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機械製造
Manufacturing Processes and Systems 9E
第5章
傳統鑄造法
目錄
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
砂模鑄造和造模程序
流道系統及凝固特性
模型
可取出模型
模砂的技術
砂心
造模設備
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
 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
 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
 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 1 2 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
 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：
1. 檯上模造法 (bench molding)
2. 地面模造法 (floor molding)
3. 地坑模造法 (pit molding)
4. 機械模造法 (machine molding)
5. 可取出模型 (removable patterns)
6. 可消失模型 (disposable patterns molds)
083
5.1 砂模鑄造和造模程序
FN  A(   h)  (Wc  Wsc )
式中
FN  必須加上的淨力或重量，磅 ( 公斤 )
A  在分模線上的金屬面積，呎平方 ( 公尺平方 )
  金屬密度，磅 / 呎 3 ( 公斤 / 公尺 3 )
h  上砂箱高度，呎 ( 公尺 )
Wc  上砂箱重量，磅 ( 公斤 )
Wac  上砂箱中的砂重，磅 ( 公尺 )
087
5.1 砂模鑄造和造模程序
6.
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
 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
Wp / Dp  Wc / Dc
Wp 和 Wc  分別為模型和鑄件的重量，磅 ( 公斤 )
Dp 和 Dc  分別為模型和鑄件之密度，磅 / 呎 3 ( 公斤 / 公尺 3 )
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
A1 / A2  (ha / hb )1/ 2
式中
A  截面積 ft 2 (m2 )
ha  澆池之金屬壓力頭高，ft (m)
hb  澆池及澆道金屬壓力頭高，ft (m)
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：
1.
2.
3.
4.
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)
 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
 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 (SiO 2 )，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 2400 F - 2800 F ，鋼
則在 2750 F - 3000 F 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
1.
透氣性 (permeability)
2.
強度 (strength)
3.
耐火性 (refractoriness)
4.
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
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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
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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
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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
 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
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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：
1. 更均勻地分配砂晶粒周圍的黏結劑
2. 控制水份含量，濕潤砂粒表面
3. 自砂中去除外來雜質
4. 充氣於砂中，不致於有過緊而有更良好的
造模條件
5. 降低模砂溫度至常溫
099
5.5 模砂的技術
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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 ”

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)
 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
 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
 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
 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
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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
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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
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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
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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
 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
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