铸造作为一种古老而又至关重要的金属成型工艺,在人类文明的发展进程中扮演了不可或缺的角色，从早期简单的农具制造到如今复杂的航空发动机零部件生产，铸造技术不断演进，其工艺流程的每一个环节都蕴含着科学与智慧，深入了解铸造工艺流程，不仅有助于我们认识这一传统工艺的魅力，更能为现代制造业的创新与发展提供坚实的理论基础。
铸造工艺流程概述
铸造工艺流程涵盖了多个步骤,从最初的原材料准备到最终的铸件清理与检验，每一步都紧密相连，任何一个环节的失误都可能影响到最终铸件的质量，总体而言，铸造工艺流程主要包括以下几个关键阶段：
原材料准备
铸造的原材料主要包括金属材料（如铸铁、铸钢、有色金属等）、造型材料（如砂、黏土等）以及各种辅助材料，金属材料的质量直接决定了铸件的性能，因此在采购时需要严格把控其化学成分和物理性能，造型材料则用于制作铸型，其应具备良好的可塑性、强度、耐火性等，砂型铸造中常用的硅砂，需根据粒度、含泥量等指标进行筛选，辅助材料如熔剂、孕育剂等，可改善金属液的流动性、细化晶粒等，提高铸件质量。
模型制作
模型是铸件的雏形,它的尺寸和形状直接决定了最终铸件的模样，模型通常由木材、塑料或金属制成，在制作模型时，需要考虑铸造过程中的收缩率等因素，适当放大尺寸，对于复杂形状的铸件，可能还需要制作分体模型，以便于后续的造型操作，随着数字化技术的发展，3D打印技术也逐渐应用于模型制作，大大缩短了制作周期，提高了精度。
造型与制芯
造型是将造型材料围绕模型制成铸型的过程,常见的造型方法有手工造型和机器造型，手工造型灵活性高，适用于单件、小批量生产，如一些艺术铸件的制作；机器造型则生产效率高，尺寸精度好，适合大批量生产，制芯是为了在铸件内部形成各种形状的孔洞或腔室，芯子同样需要使用特殊的造型材料制作，并在铸型中准确放置。
熔炼与浇注
熔炼是将金属材料加热熔化,使其达到合适的浇注温度和化学成分要求，不同的金属材料需要采用不同的熔炼设备和工艺，铸铁常用冲天炉或电炉熔炼，铸钢则多用电炉熔炼，在熔炼过程中，要严格控制温度、时间以及炉内气氛等因素，确保金属液的质量，浇注是将熔炼好的金属液快速、平稳地注入铸型中，浇注速度和温度对铸件的质量影响很大，过快或过慢的浇注速度都可能导致铸件出现缺陷。
凝固与冷却
金属液注入铸型后,开始凝固和冷却，在这个过程中，铸件的组织和性能逐渐形成，凝固过程中的温度梯度、冷却速度等因素会影响铸件的结晶形态和内部应力分布，为了获得良好的铸件组织和性能，需要合理控制冷却速度，可以通过在铸型中设置冷铁、冒口等工艺措施来实现。
铸件清理与检验
铸件凝固冷却后,需要进行清理工作，包括去除表面的砂粒、飞边、毛刺等，清理方法有多种，如抛丸清理、打磨等，清理后的铸件还需要进行全面的检验，检验项目包括尺寸精度、形状误差、表面质量、内部缺陷等，常用的检验方法有尺寸测量、无损检测（如超声波探伤、X射线探伤等）以及力学性能测试等，只有检验合格的铸件才能进入下一工序或交付使用。
各工艺流程的详细解析
原材料准备
- 金属材料
- 铸铁：铸铁是铸造中应用最广泛的金属材料之一，根据碳的存在形式，可分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等，在准备过程中，需要对生铁、废钢等原料进行严格的质量检测，确保其化学成分符合相应铸铁牌号的要求，球墨铸铁生产中，对硫、磷等有害元素的含量要求严格，因为它们会影响石墨球的形成和球化质量。
- 铸钢：铸钢具有较高的强度和韧性，常用于制造承受较大载荷的零件，不同类型的铸钢（如碳素铸钢、合金铸钢）对原材料的要求也有所不同，在熔炼前，要对钢锭、废钢等进行分类和预处理，去除表面的油污、铁锈等杂质，以保证熔炼过程的顺利进行和钢液的纯净度。
