铸件及铸造工艺设计-铸件设计
铸件使用功能设计
任何零件的设计在满足功能要求的设计方案时，应同时考虑以下三个重要方面：材料、制造方法、结构形状。
1.铸造方法和铸造金属的选择
（1）铸造方法 在设计的早期应该确定铸造方法和铸造金属，首先考虑是采用砂型铸造、压铸，还是其他特种铸造方法。表8-1列出了各种铸造方法和影响选择的主要因素：
表-1铸造方法选择
（2）铸造金属的选择 各种类型的铸铁具有范围广泛的有用性能。灰铸铁牌号众多，用途广泛。低强度灰铸铁在液态时流动性非常好，凝固收缩小，能够浇注出壁薄、复杂的铸件；高强度灰铸铁应用于铸造各种机械零件，如发动机、机床等复杂零件。应注意的是，灰铸铁的力学性能对铸件的壁厚特别敏感，断面过薄则硬度高而加工困难；断面过厚时，铸件的强度显著下降。
球墨铸铁的工程应用明显超过其他材料的原因与它的特性、性能和单位强度成本相关，有关球墨铸铁与其他材料的特性比较以及相关的单位强度成本见表-2、表-3。低单位强度成本的球墨铸铁是其作为工程材料快速增长的主要原因。表-2 金属特性比较
表-3 单位强度成本比较
还有其他特殊类型例如Ni-耐高温、低温和耐蚀奥氏体球墨铸铁，以及应用于高温排气部件的含高硅材料。通常设计者会关注其中的一个或一系列性能（如可加工性、韧性、疲劳、腐蚀等），铸造工厂应按要求提供相应信息。球墨铸铁和奥氏体球墨铸铁（ADI）在单位强度成本方面与其他常用铸造材料相比具有明显的优势。ADI具有令设计者注目的独特性能例如高强度、耐磨、耐疲劳，同时还具有良好的韧性。ADI具有两倍于常规规格球墨铸铁的强度而同时保持高伸长率和韧性，使得设计者能够减少零件重量和成本，平衡和改进设计。
2.铸件设计的力学性能标准
所有机械零件在运转过程中，都不同程度上承受着载荷以及温度、接触介质的作用，这使零件材料发生变形、断裂、表面失效等现象，从而导致零件失效。材料强度就是铸件材料抵抗外加载荷而不产生失效的能力。铸件强度表现为它的短期承载能力以及长期使用寿命，它主要决定于以下几个因素。1）结构因素，根据零件在整机中的作用与效能和结构强度所决定的形状、尺寸以及与其他零件的配合关系等。
2）材料因素，制造零件所用材料的成分、组织、性能以及零件各部位的强度。
3）工艺因素，全部加工工艺过程对零件各部位强度所产生的影响。
在结构因素和工艺因素基本确定时，为保证足够的铸件零件强度，其最薄弱环节（危险断面）的尺寸大小则成为决定该部位强度的关键，因此，在结构设计和加工工艺正确合理的条件下，主要是材料强度决定了铸件的体积、质量和寿命。
常规材料的强度数据一般是用形状简单、尺寸较小的标准试样以简单的加载方式取得的，以此进行实际铸件的设计或校核时，需要考虑铸件在工作中所承受的实际应力、应变幅度和规定的有效寿命、安全裕度、尺寸、形状和表面因素的影响。
抗拉强度是最常规的性能，尽管在静态结构设计中它的重要程度不如屈服强度或弹性极限应力。抗拉性能也对其他性能给出指标，例如材料的剪切、扭转和抗压强度。在每个情况下，对一给定级别的合金有一个与抗拉强度之间的固定关系。
弹性模量是另一个重要参数，在给定载荷下是刚度或挠度的度量，这种性能取决于铸件结构对弹性变形的抗力和最终的不稳定性。在许多设计中刚度是控制尺寸的关键因素，要求断面厚度要比从强度观点出发更为适当。弹性模量对铸造组织的变化较不敏感，基本由成分确定。然而，在灰铸铁中，却显著随着石墨数量而变化以及随着使用应力的增大而减小。
