砂型铸造模具的设计与工艺研究.pdf

在铸造工艺设计工程师和广大模具从业者的共同不懈努力下,经过多年的不断发展 ， 铸造模具 的质量已经取得了很大的进步 ， 但是其总体的自主创新能力依然不足 ， 缺乏核心竞争力 。 归纳认 为 ， 模具制造企业的设计人员大多没有铸造专业知识或铸造从业经历 ， 对铸造工艺的设计能力不 足 ， 设计出的模具很多都不符合铸造的实际生产需求 ， 铸造企业收到模具后往往还需要进行大量  的改进 。 因此 ， 铸造企业如何培养自己的模具设计  人员和提高模具设计水平 ， 或者如何让铸造工艺  设计工程师与模具设计工作者结合的更加紧密是  模具质量的  ， 是  铸造企业高度重视的细节 。1 铸造企业要培养自己的模具设计  工程师， 有  铸造企业  需的模具  了模具  进  设计  制造 ，  的是铸造企业  不  为模具的设计  制造收稿日期: 2020-01-10 ；修订日期: 2020-03-12作者简介:任现伟 (1980-)， 男 ， 学士 ， 工程师 ， 主要从事铸造工艺和材料的研究 、 开发与应用工作 。 E-mail: lyrenxianwei@163.com入过多的精力 ， 但是这样却可能给铸造生产带来  很多的隐患和损失 。 如果模具供应商设计的模具  不适应所生产铸件的工艺要求 ， 铸造企业还要对  其进  的  ， 是模的， 进  的  ，  能  模具不能使用甚至报废 。 基于以上原因,铸造企业必须  要培养自己的模具设计工程师 ， 模具设计工程师  铸造工艺  人员  ， 的  是  设计出的模具更贴近铸造生产实际 ， 减少或避免  模具的后期更改 ， 为铸造新产品的开发提供更合  理的模具工艺 ， 从而保证新产品开发的成功率 。由  于模具制造需要投入很多精良的机械加工设备 ，  还需要很多的模具从业人员 。 所以作为铸造企业,  没有自  的模具制造能力 ， 是为了 证模具工艺的可行性和新产品开发的成功率 ， 我  有自  的铸造工艺设计人员  模具设计  人员 。2 铸造工艺设计铸造工艺设计是模具设计中的核心任务 。 不  管模具的材料 、 表面质量和几何尺寸如何精良 ， 如  -23中国铸造装备与技术第 55 卷果没有适合该铸件的铸造成形工艺 ， 最终也是不  能满足铸件质量和批量生产要求的 。 因此 ， 在模具  制造前 ， 我们必须对铸造工艺的重要性给予充足  的认识 ， 以避免所设计和制造出来的模具不能投  入铸造生产 ， 甚至报废 。 对于铸造工艺设计 ， 我们  应从以下几个方面尽量给予更多研究和关注2.1绘图软件目前 ， 在铸造工艺设计和模具设计过程中使  用最为广泛的软件有 UG、 Solidworks、 PRO/E、  CIMATRON和 CATIA等 。 对于砂型铸造来说 ， 只  要方  ，  不  使用  软件  能设计出  为合理的工艺 。 因此 ， 在进行铸造工艺设计和模具  设计之前应充分掌握至少一种软件的运用方法 。2.2分型面的选择在砂型铸造中分型面是为了造型的需要而设  的铸  分的  面  于  铸造所生产的铸件  多形  ，  不  是  分  面  是分  面 ， 个  面  不能  所有形状分开 。 因此 ， 砂型铸造的分型面一般都是曲  面分型 。 这就要求所选择的分型面既能保证铸件  质量 ， 于造  工艺  对于使用  造的  铸造过程来  ， 分  面的  应以下几个方面：（ 1 ）  尽可能将铸件的大部分或全部置于同一  模型中 ， 以避免合型不良产生过多的错箱和较大  的披缝与毛刺 。（2） 应尽量选择平面作为主分型面 。 在满足铸  造需要的前提下 ， 分型面的数量应尽量少 。（3） 选择的分型面应便于脱模 、 下芯 、 合箱等， 使  和  能  ， 于和（4） 分型面的选择一般要避开铸件功能面 ， 尽  量减少砂芯和冷铁的使用数量 。