鑄造模型

鑄造模型是批量生產過程中必不可少的一個環節。在鑄造生產中用來造型和制芯用的模型叫做木型。木型中用來形成鑄型型腔，叫做木型（模型、木模、模樣）用來製作鑄件的內腔、穿透孔和鑄件外形不易驅除部分的砂芯，叫做芯盒。鑄件都是根據圖樣的要求先製作出合格的木型，然後用這個木型造型，澆鑄而成。現代工業設計中，人性化設計套用的越來越廣泛。從設計的本質來說，在產品設計過程中，任何觀念的形成均需以人為基本的出發點。模具設計製造與使用維護之間的聯繫尤為密切，應該儘可能多地將人性化設計的理念套用到生產實踐中。

基本介紹

• 中文名：鑄造模型
• 外文名：Casting model
• 本質：機械製造行業必不可少的組成部分
• 製作流程：設計→工藝→木型→鑄造等
• 先決條件：木型與鑄件的形狀、尺寸
• 學科：冶金工程

介紹

木型是機械製造行業中必不可少的組成部分。一件機械產品的大體製作流程是設計→工藝→木型→鑄造→加工→組裝。木型對鑄造工藝個鑄件質量有著直接的關係和影響，木型製作人員也是國內缺少的技能人才，木型工需要掌握木型工基礎知識。鑄造工藝,木型、芯盒的種類及製作要求，鑄工造型及下芯方法等知識。

在鑄造生產中用來造型和制芯用的模型叫做木型。木型中用來形成鑄型型腔，叫做木型（模型、木模、模樣）用來製作鑄件的內腔、穿透孔和鑄件外形不易驅除部分的砂芯，叫做芯盒。鑄件都是根據圖樣的要求先製作出合格的木型，然後用這個木型造型，澆鑄而成。木型是造型、制芯工藝過程中不可缺少的工藝裝備。木型與鑄件的形狀、尺寸等直接有關，它是獲得合格鑄件的先決條件，對保證鑄件質量，提高勞動生產率，改善工藝條件等都具有重要作用。

相關分析

鑄造過程是一個液態金屬充填鑄型型腔的過程，不包括液態金屬流過型腔並且冷卻的過程，不考慮液體流動過程，僅僅是模擬在金屬液體全部充滿後冷卻的過程，這個過程是包含了許多對鑄件質量有重要影響的物理過程和現象。在長期的生產實踐中由於缺乏考察這一過程，並且對整個冷卻凝固過程沒有確切的數據說明，只能依靠設計者的經驗積累和現場試驗，因此阻礙了鑄造行業的發展。如果能對鑄造過程進行模擬，對最佳化鑄造工藝，預測和控制鑄件質量和各種逐漸缺陷以及提高生產效率都非常重要。凝固過程溫度場數值模擬可以實現以下目的：提供澆注沖型時序圖，凝固過程可視化，預測縮孔，縮松等巨觀缺陷，為預測鑄造應力，微觀組織等提供基礎數據，分析評價並通過控制凝固條件最佳化鑄造工藝，減少工藝準備失誤率，縮短試製周期，降低試製成本。所以對鑄造模型的溫度場的模擬是十分有必要且意義重大。

鑄造過程的溫度場的模擬主要取決於熱傳導的問題，這個過程主要是液態鑄件的冷卻凝固過程與鑄型的溫度不斷上升的過程，此過程為熱傳導，所以對於溫度場的模擬主要抓住熱傳導理論。對於具體問題要具體對待，對於熱傳導問題主要考慮對流散熱係數的選取，也就是邊界條件，其中邊界條件分三類：

第一類邊界條件———溫度邊界條件，即物體與外界接觸周界的溫度已知。這類邊界條件稱為狄利克萊問題。

第二類邊界條件———導熱邊界條件，即物體邊界在法線方向上的比熱流量已知。這類邊界條件成為牛曼問題。

第三類邊界條件———熱交換邊界條件，即在邊界上已知物體與外部介質的熱交換情況。

工藝

精密鑄造是首飾批量生產過程中必不可少的一個環節，但在實際生產操作中，由於對精密鑄造缺乏理論認識及在整個精密鑄造過程中的每一工序缺乏準確的理解，往往會出現很多的不合格首飾鑄件。針對在精密鑄造過程中由於首飾蠟模不合格，最終導致不良首飾品的原因進行分析研究，提出具體的改進方案,以在生產實踐中起到指導作用。

