第五章 铸件结构设计

1、第五章第五章 铸件结构设计铸件结构设计 山东科技大学材料科学与工程学院山东科技大学材料科学与工程学院 一、铸件外形的设计要求一、铸件外形的设计要求 1 1、铸件的外形应力求简化，造、铸件的外形应力求简化，造 型时便于起模。型时便于起模。 （1 1）避免铸件的外形有侧凹。避免铸件的外形有侧凹。 如图所示的机床铸件，结构如图所示的机床铸件，结构a a） 的侧凹处在造型时另需两个外的侧凹处在造型时另需两个外 型芯来形成。而结构型芯来形成。而结构b b）在满足）在满足 使用要求的前提下，将凹坑一使用要求的前提下，将凹坑一 直扩展到底部省去了外型芯，直扩展到底部省去了外型芯， 降低了铸件成本。降低了铸件

2、成本。 5.1 铸件结构与铸造工艺的关系铸件结构与铸造工艺的关系 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 缸体的设计如图所缸体的设计如图所 示。原设计示。原设计a）的结构）的结构 有内凹，造型时起模困有内凹，造型时起模困 难，也只能采用外型芯。难，也只能采用外型芯。 而将其改为图而将其改为图b）的结）的结 构，则可省去外型芯，构，则可省去外型芯， 简化造型工序。简化造型工序。 （2）尽可能使分型面为平面，去掉不必要的外圆角。）尽可能使分型面为平面，去掉不必要的外圆角。因为平因为平 面分型面可以避免挖砂和假箱造型、生产率高。如图面分型面可以避免挖砂和假箱造型、生产率高。如图a）所示）所示

3、的托架铸件，设计了不必要的外圆角，使造型工序复杂。去掉的托架铸件，设计了不必要的外圆角，使造型工序复杂。去掉 外圆角的结构外圆角的结构b），便于整模造型。），便于整模造型。 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 （3）铸件上凸台和筋条的设计，应考虑其结构便于造型。）铸件上凸台和筋条的设计，应考虑其结构便于造型。如如 图为箱体铸件，其原设计的结构图为箱体铸件，其原设计的结构a）有凸台，就需要采用活块）有凸台，就需要采用活块 造型、工艺复杂，且凸台的位置尺寸难于保证；否则采用外型造型、工艺复杂，且凸台的位置尺寸难于保证；否则采用外型 芯来形成会增加铸件成本。若改为方案芯来形成会增加铸件成本

4、。若改为方案b）便于采用机器造型。）便于采用机器造型。 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 还有如图还有如图a）、）、c）所示的铸件凸台的设计，也只能采用活块）所示的铸件凸台的设计，也只能采用活块 或外型芯才能起模。将其改为图或外型芯才能起模。将其改为图c）、）、d）的结构，可避免活块。）的结构，可避免活块。 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 2、铸件的外形应尽可能使铸件的分型面数目最少。、铸件的外形应尽可能使铸件的分型面数目最少。 铸件的分型面数目减少，不仅减少砂箱数目、降低造型工时，还可以铸件的分型面数目减少，不仅减少砂箱数目、降低造型工时，还可以 减少错箱、偏芯等的

5、机会，提高铸件的尺寸精度。减少错箱、偏芯等的机会，提高铸件的尺寸精度。 下图为端盖结构的两种设计。图下图为端盖结构的两种设计。图a）的结构有两个分型面，需采用三箱）的结构有两个分型面，需采用三箱 造型，使选型工序复杂。若是大批量地生产，只有增设环状型芯才可采用造型，使选型工序复杂。若是大批量地生产，只有增设环状型芯才可采用 机器造型。将端盖的结构设为图机器造型。将端盖的结构设为图b）的设计，就只有一个分型面，使造型工）的设计，就只有一个分型面，使造型工 序简化。序简化。 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 下图为阀体铸件的结构。将具有两个分型面的结构下图为阀体铸件的结构。将具有两个分

6、型面的结构a）改为）改为 只有一个分型面的结构只有一个分型面的结构b），可简化造型工序。），可简化造型工序。 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 3、在铸件上设计结构斜度、在铸件上设计结构斜度 在铸件的所有垂直于分型面的在铸件的所有垂直于分型面的 非加工面上，应设计有结构斜度，非加工面上，应设计有结构斜度， 如图所示。如图所示。a）图的结构没有结构）图的结构没有结构 斜度，铸造工艺人员应铸造前给出斜度，铸造工艺人员应铸造前给出 拔模斜度，这样就不必要地增加了拔模斜度，这样就不必要地增加了 铸件的壁厚。结构斜度的大小，随铸件的壁厚。结构斜度的大小，随 垂直壁的高度而异。高度愈小，斜垂直

