永冠杯 铸造工艺设计大赛 参赛作品 - 图文

“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛

“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛

参赛作品

铸件名称：B-十字头

自编代码：AB1990ZP

方案编号：［单击此处键入方案编号］

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“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛

目 录

1零件概述……………….………………………………………………………….…...…1

1.1零件信息…………….…………………………………………………………. ...1 1.2技术要求…………………………………………………………………….…… 1 2铸造工艺方案拟定…..…………..……………………………………………….………1

2.1 铸造方法选择…………………………………………….…….…. …………….1 2.2 分型面选择……………………………………………………………………….1 2.3浇注位置选择………………….………………………………………………….2 3铸造主要参数…………………………………………………………………………….3 4 浇注系统设计计算………………………………………………………………………3 5 冒口设计…………………………………………………………………………………4

5.1模数与补缩分析…………………………………………………………………..4 5.2冒口尺寸设计……………………………………………………………………..5 6模拟与优化……………………………………………………………………………….6

6.1Procast主要参数设定…………………………………………………………….6 6.2整体思路…………………………………………………………………………..7 6.3模拟结果及分析…………………………………………………………………..8

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6.3.1表面状况…………………………………………………………………....8 6.3.2内部缩孔情况………………………………………………………………..…...9 6.4加冒口模拟…………………………………………………………………………..…..10 6.5加冷铁模拟………………………………………………………………………….…...11 7砂芯设计………………………………………………………………………………………...13 8模板……………………………………………………………………………………………...14 总结……………………………………………………………………….………………………..14 参考文献……………………………………………………………………………..... …............14 附图…………………………………………………………………………………………………14

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1零件概述

1.1零件信息

名称：十字头 材料： QT450-12

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外形尺寸：1140×605×256mm 体积: 41.878×10 cm

质量: 302kg 生产批量：中小批量生产（自定） 零件三维图如图1.1所示，具体尺寸件附件1。 图1.1 零件三维图

1.2技术要求

（1）铸件加工后，加工面不得有任何的铸造缺陷，非加工表面不得有明显的夹渣、凹陷，

上下型错模不得大于1mm。

（2）保证该件受力较大的工作部分的力学性能。

2铸造工艺方案拟定

2.1 铸造方法选择

基于铸件的生产批量、铸件材料、尺寸、精度及技术要求等综合考虑，采用木模，自硬树脂砂，手工造型。

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2.2 分型面选择

按最大截面原则，选择分型面如图2.1所示。在凸耳部分平面突出，周围仍是平坦的面便于模样加工与铸造过程中起模、合箱。

2.3浇注位置选择

图2.1 分型面示意图

由于铸件较长，为保证均匀充型，型腔内金属液温差不至于过大，金属液通过内浇道从铸件两头倾斜注入。内浇道搭接在两头的侧面上，易于清理，保证铸件表面质量美观。内浇道要与凸耳保持间距，且防止冲芯，一端设置一个内浇道。

分型面的位置确定后，铸件的浇注位置如图2.2所示有正放、倒放两种方式。从铸件质量与生产工艺考虑，正放、倒放有各自的优劣，具体分析如下。

A) 正放

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B ) 倒放 图2.2浇注位置

正放：优点1）铸件大部分位于下箱，温度分布较合理，冒口位置设计较灵活，利于补缩。

2）减重沉孔由砂胎形成，避免吊砂； 3）凸台加工面在下，其质量较好

缺点 1）质量要求较高的凸耳位于型腔上部，其质量可能受影响。

倒放：优点 1）重要部位凸耳在下部，其质量可能较好。

缺点 1）型腔大部分在上箱，上砂箱偏高，易产生跑火等缺陷。 2）减重孔处需吊砂，砂型受到烘烤易产生落砂等缺陷。

3）冒口如设在最高面需冒口砂胎工艺，如设在分型面有效体积较小，出品率低。

在未知铸件质量的条件下，很难对两种浇注位置取舍。故将正放命名为A方案，倒放命名为B方案，分别对其进行设计分析。

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3铸造主要参数

加工余量：根据零件加工部位的基本尺寸及精度要求，两端φ115孔间距、孔径尺寸、表面粗糙度要求高，按图纸所给加工余量为7.5mm，另外凸耳上的φ70圆有装配公差要求，留5mm加工余量。其它为5mm 加工余量。

不铸出孔：该铸件中心部位?42沉头孔与?28通孔加加工余量后，直径过小，下芯困难，且难保证中心度精确，故不铸出。凸耳上? 16螺纹孔、侧面凸台? 5.3过小不铸出。

收缩率：铸造收缩率取1%。

拔模斜度：为分型方便，减重孔处拔模斜度取0.8，其它地方取0.6。

铸件质量：用UG造型，在封闭不铸出孔，增加拔模斜度后计算得铸件体积41.677×10 cm3,质量310 kg。

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oo

4 浇注系统设计计算

铁液经球化,孕育处理后，温度下降，易氧化。因此要求浇注系统能大流量输送铁液，又有一定的挡渣能力。故我们选择球墨铸铁常用的半封闭式浇注方式，它充型速度较快，又有挡渣能力，充型平稳。

