隨著金屬3D列印的出現，金屬鑄造製程在現代製造業中也變得至關重要。鑄造金屬零件可以透過數控加工達到近乎完美的尺寸，鑄造仍然是快速生產複雜幾何形狀的常用方法。
無論是壓鑄、開模鑄造、砂型鑄造，或任何其他主要涉及熔融金屬或塑膠冷卻的鑄造工藝，收縮始終是一個關鍵挑戰。金屬鑄造的收縮會顯著影響鑄件的品質、尺寸、尺寸精度以及完整性。
在本文中，您將了解鑄造過程中的收縮、關鍵的工程挑戰以及最大限度地減少鑄造收縮的方法。
什麼是收縮？
鑄造缺陷
工程學中的收縮是指金屬在鑄模內從熔融狀態凝固時體積的減少。收縮是一種常見的缺陷，由於金屬和合金在從液態轉變為固態的過程中，其材料特性決定了其凝固過程中產生的收縮，因此在鑄造過程中也存在一定程度的允許收縮。
當液態金屬倒入模具時，它幾乎會立即開始凝固，導致體積變化。鑄造參數（例如溫度、冷卻速度和模具設計）必須能夠適應任何收縮，以最大程度地減少收縮。 金屬鑄造缺陷.
鑄造中的收縮有三種類型：
- 液體收縮： 這種收縮發生在熔融金屬從澆注溫度冷卻到凝固點的過程中。熱量的損失使液態金屬凝固，使其收縮並減少體積。
- 凝固收縮： 這是收縮的一個階段，隨著金屬從液態轉變為固態，體積會減少（3-7%）。鋁和銅等合金的液態到固態收縮率較高，因為不同合金的收縮率不同。
- 固體收縮： 整個材料凝固後，固體 金屬鑄件 冷卻至正常室溫後，可能會發生更劇烈的收縮。雖然收縮程度不如前幾種情況明顯，但仍然會破壞任何嚴格的公差，通常被稱為模具收縮，因為這種收縮在模具設計中已經考慮。
收縮缺陷的原因
鑄造金屬的收縮缺陷並非與單一性能相關。雖然金屬的物理性能起著重要作用，但從鑄造設計到製程參數等許多其他因素都可能導致收縮。
餵養系統
澆注系統是金屬或材料流入任何模腔的地方。設計良好的澆注系統，包括冒口和澆口，應確保熔融金屬持續、流暢地供應到所有零件，以補償鑄件收縮。其目的是迫使材料補償任何收縮。
冒口和澆口品質不佳通常會導致液態金屬流動不足，阻礙其在凝固過程中到達鑄模的各個區域。這會導致內部縮孔和縮鬆。對於砂型鑄造來說，這是一個常見問題，因為冒口可能無法為鑄件提供足夠的壓力。
澆注溫度錯誤
收縮的另一個關鍵因素是澆注熔融金屬的溫度。如果澆注溫度過高，可能會導致額外的液體收縮和不均勻的冷卻。這會導致更多的缺陷，並且通常會出現可見的孔隙或不完整的鑄件。
同樣，澆注溫度過低也會導致早期凝固。由於進入鑄件的液體先凝固，它會阻塞或限制液態金屬的流動，尤其是在微通道中，從而導致縮孔。
將熔融金屬倒入鑄件需要技巧和經驗來平衡流動和凝固。
冷卻速率
模具設計、形狀和鑄件的幾何形狀都會影響鑄件的冷卻速度。壁厚是影響冷卻速度的另一個因素。冷卻速度不均勻主要是由於壁厚不均勻或壁厚變化，導致收縮和缺陷難以預測。
具體來說，在註塑成型中，通常的做法是透過加強筋或在鑄模中使用型芯來增強零件，但這可能會導致進一步的困難。定向凝固是最大程度減少收縮並確保部件滿足要求的重要參數。 注塑公差.
