2.3 铸造方法
根据铸型的方法不同，铸造方法分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造是目前最常用、最基本的铸造方法。
2.3.1 砂型铸造
砂型铸造的基本工艺过程如图2.3.1所示。主要工序有制造模样和芯盒、制备型砂和芯砂、造型、造芯、合型、浇注、落砂清理和检验等。其中造型（芯）是砂型铸造最基本的工序，按紧实型砂和起模方法不同，造型方法可分为手工造型和机器造型两种。
图2.3.1 砂型铸造的基本工艺过程
1.手工造型
手工造型操作灵活，工装简单，但劳动强度大，生产率低，常用于单件和小批量生产。手工造型的方法很多，有整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、刮板造型等，表2.3.1为这些常用手工造型方法的特点和应用范围。
表2.3.1 常用手工造型方法的特点和应用范围
2.机器造型
机器造型（芯）使紧砂和起模两个重要工序实现了机械化，因而生产率高，铸件质量好。但设备投资大，适用于中、小型铸件的成批大量生产。
机器造型按紧实的方式不同，分压实造型、震击造型、抛砂造型和射砂造型四种基本方式。
（1）压实造型 压实造型是利用压头的压力将砂箱的型砂紧实，图2.3.2为压实造型示意图。先把型砂填入砂箱，然后压头向下将型砂紧实，辅助框用来补偿紧实过程中型砂被压缩的高度。压实造型生产率高，但型砂沿高度方向的紧实度不够均匀，一般越接近底板，紧实度越差，因此适用于高度不大的砂箱。
图2.3.2 压实造型
（2）震击造型 这种造型方法是利用震动和撞击对型砂进行紧实，如图2.3.3所示。砂箱填砂后，震击活塞将工作台连同砂箱举起一定高度，然后下落，与缸体撞击，依靠型砂下落时的冲击力产生紧实作用。型砂紧实度分布规律与压实造型相反，越接近模底板型砂紧实度越高，因此可以将震击造型与压实造型联合使用。
图2.3.3 震击造型
（3）抛砂造型 图2.3.4为抛砂机工作原理。抛砂头转子上装有叶片，型砂由皮带输送机连续地送入，高速旋转的叶片接住型砂并分成一个个砂团，当砂团随叶片转到出口处时，由于离心力作用，以高速抛入砂箱，同时完成填砂和紧实。
图2.3.4 抛砂造型
1—机头外壳；2—型砂入口；3—砂团出口；4—被紧实的砂团；5—砂箱
（4）射砂造型 射砂紧实的方法除用于造型外多用于造芯。图2.3.5为射砂机工作原理。由储气筒中迅速进入到射膛的压缩空气，将型砂由射砂孔射入芯盒的空腔中，而压缩空气经射砂上的排气孔排出，射砂过程在较短的时间内同时完成填砂和紧实，生产率极高。
图2.3.5 射砂造型
1—射砂筒；2—射膛；3—射砂孔；4—排气孔；5—砂斗；6—砂闸板；7—进气阀；8—储气筒；9—射砂头；10—射砂板；11—芯盒；12—工作台
2.3.2 特种铸造
与砂型铸造不同的其他铸造方法统称为特种铸造。各种特种铸造方法均有其突出的特点和一定的局限性，下面简要介绍常用的特种铸造方法。
1.熔模铸造
熔模铸造在我国有着悠久的历史。它是用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂耐火材料，经硬化之后，再将模样熔化以排出型外，从而获得无分型面的铸型。由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故又常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。
（1）熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、型壳制造、焙烧和浇注等步骤，如图2.3.6所示。
