第 5 章傳統鑄造法

機械製造 Manufacturing Processes and Systems 9E 第5章傳統鑄造法

目錄 5.1 砂模鑄造和造模程序 5.2 流道系統及凝固特性 5.3 模型 5.4 可取出模型 5.5 模砂的技術 5.6 砂心 5.7 造模設備 5.8 澆注和清潔鑄件

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 砂模鑄造可分為兩種不同的生產方式，依據模型(pattern) 的類別區分之，分別是(1) 可取出模型；(2) 可消失模型 • 製造優良鑄件的重要因素 • 其主要因素為造模程序、模型、砂心、機械設備、金屬和澆注以及鑄件的清洗 083

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 濕砂模 • 是由濕模砂所製成 • 濕砂(green sand) 並不是指砂的顏色，而是指砂與黏土混合尚未曬乾(uncured)，事實上砂是深棕色或黑色 083

5.1 砂模鑄造和造模程序 084

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 泥砂模 • 主要用於大型鑄件 • 製造這種鑄模費時甚久，故應用不廣 • 呋喃模 • 通常可以消失模型配合砂心以製造之 • 在使用可消失模型時，呋喃樹脂可圍放於模型四周，作為壁或殼，再以濕砂或尖銳的砂作為背砂以支持之，亦可作為全造模材料 084

5.1 砂模鑄造和造模程序 • CO2模 • 以清潔的砂與矽酸鈉相混合，以此混合砂填放在模型四周並加以搗實 • 此方法可得光滑而複雜的鑄件，但砂心的移除很困難 085

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 表面乾砂模 • 在模型外圍四周堆上一層厚約吋的一種混合黏結劑之模砂，因此當乾燥後，會在模型上留下一層硬的表面 • 整個模型皆用濕砂製成，而以噴霧劑或噴液劑來塗敷表面，然後加熱以硬化之 085

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 乾砂模 • 由粗模砂及黏結劑相混合而得 • 砂箱必須是金屬製成 • 乾砂模在澆鑄時不易變形，並且不會發生有害的氣泡，表面乾砂模和乾砂模在鋼鑄造廠中並不常被使用 085

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 金屬模和特殊模 • 傳統鑄造工廠中的製模方式可分類如下： • 檯上模造法(bench molding) • 地面模造法(floor molding) • 地坑模造法(pit molding) • 機械模造法(machine molding) • 可取出模型(removable patterns) • 可消失模型(disposable patterns molds) 083

5.1 砂模鑄造和造模程序 式中 087

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 可消失模型(disposable patterns molds) • 可消失模型之優點如下： • 對於不需加工之鑄件，這種方法須時較少 • 不需要自砂中移出模型的裕度 • 加工均勻且相當光滑 • 不需要具備鬆動件之複雜木模型 • 很少需要砂心 • 造模可大為簡化 088

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 可消失模型之缺點如下： • 在過程中模型被破壞 • 模型脆弱，不便搬動 • 沒有辦法檢查完成孔穴之良否 • 環境考量，需搜集有毒氣體 088

5.1 砂模鑄造和造模程序 086

5.1 砂模鑄造和造模程序 • 鑄件重量式中 089

5.2 流道系統及凝固特性 • 使熔化的金屬流入模穴之通道，稱為流道系統(gating system)，由澆池、一向下的流道或垂直通道叫做( 豎) 澆道，及使熔融金屬從( 豎) 澆道底流入模穴之( 橫) 流道所組成 089

5.2 流道系統及凝固特性 式中 089

5.2 流道系統及凝固特性 • 典型的鋁之流道比率為1 : 3 : 3，意思是橫澆道與澆道底之截面積比為3，而且所有的流道之截面積和等於橫澆道之截面積 • 流道比率由1 : 1.5 : 1.5至1 : 5 : 5，依合金之易形成氧化物或浮渣 089

5.2 流道系統及凝固特性 • 流道系統是傳送熔化金屬液進入模穴的公路，以下列出幾個應考慮的因素： • 金屬在進入模穴時，擾流要儘量小 • 應該藉著控制金屬流動或使用乾砂心的方式來避免沖蝕“ 通道或模穴的表面 ” • 金屬應進入模穴中，可能的話，並應使之具方向性的凝固 • 應防止熔渣或其他外物進入模穴內 090

5.2 流道系統及凝固特性 090

5.2 流道系統及凝固特性 091

5.3 模型 092

5.3 模型 • 裕度 • 收縮 (shrinkage) • 起模 (draft) • 加工 (finish) • 變形 (distortion) • 搖動 (shake) 092

5.4 可取出模型 • 木模型通常至少要塗上三層蟲膠或合成油漆，才不致於和濕氣接觸時受到侵蝕或變形 • 大量生產的模型是用金屬做的，因為它能耐久地使用 • 作模型的金屬包括黃銅、白金屬、鑄鐵和鋁，鋁可能是最佳的金屬，因為它易於加工，重量輕並能抵抗腐蝕 093