用奥赞公式如公式4.1可计算阻流截面积：

GL?Ag?0.31utHpGL为浇注重量，铸件质量Gc?310kg，

【1】

4.1

出品率??60~75% ， 估算GL?Gc/??520kg。

u浇注系统流量损耗因素，查表得干型中小铸型阻力u?0.5；

t浇注时间 t?SGL?1.3*520?29.64s，取t?30s 。

Hp为平均静压力头高度。

因为有两种方案，故分别对其最小截面计算。

正放方案浇注，凸耳处高度较小，可近似认为是顶注式Hp?H0取280mm 试中H0为上箱高度+浇口杯高度。

倒放方案可近似认为是底注式，Hp?H0?C/2。

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式中C为零件高度C≈170cm，H0取365mm得Hp=280mm。 两种方案计算的的平均静压头Hp=280mm =28cm 故两方案的最小面积相等：

?Ag?5200.31?0.5?30?28?21.13cm2

内浇道个数n=2, Ag=21.13/2=10.5cm2 ； 取半封闭式浇注系统比例设计为：

?A:?A:?Asrug?1.4:2:1

取内浇道截面为梯形尺寸为58mm/63mm×18mm,即Ag=10.8cm2。 横浇道截面尺寸为梯形38mm/50mm×50mm ，Aru==22 cm ，

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直浇道截面尺寸为圆形直径为φ64mm ，As=32.2 cm。

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5 冒口设计

球墨铸铁凝固时具有糊状凝固的特性，按传统冒口设计方式，应在铸件的热节处放置冒口，将缺陷引入冒口内，减小缩松缩孔；由于球墨铸铁凝固过程中有石墨化膨胀，可以利用球铁的共晶膨胀补偿铸件缩松缺陷。这种补缩方式不仅提高工艺出品率，而且比传统冒口有更好的效果。故采用冒口对铸件进行液相收缩进行补充，利用凝固过程中的共晶膨胀实现自补缩的思想设计冒口。

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5.1模数与补缩分析

通过对铸件模数划分，分析补缩位置，进行冒口设计。铸件模数计算具体见表5.1。

分区 1 2 3 4 体积 9756.876 7775.994 3166.077 4417.55 体积份额 38.85% 30.96% 12.61% 17.59% 表面积 2558.4 2752.672 2089.713 1503.191 质量 72.201 57.542 23.428 32.689 模数cm 3.81 2.82 1.51 2.93 图 5.1 模数与热节

图 5.2 模数体积份额图

表 5.1 模数表

分析如下：

如图4.1红色圈表示热节，这些位置较厚，容易产生缩松缩孔缺陷。 将铸件所示部分分为4个分区，凝固顺序是1、2、4、3。

3分区模数最小，换热面较大，冷却速度快，较其他分区先进行液态收缩与共晶膨胀，在3分区设置浇道和冒口，为其提供液态补缩，让它的膨胀压补充2、4区。冒口内浇道靠近热节但不在热节上，避免了接触过热，较合理。

由于该铸件模数大，树脂砂砂型强度高，完全可以设置压力冒口对铸件液态补缩。因此，我们选择补缩效率高、冒口颈短薄宽的压边冒口。当球铁铸件液态收缩终止时，冒口颈适时凝结。利用铸件膨胀压力补偿二次收缩，消除缩松。

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5.2冒口尺寸设计

冒口补缩体积 V0?V??；

V0为补缩区内铸件液态收缩体积；?金属的液态体收缩率，一般球铁取为4%；

用UG造型得铸件体积V=41.677×10 cm；

压边冒口液态补缩体积：V0=41.677×10×4% =1.66×10 cm；

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3

3

3

3

液态补缩量G0??V0=7.4×1.66=12.3 kg；每个冒口液态补缩量G=6.15 kg 冒口颈模数计算

MN?tp?1150tp?1150?LCMc 【1】

tp为浇注温度，取为1350℃；L为铸铁结晶潜热取220?103J/kg；

C为铁液比热容取835J/kg.K 。

冒口颈模数

MN=

1350?1150?Mc?0.431?Mc 3220?101350?1150?835冒口置于3分区时，冒口颈模数为MN?0.431?1.51?0.65cm 。

因要求液态补缩终止时冒口颈即凝结，压边截面积不能过大，查表取压边宽度10mm,长度100mm。

根据冒口液态补缩量，冒口颈模数，查表取冒口尺寸为100×100×150。 即所设计冒口体积VR?1.655?10cm，质量GR?11.4kg。

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6模拟与优化

在得出正放、倒放两种方案后，难以对其取舍，用procast软件模拟球铁件的充型凝固过程，分析铸件质量，选择合适方案。

6.1Procast主要参数设定

对实体网格划分后，进行边界条件与参数设置。为更接近球铁的模拟效果，我们经过多次修改试验，选择较成功的数据。重要参数如表4.1所示。

表4.1 procast 主要参数设定

材料赋值 传热系数 树脂砂

金属浇注温度 浇注速度 重力加速度 1.1m/s 9.8m/s2 HEAT AIR-cooling 铸件与砂型之1350℃ 间500W/m2/K

6.2整体思路

用 procast模拟对两种方案的成形结果预测。采用控制变量法，对正放、反放两种方案不加冒口模拟，分别对其表面质量、内部缺陷进行比较，结合实际手工砂型工艺特点，选择一个可行性较高的方案。再加冒口改进，加冷铁进一步优化铸件质量，做到工艺最简洁，效益最高。具体思路如图 4.1 所示

