A件铸造说明书（按第四届大赛作品模板排版） - 图文

“永冠杯”第四届中国大学生铸造工艺设计大赛

参赛作品

铸件名称：A-熔胶座移动板

自编代码：AA000003

方案编号：

“永冠杯”第四届中国大学生铸造工艺设计大赛

目 录

摘 要…………………………………………………………………………………..1 1零件结构特点、技术要求与分析………………………………………………….…..1 1.1 零件结构特点………………………………………………………………….. 2 1.2 零件技术要求………………………………………………………………….. 2 1.3 零件生产分析………………………………………………………………….. 2 2零件的铸造工艺性分析…………………………………………………………….…..3 2.1 零件的最小壁厚……………………………………………………………….. 3 2.2 零件的临界壁厚……………………………………………………………….. 4 2.3 零件壁的过渡与连接………………………………………………………….. 4 2.3.1 Y形接头……………………………………………..……………...…....4 2.3.1 无限薄壁……………………………………….…………………...…....4 2.4 铸造工艺对零件结构的要求………………………………………………….. 5 3 浇铸位置与分型面…..……………………………………….…………………….…..5 3.1 浇铸位置的确定………………………………………….………………...…...5 3.2 分型面的确定..…………………………...……………….………………...…...7 4 机械加工余量…………………………………………………………………………...8 5 砂芯的设计…………………………………………...………………………………...11 5.1 砂芯的形状..………………………………………………...……………...…...11

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5.2 芯头的结构尺寸..………………………………………….……...………...…..12 5.3 芯骨的设置..……………………………………………….…………..…...…...13 5.4 砂芯的排气..……………………………………………….………………...….15 6 各工艺参数设置……………………………………….……………………………….16 6.1 起模斜度..………………………………………………….………………...….17 6.2 铸造收缩率..……………………………………………….………………...….18 7 浇铸系统设计……………………………………………….………………………….19 7.1 浇铸系统类型..…………………………………………….………………...….19 7.2 浇铸系统结构..…………………………………………….………………........20 7.3 浇铸系统各组元尺寸………………………..…………….………………...….20 7.3.1 平均静压头…………………………..………….…………………...…..20 7.3.2 各浇道横截面尺寸…………………..………….…………………...…..21 7.3.3 浇口杯尺寸……………………………..……….……………....…...…..22 8 补缩系统设计………………………………………….……………………………….22 8.1 冒口的类型和位置………………………………..……….………………...….23 8.2 冒口的尺寸计算…………………………………..……….…...…………...…..24 9 合箱图及铸造工艺卡……………………………….………………………………….26 10 铸造工艺优化………………………………………...……………………………….28 10.1原始工艺方案中铸件的充型和凝固分凝固分析………………….……...…..28

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10.1.1金属液充型过程分析.…………………...…...........................................28 10.1.2 平均静压头…………………………………….…………………...…..30 10.2 铸件冒口的优化………………………………….………………...….............32 11 工艺装备及生产…………………………………...……………...…………………..33 11.1 模样………………………………………………………...…………………..33 11.2 型砂芯砂配置………………………………………………………………….33 11.2.1 原砂的选用…………………………………….…………………...…..33 11.2.2 树脂粘结剂的选择……………………………..…………………...….33 11.2.3 固化剂的选择………………………………….….………………...….34 11.2.4 附加物的选用………………………………….…………………....….34 11.2.5 涂料…………………………………………….…………………..…...34 11.3 砂箱…………………………………………………………………………….34 11.3.1 砂箱的结构尺寸……………………………….………………….........35 11.3.2 砂箱的定位…………………………………….…………………..…...36 11.4 芯盒…………………………………………………………………………….37 参考文献…………………………………..……………………………………….....…...40 附 图………………………………..………………………………………...….....…41

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摘 要：

铸造是通过熔炼金属，制造铸型，并将熔炼金属液浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法。在机器制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。而铸造工艺（造型、制芯、浇注、落砂、清理及其后处理等）是铸造生产的核心，是能否生产优质铸件的关键。

本次进行设计的零件为球墨铸铁件，选择浇铸方式为重力铸造；型砂和芯砂选择呋喃树脂自硬砂造型。。

作者针对零件（A-熔胶座移动板）的图纸和设计要求，用CATIA V5和Pro/E创建了零件的实体模型；分析零件的材质、生产条件等因素，采用手工造型造芯的生产方法；考虑零件技术要求，工作条件等因素，计算确定了零件的各项工艺参数（机械加工余量、起模斜度、铸造收缩率等）；通过对零件结构的分析对比，确定了铸件的浇铸位置和分型面；结合铸件材料的分析，设计采用底注-开放式浇铸系统，并应用比例法计算出浇铸系统各组元的截面尺寸；对于补缩系统的设计，作者对铸件模数进行了计算，并在此基础上设计了相应尺寸的压边冒口。

在以上工作基础上，作者应用Hypermesh软件对整个系统进行剖分网格，采用ProCAST软件进行了QT500-7球墨铸铁金属液对零件进行充型及凝固过程的数值模拟，优化工艺，减少或消除铸造缺陷，最终确定工艺方案，缩短新产品的试制周期，降低生产成本，提高生产效率。

在文末，作者对铸件进行了简单的工装设计。

关键词：铸造，工艺设计，球墨铸铁件，呋喃树脂自硬砂，数值模拟

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1 零件结构特点、技术要求与分析

题目“A-熔胶座移动板”为板壳类零件，起移动、支撑的作用。零件整体结构对称；上下表面与侧面为工作表面；上表面六个孔（4个M24螺纹孔，一个Φ36锥底光孔，一个Φ110阶梯孔），4个油槽分别在四角；下表面有48个M8螺纹孔，6个为一组，两侧各4组；零件中空，分布有6个环形的加强肋；零件上下表面内凹的非加工部分分布有8个方形通孔（上表面3个下表面5个），减轻了零件的重量。零件其他描述如下:

