1. 执行摘要
铸件的尺寸精度是许多相互作用因素的最终结果: 材料物理学 (收缩 & 相变), 过程动力学 (浇注, 凝固), 工装精度 (图案 & 制芯), 设计几何 (部分 & 特征), 热处理, 操作和测量环境.
其中任何一项都可以引入毫米 (或毫米的分数) 给定特征的偏差.
良好的成果来自设计师和铸造厂之间的早期合作, 铸态与待加工特征的显式分配, 和设计规则的混合, 过程控制和检查.
2. 什么是铸件尺寸精度?
铸件的尺寸精度是指铸件的最终几何形状与名义尺寸的匹配程度 (故意的) 工程图纸或 CAD 模型上指定的尺寸.
换句话说, 它是指 “铸态” 形状复制了 “按设计” 形状.
因为所有铸造过程都涉及金属收缩, 热梯度, 模具变形和模具变量, 铸件不能完全符合理论尺寸.
反而, 尺寸精度通过以下方式控制和评估 公差, 几何控制, 和 统计测量.
精度标准化: 公差等级
铸件的尺寸精度已实现全球标准化, 最值得注意的是:
ISO 8062-1/2/3
- CT (铸造耐受性) 线性尺寸类 — CT1 (非常高的准确度) 至 CT16 (粗).
- GCT (铸造几何公差) 为了平整度, 圆度, 位置, ETC.
经常引用的其他标准
- 从 1680
- ANSI/ASME Y14.5 (对于GD&T 加工特征)
- ASTM A802 (铸钢件公差)
这些框架使设计人员和铸造厂能够清楚地传达公差并预测每个流程可实现的精度.
3. 影响因素的高级分类
- 材料内在 — 合金收缩率, 相变, 各向异性膨胀.
- 过程物理 — 熔体温度, 湍流, 填充, 凝固图案.
- 工具 & 模具 — 图案精度, 核心转移, 模具移动/沉降.
- 几何学 & 设计 — 截面模数, 岛屿, 薄壁与厚壁.
- 热的 & 铸后处理 — 热处理变形, 淬火应力.
- 后处理 & 处理 — 加工顺序, 夹具翘曲.
- 测量 & 环境 — 检查期间的温度, 基准稳定性.
- 人类 & 系统控制 — 操作员实践, SPC, 配方漂移.
线性收缩率 和体积收缩
- 什么: 所有金属在从液体→固体→室温冷却时收缩. 线性收缩率 (图案比例因子) 是尺寸变化的主要贡献者.
- 典型范围 (说明性的):铝合金 ~0.6–1.5%, 铸铁 ~1.0–1.6%, 碳 & 合金钢 ~1.8–2.5%, 铜合金 ~1.8–2.2%. 实际值为合金 & 过程依赖; 与代工厂确认.
- 影响: 名义上的 200 毫米特征 1.2% 收缩缩短 2.4 毫米，除非在图案中进行补偿.
相变 & 各向异性凝固
- 一些合金 (钢, 高镍合金) 经历相变 (奥氏体→铁素体/珠光体/马氏体) 除了简单的热收缩之外，还可以增加或减少尺寸变化. 定向凝固可以产生各向异性收缩.
凝固偏析 & 热点
- 枝晶间区域元素的局部富集/耗尽会产生微观结构差异，并可能集中收缩或产生改变局部尺寸的局部空腔.
减轻: 指定合金和熔体控制; 向铸造厂询问收缩系数和图案尺寸; 使用等温/控制凝固设计.
