铸件的体积收缩以缩孔、缩松、外部缩凹和铸件外形体积的减小等形式表现出来。铸件线收缩时会受到阻力，这些阻力包括有：铸型表面的摩擦力，机械阻力和热阻力。

缩孔、缩松防止 影响缩孔缺陷形状的主要因素：①合金凝固方式 。②铸件热流的大小和方向 ③铸型硬度和刚性的影响。

实验证实灰铸铁和球墨铸铁的物理学体收缩率相同，但球墨铸铁在松软铸型中的集中缩孔体积比灰铸铁的大，而线收缩率则较小，甚至出现负值，即铸件比模样大，说明型壁外移。而铸型硬度、刚性大时，则两种铸铁的线收缩率都加大，说明铸件凝固时型壁外移量小。内浇道冻结后，型腔扩大使一般铸件缩孔、缩松体积增加。

消除缩孔类缺陷的途径：①实现“顺序凝固”( 又称方向性凝固)，②实现“同时凝固”， ③利用铸铁(球墨铸铁、灰铸铁、蠕墨铸铁)的共晶膨胀的实用冒口补缩法，④加压补缩，⑤用热等静压法消除内部缺陷。

3.铸件的热裂 热裂是铸件形成期间在高温下出现的裂纹缺陷。热裂形成温度范围在非平衡的线收缩开始温度到非平衡的固相线温度区间内，该区间被称为“有效结晶温度区间”或“有效结晶温度范围”。

影响热裂形成的因素: ①合金性质。有效结晶温度区间内，合金强度越低，线收缩率越大，则愈易形成热裂。②铸型阻力。③铸造工艺的影响。浇冒口的位置布局不合理，阻碍铸件收缩。④铸件结构的影响。

防止热裂的途径：①提高合金的抗热裂能力。②改善砂型和砂芯的溃散性。③改进工艺防止热裂。④改进铸件①结构设计。

4.铸造应力 铸造应力分为热应力，相变应力和机械阻碍应力。铸造应力导致铸件翘曲变形甚至开裂，特别是铸件中的残余应力，如不消除，将降低零件的加工精度，在使用中会继续变形，降低机械性能和使用性能。

减小铸造应力的措施: ①选用弹性模量E和热膨胀系数α小的合金作为铸件材质。②减小铸件冷却过程中的温度差。(在铸件厚实部分放置冷铁,对铸件厚实部分的铸型或砂芯实行强制冷却,在铸件壁薄处开内浇道,提高浇注时铸型的温度等)。③改善铸型和砂芯的渍散性。④改进铸件结构避免形成较大应力和应力集中。

消除铸件中残余应力的方法：有自然时效、人工时效和共振时效等方法。

5.铸件的变形、冷裂及其防止方法 当铸件中残余应力以热应力为主时，厚壁部分或内层具有残余拉应力，薄璧部分或外层具有残余压应力。处于应力状态（不稳定状态）的铸件，会自发地变形以减小内应力趋于稳定状态。有残余压应力的部分自发伸长，而有残余拉应力的部分自动缩短，结果使铸件变形，发生挠曲。

散热慢的表面(如接触砂芯的内表而)内凹，散热快的表面外凸。

铸件变形量不仅决定于残余应力的大小，而且与结构的刚度有关。在相同残余应力的条件下，结构刚度越差，铸件变形量就越大。故刚度小的细长杆件、大而薄的平板类铸件易发生变形。箱体形的铸件刚度大，变形量小。

铸件的冷裂 铸件处于弹性温度范围内出现的裂纹称为冷裂。冷裂常出现在具有拉应力的应力集中的部位，如铸件内转角处、缩孔、非金属夹杂物等处的附近。结构复杂、薄厚悬殊的铸件容易形成冷裂纹。有的铸件于落砂后未发现裂纹，但内部有很高的残余应力，在清理和搬运过程中因受到撞击，或落砂后受到不均匀的激冷，或因消除应力退火工

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艺欠当等而开裂。

冷裂纹的特征是：外形呈直线状或圆滑曲线状，而且常是穿过晶粒而不是沿晶界断裂。断口干净，具有金属光泽或呈轻微的氧化色，这说明冷裂是在较低的温度下形成的。

防止铸件变形和冷裂的措施 使用反变形模样或芯盒，为防止铸件变形超量而设置“拉筋”，改进铸件结构设计，控制铸件开箱时间，提高铸型刚度，加大压铁重量。可以减小铸件的挠曲变形量。

思考题

1．合金的流动性和充型能力之间有何联系和差别? 2．金属或合金有几种不同的停止流动的模式? 3．怎样提高合金的充型能力?

