機械設計（課程）——鑄件設計與加工

這是一篇很理論和無聊的文章，但卻分享了多個知識點，對於很多從事這個行業的人肯定是具有一定的借鑒意義的，但因為是純文字的說明和列舉，在編排上沒有更多吸引人的地方，所以請有需要的人可以耐心的看看，這些基本的行業常識，對一個設計工程師來說是一定要了解和清楚的，特別是結構設計工程師更是如此。

材料特性說明

在設備研發過程中，零件的材料選取至關重要，而灰口鑄鐵作為絕大多數設備大件（主體結構件，例如底座、床身、立柱、主軸箱、工作台、滑鞍、銑頭殼、橫樑等）的主要材料，其性能有著其它材料無法比擬的優點：

材料特性的優點：

1、 材料的熱流動性能好。

2、 材料的線收縮率與體積收縮率小。

3、 缺口敏感性小。

具有抗壓強度大，為本身抗拉強度的3-4倍，消震能力強，比鑄鋼件大10倍等較好的綜合力學性能。

結構特性的優點：

1、 可獲得比鑄鋼更薄而複雜的鑄件，鑄件中殘餘內應力及翹曲變形較鑄鋼小。

2、 表面光潔，因而加工餘量比鑄鋼小，表面加工質量不高對疲勞極限不利影響小。

3、 消震性高，常用來做承受振動的機座。

4、 不同截面上性能較均勻，適於做要求高，而截面不一的較厚（大型）鑄件。

鑄造零件設計注意事項

1、 結構設計盡量採用對稱的結構形式，在零件的輪廓上盡量採用直線型輪廓（便於鑄造），這樣便於結構的受力均勻和形變均勻。

2、 鑄件的壁厚盡量均勻而過渡平滑，不要有太大的突兀，一些折邊或轉角盡量用較大的圓弧過渡，以免產生鑄造應力和加工應力。

3、 筋板的布置要均勻而有序，或成矩形，或成環型，既不能布置過密（結構上導致無法鑄造），也不能布置太稀疏（結構剛性不足），要充分考慮鑄造零件的受力特點，該加筋板的地方加筋板，該留空的地方盡量留空。

4、 輪廓最小化處理，在滿足剛性要求和結構特點的前提下，要盡量縮小鑄造零件的體積（外形尺寸），這樣不僅可以節約鑄造成本，也更便於鑄造造型（木模設計與製作），同時也可以讓零件結構更緊湊。

5、 機械加工面盡量減少，一些不重要的面或者沒有要求的面，不要放置加工符號，因為放置了加工符號就意味著這個面會預留加工餘量，無論是從鑄造成本和加工成本來說都是不合算的，當然如果是一定要保證的面那也一定要放置加工符號，如果沒有加工符號，那鑄造出來的零件可能沒有加工餘量，所以加工符號的放置一定要謹慎而嚴謹。

6、 充分考慮鑄造過程中的分型面的設置和離心的放置問題，還有不要有封閉的型腔，因為這在最後將導致無法清理廢沙等，如果自己無法命了所有知識點，建議多和鑄造廠的技術工程師溝通，並按他們的要求對圖紙作相應的修改，這樣是最理想的途徑。

7、 一定要設置吊裝孔，這是很多初學設計的人容易忘記的一個點，因為一般牽涉到要鑄造的零件，很多都是很大很重的零件，如何吊裝是必須要考慮的，吊裝孔的設置不單要考慮單個零件的吊裝，還要考慮整台設備如何吊裝，所以吊裝孔的位置就顯得尤為重要了。

8、 對鑄件成型後的熱處理要求（去除鑄造內應力）——時效處理，這個要作為一個硬性規定寫進圖紙的技術要求裡面，同時要在和鑄造廠簽訂的合同里有所體現，以保證鑄件的材質均勻和穩定性。