在考虑强度要求时，必须考虑到在缺口处的应力集中。铸件零件在载荷下结构破坏常常是由于关键部位的应力集中值超出原设计值。在考虑铸造部件获得最大强度时，消除由于诸如尖角特征造成的应力是主要的。考虑到预计的应力分布、大小、可能的误差和估计到未被发现的缺陷处应力集中的可能性，通常在设计中考虑安全系数。针对静态应力时采用设计应力大约是屈服应力的一半，即安全系数为2；但在动态应力或其他特殊情况下应采用更大的安全系数。
冲击性能试验可以得出的有缺口试样的冲击性能，因为结果取决于试样的尺寸和缺口的几何形状，而与别的形状和截面没有直接关系，所以不能直接提供设计应力数据。但是冲击结果在预测金属在低温下的韧性-脆性转变敏感性方面特别重要。冲击试验常用于确定真实的韧脆转变温度，或提供与标准温度下破坏能量的对比。
金属的韧性不论是以伸长率和拉伸试验中的断面收缩率度量，还是以冲击试验的破坏能量来度量都十分重要的。设计者很少在设计中直接采用破坏前的塑性变形能力，像其他性能设计一样可采用安全系数，当采用高标准检验时需要的系数最小，而对于铸造材料而言，高伸长率是许多技术条件的一个必要性能。灰铸铁实际上没有很好的韧性，静载荷条件下的安全系数通常为3～5。然而灰铸铁铸件通常设计成发挥它优良的抗压强度。
剪切、弯曲、扭曲和其他力学性能试验值可能是各种各样的，可用于设计评估在类似条件下的材料质量，但一般不直接在设计中使用，这些应力的计算通常根据抗拉性能参数来获得。
在疲劳条件下，材料在远低于正常屈服应力的应力水平时出现破坏。因此在这样的条件下，材料的疲劳强度极限是重要的设计标准。疲劳强度极限与抗拉强度极限有一定的关系，其比值或疲劳强度与抗拉强度的比值对特定的材料和试验方式可约视为常数。铁合金的耐疲劳比率为 0.3 ～0.5，有色合金为0.15～0.35。各种类型合金材料的疲劳-抗拉强度关系见图-1所示。
图-1 合金材料的疲劳-抗拉强度关系
硬度值虽然不能直接提供各种磨损抗力的度量，但硬度仍可作为材料耐磨性的一个设计参数。注意铸铁组织中石墨相的重要特性，滑动摩擦中承载性能不能直接与硬度有关联，这时选择合金是以经验为主。可以用两种方法选择所需的硬度：一种是选用坚硬的合金使铸件整体性能适应其表面要求，但这类合金往往是低韧性的，此类具有硬脆性的合金铸件广泛用于衬板，并用较坚韧的材料作背后支撑（如抛丸机抛头叶片应用）；另一种是对母材金属进行热处理、局部激冷或表面硬化处理，以获得理想的整体性能，该方法适用于结构用途（如球墨铸铁齿轮应用）。
3.制造性能
（1）铸造性能 铸造性能包括流动性、收缩性、铸造应力和断面敏感性等。具体来说即液体金属能否很好地充满铸型的各个部分，在凝固时是否容易产生缺陷，冷却后能否得到完整、光洁的铸件，各部位性能是否均匀。
（2）机械加工性 机械加工性决定了机械加工的切削速度、能源消耗和刀具磨损的费用。机械加工性取决于铸铁基体组织、硬度和加工变形等因素，通常可依靠降低屈服强度、韧性和加工硬化来改善可加工性。
（3）补焊性能 由于铸铁中石墨的存在，以及铁碳合金在冷却结晶过程中的二重性（稳定系和介稳定系），铸铁的补焊性能较钢材而言会差一些。但片状石墨较其他形状石墨易得，对灰铸铁的力学性能的要求较低，故灰铸铁的补焊性能较球墨铸铁为好。
铸件结构设计
1.壁厚
确定铸件壁厚一般要综合考虑以下三个方面：①保证铸件达到需要的强度和刚度；②尽量节约金属；③易于铸造。（1）铸件最小壁厚 为保证铸造充型，在设计铸件壁厚时，要重点考虑合金的流动性。在一定的铸造条件下，铸造合金能充满铸型的最小厚度称之为该合金的最小壁厚。因此，在铸件设计时按强度、刚度计算出的铸件壁厚如小于合金最小壁厚时，就应进行修改使其壁厚不小于最小壁厚，否则，铸造时将难于保证充型完全，易产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。最小壁厚的数值与铸造合金的种类、铸造方法、铸件尺寸形状有关。各种砂型铸造的铸铁件最小壁厚列于表-4，供参考。