1.1零件结构特点

（1）零件名称：熔胶座移动板 （2）材料：QT500-7球墨铸铁

（3）零件特点：最大宽度860mm，最大长度1510mm，最大高度300mm，体积

0.13m3,总重量945.635kg。 （4）零件形状如图1.1所示：

图1.1 零件空间形状 1.2零件技术要求

零件设计技术要求如下：

（1）球墨铸铁符合标准GB/T1348-2009，必须保证机械性能； （2）球化等级需达到4级以上；

（3）凡有加工符号的表面留有加工余量； （4）呋喃树脂砂造型；

（5）铸件不得有砂眼、气孔、裂纹等缺陷； （6）未注铸造圆角为R10-R15；

（7）铸造公差等级为ISO 8602,CT12级； （8）铸造后需要经退火或者时效处理； （9）去毛刺，锐边锐角倒钝。

1.3铸件生产分析

零件“A-熔胶座移动板”净重达到945.635kg，近一吨；零件尺寸为1510mm×860mm×300mm，属于大型球墨铸铁铸件。

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本件的技术要求中规定采用呋喃树脂砂。呋喃树脂砂铸造是以呋喃树脂为粘结剂，并加入催化剂制出型砂，不需要通入硬化气体，即可在常温下使砂型自动固化的造型的方法，通常简称为树脂砂。树脂砂造型有很多有优点，如尺寸精度高，强度高，热稳定性好，溃散型好，造型效率高，可回收利用等，为现代多数铸造企业针对单件小批量生产中大型铸件采用的铸造方法。

但是树脂砂铸造也有一些缺点，如与无机类粘结剂的铸型相比，树脂砂发气量比较高，易于产生气孔类的缺陷，对于球铁件，表面因渗硫或者渗碳可能造成球化不良或增碳，这些在设计时应该注意。另外，浇铸时有刺激性气体及一些有害气体产生，CO2发生量比较大，因此需要注意通风条件。

本题目中零件“A-熔胶座移动板”所用材质为球墨铸铁，由于球墨铸铁在凝固过程中石墨析出会产生较大的体积膨胀，引起铸型型腔的尺寸扩大，如果铸型的强度很低，势必会引起铸型型腔扩大，影响铸件的内部质量和外部质量。采用树脂粘结剂作为型砂和芯砂的粘结剂能够获得高强度的砂型和砂芯，对于保证铸件的质量是有保证的。本次设计采用呋喃树脂自硬砂作为型砂和芯砂，另外，由于采用单件小批量生产，设计使用芯盒手工造芯。

2 零件的铸造工艺性分析

合理的金属零件铸造结构可以消除许多铸造缺陷。该零件的结构及主要尺寸如图2.1所示。零件轮廓尺寸为1510mm×860mm×300mm，整体结构对称，内部结构较为简单，壁厚均匀，最大壁厚50mm，最小壁厚35mm，最大孔径为Φ110mm，最小孔为M8螺纹孔。

图2.1 零件整体结构及尺寸

为保证获得优质铸件，设计小组人员针对金属零件铸造成型结构进行审视，并重点考虑了以下几个方面：

2.1铸件的最小壁厚

从保证金属液充型能力看，在设计铸件壁厚时，要考虑金属液的流动性和铸件的轮

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廓尺寸。在一定的铸造条件下，铸造合金液能充满铸型的最小厚度称为该铸造合金的最小壁厚。为了避免铸件产生浇不到和冷隔等缺陷，应使铸件的设计壁厚不小于最小壁厚。对于砂型铸造球墨铸铁件铸造，参照资料（1）铸造手册表3-1列表格如下表2.1：

表2.1砂型铸造球墨铸铁合金的最小壁厚（mm） 当铸件最大轮廓尺寸为下列值时 铸造合金 <200 200~400 400~800 800~1250 1250~2000 >2000 3~4 4~8 8~10 10~12 - - 球墨铸铁 对于零件“A-熔胶座移动板”，铸件最大轮廓尺寸为1510mm，最小壁厚为35mm，满足砂型铸造最小壁厚要求。

2.2铸件的临界壁厚

确定铸件壁厚时，必须考虑铸造合金的力学性能对铸件壁厚的敏感性。各种铸件合金都存在一个临界壁厚，当铸件壁厚超过其临界壁厚时，铸件强度并不按比例地随铸件壁厚的增加而增加，而是显著下降。对于球墨铸铁件来说，过大的壁厚易导致球化衰退现象，造成球化不良，使铸件力学性能显著恶化。因此球墨铸铁铸件的壁厚也不能过大。

砂型铸造的各种合金铸件临界壁厚可按最小壁厚的3倍考虑，铸件“A-熔胶座移动板”壁厚满足设计要求。

2.3铸件壁的过渡和连接

一般情况下，铸件壁的断面尺寸不可能完全相同，同时，铸件有类型各异的连接。任何零件都是由不同尺寸的“壁”相互连接构成，通常构成零件的各“壁”其“壁厚”应该接近一致，不能差别过大，否则其铸造工艺也属于不合理。同时，铸件各个壁的连接和过渡应该满足铸造工艺性要求，即铸件“壁”的连接、过渡应该是平缓的。分析铸件“A-熔胶座移动板”，有不合理结构如下：

2.3.1 Y形接头：

零件“A-熔胶座移动板”结构中存在Y形接头，如下图2.2圆圈所指：

图2.3 图2.2 4

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圆圈处断面形状如图2.3中的 a）

在Y形接口处金属液体散热慢，凝固慢，容易产生应力集中、裂纹、变形、缩孔、缩松等缺陷。

图2-3中a）结构不合理，应改为b）中形状，具体计算方法如表2.4所示：(单位：mm)

a=50

b≥1.25a=62.5（题目图纸b=50） R=?（a+b/2）=18.75 R1≥R+b=81.25

2.4 图由于设计图纸要求，此结构不改。

2.3.2 无限薄壁：

由零件图纸进行零件空间形状绘制时发现，在图2.5中圆圈处有“无限薄壁”出现。该结构出现在成品零件中为不合理结构，但在铸造工艺设计时，由于加工孔留有加工余量，并非没有厚度，因此设计时忽略该结构。

