鐵型覆砂鑄造是在金屬型（稱為鐵型）內(nèi)腔覆上一薄層型砂而形成鑄型的一種鑄造工藝。由于覆砂層比較薄（4～8mm），因此采用比較貴的高質(zhì)量造型材料，在經(jīng)濟(jì)上也是合理的，其結(jié)果是使鑄件質(zhì)量大大改善和廢品顯著減少；由于鐵型覆砂鑄型剛度很好，從而顯著地提高了鑄件的尺寸精度和致密性。德國、前蘇聯(lián)等國于60年代前后開始把鐵型覆砂鑄造應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)球鐵曲軸、剎車轂、剎車盤、缸套、炸彈殼、坦克履帶和電機(jī)底座等30余種鑄件。我國對(duì)鐵型覆砂鑄造的應(yīng)用性研究起始于70年代初，至1979年，浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院和永康拖拉機(jī)廠等單位合作，首次將該工藝用于S195曲軸毛坯的批量鑄造生產(chǎn)，同時(shí)，完成了對(duì)該工藝所生產(chǎn)的球鐵曲軸性能的考核評(píng)價(jià)，在疲勞強(qiáng)度（疲勞極限應(yīng)力σ-1的比較）、斷裂強(qiáng)度（門檻值ΔKth的比較以及斷裂韌性K1C的比較）和使用壽命（10000h臺(tái)架耐久試驗(yàn)對(duì)比）等方面，與砂型鑄造曲軸進(jìn)行了大量的試驗(yàn)對(duì)比，皆優(yōu)于砂型鑄造。在其后的10余年里，該工藝不斷在應(yīng)用中提高完善，至90年代初,已有7家企業(yè)應(yīng)用了該工藝，尤其是單缸曲軸和四缸曲軸的鐵型覆砂鑄造工藝取得了很大的成功。這段時(shí)期的代表企業(yè)是永康拖拉機(jī)廠、上虞動(dòng)力機(jī)廠、望都曲軸連桿廠、皖北曲軸廠、金華內(nèi)燃機(jī)配件廠、常州柴油機(jī)廠等。1991年國家計(jì)委將鐵型覆砂鑄造批準(zhǔn)為國家“八五”重點(diǎn)新技術(shù)推廣項(xiàng)目，并把浙江省機(jī)電設(shè)計(jì)研究院作為該項(xiàng)目的技術(shù)依托單位，這對(duì)于我國鐵型覆砂鑄造技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。我院承擔(dān)了該推廣項(xiàng)目后，在其后的5～6年時(shí)間里基本上解決了鐵型覆砂鑄造用于批量生產(chǎn)的一系列問題。主要是：①設(shè)計(jì)和定型了覆砂造型機(jī)，解決了長期以來由射芯機(jī)改裝代用的問題；②定型規(guī)范了標(biāo)準(zhǔn)的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線，使原來比較簡單的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線得到了改進(jìn)，在上海球鐵廠等企業(yè)應(yīng)用；③鐵型覆砂鑄造應(yīng)用擴(kuò)大到鑄造工藝難度較大的一些鑄件，例如六缸曲軸和三缸曲軸等；④將覆膜砂引入鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)中，大大提高了覆砂造型質(zhì)量；⑤鐵型覆砂鑄造工藝設(shè)計(jì)進(jìn)一步規(guī)范，設(shè)計(jì)水平也大大提高，并開發(fā)了鐵型覆砂鑄造過程的計(jì)算機(jī)模擬軟件和引入了鐵型覆砂鑄造工藝的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。目前，全國已有近百家企業(yè)應(yīng)用了鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)球鐵曲軸、凸輪軸、平衡軸、耐壓閥體、缸套，耐磨齒盤等30余種鑄件，估計(jì)年產(chǎn)鑄件在10×104t左右。比較典型的企業(yè)有上海汽車鑄造總廠球鐵廠、沈陽第一曲軸廠、廣西百礦集團(tuán)、宜興機(jī)械總廠、山東九羊集團(tuán)、浙江曙光曲軸廠、本溪天緣曲軸廠、保定電影機(jī)械廠、山西潞城曲軸廠、河北辛集曲軸廠等。但是由于這些企業(yè)引入該工藝的方式不同：有委托我院進(jìn)行設(shè)計(jì)或承建的，也有自行仿造開發(fā)的。因此他們對(duì)鐵型覆砂鑄造工藝的掌握程度相差甚遠(yuǎn)。僅以鐵型覆砂鑄造廢品率為例，不少掌握得比較好的企業(yè)可穩(wěn)定在3%左右，取得了非常好的經(jīng)濟(jì)效益。但也有少數(shù)企業(yè)的鐵型覆砂鑄造廢品率卻高達(dá)20%左右，這大大地抵消了該工藝來該產(chǎn)生的的經(jīng)濟(jì)效益。究其原因，發(fā)現(xiàn)是由于這些企業(yè)還沒有完全掌握該工藝的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)要領(lǐng)，以及疏于生產(chǎn)管理所致。鐵型覆砂鑄造工藝設(shè)計(jì)及實(shí)際生產(chǎn)主要解決：①鐵型壁厚和覆砂層厚度及二者的配合，以滿足不同壁厚和不同材質(zhì)鑄件對(duì)凝固和冷卻的不同要求；②便捷和經(jīng)濟(jì)的覆砂成型方法，以滿足不同鑄件對(duì)表面質(zhì)量和尺寸精度的要求；③工藝參數(shù)。如澆注系統(tǒng)、射砂系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等的確定；④批量生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。例如生產(chǎn)線及覆砂主機(jī)和輔機(jī)的設(shè)計(jì)定型；⑤工藝規(guī)程的制定，例如澆注、冷卻和開箱等規(guī)程，以及鑄件成分的調(diào)整等。2鐵型覆砂鑄造的熱交換特點(diǎn)液態(tài)金屬澆入鐵型覆砂鑄型以后，“鑄件——覆砂層——鐵型”是一個(gè)不穩(wěn)定的熱交換系統(tǒng)。為了使問題簡化，假設(shè)鑄件是半元限的；并假設(shè)系統(tǒng)中各組元的溫度場按直線規(guī)律分布的。圖1表示系統(tǒng)的一部分，顯然，同樣的比熱流q通過了系統(tǒng)中各個(gè)組元：