铸件质量取决于其冷却速度,因而研究铸件冷却控制具有重要的意义。控制铸件冷却有一些传统方法,然而目前鲜有在铸造领域应用空腔结构的研究。空腔结构具有保温作用,同时又可以向其内部通冷却介质从而加强冷却。随着3D砂型打印技术的发展,具有空腔结构的砂型的成形成为了现实。本文对采用中空砂型控制铸件冷却开展研究,对于提高铸件质量具有重要意义。提出了在砂型中设计空腔结构的思路,用于铸件的控制冷却。空腔结构内空气导热系数小,因此空腔结构具有保温作用,可用于冒口或薄壁部位的保温。当对空腔结构通冷却介质时,可以使空腔结构加强冷却。直接采用空腔结构或在空腔结构中通冷却介质可以实现铸造过程中不同阶段不同部位根据保温或加快冷却的要求,从而实现提高铸件性能和控制残余应力的目的。在空腔结构内部设计了常规的隔板支撑结构及蜂窝状支撑结构。设计的具有空腔结构的砂型可直接用于3D打印。研究了空腔宽度、空腔与铸件之间的壳厚、空腔层数等空腔结构参数及浇注温度和保温效果的关系。数值模拟结果表明,相比于密实铸型,空腔能够有效的减少热流量,起到保温作用,因此能延缓该部位金属液的凝固。空腔结构适用于浇注温度较低的金属。对于铝合金铸件,要达到最佳的保温效果,空腔结构的最佳层数范围为3~4层,空腔的最佳宽度范围为10~15mm,空腔与铸件的最佳壳厚范围为5~10mm。将空腔结构砂型应用于应力框和棒状铸造试件,并进行浇注实验研究。结果表明,空腔结构具有保温作用,三层空腔结构使冒口凝固时间延长30%,使得冒口内的缩松缩孔区域移向冒口顶部。在应力框铸型中细杆部位设计了可敞开的空腔结构,对细杆部位凝固期间对敞开的空腔进行吹风,强制对铸件细杆冷却,结果表明,细杆的微观组织的二次枝晶臂间距减小,硬度提高。在铸件凝固后,停止吹风,闭合空腔结构,使其起保温作用,结果表明,在铸件凝固后,空腔结构缩小了细杆与粗杆的温度差,三层空腔结构保温的细杆部位的残余应力降低了30%。