图2.3.6 熔模铸造的工艺过程
①蜡模制造 制造蜡模包括如下工序。
a.压型制造。压型［见图2.3.6（a）］是用来制造单个蜡模的专用模具。压型一般用钢、铜或铝经切削加工制成，这种压型的使用寿命长，制出的蜡模精度高，但压型的制造成本高，生产准备时间长，主要用于大批量生产。对于小批量生产，压型还可采用易熔合金（Sn、Pb、Bi等组成的合金）、塑料或石膏直接向模样上浇注而成。
b.蜡模的压制。将蜡料加热到糊状后，在2～3个大气压下，将蜡料压入到压型内［见图2.3.6（b）］，待蜡料冷却凝固便可从压型内取出，然后修去分型面上的毛刺，即得单个蜡模［见图2.3.6（c）］。
c.蜡模组装。熔模铸件一般均较小，为提高生产率、降低成本，通常将若干个蜡模焊在一个预先制好的浇口棒上构成蜡模组［见图2.3.6（d）］，从而可实现一型多铸。
②型壳制造 它是在蜡模组上涂挂耐火材料，以制成具有一定强度的耐火型壳的过程。由于型壳的质量对铸件的精度和表面粗糙度有着决定性的影响，因此，结壳是熔模铸造的关键环节。
a.浸涂料。将蜡模组置于涂料中浸渍，使涂料均匀地覆盖在蜡模组的表层。涂料是由耐火材料（如石英粉）、黏结剂（如水玻璃、硅酸乙酯等）组成的糊状混合物。这种涂料可使型腔获得光洁的面层。
b.撒砂。它是使浸渍涂料后的蜡模组均匀地黏附一层石英砂，以增厚型壳。
c.硬化。为了使耐火材料层结成坚固的型壳，撒砂之后应进行化学硬化和干燥。如以水玻璃为黏结剂时，将蜡模组浸于NH4Cl溶液中，于是发生化学反应，析出来的凝胶将石英砂粘得十分牢固。
由于上述过程仅能结成1～2mm薄壳，为使型壳具有较高的强度，故结壳过程要重复进行4～6次，最终制成5～12mm的耐火型壳［见图2.3.6（e）］。
为了从型壳中取出蜡模以形成铸型空腔，还必须进行脱蜡。通常是将型壳浸泡于85～95℃的热水中，使蜡料熔化，并从朝上的浇口中浮出而脱离型腔［见图2.3.6（f）］。脱出的蜡料经回收处理后可重复使用。
③焙烧和浇注
a.焙烧。为了进一步去除型壳中的水分、残蜡及其他杂质，在金属浇注之前，必须将型壳送入加热炉内加热到800～1000℃进行焙烧。通过焙烧，型壳强度增高，型腔更为干净。为防止浇注时型壳发生变形或破裂，常在焙烧之前将型壳置于铁箱之中，周围填砂［见图2.3.6（g）］。若型壳强度已够，则可不必填砂。
b.浇注。为提高合金的充型能力，防止浇不足和冷隔缺陷，要在焙烧出炉后趁热（600～700℃）进行浇注。
（2）熔模铸造的特点和适用范围 熔模铸造有如下优点：
①由于铸型精密、型腔表面极为光洁，故铸件的精度及表面质量均优（尺寸精度IT11～14，表面粗糙度值Ra为25～3.2μm）。同时，铸型是在预热后浇注，故可生产出形状复杂的薄壁小件（最小壁厚0.7mm）。
②由于型壳用高级耐火材料制成，故能用于生产高熔点的黑色金属铸件。
③生产批量不受限制，除适于成批、大量生产外，也可用于单件生产。
熔模铸造的主要缺点是原材料价格昂贵、工艺过程复杂，生产周期长（4～15d），铸件成本高。此外，铸件不宜过大（或太长），一般质量为几十克到几千克，最大不超过45kg。
综上所述，熔模铸造最适于高熔点合金精密铸件的成批、大量生产，主要用于形状复杂、难以切削加工的小零件。例如，汽轮机叶片其形状非常复杂。若采用切削加工方法来制造，不仅费工，且金属材料（耐热合金钢）的利用率甚低；若采用熔模铸件，则稍加磨削便可使用。目前熔模铸造已在汽车、拖拉机、机床、刀具、汽轮机、仪表、航空、兵器等制造业得到了广泛的应用，成为少、无屑加工中最重要的工艺方法。
2.金属型铸造
