砂型铸件DFM设计指南：铸件的废品率，在设计图纸阶段就已经决定了

铸件出了缩孔、裂纹、冷隔、夹砂，车间第一反应往往是查工艺、查材料、查浇注温度。很少有人回头看设计图纸。

这是砂型铸造行业里一个长期存在的认知错位。砂型铸造的特殊之处在于，液态金属要在砂型型腔里完成充型、凝固、收缩三个过程，设计图纸上的每一个壁厚、每一个转角、每一个凸台，都会在这三个过程里被放大成具体的缺陷倾向。

同样的合金、同样的砂型、同样的浇注参数，一份合理的图纸可以做出合格率百分之九十五以上的铸件，一份不合理的图纸合格率可能跌到百分之六十以下，而两者在外行眼里几乎看不出区别。

砂型铸件的DFM设计，就是把这些缺陷倾向在设计阶段拦住。不是事后补救，是事前不让它发生。

下面这份指南，把砂型铸件DFM设计拆成七个部分，每一条规则背后都对应着金属液在型腔里真实的物理行为。理解了物理行为，规则就不是死记硬背的条条框框，而是可以举一反三的工程判断。

一、铸件壁厚的设计

壁厚是铸件设计里最基础的参数，也是最容易出问题的参数。

很多工程师在壁厚上犯的错误，根源在于把铸造件的壁厚当成钣金件或机加件的壁厚来处理——只考虑强度和刚度，不考虑液态金属充型和凝固收缩的物理约束。

1.1 铸件壁厚应当合理

决定铸件最小壁厚的因素有三个：铸造合金的种类、铸件尺寸、铸件结构特点。

不同铸造合金的流动性不同，在相同铸型条件下能获得的最小壁厚也不同。同一种合金在不同铸型条件下，最小壁厚也不一样——冷却能力越强的铸型，能获得的最小壁厚反而要越大，否则液体金属充不满，产生浇不足和冷隔。

所以确定壁厚时，既要保证强度和刚度，又要让壁厚大于所用合金的最小壁厚值，保证液体金属能充满型腔。但这里有个反直觉的地方：壁厚不是越厚越好。壁太厚，容易产生缩孔和缩松。

一般铸件的最大壁厚不应超过最小壁厚的三倍。这个三倍的比例，是工程上长期实践得到的经验边界，越过它，厚大截面处的凝固收缩就很难靠补缩来解决。

1.2 在满足使用性能前提下，壁厚越小越好

壁厚小，节约材料、成本低、重量轻。这对降本是直接的贡献。

但壁厚减薄之后强度不够怎么办？办法是用加强筋来弥补。通过合理布置加强筋，可以在减小本体壁厚的同时保证承载能力。这是铸件设计里非常常用的手法，也是后面第五部分加强筋设计要重点讲的内容。

1.3 并非壁厚越厚，力学性能越好

这一条要打破的认知误区很顽固。很多工程师觉得壁厚大一点安全，承载能力强。实际情况正好相反。

厚壁铸件晶粒粗大，组织疏松，容易产生缩孔和缩松，力学性能反而下降。铸件的承载能力并不是随截面积增大成比例增加的——截面积翻倍，承载能力远不到翻倍，因为材料本身的力学性能在退化。

真正想提高承载能力又不增加壁厚，应该选用合理的截面形状。工字形、箱形、T形这些截面，用相同的材料量可以获得高得多的抗弯抗扭性能，这比单纯加大壁厚有效得多。

1.4 铸件壁厚应当均匀

壁厚均匀是砂铸件设计的一条核心原则。

各部分壁厚相差过大，厚壁处会产生金属局部积聚，形成热节。凝固收缩时，热节处最后凝固，得不到补缩，就形成缩孔和缩松。

各部分冷却速度不同，还会形成热应力。薄壁先凝固、先收缩，厚壁后凝固、后收缩，两者相互牵制，在薄壁与厚壁的连接处产生裂纹。这种裂纹往往在铸件出炉后甚至加工后才暴露出来，损失已经造成。