鑄造零件的鑄造過程注意事項

在零件的鑄造過程中，我們主要是考慮是用木模造型還是時下比較流行的消失模造型，我們現在來介紹一下這兩種造型方法的區別和優缺點。

木模造型的優點：

1、 模具材料節能環保（相對於金屬模具和消失模造型而言）。

2、 能夠多次重複使用（80-120次），極大的降低了鑄造成本。

3、 木模製作與加工方便，可以採用機械加工也可以採用手工製作。

4、 模具有損壞或缺失，修補更容易和簡便，同時維修成本也很低。

5、 木材密度小，質量輕，在模具造型過程中容易放置，造型完畢後也更容易起模。

6、 製作木模的材料相對成本較低，也更容易獲得。

木模造型的缺點是：

1、 木模更容易磨損和損壞，在模具使用一定次數後，容易產生鑄件壁厚增加或存在缺角的現象。

2、 木模不利於保存，因為木頭始終是有一定的使用壽命的，在保存和放置上要求更高一些。

3、 容易產生造型誤差，因為在造型過程中，木模起模時容易產生沙箱的塌陷，很多位置可能無法用肉眼直接觀察到，所以存在一定鑄造廢品風險。

消失模鑄造法也稱為氣化模鑄造法，其優點主要有：

1、 簡化了模型，無需起模，這也避免了起模過程中的鑄造缺陷的產生。

2、 鑄件尺寸精度和表面光潔度顯著得到了顯著提高。

3、 簡化了工藝，填砂的過程就是造型的過程，使得工人的勞動強度和勞動條件得到了大幅度的改善，在相同產量的情況下，對工人的技術熟練程度要求降低。

4、 帶有孔或內腔的鑄件不再需要下離芯，簡化了造型難度。

5、 採用無任何粘結劑的干砂造型，消除了水，粘結劑和其它附加物帶來的鑄造缺陷。

6、 易於實現機械化和自動化生產，由於生產工序的減少和必要設備的簡化，使得投資也相應減少。

7、 節材、節能，舊砂回用率可達95%以上，不需要像粘土砂生產線那樣的砂處理成套設備。

8、 鑄件成本可降低10%-40%左右，提升了產品的市場競爭力。

消失模造型的缺點：

1、 對模型的製作水平要求比較高，尤其是對工人的熟練程度要求比較高。

2、 大批量生產的重複制模強度大，因為每個模型只能使用一次。

3、 造型容易出現錯誤和一些板筋的遺漏情況，同時過渡的圓角處理沒有木模來得那麼美觀和均勻。

綜合以上的鑄造特性，我們的建議是：如果是單件或者小批量的鑄造零件，請盡量使用消失模鑄造，如果是大批量的鑄造零件，則應該考慮採用木模造型來鑄造。

鑄造零件的加工

1、在進入正式的機械加工前，要對鑄造零件進行一次去內應力時效處理，這個工序的目的是消除零件因為鑄造而產生的內應力，並提高零件的切削性能，減少零件對刀具的磨損，也提高零件加工後加工精度的穩定性。

2、零件進入劃線工序，專業的劃線工序是每個鑄造零件的必經過程，劃線的工人師傅通過加工圖紙的標準和要求，對還是毛坯狀態的零件進行粗加工的劃線操作，這個操作的意義如下：

1）確認零件是有足夠的加工餘量，並無明顯的變形和損壞。

2）均勻分布零件的加工餘量，並對一些有變形的零件進行適當的加工糾正。

3）明確加工工序的要求，對於粗加工工序的尺寸作出明顯的劃線提示。

3、零件的粗加工，零件從毛坯到粗加工，通常要去除的餘量大概在3-7mm左右，我們設計的理論預留餘量應該是單邊5-10mm之間，這個需要根據設計者所處的行業和周邊配套企業的成熟度來選取（例如鑄造廠的毛坯質量穩定性，變形的大小，鑄造缺陷的多少，加工廠的加工精度和能力等等），通常應該是在5-10mm，如果選取的餘量過小，可能出現鑄件沒有加工餘量的尷尬，如果選取的加工餘量太大，一個是鑄造成本浪費，同時也給機械加工增加了加工成本，總之在初加工後，我們給半精加工的預留餘量一般為單邊3mm左右。

4、 零件的二次時效處理，在零件進入半精加工之前，對於一些重要的鑄件而言，需要進行二次時效處理，這次時效處理的目的是去除粗加工應力和鑄造殘餘內應力，以保證零件在進入半精加工後的加工質量穩定性。

5、 零件的半精加工工序，零件進入半精加工工序後，對零件的加工要格外的謹慎一些，因為這個時候在這個零件上企業已經投入了相當大的成本，同時因為半精加工也是比較容易廢零件的工序，所以在加工過程中要特別注意，且要對零件的防鏽處理要做到及時到位，零件加工完畢後要及時的上防鏽油並覆蓋防鏽薄膜，同時零件的放置盡量要單件單獨放置，不可再有疊堆放置的情況，半精加工後，零件給精加工的流量一般在0.3-0.5 mm左右。

6、 零件的精加工，零件進入這道工序前，要適當的放置一段時間，通常要求在一周以上，以便零件在室溫下充分釋放應機械加工而產生的加工應力和鑄件的殘餘內應力，只有放置一段時間後的零件，才能真正的加工出一個穩定而精密的精度來。同時在進行零件精加工的時候，零件的夾緊也是有訣竅的，零件的夾緊只要能滿足加工要求就行了，不要用加強桿桿死命的用力夾緊，這樣當零件加工完畢放開的時候，會產生一定的彈性變形，從而導致精度失准。

總之，鑄件的設計、鑄造和加工都存在很多技術上的訣竅和流程，對於一個機械設計工程師而言，我們只有更多的去了解和參與這些過程，才能真正讓我們的設計作品更貼合社會和企業實際，才能真正設計出更具操作性和市場化的產品來。

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