表-4 砂型铸造铸铁件的最小壁厚 （单位：mm）
（2）铸件临界壁厚 各种铸造合金都存在一个临界壁厚，铸件壁厚超过此壁厚以后，铸件的力学性能并不按比例地随铸件壁厚增加而增加，反而容易产生缩孔、缩松、结晶组织粗大、石墨变形等问题，使得铸件的性能下降。因此，在设计铸件时，如一味地采取增加壁厚的方法来满足铸件强度的要求，其结果不是强度达不到要求，就是设计出的零件过分笨重、浪费金属。通常各种铸造合金的临界壁厚可按其最小壁厚的3倍来考虑。表8-5所列可供设计薄壁轻型结构铸件参考；对于重型铸件亦可参考这些数据，从选择合理的断面形状着手，尽量避免过分厚大的断面。
表-5 轻薄砂型铸件的临界壁厚 （单位：mm）
（3）铸件内壁厚度 铸件内部散热条件差，铸件内壁比外壁冷却速度要慢，其强度也往往比外壁要低一些，同时在铸造过程中还易于产生热应力，引起铸造裂纹。因此，将铸件的内壁厚度设计的比外壁薄是比较合理的。通常铸铁件的内壁比外壁厚度少10%～20%。
2.壁的连接
铸件结构设计中经常存在多壁相连接的情况，正确设计铸件壁的连接，对于防止收缩变形缺陷、改善铸件应力集中状况、提高铸件质量、提高铸件使用精度及延长铸件使用寿命均具有正面意义。典型壁的过渡和连接形式及尺寸关系如下：
（1）过渡连接 处于同一平面的两个不同厚度壁的连接。
当壁厚比S1/S2≤2时，两壁间采用圆角R过渡即可，R大小见表-5；
当壁厚比S1/S2>2时，两壁间采用渐变过渡为宜，过渡部分尺寸关系见表-6。
表-6 壁的过渡形式和尺寸关系
（2）壁的连接 两壁呈直角或一定角度连接，在同等壁厚条件下，L形连接比T形、X形连接结构的内接圆半径较小，造成的缩孔倾向小，黏砂程度轻，设计时应优先采用。各种连接方式见表8-7。
表-7 壁的连接形式
（续）
（3）筋 在铸件上设置筋可以增加铸件的强度和刚度，减轻铸件质量，防止铸件裂纹、变形；可使得铸件壁厚均匀，防止铸件产生收缩缺陷。另外铸件的上设置筋可起到增加零件的散热作用，也可以作为补缩通道和改善铸型充型性。
1）筋的形状和位置分布。铸件筋的设计与设计壁的连接一样，要尽量分散和减少热节点，避免多条筋相互交叉；筋与壁及筋与筋的连接处要设置圆角；筋的数量不宜太多；垂直于分型面的筋应设有铸造斜度等。另外，布置筋时应注意使其不妨碍铸造起模，也应注意使其不削弱砂芯强度和影响清砂。
2）筋的尺寸。筋的尺寸过厚或过薄易使筋与铸件本体连接处产生裂纹。处于铸件内腔中的筋，由于冷却较慢，应比外表面的筋设计得薄些。一般可以按下列关系式设定筋的尺寸：
3）铸件加强筋设计。铸件加强筋设计参数见表-8所列。
表-8 铸铁件加强筋设计参数
（续）
铸铁件功能设计（见表-9）
表-9 铸铁件功能对结构设计的要求
（续）
铸铁件工艺设计（见表-10）
表-10 铸铁件铸造工艺对结构设计的要求
（续）
避免铸造缺陷的设计（见表-11）
表-11 铸铁件避免铸造缺陷的设计
铸铁件经济性设计（见表-12）
表-12 铸铁件制造经济性的设计原则
（续）
摘自现代铸铁技术
- 上一条：铸件及铸造工艺设计-铸造工艺设计（1/2）
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