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A、B两组方案 1. 无冒口，暴露缺陷位置 两组方案分别无2. 为方案优冒口模拟 化铺垫 评价标准 2. 表面质量 3. 内部缩孔 选择合适的方案 方案进一步优化 得出较合理方案 图6.1 模拟优化思路

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解释理论分析

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6.3模拟结果及分析

6.3.1表面状况

铸件冷却到450℃左右时的表面质量情况。

、

图6.2方案A 正放铸件表面凹陷

图6.3方案B 反放铸件表面缺陷

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从表面质量来看，正反放两种浇注方式铸件上表面局部区域有少量凹陷，说明球铁铸件虽有共晶膨胀，但该件还不能完全自补。在实际生产中调研，球铁件的无冒口工艺要求较高，对冶金质量，铸件结构都有一定要求。故该件仍需补缩措施。

6.3.2内部缩松情况

图6.4 方案A正放缺陷

图6.5 方案B反放缺陷

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从内部质量来看，两种方式都没有较大缩松缩孔，部分热节处有少量缩孔。铸件下部分液态收缩可由上部提供铁液，故下部分内部质量较好。故正放凸耳位置较高，有一定缩孔。但凸耳处散热条件较好，凝固早，缺陷影响不大。

通过以上分析看出，由于球铁的膨胀效果，两种方案铸件质量相差不大，而A方案浇注位置正放的工艺要简单，故我们选择正放浇注。

6.4加冒口模拟

选择正放浇注方式后，正放铸件缺陷需通过冒口补缩完成。加冒口后的模拟结果显示，铸件表面质量与内部缺陷问题均有改善，如图4.5、图4.6所示。

图 6.6 加冒口后表面无缺陷

图 6.7 加冒口后内部质量

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在设计中，我们只对球铁件液态补缩，浇道在充型完成后适时凝固，冒口完成液态补缩后，冒口颈凝固，铸件凝固收缩利用共晶膨胀进行自补缩，如图6.13所示。

T=33s 充型完成 T=167 s 内浇道凝固 T=619 s 冒口颈凝固 T=1280 s 冒口凝固 图6.13 冒口颈凝固示意图

从模拟结果来看，我们用液态补缩原理，设计压力冒口利用石墨化膨胀。用UG计算三维造型冒口浇注系统质量为60kg,出品率??G0G0?GR?310310?60?83%,整个铸造件出品率高达83%，

比一般通用冒口设计出品率高很多，铸件质量也较好，故而这是我们的优化方案。

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7砂芯设计

侧边凸耳三个圆孔同心，可共用一个砂芯。φ100圆柱孔较大，要下芯。铸件底部有四个减重孔，如图7.1所示。2、3号减重孔较深，考虑下芯工艺复杂与分型的方便性，在砂胎内增加骨架，增加砂胎的强度，又方便分型。1、4号孔可以设砂胎简化工艺。砂芯分布如图7.1所示。

制造方法 ：壳芯树脂砂壳芯法制芯。粘结剂：酚醛树脂。

技术要求：砂芯表面光洁，紧实度均匀，硬化强度高，可多次使用。 砂芯尺寸：如图7.2、图7.3所示： 图7.1 砂芯位置

图7.2 竖直砂芯尺寸 图7.3 水平砂芯尺寸

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8模板设计

上、下模板示意图如图8-1、8-2所示。砂箱根据生产车间实际情况定。保证铸件周围吃砂量为100mm以上。因球铁件凝固时有膨胀压，要求上下箱用箱卡夹紧，避免铸件变形。

图8.1 上模板三维图 图8.2 下模板三维图

结论：

1、采用手工砂型铸造工艺生产铸件，造型方案选择a方案（正放）。

2、冒口设计采用模数法，并利用球墨铸铁共晶膨胀进行补缩，减小冒口尺寸，提高工艺出品率；

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参考文献

（1）李弘英 赵成志 主编. 铸造工艺设计. 北京:机械工业出版社. 2005.2 （2）（美国）卡塞 . 灰铁和球铁件冒口设置方法 现代铸铁 . 1981年 3期

（3）李晨希主编. 铸造工艺设计及铸件缺陷控制 . 北京:化学工艺出版社. 2009.1。 （4）李远才.铸型材料基础 . 北京：化学工业出版社. 2009.5。 （5）吴德海. 球墨铸铁. 北京：中国水利水电出版社. 2006.11

（6）周垣.对“均衡凝固技术”几个基本问题的讨论 . 现代铸铁 2004年 5期

（7）毛洪奎 . 球铁件凝固过程数值模拟技术研究 .

附图：

十字头铸造工艺图

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华北工学院硕士学位论文 2003

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0osw.html