（5） 选择的分型面应利于充型过程中型腔内  的出（6） 选择的分型面应不加大冒口颈残余和内的量（7） 选择的分型面应不影响后序机械加工和  装配 ， 尽量不影响铸件外观 。2.3缩尺的确定金属从液态转变为室温下的固态 ， 都要经历  由液态到固态的液态收缩和从固态冷却到室温前  的凝固收缩 ， 通常情况下在冷却到室温前,铸件尺  寸都会随着温度的降低而不断的缩小 ， 这就是我  们通常所说的 “ 热胀冷缩 ” 现象 。 为了避免最终铸  件的尺寸不小于图纸的要求 ， 一般情况下 ， 在设计  模具的时候都会在原有铸件尺寸的基础上加上一  定比例的缩尺 。 对于砂型铸造来说 ， 缩尺的选择主  要受到造型设备 、 合金类型 、 铸件形状和型砂质量  等因素的影响 。 对于球墨铸铁来说还应考虑到石  墨化膨胀导致的铸型涨大所抵消的缩尺比例 。 因  此 ,球墨铸铁的缩尺一般在 0.3%~0.7% ， 灰铁和蠕  墨铸铁的缩尺一般在 0.4%~0.9% 。 对于铸铝 、 铸铜  等有色合金的缩尺一般都设计为 1% 左右 。2.4浇注系统的设计不论是开放式 、 封闭式,或者是半开放式浇注  系统 ， 各有各的优点 ， 没有哪一种浇注系统是最好  的 ， 只有相对更为适合所生产铸件类型的浇注系  统 。 设计良好的浇注系统的目的是在浇注过程中  形成平稳的充型模式 、 减少或避免气体与夹杂物  的卷入 、 减少热量及动能耗损 、 最终目的是能够生  产出满足质量需求的合格铸件 。 在浇注系统设计  过程中应充分  以下因素的（ 0 尽量使金属液从内浇口到达各个型腔部  位的距离相近 ， 使整个型腔所需的金属液充型流  程最（2）应使金属液在浇注系统中平稳地充型 ， 避  免在  中产生  量的  ，  从而有  少卷和充  现象3  应尽量  少  注系统转  的  ， 避免金  24任现伟:砂型铸造模具的设计与工艺研究 第 3 期属液过度氧化 、 压力损失过大和过多的金属液消  耗 。（ 4 ）  冒口应尽量设于铸件较厚部位 ， 避免补缩  通道过早凝固 ； 但也不能设置在铸件特别厚大的  部位 ， 避免造成铸铁件局部石墨粗大和缩孔缺陷  的产生 。（ 5 ）  不能将内浇口设于有阻挡金属液流动的  型腔部位 ,也不能使金属液直冲型壁和砂芯 ， 否则  金属液易将型壁或砂芯冲蚀 、 冲垮或者冲离原位 。  内浇口也不宜设在表面粗燥度要求高且不进行机  械加工的铸件表面 。 尽量使用单个内浇口 ， 如需多  个内浇口时 ， 应防止进入型腔后的金属液相互冲  击造成涡流 、 大量氧化和卷气等现象的发生 。 同  时 ， 还要避免在内浇口部位形成热节 、 导致缩松等  缺陷的产生 。4  6 ） 应使冷铁位于铸件最需要激冷的部位 ， 不  能将冷铁设置于冒口 、 内浇口和浇道附近 。 在砂型  铸造  ，  使  铁  应避免铸件  过度  产生的渗碳体 、 表面塌陷或褶皱等缺陷 ， 有条件的  应将  铁在  芯过  砂芯  成  铁芯 ， 或者在冷铁表面刷涂隔离涂料 。（ 7 ）  尽量设计为顺序充型模式,避免在充型过金属液过早  口 ，  通  在  型面设置有  量和  面  的  通道 ，  使型腔  中的气体能够顺畅排出 。（ 8 ）  ,有浇  的目的都是为了铸件充型 、  补缩和排气等需要而设置的 。 在清理的时候都是铸件  成  。 因此 ， 设计的浇  尽量  ， 金属  ，同时也便于从铸件上被轻松地去除 。在实际对模具上的浇注系统设计时 ， 还有很  多没有提及的方面需要根据工作经验而设定 。 另  外 ， 述细节不可能  兼顾 ， 要依据金属  液和铸件的特点 、 以及客户标准等要求经过充分  评审 、 模拟和论证后确定取舍 ， 要避免生搬硬套 ，  弄巧成拙 。3 铸造工艺模拟分析有条件的情况下 ， 应采用华铸 CAE、 Magma 、  Flow 3D或 ProCAST等铸造模拟分析软件对设计  好的浇注系统进行数值模拟分析 ， 通过分析可以  很清楚的确定充型和凝固过程中的实际状况以及  铸造缺陷产生的位置和大小 ， 据此可以多次调整  浇注系统的形状和尺寸,进行多次的模拟分析 ， 最  终在模具制造前确定最为适宜的浇注系统 839 ， 从而  最大限度的避免晚期更改带来的经济和时间上的  损失 。