所以在满足使用性能的前提下，要尽可能让壁厚均匀。这里的均匀不是要求所有壁厚完全相等，而是避免出现明显的厚薄突变。

1.5 壁厚分布应符合顺序凝固原则

对于收缩大的合金材料，壁厚分布还要符合顺序凝固原则。

顺序凝固的意思是，铸件各部分按一定顺序凝固，先凝固的部分能从后凝固的部分得到补缩。具体到设计上，就是把厚大部位布置在容易加冒口的上部或外侧，便于合金补缩，防止缩孔和缩松。

还有一个细节容易被忽略：铸件内壁的散热条件比外壁差。内壁被型芯包围，热量散不出去，冷却更慢。所以内壁厚度应略小于外壁厚度，让内壁和外壁的冷却速度接近，避免内壁成为实际的热节。

1.6 壁厚急剧变化时应均匀过渡

壁厚不可避免要有变化时，一定要均匀过渡，不能突变。突变的壁厚会在截面变化处形成极大的应力集中，加上该处往往是热节，几乎必然产生裂纹。

过渡的形式可以是斜面过渡，也可以是圆弧过渡，过渡段的长度要足够，不能为了省事画个直角就了事。

这一条规则看起来简单，但在实际设计里被违反的频率非常高。很多工程师在三维建模时为了图快，直接用直角连接不同壁厚，到了铸造车间就变成批量裂纹的根源。

1.7 一个真实的案例：所谓完美设计为什么会开裂

讲完壁厚的基本规则，有必要插入一个真实案例。这个案例说明，砂铸件DFM的复杂之处在于，规则之间会相互冲突，表面合理的方案可能暗藏致命缺陷。

有一份铸件设计图纸，壁厚看起来均匀，结构对称，加强筋布置得当，从设计审美的角度几乎挑不出毛病。按常规判断，这应该是一份合格的铸件设计。

但铸件做出来后，开裂了。裂纹出现在加强筋与本体的连接处。

问题出在哪里？回到铸造软件里做模拟，发现加强筋的壁厚是侧壁壁厚的两倍。加强筋偏厚，在筋与本体连接处形成热节，凝固收缩时该处最后凝固，得不到补缩，产生缩松，最终在热应力下开裂。

解决办法不是去掉加强筋，而是把加强筋的壁厚减小到与侧壁壁厚相等。筋和壁厚度一致，连接处不再形成热节，裂纹问题随之解决。

这个案例的教训是，砂铸件设计不能只看几何形状是否对称美观，必须看金属液凝固时的实际行为。加强筋偏厚这种问题，看上去确实不重要，但一旦问题那就会成为一个大 麻烦。这就是DFM设计指南的重要性。

二、铸件壁与壁的连接

壁厚确定之后，壁与壁怎么连接是下一个关键问题。连接处的处理，直接决定了铸件会不会在转角处出缺陷。

2.1 壁与壁的连接处应当添加圆角

如果两壁用直角连接，会同时带来三个问题。

第一，内侧散热条件差。直角内侧是型砂的死角，金属液流到这里散热慢，形成热节，容易产生缩孔和缩松。

第二，应力集中。直角处内侧在载荷作用下承受的应力远大于平均应力，是结构上的薄弱点。

第三，结晶方向性。在合金结晶过程中，转角的对角线上会形成垂直于铸件表面的柱状晶，柱状晶在对角线上整齐分界，分界面上杂质和缺陷富集，使转角成为铸件的薄弱环节，在应力集中作用下很容易产生裂纹。

改成圆角结构后，这三类问题同时消除。圆角消除了转角的热节和应力集中，破坏了柱状晶的整齐分界面，明显提高了转角处的力学性能，防止缩孔和裂纹的产生。

圆角还有工艺上的好处。造型时圆角便于起模，浇注时避免了熔融金属对铸型的直接冲刷，减少砂眼和粘砂缺陷。铸件的外圆角还能美化外形，防止尖角划伤人体。

内圆角的取值有工程依据。圆角半径太小，应力集中消除不彻底；半径太大，转角处又变成新的热节。一般来说，内圆角半径取壁厚的0.3到0.5倍比较合适，具体取值要根据连接的两壁厚度比来调整。