- 有色金属：如铝合金、铜合金等，在航空航天、电子等领域有着广泛的应用，有色金属的原材料准备同样要注重纯度和杂质含量的控制，铝合金熔炼时，要防止铁、硅等杂质含量过高，以免影响铝合金的性能。
- 造型材料
- 砂型铸造用砂：硅砂是最常用的造型材料，其粒度大小会影响铸件的表面质量，细砂可获得较好的表面光洁度，但透气性相对较差；粗砂则透气性好，但表面质量可能欠佳，需要根据铸件的要求选择合适粒度的硅砂，为了提高型砂的强度和可塑性，还会加入黏土、水等添加剂。
- 其他造型材料：在一些特殊铸造工艺中，还会使用到其他造型材料，如熔模铸造中使用的蜡料和耐火材料，蜡料要求具有良好的流动性和成型性，以便制作出精确的蜡模；耐火材料则要具备高的耐火度和热稳定性，以保证在高温下能保持铸型的形状。
模型制作
- 传统模型制作
- 木材模型：木材具有质轻、易加工等优点，适合制作一些形状不太复杂、精度要求相对较低的模型，在制作木材模型时，需要选择合适的木材，如松木、桦木等，并对木材进行干燥处理，防止在使用过程中因水分变化而变形。
- 金属模型：对于精度要求高、使用寿命长的模型，常采用金属制作，如铝合金、铜合金等金属材料，通过机械加工（如车削、铣削、磨削等）方法制作出精确的模型，金属模型制作工艺复杂，成本较高，但可以保证模型的尺寸精度和稳定性。
- 数字化模型制作 随着计算机技术的发展，3D打印技术在模型制作中得到了广泛应用，3D打印可以根据设计的三维模型，直接快速地制作出模型，它不受复杂形状的限制，大大缩短了模型制作周期，对于一些具有复杂内部结构的铸件模型，传统加工方法难以实现，而3D打印则可以轻松完成，3D打印还可以对模型进行快速修改和优化，提高了设计效率。
造型与制芯
- 造型方法
- 手工造型：手工造型是一种较为传统的造型方法，它依靠工人的手工操作来完成铸型的制作，常见的手工造型方法有整模造型、分模造型、挖砂造型等，整模造型适用于形状简单、最大截面在一端的铸件；分模造型则用于形状较复杂、需要分开制作模型的铸件，手工造型的优点是灵活性高，不需要复杂的设备，但生产效率低，劳动强度大，尺寸精度相对较低。
- 机器造型：机器造型是利用各种造型机来完成造型工作，常见的造型机有震压式造型机、射压式造型机等，震压式造型机通过振动和压实的方式使型砂紧实，生产效率较高；射压式造型机则利用压缩空气将型砂高速射入砂箱并压实，具有更高的紧实度和尺寸精度，机器造型适用于大批量生产，能够保证铸件质量的稳定性。
- 制芯方法
- 手工制芯：对于一些形状简单、数量较少的芯子，可以采用手工制芯，手工制芯通常使用芯盒，将芯砂填入芯盒中，经紧实、刮平后取出，制成所需形状的芯子。
- 机器制芯：机器制芯主要有热芯盒制芯、冷芯盒制芯等方法，热芯盒制芯是将芯砂与树脂粘结剂混合后，放入加热的芯盒中，在高温下树脂迅速固化，形成芯子，冷芯盒制芯则是在常温下通过吹气硬化的方式使芯砂固化成型，机器制芯效率高，尺寸精度好，能够满足现代铸造生产的需求。
熔炼与浇注
- 熔炼设备与工艺
- 冲天炉熔炼：冲天炉是铸铁熔炼的常用设备，它通过将焦炭、生铁、废钢等炉料按一定比例加入炉内，利用焦炭燃烧产生的高温将金属熔化，在熔炼过程中，要控制好炉料的加入量、送风强度等参数，以保证铁液的质量，冲天炉熔炼具有设备简单、成本低等优点，但也存在环境污染较大、铁液质量控制难度高等问题。