图2.5 无限薄壁

2.4铸造工艺对零件结构的要求：

铸件的结构不仅应有利于保证铸件的质量，而且应考虑到模样制造、造型、制芯和清理等操作的方便，以利简化制造工艺过程，稳定产品质量，提高生产率和降低成本。该零件外部结构简单，并且总体对称，因此铸件的分型面容易选取，起模也方便；而内部结构也比较简单，所以砂芯的制作也不是很困难。

3 浇铸位置与分型面

3.1浇铸位置确定

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浇注位置是指浇注金属液时铸件在铸型中所处的位置，浇注位置是根据铸件的结构特点、尺寸、重量、技术要求、铸造合金特性、铸造方法和铸造生产车间的条件决定。正确的浇注位置应该能保证获得健全的铸件，并使造型、制芯和清理方便。选择浇注位置主要考虑以下几个方面：

（1）铸件的重要加工面、主要工作面和受力面应尽量放在底部或侧面； （2）有利于铸件凝固顺序和补缩；

（3）有利于砂芯的固定、定位及气体的排出； （4）注意大平面水平浇注； （5）有利于铸件的充型

对于铸件“A-熔胶座移动板”，整体结构比较简单，浇铸位置有如下几种，如图3.1:

a） d）

b）

c）

图3.1 浇铸位置 e） 6

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如图3.1所示，a）操作简单，大平面（上下平面）水平放置，精度有保证，砂芯的制作和放置也比较简单；b）同样可以保证平面水平放置，但因为铸件上有铸孔，倒置会导致铸孔部分的砂芯固定困难。c）不仅无法保证大平面水平浇铸，而且，侧立时，上下表面实际上是工作在同样的环境中，侧立浇铸使得两表面致密度不均匀，对零件的使用造成影响，同时，侧立必然导致上下砂箱同时造型，由此又会带来错箱的误差，此外，砂芯的固定也更加复杂。d）和e）不仅存在c）放置时存在的问题，同时，正立使得砂箱的高度大大增加，给铸造生产带来更大的困难。

综上所述，设计采用正放浇铸位置。

3.2 分型面的确定

分型面是砂型组元间相互接触的表面。砂型分型面一般在确定浇铸位置后确定。砂型分型面确定是否合理，对于能否简化铸造工艺、提高生产效率、降低成本、提高铸件质量等有直接关系。通常分型面与浇铸位置应尽量一致，以避免合型后翻转。

分型面的选择原则可参考如下：

（1）应使铸件全部或大部分位于同一砂型内，以减少错型带来的尺寸偏差，保证铸件尺寸精度，便于造型和合型操作;

（2）应尽量把铸件的加工定位面和主要加工面放在同一砂箱内，以减少加工定位的尺寸偏差;

（3）应尽量减少分型面的数量，最好只有一个分型面.

（4）应尽量使型腔和主要型芯处于下型，以便于造型，下芯，合型及检验; （5）应尽量选用平直面作分型面，少用曲面，以简化制模和造型工艺。 （6）应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合型等工序。

（7）分型面应选在铸件的最大截面处，以保证从铸型中取出模样，不损坏铸型。

对于铸件“A-熔胶座移动板”，综合以上原则，分型面可以有4种选择，如图3.2：

a)

b)

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c)

d) 图3.2 各分型面

a）分型面在最大截面处铸件全部位于同一砂型内防止错型，保证加工面的尺寸精度，砂芯易固定，但铸件中部下凹处需要额外放置砂芯，固定困难；b）分型面在最大截面处，铸件同样全部位于同一砂型中，但铸件上表面的下凹由上砂型形成，砂型制作更加简便；c）分型面在最大截面处，铸件大部分位于下砂型中，但这样带来了错型造成尺寸误差的问题；d）分型面不在最大截面处，铸件大部分位于上砂型中，但这样上砂型中的砂芯固定困难，同时，错箱带来的误差依然无法避免。

综合考虑，选用a)种分型面最为合适。分型面为最大平面，合箱容易，同时又保证了尺寸精度。

4 机械加工余量

根据资料（15）ISO 8062《铸件尺寸公差与机械加工余量》规定，机械加工余量应适用于整个毛坯铸件，且该值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸和相应的尺寸范围选取。铸件的某一部位在铸态下的最大尺寸应不超过成品尺寸与要求的加工余量及铸造总公差之和，有斜度时斜度另外考虑。

要求的机械加工余量等级共有10级，称之为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K级共10个等级。根据ISO 8602要求，球墨铸铁手工造型砂型浇铸应选公差等级为F～H级。处于浇注位置“底部”和“侧面”的选用“高”的等级，本次设计对于底面采用E级，侧面选择F级；处于浇注位置“顶部”的选用“低”的等级，本次设计对于顶面 和铸孔选择G级；

引用ISO 8602要求的各等级加工余量数值如下表4.1：

表4.1 加工余量数值 大于（mm） ? 等于或包括? （mm） 250 400 最大尺寸 630 1000 1600 ? 400 630 1000 1600 2500 ? 8

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加工余量 E级 F级 G级 ? ? ? 1.8 2.5 3.5 2.2 3 4 2.5 3.5 5 2.8 4 5.5 3.2 4.5 6 ? ? ? 根据铸件的尺寸公差等级、要求的机械加工余量级铸件的最大轮廓尺寸确定加工余量的数值。铸件需要加工的表面如下：

（1）单侧加工

铸件单侧加工面如图4.1所示，编号为1、2、3：

图4.1 单侧加工面

单侧加工面尺寸计算公式为：

δ=RMA+CT/2 （公式4.1） 式中： δ—加工余量 (mm)

RMA—要求的铸件加工余量 (mm) CT—铸件尺寸公差 （mm）

（2）双侧加工面：

铸件双侧加工面如图4.2所示，编号4、5：

图4.2 双侧加工面 双侧加工面尺寸计算公式为：

δ=RMA+CT/4 （公式4.2）

各符号意义同上。

（3）内侧加工面

图4.3 内侧加工面 9

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铸件有一个铸造孔，为上表面的一个阶梯孔，两个加工表面分别编号6、7，如下图4.3所示：

内部加工的加工余量公式为：

δ=RMA+CT/4 （公式4.3）

各符号意义同上。

铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。在两个允许极限尺寸之内，铸件可以满足加工、装配和使用要求。