4．液态金属的流动对结晶过程有哪些影响。

5．为什么通常希望获得细等轴晶组织的铸件?简述获得细等轴晶组织的措施。 6．何谓偏析?

7．何谓微观偏析，宏观偏析?何谓正常偏析、反常偏析?这些偏析与正、负偏析有何区别？

8．气孔和非金属夹杂物对铸件质量有何影响?合金中的气体或夹杂物是否都是有害的？

9．析出性气孔的形成条件与哪些因素有关？应怎样防止？

10．反应性气孔有哪几种典型形式？有哪些典型反应?防止途径如何? 11．夹杂物有哪几种类型？影响夹杂物分布形态的因素有哪些？ 12．怎样去除金属液中的气体和夹杂物？ 13．合金的收缩和铸件的收缩有何不同？

14．铸钢和球墨铸铁的收缩过程有何相同和不同之处? 15．影响球墨铸铁体积变化的主要因素有哪几项?

16．同时凝固和顺序凝固原则的涵义是什么?它们各自应用在什么条件下? 17．为什么灰铸铁件和球铁件可以不遵循同时凝固或顺序凝固原则? 14．常用哪几种方法消除铸件的残余应力?

18．铸件的变形规律和残余应力分布规律有何关系? 19．防止铸件变形的主要工艺措施有哪些？

4.3 铸造工艺及工装设计

4.3.1 铸造工艺设计的概念

1.概念 铸造工艺设计就是根据铸造零件的结构特点、技术要求、生产批量和生产条件等，确定铸造方案和工艺参数，绘制铸造工艺图，编制工艺卡等技术文件的过程[8]。

2.设计依据 生产任务(铸造零件图样,零件的技术要求,产品数量及生产期限 );生产条件(设备能力,车间原材料的应用和供应情况,工人技术水平和生产经验,模具等工艺装备制造车间的加工能力和生产经验);考虑经济性,环境保护，节约能源。

3.内容及程序（工艺图，工艺卡） 4.3.2 铸造工艺方案的确定

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1.零件结构的铸造工艺性 指的是零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸造工艺过程和降低成本。①从避免缺陷方面审查铸件结构，②从简化铸造工艺方面改进零件结构。

2.造型、造芯方法的选择 ①优先采用湿型，②造型、造芯方法应和生产批量相适应，③造型方法应适合工厂条件，④要兼顾铸件的精度要求和成本。

3.浇注位置的确定 铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。确定浇注位置时应考虑以下原则：①铸件的重要部分应尽量置于下部，②重要加工面应朝下或呈直立状态，③使铸件的大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷，④应保证铸件能充满，⑤应有利于铸件的补缩，⑥避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯、合箱及检验，⑦应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致。

分型面的选择 分型面是指两半铸型相互接触的表面。选择分型面时，应注意以下原则：①应使铸件全部或大部置于同一半型内，②应尽量减少分型面的数目，③分型面应尽量选用平面，④便于下芯、合箱和检查型腔尺寸，⑤不使砂箱过高，⑥受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度，⑦注意减轻铸件清理和机械加工量。 4.3.3 砂芯设计及铸造工艺设计参数

1.砂芯设计 砂芯的功用；砂芯应满足的要求；设置砂芯的基本规则：①保证铸件内腔尺寸精度：凡铸件内腔尺寸要求较严的部分应由同一半砂芯形成，避免为分盒面所分割，②保证造芯操作方便：为此，有时不得不把复杂砂芯切分成几个简单砂芯，③使铸件壁厚均匀，④尽量减少砂芯数目。适当使用砂胎、吊砂或木模活块，可有效地减少砂芯，⑤填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面。这对需要入炉烘干的砂芯是很必要的，⑥砂芯形状适应造型、制芯方法。

2.芯头设计 头的三大功能（定位、固定和排气）；芯头种类；芯头的组成：长度、斜度、间隙、压环、防压环和积砂糟；芯头承压面积的核算；特殊定位芯头。

3.铸造工艺参数 铸造工艺参数是工艺设计时需要确定的某些数据，这些数据和模样、芯盒尺寸有关，即与铸件的尺寸精度有密切关系。同时也和造型、造芯、下芯及合箱等工艺过程有关。

这些工艺参数是：铸造收缩率(缩尺)、机械加工余量、起模斜度、最小铸出孔的尺寸、工艺补正量、分型负数、反变形量、非加工壁厚的负余量、砂芯负数、(砂芯减量)及分芯负数等十项。由于工艺参数选取得准确、合适、才能保证铸件尺寸精度、重量符合公差要求，并且使工艺过程顺利进行，提高生产率，降低成本。铸件尺寸公差和铸件重公差是铸件的验收标准，和工艺参数密切相关，故也在此一并讨论。