把液体金属浇入用金属制成的铸型内，而获得铸件的方法称为金属型铸造。一般金属型用铸铁或耐热钢制造，由于金属型可重复使用多次，故又称为永久型。
按照分型面的位置不同，金属型分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式。图2.3.7所示为水平分型式和垂直分型式结构简图，其中垂直分型式便于布置浇注系统，铸型开合方便，容易实现机械化，应用较广。
图2.3.7 金属型
1—型芯；2—上型；3—下型；4—模底板；5—动型；6—定型
金属型导热快，无退让性和透气性，铸件容易产生浇不足、冷隔、裂纹、气孔等缺陷。此外，在高温金属液的冲刷下型腔易损坏。为此，需要采取如下工艺措施：浇注前预热，浇注过程中适当冷却，使金属型在一定温度范围内工作；型腔内刷耐火涂料，以起到保护铸型、调节铸件冷却速度、改善铸件表面质量的作用；在分型面上做出通气槽、出气孔等；掌握好开型的时间，以利于取件和防止铸件产生裂纹等缺陷。
金属型铸造的特点和应用范围：
①铸件冷却速度快，组织致密，力学性能好。
②铸件精度和表面质量较高。
③实现了“一型多铸”，工序简单，生产率高，劳动条件好。
④金属型成本高，制造周期长，铸造工艺规程要求严格。金属型铸造主要适用于大批量生产形状简单的有色金属铸件，如铝活塞、汽缸、缸盖、泵体、轴瓦、轴套等。
3.压力铸造
将熔融金属在高压下快速压入铸型，并在压力下凝固，而获得铸件的方法称为压力铸造，简称压铸。
压铸是通过压铸机完成的，图2.3.8为立式压铸机工作过程示意图。合型后把金属液浇入压室［图2.3.8（a）］，压射活塞向下推进，将液态金属压入型腔［图2.3.8（b）］，保压冷凝后，压射活塞退回，下活塞上移顶出余料，动型移开，利用顶杆顶出铸件［图2.3.8（c）］。
图2.3.8 立式压铸机工作过程示意图
1—定型；2—压射活塞；3—动型；4—下活塞；5—余料；6—压铸件；7—压室
压力铸造的特点和应用范围：
①压铸件尺寸精度高，表面质量好，一般不需机加工即可直接使用。
②压力铸造在快速、高压下成形，可压铸出形状复杂、轮廓清晰的薄壁精密铸件，铝合金铸件最小壁厚可达0.5mm，最小孔径0.7mm。
③铸件组织致密，力学性能好，其强度比砂型铸件提高25％～40％。
④生产率高，劳动条件好。
⑤设备投资大，铸型制造费用高，周期长。压力铸造主要用于大批量生产低熔点合金的中小型铸件，如铝、锌、铜等合金铸件，在汽车、拖拉机，航空、仪表、电器等部门获得广泛应用。
4.离心铸造
离心铸造是将液体金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下凝固成形的铸造方法。根据铸型旋转轴空间位置不同，离心铸造机可分为立式和卧式两大类（见图2.3.9）。立式离心铸造机的铸型绕垂直轴旋转［图2.3.9（a）］，由于离心力和液态金属本身重力的共同作用，使铸件的内表面为一回转抛物面，造成铸件上薄下厚，而且铸件越高，壁厚差越大。因此，它主要用于生产高度小于直径的圆环类铸件。卧式离心铸造机的铸型绕水平轴旋转［图2.3.9（b）］，由于铸件各部分冷却条件相近，故铸件壁厚均匀，适于生产长度较大的管、套类铸件。
图2.3.9 离心铸造
离心铸造的特点和应用范围：
①铸件在离心力作用下结晶，组织致密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。
②铸造圆形中空铸件时，可省去型芯和浇注系统，简化了工艺，节约了金属。
③便于制造双金属铸件，如钢套镶铸铜衬。
④离心铸造内表面粗糙，尺寸不易控制，需要增加加工余量来保证铸件质量，且不适宜生产易偏析的合金。