根据零件技术要求，铸件公差等级应满足ISO 8062《铸件尺寸公差和机械加工余量》的规定。铸件尺寸公差等级分为16级，表示为CT1～CT16。铸件“A-熔胶座移动板”需满足CT12级要求，具体公差数值见下表4.2：

表4.2尺寸公差数值 未经处理的铸件基本尺寸（mm） 0 10 4.2 10 15 4.4 15 25 4.6 25 40 5 40 63 5.6 63 100 6 100 160 7 160 250 8 250 400 9 400 630 10 630 1000 11 1000 1600 13 1600 2500 15 2500 4000 17 4000 6300 20 6300 10000 23 大于 等于或包括 公差数值 综上所述，将各个表面加工余量计算结果列在表4.3中如下：

表4.3 各面机械加工余量（最大尺寸1510mm/mm） 加工余RMA CT 加工面编号 量等级 1 G 5.5 13 2 G 5.5 13 3 E 2.8 13 4 F 4 13 5 F 4 13 6 G 5.5 13 7 G 5.5 13

加工余量δ 12 12 9.3 7.25 7.25 8.75 8.75 根据零件图，考虑以上机械加工余量后，将后续加工结构去掉，即可得到铸件图。后续加工结构包括：上表面除了阶梯孔外的其他孔（4个M24螺纹孔，Φ36的孔为锥底，需要加工出来）;4个油槽;下表面的48个M8螺纹孔

：

图4.4 铸件图 10

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5 砂芯的设计

砂芯用来形成铸件的内腔、各种成形孔及外形不易起模的部分。

砂芯要满足的基本要求是：砂芯的形状、尺寸和在砂型中的位置应与铸件的要求相适应，有足够的强度和刚度，在浇注后铸件凝固过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外，铸件收缩时砂芯不给予大的阻力，容易清砂。

砂芯设计的主要内容：确定砂芯的形状和个数（砂芯分块）、下芯顺序、芯头结构、核算芯头大小等。本铸件采用呋喃树脂自硬砂造芯。

5.1 砂芯的形状

砂芯的设置应满足以下几个基本原则:

（1）尽量减少砂芯的数量； （2）复杂的砂芯分块设计；

（3）选择合适的砂芯形状，便于填砂、舂砂、安放芯骨和采取排气措施； （4）砂芯的分盒面应尽量与砂型的分型面一致； （5）便于下芯和合型；

（6）被分开的砂芯每段要有良好的固定条件；

对于本题目，采用呋喃树脂砂自硬化制芯，涉及不到砂芯的烘干，而保证铸件的成型、保证铸件的精度则是重要的环节。分析铸件结构，需要用到多个砂芯成型，铸件共有7处需要用到砂芯，如下图5-1所示，7处编号1～7：

图5.1 需要砂芯形成的部位 7个砂芯的形状如下图5.2所示：

砂芯1

砂芯2 11

砂芯3

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砂芯4 砂芯6 砂芯5 砂芯5

砂芯7

5.2 砂芯的固定

图5.2 砂芯形状 砂芯在砂箱中必须固定在一定的位置，必须经受得住金属液体的冲击而不发生偏移和损坏（由于本次设计采用的是呋喃树脂自硬砂，砂型的强度较高，故损坏的可能性比较小），并且在金属液体的浮力作用下不发生浮动，否则，铸件会发生部分损坏，缺失甚至严重变形导致铸件报废。因此，砂芯在砂型中的位置一定要可靠。

对于“A-熔胶座移动板”，7个砂芯全部放置在下砂箱中，砂芯的位置如下图5.3所示：

图5.3 砂芯的位置 12

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图中，砂芯4（紫红色）安放在砂芯3（粉红色）上，与砂芯3一起放置在砂箱右侧，砂芯3与砂芯4右侧均与上上砂型接触，防止浮起；砂芯1（黄色）和砂芯2（棕色）分别置于图中上下两侧，砂芯上表面与上砂型接触；砂芯5（青色）置于下砂型中部，右侧3个突起接触上砂型；砂芯6（深绿色）插入砂芯5的凹孔处，由于尺寸较小，为了抗金属液体冲击，上部插入上砂型中；砂芯7（浅绿色）压在砂芯5上，上表面接触上砂型。

因此，整个下芯的流程为：

砂芯3+砂芯4→砂芯1→砂芯2→砂芯5→砂芯6→砂芯7

砂芯组合结构图如图5.4所示：

图5.4 砂芯组合结构图

5.3 芯头的结构尺寸

砂芯主要靠芯头固定在砂型中。对于垂直芯头，必须要有足够的尺寸，以保证其轴线垂直、牢固地固定砂型上。对于水平砂芯，必须有足够的芯头长度，以承受砂芯的重力和金属液的浮力。芯头与芯头座之间有适宜的间隙，以使砂型与砂芯既能保证装配，又能确保铸件的尺寸精度。

如图5-5，本次设计所采用的7个砂芯共有7种，。其中，Ⅰ型～Ⅵ型属于垂直芯头，Ⅶ型属于水平芯头。Ⅰ型应用于砂芯1和砂芯2，Ⅱ型应用于砂芯3，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型应用于砂芯5，Ⅳ、Ⅷ型应用于砂芯6，砂芯4和砂芯7没有芯头。各芯头形状和尺寸如图5.5：

Ⅴ型

Ⅰ型 Ⅵ型 13

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Ⅱ型 Ⅲ型

Ⅳ型

Ⅶ型 图5.5 各芯头形状及尺寸

以上各芯头中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ向下插入下砂型中，Ⅳ、Ⅵ向上插入上砂型中，Ⅶ水平插入下砂型中。

对于水平芯头，示意图如下图5.6所示：

图5.6 水平芯头示意图 14

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对于芯头Ⅶ，参照资料1铸造手册，设置S1、S2、S3 数值分别为1.5mm、3.0mm、4.5mm。