7、壁的高度而异。高度愈小，斜 度愈大；内侧面的斜度应大于外侧度愈大；内侧面的斜度应大于外侧 面的。面的。 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 右图所示为缝纫机边脚的结构，右图所示为缝纫机边脚的结构， 其各部分非加工面设有其各部分非加工面设有30左右的结左右的结 构斜度，方便了起模。构斜度，方便了起模。 总之，总之，铸件的结构斜度与拔模斜铸件的结构斜度与拔模斜 度不同，前者由设计零件的人确定，度不同，前者由设计零件的人确定， 且斜度值较大；后者由铸造工艺人员且斜度值较大；后者由铸造工艺人员 在绘制铸造工艺图时设计，且只对没在绘制铸造工艺图时设计，且只对没 有结构斜度的立壁给予较小的角度有

8、结构斜度的立壁给予较小的角度 （0.53.0）。）。 5.1 铸件外形的设计要求铸件外形的设计要求 二、铸件内腔的设计二、铸件内腔的设计 1. 铸件内腔尽量不用或少铸件内腔尽量不用或少 用型芯，以简化铸造工艺用型芯，以简化铸造工艺。 如图为支柱的两种结构设如图为支柱的两种结构设 计。采用方案计。采用方案b）可以省去）可以省去 型芯型芯 5.2 铸件内腔的设计铸件内腔的设计 5.2 铸件内腔的设计铸件内腔的设计 还有如图所示的圆盖铸件内腔的设计方案。方案还有如图所示的圆盖铸件内腔的设计方案。方案b b）的内）的内 腔设计可以省去型芯，采用自带型芯形成，减少了制芯工序，腔设计可以省去型芯，采用自带

9、型芯形成，减少了制芯工序， 降低了铸件成本。降低了铸件成本。 2.当铸件的内腔较复杂、需用型芯当铸件的内腔较复杂、需用型芯 形成时，应考虑好型芯的稳固、排形成时，应考虑好型芯的稳固、排 气顺畅和清理方便。气顺畅和清理方便。 如图所示，为如图所示，为 轴承架内腔的两种设计。方案轴承架内腔的两种设计。方案a） 需要两个型芯，其中较大的型芯呈需要两个型芯，其中较大的型芯呈 悬臂状态，需用型芯撑悬臂状态，需用型芯撑A支承其无支承其无 芯头的一端；若将轴承架内腔改成芯头的一端；若将轴承架内腔改成 方案方案b），则型芯的稳定性大大提），则型芯的稳定性大大提 高，而且型芯的排气顺畅、也易于高，而且型芯的排气

10、顺畅、也易于 清理。清理。 5.2 铸件内腔的设计铸件内腔的设计 有时一些铸件内腔的结构，虽能有时一些铸件内腔的结构，虽能 满足使用要求，但却不利于型芯的稳满足使用要求，但却不利于型芯的稳 定、排气和清理。定、排气和清理。 如图所示的紫铜如图所示的紫铜 风口风口a）。从使用出发只需两个通循）。从使用出发只需两个通循 环水的孔即可，但从铸造工艺的角度环水的孔即可，但从铸造工艺的角度 看，该型芯只靠这两个芯头来固定、看，该型芯只靠这两个芯头来固定、 排气和清理显然很困难。为此在法兰排气和清理显然很困难。为此在法兰 面上增设工艺孔，如图面上增设工艺孔，如图b）所示。该）所示。该 型芯采用吊芯，通过型

11、芯采用吊芯，通过6个芯头固定在个芯头固定在 上型盖上，省去了芯撑，改善型芯的上型盖上，省去了芯撑，改善型芯的 稳固性，并使其排气顺畅和清理方便。稳固性，并使其排气顺畅和清理方便。 5.2 铸件内腔的设计铸件内腔的设计 在设计铸件结构时，若不充分考虑铸件所用合金的铸造在设计铸件结构时，若不充分考虑铸件所用合金的铸造 性能，铸件上会出现性能，铸件上会出现浇不足、冷隔、缩孔、缩松、铸造应力、浇不足、冷隔、缩孔、缩松、铸造应力、 变形和裂纹等缺陷变形和裂纹等缺陷。因此，在设计铸件的结构时，除考虑使。因此，在设计铸件的结构时，除考虑使 用要求外，还应考虑以下几个方面。用要求外，还应考虑以下几个方面。 一

