引言
鑄造結構設計是一項平衡的藝術。你既要確保零件能夠正常運轉，又要避免一半的產量報廢。
以下30個關鍵點摒棄了理論，直擊要點。它們注重實踐，並根據工廠車間的實際需求進行組織。首先，能否進行澆鑄？這是製程可行性。其次，它能否承受衝擊？這是結構完整性。第三，如何處理內部空間？這是空腔和型芯設計。最後，如何降低成本並提高可靠性？這是加固和簡化。
每一點都針對一個實際問題。請將它們結合起來使用。
什麼是鑄造？為什麼鑄造結構設計很重要？
什麼是 選角?
操作人員將熔融金屬或塑膠倒入模具中。待其冷卻硬化後，即可取出零件。
為什麼鑄造結構設計很重要？
設計精良的鑄件從模具中取出時表面乾淨，僅少量缺陷。模具結構簡單，工廠生產運作順暢，無需頻繁停機。
但設計不佳呢？厚壁部分內部會出現收縮空腔。表面附近會出現氣孔。沙子會滯留在難以觸及的地方。零件冷卻時會發生翹曲。在落錘敲擊過程中會發生開裂。
忽略鑄造設計規則的成本影響
代價要付出多次。
首先，模具需要返工，這會耗費時間和金錢。然後是生產過程，廢品率居高不下，零件遺失，生產進度延誤。
後續加工是為了彌補鑄造過程的不足，這導致零件單價上升。
最糟糕的情況？零件在使用過程中發生故障。導致現場故障。召回。訴訟。
鑄造結構設計的核心目標
第一張草圖中平衡了三個要素：功能、強度、可製造性。
不應先設計出完美的形狀，然後再檢查其是否易於鑄造。規則應該先行，設計應該在規則的框架內進行。
目標是設計出強度夠高、重量夠輕、易於成型、取芯簡單且清理方便的鑄件。這五點都必須滿足。這才是好的鑄件結構設計。
可行性設計－使鑄件易於製造和脫模
1. 分型線設計原理
分縫線要盡量簡潔。一條直線比三條之字形線好。每多一條線，就可能出錯。
這裡有一個實際問題。模具的兩半永遠不可能完全對齊，總是會有微小的錯位。這種錯位會在零件上表現為難看的凸起或台階，而且無法完全加工去除。因此，從一開始就要避免在可見的表面（例如外觀表面）上設置分型線。優秀的鑄造結構設計會將分型線視為功能性決策，而不是事後補救。
2. 表面幾何形狀和脫模劑
注意凹面。這些凹面是向內彎曲的，它們就像機械鎖一樣，會阻礙金屬或塑膠從模具中脫模。凝固後的金屬或塑膠無法在不撕裂的情況下從模具中拉出。鑄造結構設計的一個基本原則是，每個表面都必須朝向拉拔方向，或具有足夠的拔模斜度以便脫模。
將凸起的凸台合併，形成一個更厚實的整體，而不是分散在各處的小凸台。這樣可以簡化整個鑄造結構的設計。
大型鑄件的情況較為特殊。外部的細小凸起——例如小肋條、小凸點、標識——都容易造成問題。它們在脫模過程中容易斷裂，或導致零件沾黏。如果鑄件尺寸較大，請務必保持外部表面清潔。
結構完整性－控制牆體厚度及防止缺陷
剛從模具中取出時外觀完好，但三週後出現裂痕的零件屬於失敗品。鑄造結構設計必須考慮金屬凝固後的情況。
3. 壁厚均勻
厚壁冷卻慢，薄壁冷卻快。這種差異會產生內應力。解決方法雖然枯燥但有效：保持壁厚均勻一致。
如何在不增加截面厚度的情況下提高強度？使用加強筋。加強筋可以增加剛度，而不會產生大的熱點。
這裡有個具體規定：內牆要比外牆薄，外牆的功能只是分隔或支撐。
4. 過渡要循序漸進
不要從厚牆直接跳到薄牆上。那樣會使牆角成為應力集中點，最終導致牆體開裂。
相反，要採用漸弱式過渡。在連接處使用圓角。使過渡更加平緩。
避免兩面牆交會處出現銳角。尖銳的內角容易產生裂縫。採用圓角才是正確做法。
5. 避免製程引起的缺陷
以下三種形狀應避免。
- 大面積的薄水平面會帶來麻煩。澆築時，氣體和鬆散的沙子會浮起來，滯留在這些平坦的「頂板」下方。最終，表面就會出現孔隙或沙粒夾雜。
- 某些形狀會鎖定殘餘應力。零件冷卻時會收縮。如果幾何形狀阻止了這種收縮——例如實心環或完全封閉的盒子——應力就會在內部累積。
- 檢查自由收縮性能。鑄件在凝固過程中必須能夠向內收縮，而不會碰到剛性結構。如果無法自由收縮，就會裂開。這是鑄件結構設計的核心原則。首先要考慮收縮，然後再考慮功能。
芯材和空腔設計－簡化芯材製作並方便砂粒去除
6. 移除核心組件或簡化它們
先問自己一個問題：你真的需要那個內部空腔嗎？能否改變零件的功能來避免使用它？
如果必須開孔，請設計成通孔。貫穿式孔比盲孔（即只延伸到牆內的孔）更容易鑽孔。通孔的孔芯有兩個支撐，而盲孔的孔芯只有一個支撐。這唯一的支撐點是薄弱點。
這裡有一個實際目標：使內部空腔幾何形狀與外部形狀一樣簡單。複雜的內部結構意味著複雜的型芯。複雜的型芯意味著更高的廢品率。
7. 核心處理能力
想想核心部分是如何取出的，而不僅僅是它是如何裝入的。