对于垂直芯头，各型的顶面间隙及芯头斜度设置参照资料（1）铸造手册，数值列入下表5.1：

表5.1 垂直芯头参数设置 芯头标号 芯头间隙S（mm） 芯头斜度α（mm）

Ⅰ 2 4 Ⅱ 1.5 4 Ⅲ 1 4 Ⅳ 1 9 Ⅴ 1 4 Ⅵ 1 4 在铸件的生产过程中，为了快速下芯、合型及保证铸件的质量，在芯头的模样上做出压环、防压环和集砂槽。压环、防压环和集砂槽的示意图如下图5.7所示：

图5.7 压环、防压环、集砂槽示意

压环、防压环和集砂槽的尺寸列入下表5.2：

表5.2：压环，防压环，集砂槽尺寸 垂直芯头（mm） 芯头编号 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ e 5 5 4 4 f 6 6 5 5 r 6 6 5 5 ─ Ⅴ 1.5 3 1.5 Ⅵ 3 4 3 水平芯头（mm） 芯头编号 Ⅷ a 10 b 1.5 c 25 r 5 5.4 芯骨的设置

为了保证砂芯在制造、搬运、配型和浇铸中不变形、不开裂、不被金属液体冲击断

裂，在制作砂芯的过程中通常要埋置芯骨，以提高砂芯的强度和刚度。针对“A-熔胶座移动板”，本次设计采用型钢管组焊成的芯骨。

如下图5.8所示，本次设计采用4种芯骨：

芯骨1

芯骨2 15

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芯骨4 芯骨3

图5.8 芯骨结构图

其中芯骨1用于砂芯1和砂芯2，芯骨2用于砂芯5，芯骨3用于砂芯3，芯骨4用于砂芯4.芯骨在各砂芯中的位置如下图5.9：

图5.9 芯骨在砂芯中的位置

5.5 砂芯的排气

本次设计采用的型砂和芯砂都是呋喃树脂自硬砂，自硬砂在浇铸过程中，砂芯中的有机物会燃烧（氧化反应）并放出大量气体，如果这些气体不能及时顺利地排出型外，就会在在铸件中形成气孔，甚至导致铸型爆炸。因此，对于大型铸件，砂芯的排气尤为重要。

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为此，砂芯中应开设排气道，砂芯的芯头尺寸要够大，以便于气体及时排出。在下芯的过程中，应注意不要堵塞芯头的出气孔，在铸型中与芯头出气孔对应的位置应开设排气通道，以便于将砂芯中的气体及时引出型外。排气通道应在砂芯的端部，不得与砂芯的工作面相通，以避免金属液渗入。砂芯的排气方式有扎排气孔、挖排气道、用蜡线或尼龙绳做排气孔以及放排气填料等。

为了达到使砂芯排气顺畅的目的，我们在芯头位置和砂芯的厚达部位设置排气孔，在砂芯和砂芯连接处设置连接孔。如下图5.10所示，排气孔与芯骨共同构成排气通道，使排气顺畅。需要注意的是砂芯与砂芯和砂芯与砂型间的气道要围泥条，防止金属液体的渗入。

6 各工艺参数设置

图5.10 砂芯排气示意图

当铸件本身没有足够的结构斜度时，应在铸件设计或铸造工艺设计时给出铸件的起模斜度，以保证铸件的起模。起模斜度可以采取增加铸件壁厚、增减铸件壁厚、减少铸件壁厚的方式来形成。在铸件上添加起模斜度时，原则上不得超出铸件的壁厚公差要求。

对于铸件“A-熔胶座移动板”，铸件外表面四周计划以砂芯包裹，因此不必在铸件表面设计起模斜度，起模斜度应设计在砂芯的外围。

如图6.1，需要设置起模斜度的面用红色标出。

本次设计采用木模样造型腔，除了面6采用减少壁厚的方法，其余各面采用增加厚度法。根据资料（1）铸造手册表3-64，木模样外围的起模斜度与测量面高度有关，不

6.1 起模斜度

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图6.1 需要加起模斜度的面 同高度的测量面应具有的起模斜度如下表6.1：

表6.1 木模样起模斜度

自硬砂造型时木模样外表面的起模斜度 测量面高度h/mm ≤10 ＞10～40 ＞40～100 ＞100～160 ＞160～250 ＞250～400 ? 1.6 1.6 2 2.6 4.2 起模斜度≤/mm 0.8 ? 根据表中的数据选择不同的面的起模斜度，各面起模斜度如下表6.2：

表6.2 各面起模斜度 面编号 起模斜度（mm） 1 4.2 2 2 3 2 4 4.2 5 4.2 6 1.6 其中面6在用上铸型模样形成，上铸型模样的另外两个面（面6夹着的两个面）由于与铸件非加工面接触，不能设置起模斜度，否则影响铸件形状，只能在起模时注意。其余5个面由下铸型模样形成。

6.2 铸造收缩率

为了获得尺寸精度较高的铸件，必须选取符合实际的适宜的铸件收缩率根据该零件的结构，金属液在凝固之后的冷却过程中的收缩介于“自由收缩”与“受阻收缩”之间，因此按照资料（1）铸造手册中“铸造收缩率”的设计依据（表6.3）选择该铸件的铸造收缩率为1%。

表6.3 铸造的线收缩率(%) 铸件种类 球墨铸铁

珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁 铸造收缩率 受阻收缩 自由收缩 0.8~1.2 1.0~1.3 0.6~1.2 0.8~1.2

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6.3 其它工艺参数

考虑本铸件的结构特点，且后续的工艺优化，无需对其设定工艺补正量。砂型因起模后的修型和收缩等引起变形，致使分型面凹凸不平，使合型不严密。为防止浇注时从分型面跑火，合型时需在分型面上放耐火泥条，这就增加了型腔的高度。但因为铸件全部放在下砂箱，因此模样上不必考虑分形负数。

7.浇铸系统设计

浇注系统是引导金属液进入铸型型腔的通道，浇注系统设计得合理与否，对铸件的质量影响非常大，容易引起各种类型的铸造缺陷，如：浇不足、冷隔、冲砂、夹渣、夹杂、夹砂等铸造缺陷。浇注系统的设计包括浇注系统类型设计、内浇口位置的选择以及浇注系统各组元截面尺寸的计算。