12、、合理设计铸件的壁厚一、合理设计铸件的壁厚 1. 铸铸件的壁厚应适当。件的壁厚应适当。由于各种铸造合金的流动性不同，在由于各种铸造合金的流动性不同，在 相同铸型条件下，获得铸件的最小壁厚也不同。当然在不同相同铸型条件下，获得铸件的最小壁厚也不同。当然在不同 铸型条件下，同一种铸造合金铸件的最小厚度也不相同，冷铸型条件下，同一种铸造合金铸件的最小厚度也不相同，冷 却能力愈强的铸型，获得铸件的最小壁厚应愈大。其值的大却能力愈强的铸型，获得铸件的最小壁厚应愈大。其值的大 小主要取决于铸造合金的种类和铸件的尺寸大小。小主要取决于铸造合金的种类和铸件的尺寸大小。 5.3 铸件结构与合金铸造性能的关系铸件

13、结构与合金铸造性能的关系 砂型铸造条件下铸件的最小壁厚值砂型铸造条件下铸件的最小壁厚值 铸铸 造造 方方 法法 铸件尺寸铸件尺寸/mm 合合 金金 种种 类类 铸钢铸钢 灰铸铁灰铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 铝合金铝合金 铜合金铜合金 砂砂 型型 铸铸 造造 500500 1520 1520 1520 1012 6 1012 总之，在确定铸件的壁厚时，不总之，在确定铸件的壁厚时，不 仅保证铸件的强度和刚度等机械性能，仅保证铸件的强度和刚度等机械性能， 而且应使铸件的壁厚大于所用合金的而且应使铸件的壁厚大于所用合金的 “最小壁厚值最小壁厚值”，以免产生浇不足和，以免产生浇不足和 冷隔

14、缺陷。但铸件壁太厚，又易产生冷隔缺陷。但铸件壁太厚，又易产生 缩孔和缩松缺陷。因此，缩孔和缩松缺陷。因此，一般铸件的一般铸件的 最大壁厚应不超过最小壁厚的三倍。最大壁厚应不超过最小壁厚的三倍。 尤其是铸铁件，其强度并非按壁厚的尤其是铸铁件，其强度并非按壁厚的 增大而成比例地增加，如表所示增大而成比例地增加，如表所示 壁厚壁厚/mm 相对强度相对强度 1520 2030 3050 5070 1.0 0.9 0.8 0.7 5.3 合理设计铸件的壁厚合理设计铸件的壁厚 灰铸件壁厚与其相对强度的关系灰铸件壁厚与其相对强度的关系 2、铸件壁厚尽可能均匀、铸件壁厚尽可能均匀 铸件壁厚不均，会造成铸造合金

15、的局部积聚，在积聚处易产生缩孔和缩铸件壁厚不均，会造成铸造合金的局部积聚，在积聚处易产生缩孔和缩 松；同时，由于铸件壁厚不均，即松；同时，由于铸件壁厚不均，即铸件各部分冷却速度不同，会使铸件产铸件各部分冷却速度不同，会使铸件产 生较大的铸造应力，造成铸件的变形和开裂生较大的铸造应力，造成铸件的变形和开裂。如图顶盖铸件的壁厚有两种。如图顶盖铸件的壁厚有两种 设计方案。方案设计方案。方案a）的厚壁处易产生缩孔，在连接处产生裂纹。方案）的厚壁处易产生缩孔，在连接处产生裂纹。方案b）则）则 不存在这些问题。不存在这些问题。 5.3 合理设计铸件的壁厚合理设计铸件的壁厚 此外，由于铸件内壁的散热条此外，

16、由于铸件内壁的散热条 件较差，其厚度应略小于外壁厚度，件较差，其厚度应略小于外壁厚度， 以使铸件内、外壁的冷却速度相近。以使铸件内、外壁的冷却速度相近。 一般的，铸件外壁、内壁和筋的厚一般的，铸件外壁、内壁和筋的厚 度比为度比为1:0.8:0.6。如图所示阀体。如图所示阀体 的设计。方案的设计。方案b）减薄了内壁的厚）减薄了内壁的厚 度，以使阀体各部分均匀冷却。度，以使阀体各部分均匀冷却。 5.3 合理设计铸件的壁厚合理设计铸件的壁厚 当铸件的壁厚有差别时，铸件的结构应便于实现顺序凝固，当铸件的壁厚有差别时，铸件的结构应便于实现顺序凝固， 以利补缩。如图所示，铸件的侧壁设计成倒锥状、上厚下薄，