离心铸造是生产管、套类铸件的主要方法，如铸铁管、铜套、汽缸套、双金属轧辊、滚筒等。
5.气化模铸造
气化模铸造又称实型铸造。它是用泡沫塑料做模样（包括浇注系统）替代木模（或金属模）进行砂型铸造的。由于浇注时模样迅速气化、燃烧而消失，使金属液充填了模样的位置、冷却凝固形成铸件，故而得名。气化模铸造的工艺过程如图2.3.10所示。
图2.3.10 气化模造型
（1）泡沫塑料模 泡沫塑料模多采用聚苯乙烯泡沫塑料制成，由于塑料呈蜂窝状结构，故其密度小、气化迅速。泡沫塑料模制造方法如下：
①发泡成形法 将预发泡并熟化好的聚苯乙烯珠粒置于专用的发泡模内，通入热空气或蒸气加热少时，使珠粒进一步膨胀形成附浇冒口的模样。这种模样制造方法主要用于大批量生产。
②加工成形法 通常以厚度为100mm的泡沫塑料板为原材料，先用机械加工或电热丝切割等方法制成形状简单的部件，然后用黏结剂将这些部件粘合成模样。显然，这种方法不需制造模具，适于单件、小批量生产。
泡沫塑料模表面必须浸涂厚度为0.5～2.5mm的耐火涂料，以提高铸件的表面质量。在铸铁件涂料中，除铝钒土和石墨粉外，多以陶土和少量糖浆作为黏结剂。模样在浸涂涂料后，应彻底烘干。
（2）铸造工艺 在单件、小批量生产中，气化模铸造多采用自硬砂（如水玻璃砂、水泥砂等）造型。舂砂时，要自下而上分层均匀舂实。在大批量生产中，可采用干砂造型，此时，填砂之后采用机械将干砂震实。
金属浇注时，应先慢后快，使金属液上升速度低于模样的气化速度，以减少气化模分解产物与金属液的作用，防止铸件的表面缺陷。同时，浇注场地要有良好的通风与排烟设施，以保护环境。
（3）特点
①由于铸型没有分型面，省去起模和修型工序，便于制出凸台、法兰、肋条、吊钩等在普通砂型铸造中需要活块（或型芯）的结构，从而可简化造型工艺，降低劳动强度。
②加大了铸件结构的自由度，简化了铸件结构和工艺设计。
③铸件尺寸精度优于普通砂型铸造。铸件无飞翅，减轻了铸件清理工作量。气化模铸造适用范围较广，几乎不受铸造合金、铸件大小及生产批量限制，尤其适用于形状复杂件。近些年，已在此基础上发展出磁型铸造、实型负压造型、实型精密铸造等新工艺。
6.成形技术的发展
（1）造型技术的新进展
①气体冲压造型 这是近年来发展迅速的低噪声方法，其主要特点是在型砂紧实前，先将型砂填入砂箱和辅助框内，然后在短时间内开启快速释放阀门给气，对松散的型砂进行脉冲冲击紧实成形。由于气体压力大，且压力增长速率高，可一次紧实成形，无需辅助紧实。气体冲压造型包括空气冲击造型和燃气冲击造型两类。前者是将储存在压力罐内的压缩空气突然释放实现脉冲成形；后者是利用储气罐内的可燃气体和空气的混合物点火燃烧爆炸产生的压力波冲击紧实。气体冲压造型具有砂型紧实度高，均匀合理，能生产复杂铸件，噪声小、节约能源，设备结构简单等优点，近年来发展较快，主要用于汽车、拖拉机、缝纫机、纺织机械所用铸件及水管的生产。
②静压造型 静压造型的特点是消除了振压造型机的噪声污染，型砂紧实效果好，铸件尺寸精度高。其工艺过程为：首先将填满型砂的砂箱置于装有通气塞的模板上，通以压缩空气，使之穿过通气塞排出，型砂被压实在模板上，越靠近模板，型砂密度越高。最后用压实板在型砂上部进一步压实，使其上、下紧实度均匀，起模即成为铸型。静压造型不需要刮去大量余砂，维修简单，因而较适合于我国国情，目前主要用于汽车和拖拉机的汽缸等复杂件的生产。
③真空密封造型（V法造型） V法造型是一种全新的物理造型方法。其基本原理是在特制的砂箱内填入无水无黏结剂的干砂，用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助铸型内外的压力差，使型砂紧实成形。V法造型用来生产面积大、壁薄、形状不太复杂及表面要求光洁、轮廓清晰的铸件。近年来，在叉车配重块、艺术铸件、大型标牌、钢琴弦架、浴缸等的生产过程中获得了极大的发展。