浇注系统的设计应遵循以下原则：

（1）引导金属液平稳、连续地充型，避免卷气、金属氧化物夹杂和冲刷型芯。 （2）充型过程中流动的方向和速度可以控制，保证铸件轮廓清晰、完整。 （3）在合适的时间内充满型腔，避免形成夹砂、冷隔、皱皮等缺陷。

（4）调节铸型内的温度分布，利于强化铸件补缩、防止铸件变形、裂纹等缺陷。 （5）具有挡渣、溢渣能力，净化金属液。

（6）浇注系统应当简单、可靠，减少金属液消耗，便于清理。

7.1 浇铸系统类型

球墨铸铁经过球化、孕育处理后温度下降很多，并且容易氧化，产生二次氧化夹渣。对于球墨铸铁件“A-熔胶座移动板”适宜采用大孔出流设计方法，缩短金属液的充型时间，同时要求浇注系统具有较强的挡渣能力。（资料11）

图7.1 浇铸时间选择 图7.2 金属液流过的形状

浇注系统的引入位置影响到浇注系统结构类型的确定，同时对液态金属充型方式、铸型温度分布铸件质量影响很大。浇注统根据其内浇口的设置位置，可以分为顶注式浇

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注系统、底注式浇注系统、中间注入式浇注系统和阶梯式浇注系统。对于中小铸件多采用将内浇口开设在铸型的分型面处，可以采用顶注式、底注式和中间注入式的浇注系统，对于大型铸件可以采用阶梯式浇注系统。顶注式浇注系统的充型能力强，有利于冒口的补缩，但对铸型底部的冲击较大，金属液在充型过程中容易二次氧化；底注式浇注系统充型过程平稳，金属液不容易氧化，缺点是不利于顶部冒口的补缩，金属液的充型能力相对较差；中间注入式浇铸系统同时具有顶注式浇注系统和底注式浇注系统的优点和缺点；阶梯式浇注系统具有充型能力强、充型平稳、金属液不易氧化、补缩能力强的优点，但其缺点是结构复杂，消耗的金属液量多。根据本题目铸造工艺方案的设计，采用“大孔出流设计方法”能够实现铸型的顺利充型，为了避免金属液的二次氧化，采用底注式浇注系统。根据资料（1）铸造手册对于厚壁球墨铸铁件适宜采用“开放式浇注系统”，浇注系统各组元的截面比例如下：

ΣA内：ΣA横：ΣA直=（1.5~4）：（2~4）：1

同时，对于浇注时间的选择，参考资料1铸造中表手册表中如3-168（如上图7.1），选为30s。

7.2 浇铸系统结构

将横浇道开设在下砂箱内，由于底注式浇铸系统挡渣能力差，为了提高浇注系统的挡渣能力，在浇口杯与直浇道相接处设置过滤网。由于浇注大型铸件时金属液流量大、温度高，很难避免冲砂和粘砂现象。因流钢砖过于笨重，内浇道的形式很单一，可以选择的余地太小，而陶瓷管壁薄、重量轻，形式多样，弥补了流钢砖的诸多不足，特别适合树脂砂造型，所以本铸件的浇注系统的直浇道、横浇道和内浇道均采用陶瓷管埋设在铸型中以形成浇注系统。

根据铸件的结构和尺寸等因素，将浇铸系统结构设计成如图7.2。 图7.3左为浇铸系统位置，图7.3右为浇铸系统尺寸和滤网设计位置：

图7.3 浇铸系统尺寸和滤网位置

7.3 浇铸系统各组元尺寸 7.3.1 平均静压头

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铸件高度hc为300mm，由分型面选择可知铸件全部位于下砂型中，浇铸方式为底部注入，参照资料1铸造手册表3-137选择平均静压头高度Hp=500mm，上砂箱高300mm，浇口杯高度200mm，则铸件的静压头高度为：

H0=Hp+0.5hc=500+0.5×300=650 （公式7.1）

静压头示意图如下图7.4所示：

图7.4 静压头示意图

7.3.2 各浇道横截面尺寸

浇铸系统设计依据“大孔出流原则”，参照资料1铸造手册表3-160中数据如下表7.2，静压头Hp为50cm，取浇道面积比为ΣA内：ΣA横：ΣA直 =1.5：2：1，表3-160部分数据如下表7.1：

表7.1：球墨铸铁四单元浇铸系统断面积大孔出流设计表

（ΣA内：ΣA横：ΣA直 =1.5：2：1） 铸件重量 500 700 800 1000 浇铸时间 30 35 37 41 内浇道hp=30cm 33 39.6 42.9 48.3 断面积 hp=40cm 28.6 34.3 37.1 41.9 1200 45 52.9 45.8 1500 50 59.5 51.5 2000 57 69.5 60.2 根据表中数据，初步设计内浇道面积为ΣA内 =41.9cm2，按比例横浇道面积ΣA横 =55.87cm2，直浇道面积ΣA直 =27.93cm2，直浇道和横浇道的截面形状设计为原形，内浇道横截面设计成矩形，设计结果如下：

直浇道：由A直=πR2=27.93cm2得，R=29.8mm，取整R直=30mm；

横浇道：由A横=πR2=55.87÷2=27.935cm2得，R=29.8mm，取整R横=30mm； 内浇道：由A内=41.9÷2=20.95cm2，取a=26mm，b=80mm。

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7.3.3 浇口杯尺寸

浇口杯的直径至少要比金属液体的径流大1倍，顶部宽度要比直浇道直径大1倍，沿浇铸方向的长度要两倍于宽度，而深度可以等于宽度。

浇口杯可分为普通漏斗形浇口杯、池形浇口杯、闸门形浇口杯等，池形浇口杯适用于中大型铸件的浇铸，因此，本次设计拟采用池形浇口杯。参照资料（1）中表3-229，池形浇口杯形状图下图7.5所示：

根据铸件参数，选择4号浇口杯，其各参数数值如下：

图7.5 池形浇口杯形状

表7.2 浇口杯各部分尺寸 编号 A B 4 450 250 l 130 浇口杯尺寸（mm） H H1 d 185 20 Φ60 a 25 R 40 R1 25 H2 65 8．补缩系统设计

