什么是沙子铸造?

1. 介绍

砂铸架是最古老，最通用的金属形成过程之一.

通过将熔融金属逼入沙子模具, 铸造厂生产从简单支架到复杂的涡轮壳体的一切.

它的持久相关性来自无与伦比的适应性: 它处理零件尺寸从克到超过 100 吨, 与几乎所有铸造合金一起使用, 平衡成本效率与设计自由.

本文探讨了其机制, 材料科学, 申请, 和竞争格局, 为工程师和制造商提供技术深入潜水.

2. 什么是沙子铸造?

以其核心, 沙子铸造依靠 图案 - 最后一部分的精确复制品，分为两部分的模具，包括 应付 (上半场) 和 拖 (下半部分).

一旦模式位于 烧瓶, 铸造砂与粘合剂混合 (黏土, 树脂, 或化学硬质) 包围它.

沙子变硬后, 拆下图案留下一个腔准备金属的腔.

取决于申请, 铸造厂采用几种模具类型:

• 绿沙: 二氧化硅砂的混合物, 黏土 (通常是膨润土), 和水. 绿沙模算了 70% 由于其低成本和可重复性，全球铸造量.
• 化学键合砂: 使用树脂或酚类粘合剂与 较高的维度准确性 和表面饰面.
• 无烤 (空气架) 沙: 在室温下治愈的两个组件系统, 大型或复杂图案的理想.

关键材料:

• 二氧化硅沙 (Sio₂): 构成85–95％的霉菌沙子, 以其高熔点而珍视 (1,713°C) 和颗粒状结构，使空气诱发渗透性.
• 粘合剂: 有机的 (膨润土, 酚类无烘烤) 或无机 (硅酸钠) 结合沙粒; 他们的选择会影响霉菌的力量, 可重复使用, 和环境影响.
• 添加剂: 碳 (减少金属穿透), 木屑 (提高渗透性), 和探索者 (最小化气体夹层).

3. 铸造的类型

沙子铸造不仅仅是一个过程，它有几种“口味”,每个针对不同生产量量身定制的, 金属类型, 复杂, 和所需的表面饰面.

主要类别是:

绿沙铸

• 模具材料: 二氧化硅砂的混合物, 黏土 (膨润土), 水, 有时是添加剂 (例如. 海煤).
• 特征:

• • 霉菌是“绿色” (IE. 包含水分) 可重复使用.
  • 快速周转和非常具有成本效益的低至中等生产运行.
  • 公平的表面饰面 (他们是200–400 µT).

• 典型用途: 汽车零件 (发动机块, 气缸盖), 农业组成部分, 泵外壳.

干砂铸造

• 模具材料: 绿色模具随后被烘烤或风干以去除水分.
• 特征:

• • 提高了尺寸精度和绿沙的表面饰面 (它们是≈100–200 µT).
  • 更好的水分控制减少气体缺陷.
  • 更长的霉菌准备时间; 最适合中型跑步.

• 典型用途: 钢, 不锈钢, 较大的铸件需要更严格的公差.

化学键合 (无烤 & 冷盒) 沙子铸造

• 无烤 (空气架):

• • 活页夹 (酚类, 呋喃或硅酸钠 + 催化剂) 在室温下混合.
  • 模具在几分钟到几个小时内治愈 - 无需加热.

• 冷盒 (煤气):

• • 树脂涂层的沙子包装成金属瓶中，通过通过胺气体“固化”.
  • 快速治愈 (秒), 出色的霉菌强度和细节.

• 特征:

• • 很好的表面饰面 (它们是≈50–100 µDES).
  • 高维精度.
  • 粘合剂成本更高; 模具不可重复使用.

• 典型用途: 航空航天组件, 液压零件, 仪器外壳.

涂层的沙子铸造

• 过程: 沙粒涂有薄树脂层, 形成一个强, 耐热模具.
• 特征: 优秀的表面质量, 高力量, 最小的失真.
• 申请: 阀, 泵外壳, 和中小型零件需要紧张的公差.

外壳成型

• 模具材料: 涂有热固性树脂的细二氧化硅砂形成薄的“壳”。
• 过程: 加热图案产生3–10毫米厚的壳; 然后加入了两半.
• 特征:

• • 上表面饰面 (它们为≈25–75 µW。).
  • 出色的维度精度.
  • 更高的工具和树脂成本 - 最大的跑步.

• 典型用途: 高精度汽车齿轮, 发动机块, 泵叶轮.

