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 083

5.1 砂模鑄造和造模程序 濕砂模 是由濕模砂所製成 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

5.1 砂模鑄造和造模程序 084

5.1 砂模鑄造和造模程序 泥砂模 呋喃模 主要用於大型鑄件 製造這種鑄模費時甚久，故應用不廣 通常可以消失模型配合砂心以製造之 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

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 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

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 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

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 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

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) 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

5.1 砂模鑄造和造模程序 式中 087

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： 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

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 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

5.1 砂模鑄造和造模程序 086

5.1 砂模鑄造和造模程序 鑄件重量 式中 089

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

5.2 流道系統及凝固特性 式中 089

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

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 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

5.2 流道系統及凝固特性 090

5.2 流道系統及凝固特性 091

5.3 模型 092

5.3 模型 裕度 收縮 (shrinkage) 起模 (draft) 加工 (finish) 變形 (distortion) 5.3 模型 裕度 收縮 (shrinkage) 起模 (draft) 加工 (finish) 變形 (distortion) 搖動 (shake) 092

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 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

5.4 可取出模型 094

5.4 可取出模型 094

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 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

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) 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

5.5 模砂的技術 砂模和砂心的硬度試驗 096

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

5.5 模砂的技術 097

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

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

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

5.5 模砂的技術 098

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 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

5.5 模砂的技術 099

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 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

5.5 模砂的技術 099

5.5 模砂的技術 100

5.6 砂心 砂心 ( 或心型 ) 可定義為“ 任何凸出於 砂模中之部份 ” 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

5.6 砂心 濕砂心 101

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) 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

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 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

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 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

5.6 砂心 103

5.7 造模設備 104

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 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

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

5.7 造模設備 震搗 - 擠壓機 105

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 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

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 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

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 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 106

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 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 107