球墨铸铁和大多数合金不同，共晶结晶时，由于析出的石墨比重小而比容大，会产生所谓的石墨化膨胀。一般认为球墨铸铁的石墨化膨胀为每析出1%的C，体积膨胀2%。这一特点，使球墨铸铁的凝固和收缩和对铸件的补缩变得比较复杂，同是也产生了如何利用石墨化膨胀实现自补缩的问题。

球墨铸铁件的补缩方法主要有顺序凝固冒口补缩和均衡凝固有限补缩两种。前者属于传统的补缩理论，而后者是西安理工大学魏兵教授与20世纪八十年代提出的凝固补缩理论。（资料12）

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球墨铸铁共晶结晶温度范围比较宽，共晶团细小而且数量多，这些造成了球墨铸铁的凝固没有明显的前沿，铸铁表面和中心几乎同时进入凝固状态，即从铸件表面到中心不是逐层凝固，而是几乎同时进行所谓的“糊状”凝固。

本次设计采用均衡凝固理论进行冒口的设计（资料3、4），利用石墨的膨胀消除金属液收缩产生的缩孔缺陷。利用均衡凝固理论进行球墨铸铁件冒口的设计，需要有一定的前提条件，如高质量的铁水、高硬度的铸型。如果铁水的冶金质量差，则铁水的收缩量增大，石墨产生的膨胀不足以抵消铁水产生的二次收缩，铸件产生缩孔的倾向增大；铸型的硬度或强度低，则在金属静压力的作用下铸型容易发生型腔胀大，需要补缩的金属液量增加，铸件也容易产生缩孔。

均衡凝固理论的核心是：冒口既要离开热节又要靠近热节，以减少冒口对铸件的热干扰和利于补缩；冒口颈短、薄、宽是实现自适应调节作用的3个条件，同时指出，提高铸型刚度，可以提高石墨化膨胀的自补缩利用程度，不使膨胀量消耗于型壁扩大。据此，设计可采用控制压力冒口设计或者全压力冒口设计。前者是指浇注结束后，冒口补给铸件的液态收缩，在铸件发生共晶膨胀初期冒口颈畅通，可使铸件内部铁液回填冒口以释放“压力”。应用合理的冒口颈尺寸，使共晶膨胀未结束之前冒口颈就适时冻结以控制回填程度，或者以一定的暗冒口容积控制回填程度，利用部分共晶膨胀在铸件内建立适度的内压以抵消二次收缩缺陷，使其出于不产生二次收缩缺陷的最小压力和铸型胀大的最大压力之间，从而获得既无缩孔和缩松，又能避免胀大变形的铸件。后者是利用冒口来补缩铸件的液态收缩，而当共晶膨胀开始，或者膨胀开始后的短时间内，冒口颈就凝固。这样，金属液就不会因为共晶膨胀而返回冒口内，从而使金属液处于正压力之下。

冒口是在铸型内人为设置的储存金属液的结构体，用以补偿铸件形成过程中可能产生的收缩，起防止铸件产生缩孔、缩松并兼有排气，集渣、引导充型的作用。冒口的形状有圆柱形、球顶圆柱形、方形、腰形、球形等多种，按照冒口的位置分为顶冒口和侧冒口，按照与大气相同程度又分为明冒口和暗冒口等等。

对于球铁件“A-熔胶座移动板”，采用呋喃树脂自硬砂造型造芯，砂型高强度高硬度，铸件模数MC按照如下公式计算：

铸件体积：

V=0.13m3=130000cm3 （公式8.1） 铸件外表面积：

S=59670cm2 （公式8.2） 则铸件模数：

MC =V/S=130000cm3 /59670cm2 =2.179cm （公式8.3）

8.1 冒口的类型和位置

由铸造手册知当铸件模数在0.48cm到2.5cm时，宜采用控制压力冒口设计方法。应采用合理的冒口尺寸，使共晶膨胀结束前冒口颈凝固截断通道以控制铁液回填程度，或者以一定的暗冒口容积控制铁液回填程度，利用部分共晶膨胀在铸件内建立适度的内压力以抵消二次收缩缺陷，从而获得既无缩孔和缩松，有能避免胀大变形的铸件。

根据铸造工艺方案中浇注位置和分型面的设计，适宜于采用暗冒口设计。作者设计采用压边暗冒口，原因有两点：

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（1）若将冒口整体都置于铸件的顶部，即使采用尺寸比较小的冒口颈，也会由于冒口的热效应影响，使铸件表面容易形成“缩陷”铸造缺陷，同时也会影响共晶膨胀的有效发挥；

（2）压边冒口容易清除,不需要制作大量冒口模型, 大大简化了工艺；

铸件热节主要在上部两侧，因此设计暗冒口位置如图8.1所示：

图8.1 冒口位置图 8.2 冒口的尺寸计算

球墨铸铁件具有糊状凝固特性，易于产生分散性缩松，如果提高砂型的强度和刚度，充分利用共晶膨胀压力以克服缩孔缩松，那么，在一般情况下可以不考虑补缩距离。

对于球墨铸铁，共晶膨胀能抵消厚大部分的的液体收缩量，直到比它厚的部分开始体积膨胀为止。设置冒口部分的膨胀和比它厚的部分的体积收缩只有同时发生，而且是相互连通的，才能抵消，