真空 (V-Process) 沙子铸造

• 模具材料: 无粘合的干二氧化硅沙子中包含在气密瓶中; 真空将沙子紧紧地拉到图案上.
• 特征:

• • 没有化​​学粘合剂→几乎没有气体缺陷.
  • 良好的表面饰面 (他们是75–150 µT).
  • 霉菌分解容易 (只需释放真空).
  • 设备投资更高; 适合中至高音量.

• 典型用途: 航空航天的铝和铜合金铸件, 防御, 高质量的工业零件.

4. 逐步铸造的过程

图案设计 & 材料选择:

工程师根据部分复杂性和生产量选择模式: 原型的木制图案, 高量运行的金属图案.

3D扫描等数字工具可确保精度, 而CAD软件占收缩 (例如。, 1.5% 用于铝, 2% 用于钢).

霉菌和核心技术

模式设置之后, 技术人员将沙子包围在Cope上，并拖拉.

用于内部功能, 他们创造 内核 - 分别粘结并放置在模具中. 核心打印设计确保正确定位和支持.

集会: 门控, 立管, & 通风口:

霉菌的一半连接, 与 门控系统 (泉水, 跑步者, 大门) 设计用于控制金属流和 立管 (熔融金属储层) 补偿收缩.

通风确保气体逸出, 防止孔隙率. 现代铸造厂使用计算流体动力学 (参见) 优化这些系统, 将废物减少15–20％.

融化 & 浇注:

像灰铁这样的金属 (熔点1,150°C), 铝 (660°C), 或不锈钢 (1,400°C) 加热在熔炉中的熔点上方50–100°C (电视剧以铁, 非有产金属的感应炉).

倾泻速度和湍流至关重要: 太快的氧化物夹杂物风险; 太慢会导致填充不完整.

冷却, 摇晃, & 砂填胶:

固化后 (小零件的分钟, 大型铸件的小时), 模具坏了 (摇晃), 零件分开.

沙子被回收: 现代设施通过筛选和磁分离收回90-95％的沙子, 削减材料成本 30%.

5. 用于沙子铸造的常见金属和合金

砂铸件可容纳各种各样的工程合金.

铸造厂根据强度选择金属, 耐腐蚀性, 热稳定性, 和成本.

桌子: 用于沙子铸造的普通金属和合金

6. 沙子铸造的优势

低工具和设置成本

• 砂霉的价格便宜 (通常由与粘土或化学粘合剂粘合的二氧化硅砂制成),
  因此，与永久性或压铸过程相比，初始工具成本最少.
• 这使沙子铸造特别经济，对于小型生产运行, 原型零件, 或一次性组件.

零件尺寸和几何形状的多功能性

• 沙子铸造可以容纳很大或很小的零件 - 重量为几吨至几盎司的块.
• 复杂的内部几何形状 (底切, 内核, 空心) 可以通过在倒入前插入沙子来形成, 没有昂贵的核心死亡.

广泛的材料

• 几乎所有可铸造的合金 - 宝贵 (例如。, 灰铁, 延性铁, 钢) 或无宝贵 (例如。, 铝, 青铜, 铜, 镁) - 可用于沙模.
• 这种灵活性使您可以选择最佳的材料以提高力量, 耐腐蚀性, 或热性能.

模具材料的可重复性

• 每个铸造周期之后, 沙子混合物可以多次回收和重复使用 (通常恢复95-98％), 减少废物和材料成本.
• 现代开垦系统 (机械的, 热的, 或化学回收) 进一步提高可持续性.

原型快速周转

• 因为工具只是一个分裂模式 (通常木制或3D打印) 而不是硬化的钢, 霉菌制备很快 - 设计迭代的理想.
• 工程师可以在几天而不是数周的时间内从CAD模型到物理部分, 加速产品开发周期.

7. 限制 & 沙子铸造的技术挑战

相对较差的表面饰面和尺寸精度

• 沙粒在铸造表面上产生粗糙的质地, 通常需要额外的加工或完成才能满足严密的公差.
• 小零件的典型公差为±0.5–1.5毫米，较大部分的公差为±1.5–3.0 mm, 比铸造或投资铸造更精确.

较高的缺陷风险

• 孔隙率: 被困在模具中或在凝固过程中产生的气体可以在金属中形成毛孔, 削弱零件.
• 沙包裹: 松散的沙粒可能从模具壁侵蚀到熔融金属, 引起硬斑或表面瑕疵.
• 错误 & 冷关: 金属流量不足或过早凝固会导致不完全填充或在金属中连接.