17、以利补缩。如图所示，铸件的侧壁设计成倒锥状、上厚下薄， 利于补缩利于补缩 5.3 合理设计铸件的壁厚合理设计铸件的壁厚 1、设计结构圆角、设计结构圆角 铸件上所有壁的转角处，均应设计结构圆铸件上所有壁的转角处，均应设计结构圆 角。如图角。如图4.17和图和图4.18中的中的b)所示。所示。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 设计成如图设计成如图4.174.17和图和图4.194.19中中a a）所示的直角连接，有以下缺点：）所示的直角连接，有以下缺点： 1)1)直接连接处会形成铸造合金的聚积，易产生缩孔和缩松缺陷。直接连接处会形

18、成铸造合金的聚积，易产生缩孔和缩松缺陷。 2)2)在铸造合金的凝固过程中，由于柱状晶的方向性，转角处对在铸造合金的凝固过程中，由于柱状晶的方向性，转角处对 角线上将形成晶界，此处因集中了许多低熔点的夹杂物，也将角线上将形成晶界，此处因集中了许多低熔点的夹杂物，也将 成为铸件的薄弱节，如图成为铸件的薄弱节，如图4.184.18所示。所示。 3)3)铸件在使用过程中，直角内侧医易产生应力集中，会降低其铸件在使用过程中，直角内侧医易产生应力集中，会降低其 有效承载力。有效承载力。 为此，在铸件上壁与壁的垂直连接处，必需设有结构圆角，为此，在铸件上壁与壁的垂直连接处，必需设有结构圆角， 其大小如表所示

19、。其大小如表所示。 一般的，铸造内圆角的大小与铸件壁厚相适应，以使转角一般的，铸造内圆角的大小与铸件壁厚相适应，以使转角 处内接圆的直径小于相邻壁厚的处内接圆的直径小于相邻壁厚的1.51.5倍。倍。 2 2、铸件壁与壁之间应避、铸件壁与壁之间应避 免锐角连接，是为了减免锐角连接，是为了减 小热节和内应力。小热节和内应力。如图如图 所示。所示。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 3 3、铸件的厚壁与薄壁的连接应逐步过渡，以防止应力集中。、铸件的厚壁与薄壁的连接应逐步过渡，以防止应力集中。如如 表所示。表所示。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 4、铸件壁与壁之间应

20、避免交叉。、铸件壁与壁之间应避免交叉。对中、小型铸件壁与壁的连接，对中、小型铸件壁与壁的连接， 应设计成交错接头；对大型铸件可采用环状接头，如图所示。应设计成交错接头；对大型铸件可采用环状接头，如图所示。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 四、铸件的结构设计还应考虑到其它一些与合金铸造性能有关的问题：四、铸件的结构设计还应考虑到其它一些与合金铸造性能有关的问题： 1 1、铸件的结构是否使铸件的收缩受阻。、铸件的结构是否使铸件的收缩受阻。 如图所示轮辐的设计。方案如图所示轮辐的设计。方案a a）的轮辐数为偶数，每条轮辐均与另一条成直线）的轮辐数为偶数，每条轮辐均与另一条成直线 排

21、列。这样，势必使两轮辐的收缩互相牵制、彼此受阻，轮辐内将产生大的铸排列。这样，势必使两轮辐的收缩互相牵制、彼此受阻，轮辐内将产生大的铸 造应力，会使轮辐产生裂纹。为此，改为方案造应力，会使轮辐产生裂纹。为此，改为方案b b）和）和c c）的设计，则可以通过轮）的设计，则可以通过轮 辐或轮缘的微量变形来减缓轮幅内的铸造应力，以减小产生裂纹的危险。辐或轮缘的微量变形来减缓轮幅内的铸造应力，以减小产生裂纹的危险。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 2、应尽量避免设计过大面积、应尽量避免设计过大面积 水平面的铸件。水平面的铸件。 因为大面积的水平面在充因为大面积的水平面在充 型时不易充

22、满，会产生浇不足型时不易充满，会产生浇不足 和冷隔缺陷。如图和冷隔缺陷。如图4.22为轮形为轮形 铸件的辐板结构，方案铸件的辐板结构，方案b）较）较 易充满。易充满。 还有图还有图4.23 所示的薄壁所示的薄壁 罩壳铸件的设计，也是方案罩壳铸件的设计，也是方案b） 较为合理。较为合理。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 3 3、对于较长易挠曲的梁形铸件，应将其截面设计成、对于较长易挠曲的梁形铸件，应将其截面设计成 对称截面。对称截面。如图所示。如图所示。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 4、铸件上易产生变形或裂纹的部位，设计加强筋结构，可防、铸件上易产生变形或