首飾精密鑄造的操作過程

利用精密鑄造批量生產首飾過程可分為8個工序：①原模型：用貴金屬或蠟製作模型並焊接澆道；②橡膠模具：橡膠模具的硫化與開割；③蠟模組：用橡膠模具注出蠟模並焊接成蠟樹；④蠟模的完成：清潔蠟模表面；⑤石膏型：蠟模的石膏漿埋沒真空脫泡及自然乾燥；⑥脫蠟及焙燒：蠟的回收和石膏模的焙燒過程；⑦熔化金屬：熔化要用的合金；⑧鑄造：澆注成形。每個工序之間都有著必然的聯繫。為了獲得良好的首飾鑄件，每一工序都要嚴格按照操作規程進行操作，某一工序的疏忽，會導致首飾鑄造品的不合格。

首飾原模型的製作

精密鑄造過程中首飾原模型的製作有2種方法，一種是用貴金屬作為主要製作材料，手工製作原模型；另一種是用硬蠟進行雕刻完成原模型。主要研究用硬蠟雕刻首飾原模型至首飾蠟模型樹的熔接等有關精密鑄造模型部分中易出現的問題及解決措施。

在市面上雖有各種顏色、形狀及不同硬度的蠟材料，但套用於精密鑄造模型的可分為硬蠟和軟蠟。硬蠟可套用切、削等方法來改變形狀，配合使用銼刀或雕刻刀作細部形狀的修正，從而可做出與創意構思完全一致的首飾作品。一般首飾蠟模的厚度約為1. 0 mm左右，若太薄的話，鑄造時會妨礙金屬液的流動性。此外，若首飾蠟模厚處與薄處相差太多，鑄造後的首飾表面容易產生砂孔。因此在雕刻首飾模時要注意掌握厚度。軟蠟則可用手來折、彎曲蠟片或利用線蠟來做成各種形狀，當首飾的彎曲程度或厚度表現只看設計圖較難理解時，可套用薄片狀的軟蠟，以雕刻刀切出所要的形狀。軟蠟片極易自由拿捏塑造出生動自然的曲線，可幫助靈感的發揮。將其作為設計構思之延展時，不但可充分掌握首飾作品的長度及厚度，亦可避免金屬材料使用不當所造成的浪費，提高作業效率。

以蠟作為首飾原模型的加工工序，在上述8個工序中表現為要經過第3至第8工序完成，再通過精密鑄造過程，轉變成批量的首飾作品，即完成從首飾蠟模到貴金屬的轉變，是比較常用的技法，其中，蠟模在精密鑄造階段是將蠟模所占的空間轉換成貴金屬過程中不可或缺的有效工藝。而用貴金屬製作的首飾原模型，可直接按照第1至第8的工序完成從原模型的製作到最終首飾品的整個過程。

在精密鑄造的首飾原模型製作、首飾蠟模射出、焙燒及鑄造後的銼削、拋光處理中，因產生收縮首飾品尺寸會發生變化，因此，首飾原模型應比首飾設計圖增加1 %的尺寸。在首飾原模型的製作中易發生的缺陷及預防措施具體分析如下。

(1) 首飾原模型表面的拋光程度直接影響首飾蠟模表面的質量，因此首飾原模型表面不應有任何微小痕跡，拋光處理後如有必要，可進行鍍鎳處理。

(2) 首飾原模型澆道直徑與長度的選擇對首飾鑄件也有很大的影響，澆道直徑過小或長度過長的話，澆注時金屬液不能充分流到鑄模的每個角落而在中途凝固，導致不合格品的出現。在鑄造時為了補充模具金屬凝固時的收縮部分，一般澆道的長度為20 mm以內,但不能小於6 mm ，因為過短的話貴金屬液在澆注過程中產生衝擊。

人性化設計

人性化設計是指在設計過程中，根據人的行為習慣、人體的生理結構、人的心理情況、人的思維方式等等，在原有設計基本功能和性能的基礎上，對設計品進行最佳化，使得使用者感到方便、舒適，是設計者的產品是否能夠最大化的適用於使用者並被使用者接受的一種衡量標準。現代工業設計中，人性化設計套用的越來越廣泛。從設計的本質來說，在產品設計過程中，任何觀念的形成均需以人為基本的出發點。模具設計製造與使用維護之間的聯繫尤為密切，應該儘可能多地將人性化設計的理念套用到生產實踐中。

從製造的角度進行人性化設計

1.工具機加工的可操作性

模型（芯）、模具人性化設計的任務之一，是使設計出來的產品方便製造。圖1是一種芯盒的下型腔，其深度在130～180mm，如果做成整體，加工會非常困難，首先要粗加工，待熱處理後再精加工，由於型腔過深，存在型腔的立面容易碰到加工中心刀具夾頭，以及刀桿過長造成“讓刀”而使得加工不到位的問題。將下型腔分成上下兩個模組後，下層模組更容易加工，上述兩個問題得到順利解決。