较长的生产周期时间

• 每个铸造都需要制备霉菌 (包装, 核心设置, 模具组件) 和后摇动, 比自动高压过程更耗时.
• 冷却时间对于较厚或大量的部分可能是很大的, 放缓整体吞吐量.

劳动密集型过程

• 许多操作 - 制作, 核心设置, 训练 - 依靠熟练的体力劳动, 增加人工成本和批次之间的变异性.
• 自动化是可能的，但通常为基于沙子系统实施的昂贵.

环境和健康问题

• 除非有严格的尘埃控制措施，否.
• 花费的成型沙子和用过的化学粘合剂会产生必须回收或处理的废物流，以避免土壤和水污染.

非常薄的部分的限制

• 薄壁 (<3–4毫米) 具有挑战性，因为沙子可能不支持细节, 金属可能在完全填充模具之前冷却并凝固.
• 达到薄部分和良好的表面定义通常需要替代过程，例如铸造或投资铸造.

8. 沙子铸造的关键应用

汽车行业

• 发动机块, 气缸盖, 传输案例, 制动组件, 悬架零件.

航天 & 防御

• 涡轮机, 发动机安装座, 结构支架, 导弹组件, 飞机起落架零件.

活力 & 发电

• 涡轮机壳, 发电机框架, 泵外壳, 油气设备的阀体, 水电组件.

建造 & 重型机械

• 管配件, 阀成分, 结构钢零件, 建筑设备的发动机组件, 农业机械零件 (例如。, 拖拉机外壳).

工业设备

• 泵和压缩机套管, 变速箱, 机床基库, 重型支架, 工业阀体.

海军陆战队 & 造船

• 螺旋桨轮毂, 发动机组件, 船上机械零件, 和海洋泵外壳.

一般制造业

• 艺术铸件, 定制机械零件, 大规模结构组件, 和产品开发的原型.

定制原型和小体积生产

最后, 在快速原型制作和小批量工作中，砂浆表现出色.

当设计团队需要功能性金属原型（无论是用于验证人体工程学或现实世界负载下的现场测试）时，并将其铸造在 3–5天, 相比 2–4周 用于永久模具.

其最小工具成本 (经常在下面 $200 每个模式) 使其非常适合跨机器人技术的飞行员运行和专业应用, 医疗设备, 和定制机械.

9. 与替代铸造过程进行比较

当工程师评估铸造方法时, 他们称量因素，例如 零件复杂性, 表面饰面, 尺寸公差, 工具成本, 和 生产量.

以下, 我们将铸造的沙子与两个广泛使用的替代方案进行了比较 - 投资铸造 和 铸造.

何时选择沙子铸造？

• 低的- 到中体积生产: 以下 10,000 部分, Sand的低工具支出最小.
• 大或重的零件: 组件结束了 50 公斤 或最多 50 吨 只有西装砂霉.
• 特殊合金 & 高温材料: 砂霉手柄不锈钢, 超级合金, 并抛弃熨斗而无需过磨损的问题.
• 快速原型制作或设计迭代: 3D打印图案和快速模具变化将领先时间截止到几天.
• 复杂的内部几何形状: 沙芯产生深层腔和底切，而无需昂贵的工具修改.

10. 结论

沙子铸造持续 基础 制造方法, 平衡 经济, 多功能性, 和 可伸缩性.

通过集成数字设计, 高级粘合剂化学, 和实时质量控制, 当今的铸造厂克服了传统的限制 - 生产可靠, 跨行业的复杂铸件.

随着可持续性和快速原型压力的增长, 砂铸的独特组合 低进入成本, 物质灵活性, 和 尺寸功能 确保其与未来的持续相关性.

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常见问题解答

砂砂零件的典型尺寸范围是多少?

零件的范围从小组件范围 (例如。, 括号) 到非常大的结构 (例如。, 船舶螺旋桨), 有些铸造厂能够铸造数吨重的零件.

沙子铸造中的常见表面饰面问题是什么?

零件由于沙模而可能具有粗糙的表面纹理. 加工等后铸造过程, 研磨, 或爆破通常用于改善饰面.

可以使用沙子铸造用于大批量生产?

虽然沙子铸造对于低到中等的体积是可行的, 由于周期时间更快和更高的霉菌耐用性，高体积生产可能更具成本效益.

砂铸造适合原型制作?

是的, 由于其较低的工具成本和快速生产功能零件的能力，通常将砂铸件用于原型, 即使对于复杂的设计.

芯铸造如何使用芯?

内核 (用沙子或树脂制成) 在铸件中形成内部空腔或特征.

它们在倒入之前将其放在模具中，并在凝固后去除, 通常通过振动或熔化.