2.2 壁与壁的连接处避免锐角连接

两壁夹角小于90度的锐角连接，本质上和直角连接的问题一样，只是更严重。锐角内侧的散热条件比直角更差，热节更明显，缩孔缩松更易产生。

设计上应避免锐角连接，实在避不开时，要把锐角改成钝角，并在内侧加足够大的圆角过渡。

2.3 铸件壁与壁之间应避免交叉

壁与壁的十字交叉或T形交叉，会在交叉点形成厚大热节，几乎必然产生缩孔和缩松。

对中小型铸件，壁与壁的连接应设计成交错接头，让两条壁错开，不在同一点汇合。对大型铸件，可以采用环状接头，把交叉点分散成一个环状结构，避免金属局部积聚。

三、铸件外形力求简单

砂型铸造的造型工作量，很大一部分消耗在外形处理上。外形越复杂，造型越费时，出缺陷的概率越高，成本也越高。外形简单化，是砂铸件DFM最直接的降本手段。

3.1 避免外形侧凹

外形上有侧凹，意味着砂型无法直接从模样上脱出，必须增加型芯来成型侧凹部分。型芯越多，工艺越复杂，成本越高，出缺陷的概率也越大。

设计时应把侧凹结构改成可以正常起模的形状，比如把侧凹的凸台移到分型面处，或者用活块代替型芯。这一条规则在降本上立竿见影——少用一个型芯，不光省了芯盒、芯砂、下芯工时，还少了一处可能出缺陷的源头。

3.2 尽可能使分型面为平面

分型面是砂型的上下两半的分界面。平直的分型面，造型时上下箱直接合型，操作简单，铸件毛边少，便于清理。

如果分型面是曲面或阶梯面，就要用挖砂造型或假箱造型，操作费时，铸件毛边多，清理工作量大。设计时把不必要的分型面圆角去掉，把分型面设计成平面，可以显著降低造型和清理成本。

3.3 凸台和筋条的设计应当便于起模

凸台和筋条是铸件上常见的局部结构。如果它们垂直于分型面且没有斜度，起模时会勾住型砂，造成砂型损坏，需要用活块或型芯来成型。

设计凸台和筋条时，要保证它们能够顺着起模方向自然脱出。具体做法包括：把凸台的高度降低到不影响起模，给凸台和筋条加结构斜度，或者把凸台移到分型面处。

3.4 铸件外形应使得分型面最少

分型面越多，砂型的分块越多，合型误差越大，铸件尺寸精度越低，毛边越多。设计时应尽量让整个铸件用一个分型面完成造型。如果不得不用两个或更多分型面，要重新审视外形设计，看是否能通过简化外形把分型面数量减下来。

四、铸件内腔的设计

内腔是砂铸件设计里最考验功利的部分。内腔必须用型芯成型，而型芯是砂型铸造里成本最高、最容易出缺陷的环节。内腔设计的好坏，直接决定了型芯的数量、固定方式、排气和清理难度。

4.1 使用筋骨形结构代替箱型结构

箱型结构内腔多、型芯多，是砂铸件设计里要尽量避免的。筋骨形结构把内凸台移到外壁上，把凸块和凹槽设在分型面处，可以少用甚至不用型芯，大幅简化铸造工艺。

4.2 铸件内腔应当简化

内腔每多一个拐角、多一个凸台、多一个凹槽，就多一处需要型芯成型的部位，也多一处可能出缺陷的源头。内腔简化，可以少用和不用型芯，简化铸造工艺。

简化的思路是把不必要的内腔结构去掉，把必须保留的内腔设计成规则的、便于型芯成型的形状。不规则的内腔，型芯制造困难，下芯困难，清理也困难。

4.3 当铸件内腔较复杂、需用型芯成型时

如果内腔复杂到必须用型芯，就要同时考虑三件事：型芯的固定、排气顺畅、清理方便。

避免使用吊芯。吊芯是悬在型腔里的型芯，固定困难，浇注时容易位移，是铸造缺陷的高发源。

少用芯撑。芯撑是金属支撑件，用来固定型芯位置。芯撑会留在铸件里，成为潜在的渗漏源和缺陷源。

必要时采用工艺孔来加强砂芯的固定和排气。工艺孔是专门为铸造工艺设计的孔，不在零件功能上使用，铸造后可以堵上或保留。工艺孔的作用是让砂芯有可靠的支撑点，同时提供排气通道，让砂芯里的气体在浇注时能排出去，避免气孔缺陷。