23、裂纹的部位，设计加强筋结构，可防 止其变形。止其变形。如图所示，在平板铸件上设计加强筋，以免其翘曲。如图所示，在平板铸件上设计加强筋，以免其翘曲。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 设计防裂筋如图所示，以防在圆柱和法兰面连接处产生裂纹。设计防裂筋如图所示，以防在圆柱和法兰面连接处产生裂纹。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 5.5.对大而复杂的铸件，应设计成组合式铸件。对大而复杂的铸件，应设计成组合式铸件。 如图如图4.274.27所示的铸钢底座，分成两半来铸造，然后焊成整体。这所示的铸钢底座，分成两半来铸造，然后焊成整体。这 样既解决了熔炉、起重机和运输能力的

24、不足问题；又简化了造型工艺，样既解决了熔炉、起重机和运输能力的不足问题；又简化了造型工艺， 使铸件的质量容易保证；同时也解决了大型铸件不易整体切削的问题。使铸件的质量容易保证；同时也解决了大型铸件不易整体切削的问题。 如图如图4.284.28为组合床身的设计，采用螺栓联接，形成组合铸件。为组合床身的设计，采用螺栓联接，形成组合铸件。 5.4 铸件壁与壁连接的设计铸件壁与壁连接的设计 各类铸造合金的铸造性能不同，对铸件结构要求也各类铸造合金的铸造性能不同，对铸件结构要求也 不相同。普通灰铸铁产生缩孔、缩松和热裂的倾向性小，不相同。普通灰铸铁产生缩孔、缩松和热裂的倾向性小， 所以对铸件壁厚的均匀性

25、、壁与壁之间的过渡等要求不所以对铸件壁厚的均匀性、壁与壁之间的过渡等要求不 如铸钢件要求严格，但应注意其壁厚敏感性和壁太薄出如铸钢件要求严格，但应注意其壁厚敏感性和壁太薄出 现的白口倾向。钢的铸造性能很差，表现为流动性差、现的白口倾向。钢的铸造性能很差，表现为流动性差、 收缩大，所以铸钢件结构的设计应严格遵循结构工艺要收缩大，所以铸钢件结构的设计应严格遵循结构工艺要 求，如铸钢件的壁厚不能太薄、不能出现太多热节、能求，如铸钢件的壁厚不能太薄、不能出现太多热节、能 实现顺序凝固以利补缩，并可防止变形和裂纹等缺陷的实现顺序凝固以利补缩，并可防止变形和裂纹等缺陷的 产生。产生。 5.4 铸件壁与壁连

26、接的设计铸件壁与壁连接的设计 1分型面是为起模或取出铸件而设置的，砂型铸造、熔模分型面是为起模或取出铸件而设置的，砂型铸造、熔模 铸造和金属型铸造所用的铸型都有分型面。（）铸造和金属型铸造所用的铸型都有分型面。（） 2铸造生产的显著优点是适合于制造形状复杂，特别是具铸造生产的显著优点是适合于制造形状复杂，特别是具 有复杂内腔的铸件。为了获得铸件的内腔，不论是砂型有复杂内腔的铸件。为了获得铸件的内腔，不论是砂型 铸造还是特种铸造均需使用型芯。（）铸造还是特种铸造均需使用型芯。（） 3熔模铸造一般在铸型焙烧后冷却至熔模铸造一般在铸型焙烧后冷却至600700时进行时进行 浇注，从而提高液态合金的充型

27、能力。因此，对相同成浇注，从而提高液态合金的充型能力。因此，对相同成 分的铸造合金而言，熔模铸件的最小壁厚可小于金属型分的铸造合金而言，熔模铸件的最小壁厚可小于金属型 和砂型铸件的最小壁厚。（）和砂型铸件的最小壁厚。（） 一、判断题一、判断题 4. 4. 铸件上凡垂直于分型面的加工表面都有拔模斜度，铸件上凡垂直于分型面的加工表面都有拔模斜度， 而非加工表面可没有。（而非加工表面可没有。（ ） 5. 5. 体积和重量都很大的复杂铸件宜选用砂型铸造。体积和重量都很大的复杂铸件宜选用砂型铸造。 （ ） 6. 6. 铸件采用铸件采用“顺序凝固顺序凝固”原则时，内浇口开在壁薄处原则时，内浇口开在壁薄处 为宜。（为宜。（ ） 1用化学成分相同的铸造合金浇注相同形状和尺寸的铸用化学成分相同的铸造合金浇注相同形状和尺寸的铸 件。设砂型铸造得到的铸件强度为件。设砂型铸造得到的铸件强度为砂 砂；金属型铸造的 ；金属型铸造的 铸件强度为铸件强度为