4 模具材料的设计模具材料的设计和选取是模具设计工作者必  须要精心琢磨的事情 ， 要使材料能满足所设计模  具的强度 、 塑性 、 硬度 、 耐磨性 、 抗冲击韧性和抗疲  劳强度等方面的要求 。4.1模具模板模板是支撑模芯 ， 与造型设备相连的框架结  构 ， 以往很多铸造企业为了省事和模具制作的方  便 ， 会采用铸造毛坯的方法将模具的模板和模芯  做成一体的铸铁材料 。 由于模板和模芯对于砂芯  铸造模具来说他们的作用和所承受的压力有着很  多的不同 。 所以 ， 为了充分发挥不同材料的优势和不  部位的  ，  前大部  铸造企业  经将模具的模板和模芯分别选材 、 加工 。由于  板在  的  能芯与造型机的连接 、 兼顾分型和造型的需求 。 在砂  型铸造的造型过  ，  板通  和  芯被加热至 30-70=。 因此 ， 模板材料必须在此温度  范围内具有足够的强度和硬度 。 通常情况下 ， 使用  铸铁材  作  板 ，  可  满  造型过  力学性能和硬度的要求 。4.2模芯模芯是模具的核心 ， 是形成铸件的关键部位 。  于  芯的材  ， 定  选  强度和硬度  ，  25中国铸造装备与技术第 55 卷塑性和耐磨性优良 ， 耐冲击韧性和耐疲劳强度高  的材料作为模芯材料 。 一般情况下应根据模具的  类别和所生产铸件的基本要求 ， 选用与之相适应  的不同型号的模具钢作为模芯材料 。 另外 ， 要采用  镶嵌的方法将粗加工后的模芯镶嵌入模板后 ， 再  进行后续的精加工 ， 以避免多次装配造成模芯与  模板的定位不精确等情况发生 ， 确保加工后的模  具精度 。4.3浇注系统模具  的  要为金属液进入铸件型腔提供充型通道 。 在砂型铸  造的造型过程中 ， 浇注系统和模芯同样都要长期  型  和  的  与要  模具  的  一  选用耐  的高  铸  具  高  度与高耐  性的  面镀锯材料作为浇注系统叫4.4芯盒芯盒一般采用牌号较高的铸铁材料经机械加  工  造  成  芯  用铸  作为基  材料时 ， 芯盒在制芯过程中一般要求加热至  210-300),要充分考虑铸铁在长期热环境下使用  的材料  ，  芯  应  用量的铸铁材料 ， 以  芯盒的使用寿命;另外 ，芯  的  芯  要  与  高的  具  的耐  性，  ， 度应40-48HRC， 然后采用镶嵌的方法将射砂嘴镶入芯  盒中 。4.5顶芯杆芯  装  芯  ，  用  芯的芯装  ， 的作用  要  芯  模后从中取出砂芯 。 在保证具有一定强度的前提下 ,主  要考虑的是顶芯杆的顶部要具有良好的耐磨性 。  通常可采用 A3钢材料加工 ， 要求稍高的可用 45#  钢 ， 经过热处理后得到硬度为 40-48HRC的耐磨  度4.6下芯框下芯框是安装在造型机上的下芯装置 ， 其目  的是将造型前制备好的砂芯 、 冷铁或过滤网等精  确的下入型腔的相应位  下芯框  造型  中需要不断地重复夹持砂芯等物体到型腔内的动  作  下芯框的材料要求  一般以  和耐性为前提 。 因此 ， 一般会选用铸铝或树脂材料作为  下芯框的框架 ， 使用耐磨钢片作为砂芯 、 冷铁或过  滤网等的夹持面和接触点 ， 以减少长期使用过程  中摩擦带来的局部磨损 。4.7定位销与定位销套定位销与定位销套在模具中应用非常广泛 ，  是参与限制相互配合的模板 、 芯盒 、 下芯框等模块  的精确定位 。 在铸造生产中,我们要借助定位销和  定位销套的相互配合来实现定位 、 防止安装位置  和方向等的错误 。 由于定位销与定位销套的配合  精度直接决定着所生产铸件的尺寸精度 。 因此 ， 在  模具上对它们的精度要求都特别高 。 