④冷冻造型 冷冻造型又称为低温造型，由美国BCD公司首先研制出来，并于1977年建成世界上第一条冷冻造型自动生产线。冷冻造型法采用石英砂作为骨架材料。加入少量水，必要时还加入少量黏土，按普通造型方法制好后送入冷冻室里，用液态N2或CO2作为制冷剂，使铸型冷冻，借助于包覆在砂粒表面的冷冻水分实现砂粒的结合，使铸型具有很高的强度和硬度。浇注时，铸型温度升高，水分蒸发，铸型逐渐解冻，稍加振动立即溃散，可方便地取出铸件。
与其他造型方法相比，这种造型方法具有以下特点：型砂配置简单，落砂清理方便；对环境的污染少；铸型的强度高，硬度大，透气性好，铸件表面光洁，缺陷少；成本低。
（2）快速成形技术（RPT）简介 要将一种新产品成功地投入到现代激烈竞争的市场中，对于铸造商而言，主要在于其产品开发的速度及生产周期。只有将快速与柔性制造工艺相结合，才能取得市场占有率。RPT集现代数控技术、CAD/CAM技术、激光技术和新型材料科学成果于一体，突破了传统的加工模式，大大缩短了产品的生产周期，提高了铸件的市场竞争能力。目前正在应用与开发的快速成形技术有SLA，SLS，FDM，LOM和DSPC等。每种技术都基于相同的原理，只是实现的方法不同而已。即由设计者首先在计算机上绘制所需生产零件的三维模样，用切片软件将立体模样切成成千上万个薄层，然后用快速成形机自动形成各截面的轮廓，并将各个截面逐一叠加，组合成所设计产品的模样实体。
①激光立体光刻成形技术（SLA） SLA是世界上第一种快速成形技术。其基本原理为：SLA将设计零件的三维计算机成像数据，转换成一系列很薄的模样截面数据。然后在快速成形机上，用可控制的紫外线激光束，按计算机切片软件所得到的轮廓轨迹，对液态光敏树脂进行扫描固化，进行连续的固化，直到三维立体模样制成。一般每层厚度为0.076～0.381mm，制成后将模样从树脂液中取出，进行最终的硬化处理，经抛光、电镀、喷涂或着色即可。如图2.3.11所示为SLA工艺原理图。
图2.3.11 SLA工艺原理图
美国3D系统公司是此项技术的典型代表。该技术主要特征是：可成形任意复杂形状，成形精度高，仿真性强，材料利用率高，性能可靠，性价比高。适合产品外形评估和功能实验及快速制造电极与各种快速经济模具。但所需设备和光敏树脂价格昂贵，其成本较高。
②分层叠纸制造成形工艺（LOM） LOM的基本原理如图2.3.12所示。首先将产品零件的三维图形，输入计算机的成形系统，用切片软件对该图形进行切片处理，得到沿产品高度方向上的一系列横截面轮廓线。将单面涂有热熔胶的纸卷套在收纸辊上，并跨过支承辊缠绕在收纸辊上。步进电动机带动收纸辊转动，使纸卷沿图中箭头方向移动一定距离。工作台上升至与纸卷接触，热压辊沿纸面自右向左滚压，加热纸背面的热熔胶，并使这一层纸与地基上的前一层纸粘合。CO2激光器发射的激光束跟踪零件的二维截面轮廓数据进行切割，并将轮廓外的废纸料切割出方形小格，以便成形过程完成后易于剥离余料。每切割完一个截面，工作台连同被切出的轮廓层自动下降至一定高度，然后步进电动机再次驱动收纸辊将纸移到第二个需要切割的截面，重复下一次工作循环，直至形成由一层层横截面粘叠的立体纸样。然后剥离废纸小方块，即可得到性能似硬木或塑料的“纸质模样产品”。
图2.3.12 LOM工艺原理图
LOM工艺成形速度快，成形材料便宜，无相变，无热应力、收缩、膨胀、翘曲等现象，所以形状与尺寸精度稳定，但成形后废料剥离费时。此工艺适用于航空、汽车等行业中体积较大的制件。
