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第 5 章 傳統鑄造法

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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.

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Presentation Transcript
slide1
機械製造

Manufacturing Processes and Systems 9E

第5章傳統鑄造法
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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

slide15
5.1 砂模鑄造和造模程序
  • 鑄件重量

式中

089

slide16
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

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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

slide19
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

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

092

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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

slide27
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

slide28
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

slide29
5.5 模砂的技術
  • 砂模和砂心的硬度試驗

096

slide30
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

slide32
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

slide33
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

slide34
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

slide36
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

slide38
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

slide41
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

slide42
5.6 砂心
  • 濕砂心

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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

slide44
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

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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

slide48
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

slide49
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

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5.7 造模設備
  • 震搗- 擠壓機

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5.7 造模設備
  • 拋砂機
    • 在生產鑄件中,將砂模裡的砂均勻裝實是一項很重要的操作,對於大型砂模,已發展出一種稱為拋砂的機械裝置
    • 砂是由一容量大約為300立方呎(8.5立方公尺 ) 的貯砂箱所供應,每隔一定時間,就由頂上的運送設備填滿

105

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5.7 造模設備
  • 壓膜式造模機
    • 利用純膠的膜片(pure gum rubber diaphragm) 順著模型的輪廓而包裹著模砂
    • 這種方法是使用均勻的空氣壓力,把橡膠模片壓在任何形狀的砂模之表面上

106

slide53
5.8 澆注和清潔鑄件
  • 澆注站可永久設置於爐邊,或者利用頂上設備將金屬運至某些定點
  • 鑄件在凝固並冷卻到可搬運之適當溫度後,自砂模裡取出
  • 清潔鑄件的方法有多種,不過要看鑄件的大小、種類和形狀而定

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slide54
5.8 澆注和清潔鑄件
  • 清潔鑄件的方法
    • 滾筒機(tumbling mill)
    • 噴砂裝置
    • 電鍍或鍍鋅的鑄件應先放在弱酸溶液中浸漬。然後再以熱水清洗
    • 大型鑄件,通常以液壓法來清潔

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