- 电炉熔炼：电炉熔炼包括电阻炉、感应炉等，电阻炉通过电流通过电阻丝产生热量来熔化金属，具有温度控制精确、环境污染小等优点，适用于一些对金属液质量要求较高的熔炼，感应炉则利用电磁感应原理使金属产生感应电流而发热熔化，其加热速度快，熔化效率高，广泛应用于铸钢和有色金属的熔炼。
- 浇注工艺
- 浇注系统设计：浇注系统的设计对铸件的质量至关重要，它主要包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道等部分，合理的浇注系统应能保证金属液平稳、快速地注入铸型，避免金属液产生飞溅、紊流等现象，防止夹杂物的卷入，浇注系统还应具有一定的挡渣功能，去除金属液中的杂质。
- 浇注温度和速度：浇注温度过高，金属液的收缩量增大，容易产生缩孔、缩松等缺陷；浇注温度过低，金属液的流动性差，可能导致铸件出现浇不足、冷隔等问题，浇注速度也需要根据铸件的形状、尺寸等因素进行合理调整，薄壁铸件需要较高的浇注速度，而厚壁铸件则可适当降低浇注速度。
凝固与冷却
- 凝固过程 金属液在铸型中凝固时，首先在铸型壁附近形成一层细小的等轴晶区，随着温度的降低，柱状晶开始从铸型壁向中心生长，在柱状晶生长过程中，由于晶体的择优生长，会导致铸件内部组织不均匀，当柱状晶生长到一定程度后，铸件中心剩余的液体中会形成等轴晶区，凝固过程中的温度梯度、冷却速度等因素会影响晶体的生长方向和形态，从而影响铸件的性能。
- 冷却控制措施
- 冷铁：冷铁是一种用于加快铸件局部冷却速度的工艺措施，它通常由金属材料制成，放置在铸型中需要快速冷却的部位，冷铁可以使铸件的厚壁部分与薄壁部分的冷却速度趋于一致，减少热应力，防止铸件产生变形和裂纹。
- 冒口：冒口的作用是在铸件凝固过程中补偿金属液的收缩，防止铸件出现缩孔和缩松，冒口一般设置在铸件的厚大部位，其尺寸和形状需要根据铸件的结构和凝固特点进行合理设计，通过合理控制冒口的补缩作用，可以保证铸件的致密性。
铸件清理与检验
- 铸件清理
- 抛丸清理：抛丸清理是利用高速旋转的叶轮将弹丸抛射到铸件表面，通过弹丸的冲击去除铸件表面的砂粒、氧化皮等杂质，抛丸清理效率高，能使铸件表面获得一定的粗糙度，有利于后续的加工和涂装。
- 打磨：对于一些表面要求较高的铸件，需要进行打磨处理，打磨可以使用砂轮、砂纸等工具，去除铸件表面的飞边、毛刺等，提高铸件的表面质量。
- 铸件检验
- 尺寸检验：使用量具（如卡尺、千分尺、三坐标测量仪等）对铸件的尺寸进行测量，确保其符合设计要求，尺寸精度是衡量铸件质量的重要指标之一，任何尺寸偏差都可能影响铸件的装配和使用性能。
- 无损检测：无损检测是在不破坏铸件的前提下，检测其内部缺陷的方法，常见的无损检测方法有超声波探伤、X射线探伤、磁粉探伤等，超声波探伤主要用于检测铸件内部的裂纹、气孔等缺陷；X射线探伤可以清晰地显示铸件内部的缺陷形状和位置；磁粉探伤则适用于检测铁磁性材料铸件表面和近表面的缺陷。
- 力学性能测试：通过拉伸试验、硬度测试等方法对铸件的力学性能进行检测，力学性能指标（如抗拉强度、屈服强度、伸长率等）直接反映了铸件在实际使用中的承载能力，是判断铸件质量是否合格的重要依据。
铸造工艺流程是一个复杂而又精密的系统工程,从原材料的选择到最终铸件的检验，每一个环节都相互关联、相互影响，随着科技的不断进步，铸造技术也在不断创新和发展，如数字化技术在模型制作和生产过程控制中的应用、新型铸造材料和工艺的研发等，深入研究铸造工艺流程，不断优化各个环节的工艺参数和操作方法，对于提高铸件质量、降低生产成本、推动铸造行业的可持续发展具有重要意义，在未来，铸造工艺将继续朝着高精度、高性能、绿色环保的方向发展，为现代制造业的发展提供更加坚实的支撑。