铸件尺寸公差：(1999年我国公布了新国家标准，GB6414-1999。取代了旧国标GB6414-1986。铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。铸件尺寸公差等级分为16级，从CT1～CT16。CT1公差值最小，尺寸精度最高。它适用于所有合金、各种铸造方法的铸件。GB6414-1999铸件尺寸公差标准等效采用了国际标准ISO 8062-1994《铸件尺寸公差制》。相对于1986标准做了一些修改和补充。

铸件重量公差：(GB11351—1989标准)铸件重量公差等级，由精到粗也分为16级。从MT1～MT16和铸件尺寸公差CT1～CT16相对应。铸件重量公差定义为以占铸件公称重量的百分率为单位的铸件重量变动的允许值。

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机械加工余量：(1999标准比1989标准有重要变动)GB/T6414-1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》中规定，要求的机械加工余量(RMA)适用于整个(指所有)毛坯铸件，且该值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸和相应的尺寸范围选取。

RMA等级有10级，称之为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K级。推荐用于各种铸造合金和铸造方法的RMA等级，仅作为参考资料用。

要特别注意：RMA、CT之间的关系和1989标准中MA、CT之间关系有重大变动。例如：对铸件某部分做一(单)侧加工时，

MA=RMA±CT/2 关系式成立。

式中：RMA—1999新标准中给出的“要求的机械加工余量数值”

MA—1989旧标准中，给出的“机械加工余量数值”。 CT—铸件尺寸公差值(新、旧标准一致)

“+”—用于凸体尺寸；“-”— 用于凹体尺寸。

4.3.4 浇注系统设计（P269-284）

对浇注系统的基本要求是：①所确定的内浇道的位置、方向和个数应符合铸件的凝固原则或补缩方法。②在规定的浇注时间内充满型腔。③提供必要的充型压力头，保证铸件轮廓、棱角清晰。④使金属液流动平稳，避免严重紊流。防止卷入、吸收气体和使金属过度氧化。⑤具有良好的阻渣能力。⑥金属液进入型腔时线速度不可过高，避免飞溅、冲刷型壁或砂芯。⑦保证型内金属液面有足够的上升速度，以免形成夹砂结疤、皱皮、冷隔等缺陷。⑧不破坏冷铁和芯撑的作用。⑨浇注系统的金属消耗小，并容易清理。⑩减小砂型体积，造型简单，模样制造容易。

此外，对于薄小铸件常可用浇注系统当冒口，对铸件有一定补缩作用。对于大量流水线生产的球墨铸铁件，在浇注系统结构中增加反应室，可实现型内球化或型内孕育处理。

1.液态金属在基本组元中的流动 砂型中金属液流动的特点（型壁的多孔性、透气性和金属液的不润湿性。；型壁和金属液间存在着热作用、机械作用和化学作用；浇注过程是不稳定流过程；呈紊流状态；为多相流动）；浇口杯中的流动，重点了解水平旋涡的成因及防止方法；直浇道中的流动：存在着充满流态和非充满流态。直浇道窝（具有缓冲作用，改善流态和压力分布、内浇道的流量分布，浮出气泡和减小拐弯阻力等作用。）；横浇道中的流动：了解横浇道的阻渣原理，阻渣的条件，和常用的强化挡渣的措施；在内浇道中的流动：一般了解，浇口比的影响，流量的不均匀性。

内浇道的基本设计原则：①内浇道的位置、数量，应服从所选定的凝固顺序和补缩方法。②方向不可冲着细小砂芯、型壁、冷铁和芯撑。③内浇道应薄，以减少吸动区，对铸铁件可最大限度地利用石墨化膨胀压力，实现自补缩。④对薄铸件，可通过内浇道实现补缩。⑤内浇道应避开铸件重要部位。⑥各内浇道的流向应一致。⑦尽量在分型面上开内浇道，这样最简便。⑧对收缩率大的合金铸件，内浇道应不严重阻碍铸件的收缩。

2.浇注系统基本类型及选择 ①按浇口分类：封闭式，半封闭式，开放式，先封闭-后开放式。传统理论认为； As＞Ar＞Ai是封闭的，即充满式。阻流断面为Ai(内浇道断面)；如果A阻不是内浇道，则为开放式，即呈非充满态。这个结论是把液态金属当作理想流体而得出的结论。而理想流体是无粘度的，无阻力系数的。液态合金是实际流体，因而上述结论不完全符合实际；②依内浇道位置分类：顶注式浇注系统（简单式，楔形式，压边式，

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