基于定位销  和定位销套的  与目的  所以要求  们的材料  必须能够经得起频繁相互配合过程中的冲击和摩  擦 。 可将 45# 钢调质处理 +半精加工 +高频表面  淬火 +低温回火处理 ， 得到硬度为 55-58HRC的  耐磨材料 ； 也可将 GCr15钢进行盐浴分级淬火 + 低温回火处理 ， 处理后的硬度可高达 58-62HRC。模具设计完成和材料准备完毕后就可以投入  到实质性的模具加工过程了 。 但是 ， 在进行机械加  工前还应确保所设计模具的制造可行性 。 特别是  对于模具上的细小刻字一定要注意现有刀具是否  能满足加工的需要 ， 如果不能满足应考虑电火花  加工 ； 对于凹入特别深的模具部位还应考虑刀具  的刀柄是否足够长 ， 如果不够长还要采用分层加  工的方法将凹深部位加工好之后 ， 然后再装配到  模具相应的位5 结束语铸造模具的工  和材料  模具加工  26任现伟 ： 砂型铸造模具的设计与工艺研究 第 3 期的难易程度 、 模具制造的成本和模具的使用寿命 2  关系到铸件生产的可行性和可靠性 。 因此 2 作为铸  造企业要想提升模具的整体质量 2 就应该从模具  的设计 s特别是模具上的铸造工艺设计着手加大  设计和研发的投入 s尽量避免因设计过程中对铸  造工艺考虑的不充分造成后期多次更改情况的发  生 2 避免晚期更改带来的一系列损失 。参考文献 ：[1]中国机械工程学会铸造专业学会 .铸造手册第 5 卷(铸造工  艺 )#M].北京 :机械工业出版社 ,1996.⑵周舰 ， 荆涛•三维铸造工艺工装 CAD/CAE/CAM系统 [C]•第三届  中国铸造模具制造技术研讨会论文集 .承德 ,2000.[3] 任现伟•高韧球墨铸铁离合器飞轮铸造工艺设计与实践 [J] •铸  造技术 ,2019,40(07):696-700+704.[4] 任现伟 .DISA线生产优质铸件的工艺技术与应用 [J].铸造 , 2019,68(07):777-781.Design and technology research of sand casting moldREN Xianwei(Luoyang Gucheng Machinery Co., Ltd., Luoyang 471023, Henan China)Abstract： Mold is an indispensable process equipment in the casting process, and it is a key element of casting production. Its design ideas and process plans are related to the overall quality of the mold, which furthermore determines the final quality of the casting. Therefore, the design of the mold should be paid greater attention in casting enterprises. From the perspective of the foundry enterprise, the mold design, especially the design of the pouring system on the mold, and the design of the material of each part of the mold have been studied in detail in order to provide reference value for the design work before mold manufacturing.Key Casting; Mold; Method; Research:欢迎投稿 ！ 欢迎订阅 ！ 欢迎刊登广告 ！ ：+ +S )+ +乂-XI -