③熔丝沉积成形工艺（FDM） FDM工艺使用一个外观非常像二维平面绘图仪的装置，只是笔头被一个挤压头代替。它可挤压出一束非常细的蜡状塑料（热塑性）或熔模丝，并以此逐步挤出热熔塑料丝的方法来画出和堆积由切片软件所形成的二维切片薄层。同理，制造模样从底层开始，一层一层进行。由于热塑性树脂或蜡冷却很快，这样就形成了两个由二维薄层轮廓堆积并黏结成的立体模样。如图2.3.13所示为FDM工艺原理示意图，如图2.3.14所示为放大的FDM喷头。与其他PRT成形工艺相比，用FDM成形工艺制模时，其模样上的突出部分无需支承也能制出，制出的模样表面光洁，尺寸精度高，且消除了因层间黏结不良而形成的层间台阶毛刺缺陷和分层等现象。
图2.3.13 FDM工艺原理图
图2.3.14 放大的FDM喷头
④直接制壳生产铸件的工艺（DSPC） DSPC工艺与迄今所描述的制壳工艺有本质的区别。它允许在计算机上完成零件设计直到浇注的整个铸造工艺过程。它直接利用CAD数据自动制造陶瓷型壳，而无需模具和压型，大大缩短了铸件的生产周期。其工作过程是用计算机控制一个喷墨印刷头，依据分层软件逐层选择在粉末层上沉积的液体黏结材料，最终由顺序印刷的二维层堆积成一个三维实体、具有整体芯的型壳，型壳经焙烧后即可浇注金属液。其特点是不使用激光，主要用在金属陶瓷复合材料的多孔陶瓷预成形件上，目标是由CAD产品模型直接生产工装模具或功能性制件。
（3）计算机在铸造技术中的应用 目前，计算机在铸造过程中的管理、测控、工艺、凝固模拟等方面都得到了广泛的应用。铸造工艺计算机辅助设计（CAD）系统是利用计算机协助制造工艺设计者确定方案、分析铸件质量、优化铸造工艺、估计铸造成本及显示并绘制铸造工艺图等，把计算机的快速性、准确性与设计人员的思维、综合分析能力结合起来，可以加快设计进程，提高设计质量，加速产品更新换代，提高产品竞争能力。
近年来，国内外在铸造工艺计算机辅助设计方面已做了较多的研究和开发，相继出现了一批较实用的软件。如美国铸协（AFS）的AFS-oftrare软件，可用于铸钢、铸铁的浇冒口设计；英国Foseco公司的Feedercalc软件可计算铸钢件的浇冒口尺寸、补缩距离及选择保温冒口套等；丹麦DISA公司的Disamatc软件专用于垂直分型，生产线的浇冒口设计。国内清华大学研究开发的Ficast软件适用于球墨铸铁件浇冒口系统；华北工学院铸造工程中心开发的CastCAD适用于铝合金、铸铁及铸钢件补缩，浇注系统及工艺图、工艺卡绘制。此外，还有环形体类、板类、缸体类及阀体类等铸件的CAD系统都在生产中得到较好的应用。与传统的铸造工艺设计方法相比，用计算机设计铸造工艺有如下特点：①计算准确、迅速，消除了人为的计算误差；②可同时对几个铸造方案进行工艺设计和比较，从而找出较好的方案；③能够储存并系统利用铸造工作者的经验，使得设计者不论其经验丰富与否都能设计出较合理的铸造工艺；④计算结果能自动打印记录，并能绘制铸造工艺图等技术文件。铸造工艺CAD应能完成以下设计和计算的功能：
①铸造工艺的设计与计算。
a.铸件体积、重量和模数计算；
b.铸件补缩系统的设计与计算（冒口、冷铁等）；
c.铸件浇注系统的设计与计算。
②铸件工艺文件的设计与绘制。
a.铸造工艺卡的设计与绘制；
b.铸件检验卡的设计与绘制。
③图形绘制。
a.铸造工艺图绘制；
b.铸造毛坯图绘制。
2.3.3 铸造生产常见缺陷
由于铸造生产工序繁多，很容易使铸件产生缺陷。为了减少铸件缺陷，首先应正确判断缺陷类型，找出产生缺陷的主要原因，以便采取相应的预防措施。表2.3.2给出了常见铸造缺陷的名称、特征以及产生的主要原因。
表2.3.2 常见铸造缺陷的名称、特征以及产生的主要原因