铸造路线能力
(公差显示为典型的线性公差 100 毫米. 值因合金而异, 几何学 & 代工能力。)
| 铸造过程 | 典型线性公差 (每 100 毫米) | 典型 CT 等级 (ISO 8062-3) | 一般能力 | 笔记 / 特征 |
| 硅溶胶熔模铸造 | ±0.10 – ±0.40 毫米 | CT4 – CT6 | ★★★★★ (非常高) | 最精细的表面光洁度; 最适合精密不锈钢零件; 出色的可重复性. |
| 水玻璃熔模铸造 | ±0.30 – ±0.80 毫米 | CT6 – CT8 | ★★★★☆ | 精度高、成本低; 适用于碳钢, 低合金钢, 延性铁. |
| 高压 铸造 (HPDC) | ±0.10 – ±0.50 毫米 | CT5 – CT7 | ★★★★★ | 铝/锌薄壁部件的理想选择; 精度受模具磨损影响 & 热控制. |
| 低压铸造 (LPDC) | ±0.30 – ±0.80 毫米 | CT6 – CT8 | ★★★★☆ | 稳定性好 & 结构完整性; 广泛用于车轮和结构 AL 零件. |
| 重力铸造 (永久模具) | ±0.40 – ±1.00 毫米 | CT7 – CT9 | ★★★☆☆ | 比砂型铸造更精确; 取决于芯片温度 & 模具设计. |
| 绿沙铸 | ±1.0 – ±3.0 毫米 | CT10 – CT13 | ★★☆☆☆ | 最经济的工艺; 精度受砂子质量的影响很大 & 模具刚性. |
树脂砂铸造 (免烘烤) |
±0.8 – ±2.5 毫米 | CT9 – CT12 | ★★★☆☆ | 比湿砂稳定性更好; 适用于大中型复杂铸件. |
| 壳模 | ±0.5 - ±1.5毫米 | CT7 – CT9 | ★★★★☆ | 薄壳提供一致的模具刚性; 适用于中小型精密钢铁零件. |
| 离心铸件 | ±0.5 – ±2.0 毫米 | CT7 – CT10 | ★★★★☆ | 非常适合管状部件; 严格的OD控制, 更宽松的内径公差. |
| 连续铸造 | ±0.3 – ±1.5 毫米 | CT6 – CT9 | ★★★★☆ | 准确的轮廓; 广泛用于钢坯, 杆, 铜合金. |
| 丢失的泡沫铸件 | ±1.0 – ±3.0 毫米 | CT10 – CT13 | ★★☆☆☆ | 适合复杂的几何形状; 精度受到泡沫图案稳定性的限制 & 涂层. |
熔融温度 & 过热
- 较高的过热度会增加流动性，但会增加气体溶解度和湍流; 如果管理不当，两者都会导致收缩孔隙率增加和尺寸不准确.
填充动力学和湍流
- 湍流捕获氧化物, 造成运行不良和冷隔; 不完整的填充会改变有效的几何形状，并可能使零件变形，因为冻结的外壳会限制后续的金属.
门控, 上升 & 方向固化
- 浇口不良会导致在不需要的地方产生缩孔. 正确的冒口放置可确保金属进入凝固区并控制最终的几何形状.
压力/真空辅助方法
- 真空 HPDC 或低压填充可减少气体孔隙率并提高薄特征的尺寸稳定性; 挤压和半固态工艺可减少收缩效应.
6. 工具 & 图案 / 核心因素
工具, 模式和核心设定 初始几何形状 铸件的形状，很大程度上决定了重复性和系统偏移.
不良的模具实践或不充分的核心控制会产生尺寸漂移, 核心移动, 以及下游处理无法始终修复的不可恢复的扭曲.
图案精度 & 收缩补偿
图案几何形状是应用所有收缩和模具偏移的基线. 要点:
- 图案缩放: 图案必须使用正确的比例缩放 线性收缩 合金和工艺因素 (不同的合金/工艺需要不同的比例因子).
- 图案公差: 图案制造者的公差应比所需的零件公差更严格，以便图案误差不是变化的主要来源.
- 系统性抵消: 工装变形, 图案磨损和夹具未对准会产生可重复的偏移; 这些应该在试运行期间进行测量和纠正.
