砂型铸造详解：金属模具制造基础

如何用砂模形成复杂铸件

砂型铸造利用不可复用砂模成型金属铸件。一方面，铸造是欺骗性简单的制造工艺：在海滩堆沙堡的人都知道砂能做精细形状。但铸造厂面对熔融金属高温，成功须考虑许多因素。铸造制造从几盎司到数吨各尺寸金属部件。砂模可形成精细外表细节、内部砂芯和其他形状。几乎任何金属合金均可砂型铸造。在湿润砂中挖空腔，注入熔融金属，冷却成型。

什么是造型砂？

造型砂相较其他模具材料有三大优势：

1. 廉价，
2. 易回收，
3. 耐极高温度。

砂型铸造是高熔点金属（钢、镍、钛）为数不多的可用工艺之一。因其柔韧性、耐热性、相对低成本，砂型铸造是应用最广泛的铸造工艺。

铸件由液态金属浇注入模具型腔生产。铸造成功需模具型腔保持形状直到金属冷却完全凝固。纯砂易散，但造型砂含粘结材料，增强耐热保形能力。

湿砂（砂、粉煤、膨润土、水混合物）传统用于砂型铸造，但现代化学粘结造型系统日益普及。最广泛用的铸造砂是硅砂（SiO₂）。

造型砂性能

强度

砂模在机械应力条件下保持几何形状的能力。

透气性

砂模允许铸造过程中气体和蒸汽逸出的能力。

水分含量

水分影响模具强度和透气性：水分过少模具易散，过多导致蒸汽气泡夹带在铸件中。

流动性

砂填充模型微小型腔的能力。高流动性创建更精确模具，利于精细铸件。

粒度

砂粒个体尺寸大小。

粒形

基于圆度评估砂粒个体形状。铸造砂一般用三类粒形：

1. 圆粒砂粘结强度较差，但流动性和表面光洁度好。
2. 棱角砂因咬合粘结强度大，但流动性和透气性不如圆粒砂。
3. 次棱角砂折中。强度优于圆粒、透气性较低；强度低于棱角、透气性较好。

崩解性

砂混合物在力作用下崩解的能力。较大崩解性允许金属铸件凝固收缩时自由收缩，无热裂开裂风险。

耐火度

熔融金属浇注时模具不得熔化、燃烧、开裂。耐火度衡量造型砂耐极端高温能力。

再利用性

造型砂经砂处理后复用生产后续砂型铸件的能力。

许多造型砂性能取决于砂粒尺寸和分布：细粒增强模具强度，粗粒透气性好。细砂提供良好表面光洁度但透气性低，粗砂反之。

特殊添加剂或粘结剂可加入砂、粘土、水基本骨料增加内聚力。粘结剂可为有机或无机。常用粘结剂包括谷物、沥青粉、海煤、吉尔索尼特、燃油、木粉、硅粉、氧化铁、珠光体、糖蜜、糊精、专有材料。

寻找完美组合非易事。砂骨料某些性能相互矛盾：崩解性大则强度低，强度大则崩解性低。常需权衡妥协，达成特定零件和铸造应用的适当性能妥协。精确控制造型砂性能至关重要，砂实验室成现代铸造厂常见配置。