盡量避免使用或盡量減少使用金屬夾片。這些金屬夾片是用來固定芯材的小型金屬支撐件。問題在於，它們會熔化並混入周圍的金屬中。這樣就形成了性質不同的異物夾雜物，而這正是潛在的裂紋萌生點。
設計芯材時，請確保在澆築過程中保持穩定。不穩固的芯材會導致澆築出的空腔也不穩定，這既不精確，也會造成浪費。
8. 把沙弄出來
澆鑄完成後，必須清除芯砂。這並非易事。複雜的內部通道會滯留砂粒。操作人員需要花費數小時進行搖晃、錘擊和沖洗。
設計時應便於清除沙土。較大的開口和筆直的通道都有助於清理沙土。避免設置死胡同，以免沙土藏匿其中。
這裡有一個實用的小技巧：在孔周圍添加凸台。這些凸台是凸起的墊片，可以增強孔周圍的局部強度，同時也能提供一個平整的定位面，方便後續加工。一個小的凸台就能同時解決兩個問題，這才是高效率的鑄造結構設計。
核心原則很簡單：每個核心都會增加成本、風險和人工。盡量避免。如果無法避免，那就簡化它。如果無法簡化，那就設計成易於移除砂土。切勿忽略此步驟。
肋條與整體最佳化－高效率的載重路徑與設計簡化
9. 把肋骨放在它們該在的地方
不要隨意佈置肋條。要考慮載荷方向。力來自哪個方向？肋條必須與力的方向一致。垂直於載重方向的肋條幾乎起不到任何作用。
每根肋骨都應該物盡其用。問問自己：這根肋骨真的能增加穩定性嗎？還是只會增加重量，容易造成肌肉萎縮？
測試方法如下：想像移除肋條，看看零件是否還能正常運作。如果可以，就移除肋條。如果零件失效，就保留肋條，但要精確定位。
10. 簡化整體形狀
將大型複雜特徵分解成更簡單的模組。用十個簡單形狀製作的鑄件比用一個複雜形狀製作的鑄件更容易。
注意載荷路徑。力從零件的某一點進入，穿過結構，最終到達另一點。加強筋和支撐應該完全沿著這條路徑佈置。任何偏差都會產生鑄件設計以外的彎曲應力。
支撐點至關重要。這個鑄件與其他零件的連接點在哪裡？這些位置都是應力集中點。在這些位置增加質量，增加加強筋，不要讓它們過薄。
去除不必要的圓角。沒錯，圓角可以減少尖角處的應力集中。但如果該表面需要後處理，圓角也會增加加工時間。而且，過大的圓角會形成局部增厚區域，而該區域收縮後會形成空腔。僅在需要時使用圓角，在圓角會造成損害的地方省略圓角。
鑄造結構設計的目標並非追求極致的複雜性，而是在保證足夠強度的前提下盡可能減少麻煩。
結語
你已經了解了各個類別。現在，流程可行性才是首要任務。如果流程可行性無法實現，其他一切都無從談起。這是基礎。一旦流程可行性出現問題，專案還沒開始就夭折了。
接下來是壁厚控制。它可以防止常見的缺陷—裂縫、空隙和翹曲。壁厚不均勻的零件必然會失效。這個問題無法透過簡單的檢驗來解決。
核心設計決定了複雜性的上限。每個核心都會增加成本和風險。簡化核心並非出於美觀考慮，而是出於財務考量。
加強筋和載重路徑決定了零件的強度重量比。合理的佈局能使零件強度高，佈局不當則會導致零件重量大且強度仍低。
現在就去應用它吧！
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常見問題
鑄造結構設計與機械加工零件設計有何不同？
機械加工始於一塊實心坯料。你切削掉不需要的部分。坯料已經存在。鑄造則恰恰相反。你從零開始。你將材料倒入空腔中。這些材料必須流動、填充，然後凝固，且不能開裂。
鑄造需要考慮模具填充、凝固和收縮等問題。而機械加工則無需考慮這些。機械加工人員只需要確保坯料夠大即可。
鑄造設計中最常見的錯誤是什麼？
壁厚不均。毫無疑問。它會造成局部過熱點，導致縮孔，並在冷卻過程中使零件變形。來自機械加工領域的設計師往往忽略這一點，因為機械加工零件的厚度變化可以很小，而鑄造零件則不行。
第二個錯誤是忽略了脫模性。複雜的型芯、隱藏的倒扣、以及會將零件卡在模具中的結構，這些都可以在後續加工中實現。但如果沒有取出型芯的方法，就無法進行鑄造。
NOBLE能否幫助我優化鑄造設計，以提高其可製造性？
是的，這正是我們審核流程的目的。
我們會儘早審查您的設計，在您切割鋼材或訂購模具之前。我們會找出問題所在：壁厚不平、拔模角度不佳、無法實現的型芯。然後，我們會告訴您如何解決這些問題。更簡單的模具，更少的缺陷，更低的成本。
這就是儘早引入製造商的價值所在。
本指南是否適用於金屬和塑膠鑄件（注塑成型)?
大多數原理都適用於兩者。金屬鑄造和塑膠射出成型是不同的製程。材料的性能不同，溫度也不同。
但核心概念是相同的：壁厚均勻、拐角處過渡平滑、易於脫模、無殘留特徵。這些規則源自於填充型腔和冷卻零件的物理原理。而這種物理原理並不區分材料是熔融鋁還是熔融塑膠。
兩種方法都請參考此指南。之後再根據材料的具體情況進行調整。