5.4 可取出模型 094

5.5 模砂的技術 • 許多自然沉澱物中常有矽砂，因為它能耐高溫而不會分解，故很適合於造模之用 • 鐵的澆注溫度介於，鋼則在之間，在這種溫度下，鐵要用粗砂，鋼要用耐火砂 • 通常使用的黏土有三種，它們分別是高嶺土(kaolinte)、伊利黏土(illite) 和膨土(bentonite) 095

5.5 模砂的技術 • 各種不同的試驗都是為了判定模砂的下列性質而設計的 • 透氣性(permeability) • 強度(strength) • 耐火性(refractoriness) • 晶粒大小及形狀(grain size and sharp) 096

5.5 模砂的技術 • 砂模和砂心的硬度試驗 096

5.5 模砂的技術 • 粒度試驗 • 二套標準試驗篩，其篩孔是美國標準局訂定的6、12、20、30、40、50、70、100、140、200及270 • 砂放在頂層最粗的篩上，經挀動15分鐘後，可獲得每一篩上所存留的砂重，將其化為百分比 096

5.5 模砂的技術 097

5.5 模砂的技術 • 水份含量試驗 • 水份測定器(moisture teller) 包含電熱儀器和一鼓風機，這個鼓風機導引熱空氣含有砂樣本的濾盤 • 藉著秤乾燥後的砂的重量，及注意前後兩讀數的不同，可決定水份的百分比。含水量的變化從2% 到8%，視所作砂模的種類而定 097

5.5 模砂的技術 • 黏土含量試驗 • 將少量的砂乾燥，並加入水性苛性蘇打溶液(water-based caustic soda solution)。定時混合後，已吸收黏土的鹼性溶液以虹吸管將含泥之水汲掉，此過程重覆三次。把樣本乾燥、秤重，和原來樣本的重量作比較，即可得知黏土含量之百分比 097

5.5 模砂的技術 • 透氣性試驗 • 模砂透氣性的基本性質之一是須具有足夠的氣孔，以便熱金屬產生的氣體逃逸。有關的因素包括晶粒的形狀、粒度、填裝度(degree of packing)、水份含量和結合劑量。透氣性是藉著在預定時間內和標準情況下，測量通過一已知樣砂之空氣量。粗晶粒砂自然通氣性良好，不過如果粗晶粒砂加上細晶粒砂，則剛開始，其透氣性比較低，而後增加，水份含量大約達5% 時，其透氣性最高 098

5.5 模砂的技術 098

5.5 模砂的技術 • 模砂強度試驗 • 各種強度試驗包括拉伸、剪切和橫向施力等，是壓縮試驗最常用 • 壓縮試驗原理與其它材料之試驗方法類似，在搬運及安裝試樣時，要特別小心模砂的脆性 098

5.5 模砂的技術 099

5.5 模砂的技術 • 模砂調節 • 當的調製新砂及用過的砂，可獲得下列結果： • 更均勻地分配砂晶粒周圍的黏結劑 • 控制水份含量，濕潤砂粒表面 • 自砂中去除外來雜質 • 充氣於砂中，不致於有過緊而有更良好的造模條件 • 降低模砂溫度至常溫 099

5.5 模砂的技術 099

5.5 模砂的技術 100

5.6 砂心 • 砂心( 或心型) 可定義為“ 任何凸出於砂模中之部份 ” • 突出部份可由模型本身製成，或是在別處製作，等砂模取出後再放入模穴裡 • 砂心可區分為濕砂心及乾砂心兩種 100

5.6 砂心 • 濕砂心 101

5.6 砂心 • 乾砂心 • 用乾砂心可以製作較精確的孔，並且孔之表面較光平，不易被熔化的金屬沖走 • 心型撐(chaplets) • 數目應儘可能加以限制，因為太多時，會造成心型撐之不易熔化 102

5.6 砂心 • 砂心的製造 • 砂心是藉著將砂搗入心型盒或使用旋刮板(sweep) 而製成者 • 脆弱的中型砂心應用金屬線來加強，以獲得補強，抵抗撓曲和金屬的液體靜力作用 • 型砂心則使用多孔管或心軸，除增加砂心強度外，也可作為大型通氣孔 102

5.6 砂心 • 黏結劑和砂心混合料 • 製造砂心的幾種常用黏結劑 • 油質黏結劑 • 水溶性黏結劑 • 呋喃乙醇(furfuryl alcohol) 樹脂黏結劑 102

5.6 砂心 103

5.7 造模設備 104

5.7 造模設備 • 震搗機 • 簡單的震動造模機裝有可調節砂箱的頂升銷，使機器在容量範圍內，依需要而使用各種大小的砂箱 • 較大的機器上，可製出重達13,000磅(5850公斤 ) 的砂模 • 模型周圍可均勻鎚緊，增加砂模強度，且降低膨脹、結疤和流溢的可能性 104

5.7 造模設備 • 擠壓機 • 擠壓機在機台與頂上平台之間擠壓砂箱中之砂。在砂模的受壓邊上可得最大砂模密度。但因用這個方法無法得到均勻的砂模密度，所以擠壓機限用在厚度只有幾吋的砂模 104

5.7 造模設備 • 震搗- 擠壓機 105

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