五、加强筋的设计

加强筋是砂铸件设计里用得最多的结构元素。用好了，可以减小壁厚、提高刚度、防止变形、消除热节、防止开裂。用不好，加强筋本身反而成为缺陷的源头。这一部分的内容最丰富，因为加强筋的功能多，设计变量也多。

5.1 添加加强筋，增加铸件强度和刚度，防止翘曲变形

平板式铸件在收缩时容易产生翘曲变形。平板面积越大，翘曲越严重。在平板上设计加强筋，可以有效防止翘曲。

这是加强筋最基本的功能，也是最常见的应用场景。

5.2 添加加强筋，消除厚大截面

铸件上如果有厚大截面，厚大截面处容易产生缩孔和裂纹。用加强筋替代厚大截面，可以在保证承载能力的同时，避免厚大截面带来的缺陷。

这是前面1.2节壁厚减薄时提到的手法——本体减薄，加强筋补强，两者配合使用。

5.3 在容易开裂的部位添加防裂筋防止开裂

防裂筋是一种特殊的加强筋，专门用于防止热裂。

防裂筋的方向要与收缩应力方向一致，筋的厚度应为连接壁厚的四分之一到三分之一。这个厚度比例有讲究：防裂筋很薄，在冷却过程中迅速凝固，先于本体冷却至弹性状态，靠自身的强度抵抗收缩应力，起到防裂效果。

防裂筋通常用于铸钢、铸铝等易发生热裂的合金。铸铁因为石墨化膨胀，热裂倾向相对小，防裂筋用得少。

5.4 添加加强筋，改善合金充型，防止夹砂缺陷

浇注时，大面积的水平铸型表面在熔融金属烘烤下容易起皮，引起夹砂缺陷。如果在该处增设一些矮筋，铸型表面呈波浪形，浇注时不易起皮，防止了夹砂。

这种筋同时还有利于合金充型，因为波浪形表面改变了金属液的流动状态，有利于充填。

5.5 筋的设计应尽量分散和减少热节

加强筋本身也是壁，筋与本体、筋与筋的连接处同样会形成热节。设计筋时和设计壁一样，要尽量分散和减少热节点。

具体做法包括：避免多条筋互相交叉，筋与壁的连接处要有圆角，垂直于分型面的筋应有斜度。受力加强筋可以设计成曲线形，必要时在筋与壁的交接处开孔，减少热节，防止缩孔。筋的两端与壁的交接处用圆角过渡，消除应力集中，避免裂纹。

这一条规则和前面那个完美设计开裂的案例直接相关——加强筋偏厚就是热节问题，处理不好就开裂。

5.6 铸铁件的加强筋应处于受压状态

铸铁的抗压强度比抗拉强度高得多，接近于铸钢。这是铸铁材料的特性决定的。因此设计铸铁件的加强筋时，应尽量让筋在工作时承受压应力而不是拉应力。

这是一个材料特性驱动的设计原则。同样是加强筋，铸钢件和铸铁件的布置方式可能完全不同，因为两种材料的强度特性不同。

5.7 加强筋的尺寸应适当

筋的设计不能过高或过薄。过高过薄的筋，在筋与铸件本体的连接处容易产生裂纹，铸铁件还容易形成白口。

处于铸件内腔的筋，散热条件差，应比表面筋设计得薄一些。一般外表面上加强筋的厚度为本体厚度的0.8倍，内腔加强筋的厚度为本体厚度的0.6到0.7倍。

这两个比例系数是经验值，背后是散热条件的差异。外表面的筋散热快，可以厚一些；内腔的筋散热慢，厚了就成热节。

六、铸件上的结构斜度

结构斜度是砂铸件设计里一条容易被忽略的规则。

在铸件所有垂直于分型面的非加工面上，都应设计结构斜度。如果没有结构斜度，铸造工艺人员要在铸造前给出拔模斜度，这样就不必要地增加了铸件的壁厚。

这里要区分两个概念：结构斜度和拔模斜度。

结构斜度由设计零件的人确定，写在零件图纸上，斜度值较大。拔模斜度由铸造工艺人员在绘制铸造工艺图时设计，只对没有结构斜度的立壁给予较小的角度，一般是0.5度到3度。