砂型铸造模具组成

金属铸件由生产它的模具成型——好模具是好铸件前提。模具多部件协同影响最终产品。

模具型腔由模型成型，模型是零件全尺寸模型，在砂模留下印痕。某些内表面不在模型中，由单独砂芯创建。

砂芯是插入模具塑造铸件内部的砂形状，包括孔、通道等特征。砂芯通常用造型砂制成以便从铸件摇出。砂芯座是添加在模型、砂芯或模具上定位支撑砂芯的区域。

支撑铁提供进一步砂芯支撑——夹在砂芯和型腔表面间的小金属件。为维持支撑，支撑铁须由同或更高熔点金属组成。凝固后支撑铁被包裹在铸件内部。

砂芯可用许多与砂模相同方法生产：模具由模型成型，砂芯由芯盒成型；芯盒类似模具，可用木、塑料、金属制造。芯盒也可含多型腔生产多个相同砂芯。

冒口是模具内额外空腔，容纳多余金属。随铸件凝固收缩，冒口向型腔补缩熔融金属，防止主铸件形成收缩孔。

整个砂模装在称为砂箱的盒内。典型两箱砂模中，上半（含模型上半、砂箱上半、砂芯）称顶箱。下半称底箱。分型线是分隔顶箱底箱的线或面。

如何制作砂型铸件

砂型铸造四基本步骤：组装砂模、浇注液态金属、冷却、打碎砂模取出铸件。当然过程比听起来复杂。

模具组装第一步：底箱部分填砂。模型、砂芯座、砂芯、浇注系统置于分型线附近。顶箱组装到底箱。额外砂倒入顶箱覆盖模型、砂芯、浇注系统，随后振动或机械压实砂。刮板刮除多余砂。

模具成型后，顶箱从底箱分离以便从模具提取模型。

模型拔出小心进行，避免破坏或扭曲新形成型腔。通过设计拔模斜度实现：垂直于分型线的垂直锥度。拔模斜度通常至少1°。模型表面越粗糙，需提供越大拔模斜度。

注入液态金属前，完整模具需准备：型腔常涂模具涂料助铸件脱模。定位砂芯，添加底箱绳等额外模具材料防跑火，合箱牢固夹紧；顶箱底箱靠销和导轨保持对齐。

模具半箱必须保持稳固，防液态金属从分型线渗漏。浇注无箱模具前，常在模具周围放木或金属浇注套筒，顶部加重防顶箱上浮。

熔融金属通过浇注系统进入型腔：熔融金属注入浇杯，经浇道（浇注系统垂直部分），再经横浇道（水平部分）。积聚气体和置换空气经排气孔逸出。金属从横浇道进入型腔的多个点称内浇口。

铸件冷却后，从砂模打出。清除铸件上砂的过程称落砂。铸件可人工或自动化机械取出。振动台和滚筒常用。

基础工艺因模型、砂箱类型、机械化程度有变体：

• 台式造型适合小件。全过程在便利高度工作台进行。
• 地式造型用于中大件。顾名思义，浇注前模具置于地面。
• 机械造型用于大批量生产。机械造型省人工、精度高、均匀性好，能高速维持窄公差。造型机主要操作：造型砂压实、翻箱、制浇口、振动拔模。

造型砂回收

落砂清理完铸件后，砂块冷却粉碎。所有颗粒和金属粒去除，常借助磁场。所有砂和成分经振动筛、旋转筛、振动筛筛分。清洁砂可重新引入造型砂生产周期起始。

造型砂在混砂机制备，混合砂、粘结剂、水。通气器配合松砂利于造型。

备好砂用斗车或皮带输送机送至造型区，成型砂模；砂模可置地面或输送至浇注工位。浇注后，铸件在落砂工位从粘砂中取出。用砂转回储砂仓，由皮带输送机或其他方式。

铸造砂典型通过多生产周期回收再利用。行业估算年用砂约1亿吨。其中仅400-700万吨废弃，甚至废砂常被其他行业回收。

砂型造型工艺和方法

湿砂模

典型湿砂混合物含89%砂、4%水、7%粘土。湿砂因低成本和可靠综合性能成行业宠儿。湿砂中“湿”指浇注时混合物水分含量。

湿砂模强度满足大多数砂型铸造应用。也提供良好崩解性、透气性、再利用性。主要困难源于水分含量。过多水分导致铸件缺陷，水分容限取决于铸造金属。

冷固工艺

工业砂型铸造有时用非传统粘结剂。常规粘结剂需加热固化，替代粘结剂混砂时室温化学反应粘结——故称冷固工艺。技术先进，这些相对较新砂型铸造工艺日益流行。冷固工艺比湿砂模贵，但生产铸件尺寸精度极高。

壳型铸造

壳型铸造是大批量生产和光滑表面的相对较新模具技术；二战时德国首用。模料为干细硅砂、极少粘土、3-8%热固性树脂（酚醛或硅脂）。模料落在加热模板上，形成约6mm硬壳。为完全固化壳，须加热至440-650°F（230-350℃）数分钟。

定制铸造服务

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• American Foundry Society. “Sand Molding Processes”.

图片来源

• 模箱填砂：OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr
• 顶箱从模箱拔出：OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr
• 开放砂模：OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr
• 合箱：OKFoundry, CC BY 2.0, via Flickr