机械设计——铸件设计与加工

这是一篇很理论和枯燥的文章，但却分享了多个知识点，对于很多从事这个行业的人肯定是具有一定的借鉴意义的，但因为是纯文字的说明和列举，在编排上没有更多吸引人的地方，所以请有需要的人可以耐心的看看，这些基本的行业常识，对一个设计工程师来说是一定要了解和清楚的，特别是结构设计工程师更是如此。

材料特性说明

在设备研发过程中，零件的材料选取至关重要，而灰口铸铁作为绝大多数设备大件（主体结构件，例如底座、床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、铣头壳、横梁等）的主要材料，其性能有着其它材料无法比拟的优点：

材料特性的优点：

1、 材料的热流动性能好。

2、 材料的线收缩率与体积收缩率小。

3、 缺口敏感性小。

具有抗压强度大，为本身抗拉强度的3-4倍，消震能力强，比铸钢件大10倍等较好的综合力学性能。

结构特性的优点：

1、 可获得比铸钢更薄而复杂的铸件，铸件中残余内应力及翘曲变形较铸钢小。

2、 表面光洁，因而加工余量比铸钢小，表面加工质量不高对疲劳极限不利影响小。

3、 消震性高，常用来做承受振动的机座。

4、 不同截面上性能较均匀，适于做要求高，而截面不一的较厚（大型）铸件。

铸造零件设计注意事项

1、 结构设计尽量采用对称的结构形式，在零件的轮廓上尽量采用直线型轮廓（便于铸造），这样便于结构的受力均匀和形变均匀。

2、 铸件的壁厚尽量均匀而过渡平滑，不要有太大的突兀，一些折边或转角尽量用较大的圆弧过渡，以免产生铸造应力和加工应力。

3、 筋板的布置要均匀而有序，或成矩形，或成环型，既不能布置过密（结构上导致无法铸造），也不能布置太稀疏（结构刚性不足），要充分考虑铸造零件的受力特点，该加筋板的地方加筋板，该留空的地方尽量留空。

4、 轮廓最小化处理，在满足刚性要求和结构特点的前提下，要尽量缩小铸造零件的体积（外形尺寸），这样不仅可以节约铸造成本，也更便于铸造造型（木模设计与制作），同时也可以让零件结构更紧凑。

5、 机械加工面尽量减少，一些不重要的面或者没有要求的面，不要放置加工符号，因为放置了加工符号就意味着这个面会预留加工余量，无论是从铸造成本和加工成本来说都是不合算的，当然如果是一定要保证的面那也一定要放置加工符号，如果没有加工符号，那铸造出来的零件可能没有加工余量，所以加工符号的放置一定要谨慎而严谨。

6、 充分考虑铸造过程中的分型面的设置和离心的放置问题，还有不要有封闭的型腔，因为这在最后将导致无法清理废沙等，如果自己无法命了明了所有知识点，建议多和铸造厂的技术工程师沟通，并按他们的要求对图纸作相应的修改，这样是最理想的途径。

7、 一定要设置吊装孔，这是很多初学设计的人容易忘记的一个点，因为一般牵涉到要铸造的零件，很多都是很大很重的零件，如何吊装是必须要考虑的，吊装孔的设置不单要考虑单个零件的吊装，还要考虑整台设备如何吊装，所以吊装孔的位置就显得尤为重要了。

8、 对铸件成型后的热处理要求（去除铸造内应力）——时效处理，这个要作为一个硬性规定写进图纸的技术要求里面，同时要在和铸造厂签订的合同里有所体现，以保证铸件的材质均匀和稳定性。