2.材料利用率的最大化

鑄造模型（芯）、模具設計不僅要考慮模具怎樣實現鑄造及其相關的生產過程，還要考慮材料利用率最大化。就芯盒來說，模組一般用熱作模具鋼或者冷作模具鋼，模架用HT250或者QT500即可，而型腔中的部件也根據不同的功能要求選用不同的材質。

另一種上模組的形狀，其突起部位高度在120mm左右，主要是形成冒口以及減砂之用。如果做成整體，會造成材料的浪費和加工時間的延長。改成平板+鑲塊後，大大節約了材料和加工時間。而且減砂塊由於使用要求不高，可以採用45號鋼等低成本材料。在生產過程中，大鑲塊往往採用上模組割剩下來的材料。

上下兩半砂芯的組合，是半個砂芯的減重設計，合理的減重設計使得砂芯從240kg減至155kg，節省了35%的砂和樹脂，同時也使排氣更加合理，將鑄件的廢品率從8%降到了3%左右。

3.方便裝配

金屬型的抽芯結構抽芯整體是圓柱狀的，但端面是斜面的，因此抽芯需要止轉。如果直接在模組上打洞並且做止轉，模型裝配會非常困難，因此將抽芯導套和止轉部分做成了鑲塊式的。結果表明，使用很方便。

從使用的角度進行人性化設計

1.操作者的舒適性及安全性及模具維護的方便性模型（芯）、模具人性化設計的任務之一就是讓使用者感到方便、舒適。這也是模型（芯）、模具人性化設計的最核心的內容。由於進氣歧管的重力鑄造模型相當複雜，除了氣管處需要下砂芯外，彎管處也必須下砂芯。最初的工藝是將彎管補砂芯做成了一個大砂芯，下芯時必須將彎管補砂芯和主體氣管芯一起下芯，兩個砂芯加起來重達25kg，而金屬型的溫度又高達350℃以上，下芯時難度極大。而且，制芯過程中取芯時必須將彎管處的活塊一起隨砂芯取走，再將活塊慢慢取下後放回芯盒中。這個過程也存在很大的問題：一是芯盒活塊和砂芯超過20kg，二是芯盒模具與砂芯溫度均在220℃以上，三是操作過程中要防止碰壞砂芯。導致操作工的勞動強度較大。

經過改進後的工藝，將彎管補砂芯做成了上、下兩個砂芯，下芯時先下主體氣管芯，再下彎管補砂芯下層砂芯，最後下彎管補砂芯上層砂芯。制芯過程中的取芯條件也得到了根本性的改善，生產效率提高了30%，同時操作工的勞動條件也得到明顯改善。電線外包絕緣耐熱防護層，線路布置得井井有條，電路、水路都通過專用快插接頭與設備連結，既方便又安全。

在模具設計時一定要考慮到拆裝、轉運的方便性，見圖8。採用叉車轉運的，模架上要有方便叉車搬運的叉孔。採用行車吊裝模具的，必須考慮吊環，同時要考慮吊裝的平衡性。吊環的強度要保證能夠承擔模具的負重；吊環的位置要方便鏈條或者吊繩穿過；吊環不能影響模具的安裝等。吊裝孔的規格應儘量統一，以減少吊環的種類，方便工人操作。

出於管理的方便，模型（芯）、模具外觀要有永久性的明顯的識別標記，內容包括：產品名稱或種類、模具編號、製造廠商名址、出廠日期等信息，特別是型腔內要有永久性的標記，以便進行質量的追溯。

2.生產利潤的最大化

在制定模型（芯）、模具工藝方案時，在模型（芯）、模具的加熱、壁厚、冷卻、測溫點設定、排氣設定等環節多注意，儘量加快生產節拍，同時又充分考慮到生產同一個鑄件所需的不同模型（芯）、模具的匹配性，以利於提將帶有射砂嘴的型腔部分設定在虛線框的射砂面積之內，沒有射砂嘴的型腔可以伸出射砂面積之外，這種布置的型腔範圍遠遠超出了射砂面積，大大提高了制芯效率，實現了生產利潤的最大化。

多角度的人性化設計

隨著科技發展，對於模具的人性化設計要求也在不斷更新，並且呈現多角度、細節化的特點。如模型（芯）、模具的外觀顏色要與車間規劃匹配，以減少工人的視覺疲勞，也有利於工廠施行“5S”等精益化管理。

隨著對鑄件的要求越來越高，鑄造廠在模型（芯）、模具上控制的細節也越來越多，例如缸蓋重力鑄造和低壓鑄造模具的冷卻迴路，鑄造廠普遍要求每個管路單獨控溫，導致一副模具與設備連線的管路多達幾十路，這時一定要在每個管路上做好標記，以便連線管路時識別。並且儘量採用快插接頭，使得連線方便，又杜絕了“跑、漏、滴”的發生。