两者的区别在于：结构斜度是设计阶段就考虑到的，是零件本身的一部分；拔模斜度是工艺阶段的补救措施，是对设计遗漏的弥补。设计阶段就给好结构斜度，可以避免工艺阶段再额外加拔模斜度，后者会无谓增加壁厚，增加重量和成本。

结构斜度的大小随垂直壁的高度而异。高度越小，斜度越大；内侧面的斜度应大于外侧面。这是因为高度小的立壁起模时更容易勾砂，需要更大的斜度来补偿；内侧面起模方向与外侧面相反，斜度要更大才能保证起模顺利。

七、铸件结构设计应考虑铸造性能

前面六部分讲的是几何结构上的设计规则。这一部分讲的是更深一层的内容——铸件结构要适应合金的铸造性能，包括收缩特性、充型特性、热应力特性。

7.1 铸件结构应使铸件自由收缩

铸件在凝固过程中要收缩，结构设计应尽量减少铸造应力，让铸件能自由收缩。

一个经典案例是轮形铸件的轮辐设计。偶数轮辐在收缩时，对称的两根轮辐同时收缩，收缩应力互相牵制，应力过大，容易产生裂纹。改成奇数轮辐或S型轮辐后，轮缘或弯曲轮辐可以产生微量变形，吸收收缩应力，明显减小铸造应力，避免裂纹。

飞轮和皮带轮这类铸件，为防止裂纹，尽可能做成弯曲的或带孔的板状轮辐，原理是一样的——用结构的柔性吸收收缩应力。

7.2 避免设计过大水平面的铸件

铸件上大面积的水平面，会同时带来三类问题。

第一，熔融金属在水平面上上升较慢，不利于充型，容易产生浇不到、冷隔缺陷。

第二，水平面型腔的上表面长时间受灼热金属液烘烤，型砂容易剥落，造成夹砂缺陷。

第三，大面积水平面不利于气体和非金属夹杂物上浮排除，使铸件产生气孔、渣气孔。

把水平面改成倾斜壁，金属液上升速度加快，充型改善，型腔上表面受烘烤时间缩短，气体和夹杂物也更容易上浮排除，上述三类缺陷都可以防止。

7.3 采用对称结构，防止铸件变形

对于较长、容易挠曲的梁形铸件，截面应设计成对称截面。

不对称截面在凝固时，由于壁厚不均，受较大热应力，产生变形。改成对称截面后，虽然壁厚可能仍不均匀，但热应力相互抵消，变形大大减小。

这是用结构对称性来平衡热应力的思路。对称不是为了美观，是为了让收缩应力在截面上对称分布，相互抵消，避免单侧变形。

写在最后｜把规则变成规范

讲完这七个部分，有必要回到DFM的本质。

砂型铸件DFM设计指南里的每一条规则，都不是凭空想出来的，背后都是金属液在砂型型腔里真实的物理行为，背后都是一条条经验和教训的总结。

壁厚规则对应充型和凝固收缩，圆角规则对应散热和应力集中，外形简化对应造型工艺，内腔设计对应型芯工艺，加强筋对应补强和热节，结构斜度对应起模，铸造性能对应收缩和热应力。

理解了这些物理行为，规则就不是死记硬背的条条框框，而是可以举一反三的工程判断。遇到一个新铸件，工程师可以自己分析：这个壁厚会不会有充型问题？这个转角会不会有热节？这个内腔要不要型芯？这个结构能不能自由收缩？

更进一步，把这些规则固化到企业的铸件设计规范里，变成设计评审的检查项，变成三维CAD软件的设计模板，才能从根本上降低铸件废品率和成本。DFM不是设计完之后再补的工序，是从第一笔草图开始就要考虑的设计哲学。

砂型铸造是一门古老的工艺，但古老不意味着粗放。把设计做对，铸件的废品率可以做到很低，成本可以做到很优。这一切的起点，都在设计图纸阶段。