减轻: 第一次浇注前记录并验证图案尺寸; 要求铸造厂提供样板图纸 (应用收缩因子) 和首件图案检查报告.
耐火材料与外壳强度
耐火材料系统 (材料, 泥浆, 层构建, 厚度) 控制壳体刚度和热响应. 主要效果:
- CTE 不匹配: 不同的耐火材料在受热时膨胀/收缩不同，这会在浇注和冷却过程中改变型腔尺寸.
- 外壳刚性: 薄的或固结不良的壳在金属静压力下变形, 产生凸起或局部尺寸变化.
- 过程可变性: 浆料混合物, 涂层技术和干燥/燃尽控制影响壳密度和重复性.
减轻: 标准化零件的浆料配方和层表; 指定最小外壳厚度和固化时间表; 检查外壳完整性 (视觉的, 尺寸) 关键部位浇注前.
核心精度, 核心移动 & 核心畸变
核心定位内部特征和孔——它们的准确性和稳定性至关重要.
共同机制:
- 核心转移: 核心座位差, 型芯打印不充分或浇注过程中振动会导致型芯移动, 移动孔位置.
- 核心畸变: 不支持的, 长或细的芯在金属压力或热冲击下可能会弯曲或振动, 改变内部几何形状.
- 岩心侵蚀 / 冲刷: 高速金属会侵蚀薄弱的核心表面, 改变孔的光洁度和尺寸.
减轻: 设计坚固的核心打印和积极的机械联锁; 指定长芯的芯硬度和背衬支撑; 控制浇注速度和浇注以限制射流侵蚀; 在需要时使用核心涂层.
模具支撑 & 维稳定性
浇注过程中模具的支撑方式会影响尺寸一致性:
- 模具偏转: 金属模具在循环下发热和弯曲——热增长和夹紧负载在运行寿命期间改变型腔几何形状.
- 砂型沉降: 砂压实, 排气和夹紧压力会导致大型铸件中的模具移动或回弹.
- 工装磨损: 重复循环会在金属模具中产生磨损凹槽和尺寸漂移.
减轻: 设计模具支撑和夹具以最大限度地减少偏转; 控制砂的压实和粘合剂的固化; 安排模具维护和返工间隔; 通过 SPC 监控尺寸漂移并定期进行工具检查.
模具温度
浇注时和凝固期间的模具温度影响填充, 收缩和残余应力:
- 冷模: 温度梯度过高会导致寒冷, 错误, 或增加拉应力和开裂.
- 热模: 模具温度过高会增加模具材料的膨胀，并可能改变铸态尺寸并增加晶粒粗度.
- 热梯度: 模具加热不均匀导致不对称凝固和变形.
减轻: 标准化模具预热和温度控制程序; 监控关键位置的芯片温度; 使用热模拟来预测复杂零件的梯度并调整浇口/冷却位置.
7. 设计 & 几何因素
断面厚度变化
- 厚的孤立部分凝固缓慢并产生热点和缩孔; 薄片冷却很快，可能会变形或导致运行不良. 避免厚度突然变化.
岛屿, 老板, 排骨和鱼片
- 大老板创造局部收缩区; 肋条有助于提高刚度，但其尺寸必须避免滞留热量. 圆角减少应力集中并改善金属流动性.
细长特征和畸变
- 细长的部分 (轴, 鳍) 容易受到凝固引起的翘曲和随后的加工变形的影响.
DFM指导: 尽量保持壁厚均匀; 使用肋骨而不是厚度, 向重型部件添加进给路径, 添加圆角和拔模.
8. 热历史 & 铸造后处理
热处理 诱发畸变
- 固溶退火, 标准化, 淬火或应力消除可能会改变尺寸——有时在大截面上会发生不可预测的变化. 淬火会产生梯度和残余应力，使零件变形.
凝固残余应力
- 快速冷却和约束收缩会产生残余应力，这些残余应力会在加工或维修过程中松弛, 改变几何形状 (回弹).
