300-400	300-400
銅合金	錫合金	150-250	60-100
鋁青銅	120-200	60-120
鉛青銅	80-125	50-75
一般黃銅	100-150	<100
鉛黃銅	350-400	250-300

註：工作溫度就是金屬型澆注前的溫度

A、金屬型的型腔、金屬型芯及澆冒口部位的型面均應噴刷塗料。型腔、型芯及塗料應保證鑄件表面光潔、澆冒口採用保溫塗料。

B、鑄件壁越厚，塗料層應減薄，反之，鑄件壁越薄，塗料層應增厚，以利於冒口的充分的補縮。

C、開型困難及易拉傷鑄件的部位，應噴刷潤滑性好的石墨塗料。

D、塗抹塗料的順序是先噴刷澆冒口系統，後噴刷需要塗料層厚的型腔表面，然後噴刷需要塗料薄的型腔表面。

澆注工藝

合金澆注溫度

合金的澆注溫度應根據鑄件的結構及對鑄造工藝進行具體分析後確定，在確定時應考慮下列因素：

1）形狀複雜及壁薄的鑄件，澆注溫度應偏高些，形狀簡單、壁厚及重大的鑄件，澆注溫度可適當降低。

2）金屬型預熱溫度低時，應提高合金的澆注溫度。為了充滿鑄件的薄斷面，提高合金的澆注溫度比提高金屬型的溫度效果要好些。

3）由於鑄件結構特點的要求，澆注速度是不同的，當澆注速度快時，可稍許降低合金的澆注溫，需緩慢澆注的鑄件，澆注溫度可適當提高。

4）採用頂注式系統時，可用較低的澆注溫度，採用底注時，可採用較高澆注溫度。

5）當金屬型中有很大的砂型時，可適當降低合金的澆注溫度。

澆注工藝

常規澆註：通常情況下澆注應注意下列事項：

1）澆注一定要平穩，不可中斷液流。應儘量使金屬液沿澆道壁流入型腔，以利於消除氣孔、渣孔等鑄造缺陷。

2）澆注時按照先慢、後快、再慢的澆注原則。

3）澆包嘴應儘可能靠近澆口杯，以免金屬液流過長造成氧化，防止鑄件產生氧化夾雜。例如澆注鋁全金，最好不要超過50㎜。

4）同樣可以採用砂型鑄造時的澆注經驗及注意事項。