铸造零件的铸造过程注意事项

在零件的铸造过程中，我们主要是考虑是用木模造型还是时下比较流行的消失模造型，我们现在来介绍一下这两种造型方法的区别和优缺点。

木模造型的优点：

1、 模具材料节能环保（相对于金属模具和消失模造型而言）。

2、 能够多次重复使用（80-120次），极大的降低了铸造成本。

3、 木模制作与加工方便，可以采用机械加工也可以采用手工制作。

4、 模具有损坏或缺失，修补更容易和简便，同时维修成本也很低。

5、 木材密度小，质量轻，在模具造型过程中容易放置，造型完毕后也更容易起模。

6、 制作木模的材料相对成本较低，也更容易获得。

木模造型的缺点是：

1、 木模更容易磨损和损坏，在模具使用一定次数后，容易产生铸件壁厚增加或存在缺角的现象。

2、 木模不利于保存，因为木头始终是有一定的使用寿命的，在保存和放置上要求更高一些。

3、 容易产生造型误差，因为在造型过程中，木模起模时容易产生沙箱的塌陷，很多位置可能无法用肉眼直接观察到，所以存在一定铸造废品风险。

消失模铸造法也称为气化模铸造法，其优点主要有：

1、 简化了模型，无需起模，这也避免了起模过程中的铸造缺陷的产生。

2、 铸件尺寸精度和表面光洁度显著得到了显著提高。

3、 简化了工艺，填砂的过程就是造型的过程，使得工人的劳动强度和劳动条件得到了大幅度的改善，在相同产量的情况下，对工人的技术熟练程度要求降低。

4、 带有孔或内腔的铸件不再需要下离芯，简化了造型难度。

5、 采用无任何粘结剂的干砂造型，消除了水，粘结剂和其它附加物带来的铸造缺陷。

6、 易于实现机械化和自动化生产，由于生产工序的减少和必要设备的简化，使得投资也相应减少。

7、 节材、节能，旧砂回用率可达95%以上，不需要像粘土砂生产线那样的砂处理成套设备。

8、 铸件成本可降低10%-40%左右，提升了产品的市场竞争力。

消失模造型的缺点：

1、 对模型的制作水平要求比较高，尤其是对工人的熟练程度要求比较高。

2、 大批量生产的重复制模强度大，因为每个模型只能使用一次。

3、 造型容易出现错误和一些板筋的遗漏情况，同时过渡的圆角处理没有木模来得那么美观和均匀。

综合以上的铸造特性，我们的建议是：如果是单件或者小批量的铸造零件，请尽量使用消失模铸造，如果是大批量的铸造零件，则应该考虑采用木模造型来铸造。

铸造零件的加工

1、在进入正式的机械加工前，要对铸造零件进行一次去内应力时效处理，这个工序的目的是消除零件因为铸造而产生的内应力，并提高零件的切削性能，减少零件对刀具的磨损，也提高零件加工后加工精度的稳定性。

2、零件进入划线工序，专业的划线工序是每个铸造零件的必经过程，划线的工人师傅通过加工图纸的标准和要求，对还是毛坯状态的零件进行粗加工的划线操作，这个操作的意义如下：

1）确认零件是有足够的加工余量，并无明显的变形和损坏。

2） 均匀分布零件的加工余量，并对一些有变形的零件进行适当的加工纠正。

3） 明确加工工序的要求，对于粗加工工序的尺寸做出明显的划线提示。

3、零件的粗加工，零件从毛坯到粗加工，通常要去除的余量大概在3-7mm左右，我们设计的理论预留余量应该是单边5-10mm之间，这个需要根据设计者所处的行业和周边配套企业的成熟度来选取（例如铸造厂的毛坯质量稳定性，变形的大小，铸造缺陷的多少，加工厂的加工精度和能力等等），通常应该是在5-10mm，如果选取的余量过小，可能出现铸件没有加工余量的尴尬，如果选取的加工余量太大，一个是铸造成本浪费，同时也给机械加工增加了加工成本，总之在初加工后，我们给半精加工的预留余量一般为单边3mm左右。

4、 零件的二次时效处理，在零件进入半精加工之前，对于一些重要的铸件而言，需要进行二次时效处理，这次时效处理的目的是去除粗加工应力和铸造残余内应力，以保证零件在进入半精加工后的加工质量稳定性。

5、 零件的半精加工工序，零件进入半精加工工序后，对零件的加工要格外的谨慎一些，因为这个时候在这个零件上企业已经投入了相当大的成本，同时因为半精加工也是比较容易废零件的工序，所以在加工过程中要特别注意，且要对零件的防锈处理要做到及时到位，零件加工完毕后要及时的上防锈油并覆盖防锈薄膜，同时零件的放置尽量要单件单独放置，不可再有叠堆放置的情况，半精加工后，零件给精加工的流量一般在0.3-0.5 mm左右。

6、 零件的精加工，零件进入这道工序前，要适当的放置一段时间，通常要求在一周以上，以便零件在室温下充分释放应机械加工而产生的加工应力和铸件的残余内应力，只有放置一段时间后的零件，才能真正的加工出一个稳定而精密的精度来。同时在进行零件精加工的时候，零件的夹紧也是有诀窍的，零件的夹紧只要能满足加工要求就行了，不要用加强杆杆死命的用力夹紧，这样当零件加工完毕放开的时候，会产生一定的弹性变形，从而导致精度失准。

总之，铸件的设计、铸造和加工都存在很多技术上的诀窍和流程，对于一个机械设计工程师而言，我们只有更多的去了解和参与这些过程，才能真正让我们的设计作品更贴合社会和企业实际，才能真正设计出更具操作性和市场化的产品来。