减轻: 尽早指定热处理顺序; 热处理后需要功能公差的机器; 适当时使用缓解压力的方法.
9. 处理, 加工顺序 & 固定效果
机加工余量 & 顺序
- 加工 去除材料以达到最终精度. 测序 (首先加工哪个面) 和夹具控制累积失真. 在完全消除应力之前进行加工可能会导致翘曲.
固定 & 基准参考
- 不良的夹具设计会导致夹具变形和测量错误. 使用基准面和稳定的夹具; 测量时避免过度夹紧.
紧固件扭矩和装配应力
- 螺栓紧固会使薄截面变形并改变法兰平面度. 指定扭矩限制和顺序.
减轻: 定义加工顺序, 推荐夹具设计, 指定扭矩 & 组装说明.
10. 测量, 环境 & 计量效应
测量温度
- 金属随温度膨胀. 通则: 一个 1 °C 变化导致钢/铝发生约 16–25 ppm/°C 线性变化; 在 500 毫米部分 1 °C ≈ 0.008–0.012 mm — 与严格公差相关.
始终在标准温度下测量 (通常 20 °C) 或补偿.
仪器精度 & 探针效应
- CMM测头类型, 触针长度和探测策略会引入测量误差. 对于薄特征, 探测力会使零件偏转.
基准稳定性 & 测量重复性
- 不一致的数据选择会产生分散. 使用可重复的基准夹具并定义测量协议.
减轻: 指定测量温度, 三坐标测量策略, 和验收标准; 要求 FAI 报告环境条件.
11. 结论
铸件的尺寸精度不是由单一因素决定的，而是由 材料的相互作用, 工具, 过程控制, 和热行为 贯穿整个生产周期.
每一步——从图案设计和收缩补偿到模具稳定性, 合金选择, 和凝固条件——引入了必须理解和积极管理的潜在变化.
高精度铸造要求:
- 准确的图案和核心 具有受控的收缩余量
- 稳定的模具和外壳系统 具有可预测的热和机械行为
- 严格维护工艺参数 包括浇注温度, 模具温度, 和门控一致性
- 优质材料 具有已知的热膨胀和凝固特性
- 稳健的检查, SPC, 和反馈循环 及早发现变异
当这些因素被整体设计时, 铸造厂可以提供始终满足严格尺寸公差的铸件, 降低加工成本, 改善装配配合, 并提高最终产品的性能.
最终, 尺寸精度既是 技术成果 和 过程纪律——高水平铸件供应商与普通生产商的区别.
常见问题解答
哪种合金类型对尺寸精度影响最大?
镁合金 (1.8–2.5% 线性收缩) 尺寸偏差的风险最高, 而灰铸铁 (0.8–1.2%) 是最稳定的.
砂型铸造能否达到高尺寸精度?
树脂砂铸造可达到ISO 8062 CT8-10 (对于 100mm 零件，±0.3–0.5mm), 适用于中等精度零件 (例如。, 泵外壳).
对于 CT5–7 精度, 需要熔模铸造或 HPDC.
模具收缩补偿如何工作?
由于合金的线性收缩率，模具尺寸过大. 例如, 100毫米铝 (1.5% 收缩) 零件需要 101.5 毫米模具，这可确保最终铸件收缩至 100 毫米.
铸件翘曲变形的主要原因是什么?
冷却不均匀 (例如。, 厚的部分比薄的部分冷却得慢) 产生内应力, 导致翘曲.
使用冷铁或水冷来平衡冷却速率可以减少 40-50% 的翘曲.
后处理如何影响尺寸精度?
振动清洗可使薄壁零件变形 0.1–0.2 毫米, 同时热处理温度偏差 (±10℃) 可能导致 0.1–0.2mm 的尺寸变化.
温和清洁 (低频振动) 精确的热处理控制可以缓解这些问题.