合金成分
鋁鑄件
鑄造合金的成分對於確定收縮率至關重要。即使使用鋁，預期的收縮率也相同，但不同的合金會表現出不同的凝固收縮率。鋁合金和銅合金的收縮率相當，但通常高於不銹鋼和鎳合金。
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收縮缺陷的類型
熔融注射成型中的收縮缺陷可分為開放性收縮缺陷和封閉性收縮缺陷。
開放性收縮缺陷
可以透過觀察鑄件表面來識別開口收縮缺陷，因為它們是可見的並且是在熔融金屬不足以凝固收縮時發生的。
管狀結構是指鑄件頂部形成的深錐形孔洞或低窪區域。它是材料在凝固過程中從鑄件表面下方拉出而形成的凹陷。
凹陷是指鑄件冷卻過程中收縮引起的鑄件表面淺凹陷。除了美觀問題外，凹陷並非主要問題。
閉合收縮缺陷
閉式收縮缺陷發生在鑄件內部。這些缺陷在表面不可見，會損害鑄件的物理性能和結構完整性。
內部收縮會導致鑄件內部出現孔洞或空腔。宏觀收縮較大，肉眼可見，是凝固收縮的結果。宏觀收縮常見於截面厚度不一的模具設計。
微縮孔缺陷是指分佈於鑄件各處的微小缺陷和空隙。微縮孔缺陷是由於鑄件設計複雜和凝固不均勻造成的。
鑄造中收縮起什麼作用？
鑄造機
損害結構完整性
收縮缺陷不僅會影響零件的尺寸和大小，還會導致內部出現空隙和孔洞，也就是所謂的孔隙。這會將應力集中在薄弱點，從而削弱鑄件的強度，最終導致零件失效。
尺寸精度
收縮會導致鑄件在冷卻過程中尺寸變化，從而導致其與預期幾何尺寸出現偏差。大多數情況下，這些尺寸變化已在模具設計中考慮，但鑄件公差可能需要額外的加工和研磨操作。
請務必考慮模型製作人員的收縮量，以確保最終鑄件符合尺寸要求。您可以根據鑄件設計的合金成分和幾何形狀計算收縮餘裕。
表面處理
諸如表面塌陷之類的開放性收縮缺陷會導致表面不平整，影響零件的美觀和功能。例如，在 高壓壓鑄 或蠟鑄，收縮引起的表面缺陷需要額外的精加工工序。
如何最大限度地減少鑄造收縮？
優化模具設計
設計模具時，應使用適當的冒口、澆口和足夠的金屬流道來控制鑄件收縮。冒口可以作為收縮時的儲液器，解決諸如表面凹陷之類的開放式收縮缺陷。
澆口設計必須確保流動順暢，並盡量減少澆注和凝固過程中的壁面移動。
控製冷卻速率
鑄造後的金屬齒輪
減少收縮的最佳方法是實現鑄件材料均勻冷卻。定向凝固可用於控製冷卻過程。定向凝固可確保鑄件從一端到另一端逐漸冷卻。
控製冷卻速度的另一種方法是使用冷卻器，即放置在模具中的插入件，可以加速某些部分的冷卻。
使用絕緣體
絕緣體也可以用來控製冷卻速度。絕緣體保持緩慢的冷卻速度，以確保液態金屬的供應。
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結語
鑄造金屬的收縮是製造過程中每個階段都需要解決的難題。從3D零件設計到模具設計，從鑄造參數到表面光潔度，許多因素都會影響收縮。
了解收縮的原因並考慮模型製造者的收縮，可以防止孔隙、表面凹陷等缺陷，並生產出尺寸精度良好的零件。雖然大多數鑄造廠通常對同一組合金使用相似的收縮裕度，但鑄件的幾何形狀可能會帶來差異，這可以透過技能和經驗來彌補。
這使得選擇高品質的 製造服務 可生產高性能鑄件。
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