如图6.1知铸件的接头也分为两种，冒口也分为Ⅰ、Ⅱ两组，，参照铸造手册中表3-256中公式，简化模型计算出每处接头处的模数MC，接头处参数如下图8.2所示：

图8.2 接头处参数

接头处模数计算如下：（示意图如图8.3）

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Ⅰ组（L形）：

（公式8.4） 则MRⅠ=2.0cm,相应的aⅠ= MRⅠ/0.187=10.695cm；

T型 Ⅱ组（T形）：

（公式8.5）

则MRⅡ=2.0cm, 相应的aⅡ= MRⅡ/0.187=10.695cm；

从计算结果容易看出MCⅠ>MCⅡ。

L形

图8.3 接头处计算示意图 将冒口Ⅰ和Ⅱ都设计成正台式压边冒口，压边尺寸取10mm，计算结果如下：

冒口Ⅰ：由aⅠ=10.695cm，取整aⅠ=110mm,bⅠ=1.1 aⅠ=121mm,

hⅠ=1.5 aⅠ=165mm

冒口Ⅱ：由aⅡ=10.695cm，取整aⅡ=110mm, bⅡ=1.1 aⅡ=121mm,

hⅡ= 1.5aⅡ=165mm

铸件“熔胶座移动板”为球墨铸铁件，根据球墨铸铁的凝固特点，有考虑到铸件上表面为大平面，Ⅰ处仅用上述计算的尺寸很难兼顾到整个平面的补缩，因此为了提高补缩效果，将Ⅰ处的冒口压边方向（bⅡ）的尺寸增大为原来的1.5倍：

bⅡ＇=1.5 bⅡ=180mm

综上，两种冒口的尺寸相同，冒口尺寸如右图8.4所示：

为了保证冒口的顺利排气，在冒口顶部中西设置直径为Φ20的通气孔直通到上砂箱表面。

同时为了更好的排出型腔砂芯以及金属液析出的气体，在所设计的冒口顶部以及铸件两端部开设出气孔。

M25

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图8.4 冒口尺寸

9.合箱图及铸造工艺卡

综合上述对铸型、浇铸系统冒口、砂芯等的设计，画出合箱图如下图9.1：

图9.1 合箱图

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QT500-7 熔胶座移动板 零件材质 浇注系统重 冒口重 157.655 81.53 长 宽 高 2200 1400 900 造型方法 型砂种类 通气方法 合型方式 紧固方式 造型 手工造型 树脂砂 排气通道 机械 定位销 砂芯编号 数量 制芯方法 通气方式 芯骨材料 芯骨数量 1 1 1 手工芯盒 通气孔 型钢 2 1 1 手工芯盒 通气孔 型钢 3 1 1 手工芯盒 通气孔 型钢 制芯 4 1 1 手工芯盒 通气孔 型钢 5 1 1 手工芯盒 通气孔 型钢 6 1 手工芯盒 通气孔 7 1 手工芯盒 通气孔 直浇道∑A直 横浇道∑A横 内浇道∑A内 27.93 55.87 41.9 222（cm） （cm） （cm） 1 1 2 数量 数量 数量 工艺参数 ∑A内：∑A横：∑A直=1.5：2：1 冒口种类 冒口数量 4 压边暗冒口 浇注方式 浇注温度 浇注时间 型内冷却时间 浇注 30s 转包/漏包 1450℃ 零件号 铸件重量 （Kg） 砂箱尺寸 (mm) 零件名称 毛重 1045.218 工 艺 简 图 A 净重 945.635 见文末附图 特 殊 操 作 说 明 无 27

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10 铸造工艺优化

铸造工艺设计得是否合理，影响到能否得到合格、高质量的铸件。以往设计生产新产品，在设计结束往往要通过试生产来验证设计工艺是否合理，这期间要反复进行模具的修改、造型造芯、金属熔炼、浇铸、落砂清理、铸件分析这一过程。这一过程不仅要浪费大量的人力、物力、财力，更重要的是设计时间长，新产品投入生产周期长，效率低。过去在计算机没有普及的情况下，这一过程不可避免，但随着计算机技术的发展，数值模拟技术已经广泛应用到包括铸造生产的各个领域，尤其在缩短新产品开发试生产周期上起到了重要作用。数值模拟技术可以针对设计好的生产工艺，通过模拟产品生产环境，来预测生产结果，以此来指导工艺的修改，直至模拟生产结果符合要求。数值模拟技术省时省力，为获得高质量产品提供了有效手段。

本次铸造工艺设计采用数值模拟技术模拟铸件的生产过程，通过模拟金属液的充型过程、凝固过程以及铸件冷却过程中的应力应变，分析铸造工艺设计的优点和缺陷，反复优化，最终在理论上得到合格铸件，确定最终工艺方案。

设计采用CATIA-V5软件进行铸件三维模型的绘制，采用HyperMesh软件对三维模型进行网格剖分，采用通用数值模拟软件ProCast软件模拟铸造过程，对所设计的工艺进行充型和凝固的模拟，并进行浇铸系统和补缩系统的优化。

10.1 原始工艺方案中铸件的充型和凝固分析

采用之前文章中叙述的铸造工艺方案； 边界条件设定为：

浇铸温度：T浇铸=1500℃

型、芯砂初始温度：T型芯=25℃ 金属液流量：Q=38.7Kg/S

铸件和砂型、砂芯的热交换系数：K=500W/(m2.K)

铸件的网格剖分图如下图10.1所示：

图10.1 网格剖分图

10.1.1 金属液充型过程分析

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金属液的充型过程对铸件的质量会有很大的影响，很多铸造缺陷与金属液的充型过程有关。如果浇铸系统设计的不合理，很可能使铸件产生“浇不足”、“冷隔”、“冲砂”、“卷气”等铸造缺陷。图10.2为采用前文叙述中的浇铸系统时金属液在不同时间段的流动状态以及温度分布。

a）

b）

c）

d）

图10.2 金属液不同充型阶段流动状态及温度分布图

由上图a）和b）可以看出，在充型过程中，金属液体在重力作用下通过浇口杯流经直浇道、横浇道和内浇道进入到铸型底部，金属液连续平稳，未发生卷气等现象，由

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e）

f）

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此可以看出将浇铸位置设置在铸件底部是合理的；在c）和d）中，金属液在型腔内铸件上升，其过程平稳可靠；图e)和f）中，金属液体逐渐充满整个铸型。从温度场的分布来看，采用此浇铸系统金属液温度下降速度相比充型速度较慢，金属液浇铸完毕时各部分金属依然处于液态，这对后续铸件的凝固和补缩效果是有利的。

综上，采用所设计的浇铸系统浇铸金属液是合理的。

10.1.2 金属液凝固过程分析

就本次设计的铸件来说，铸件为板壳件，最大平面位于上表面，根据球墨铸铁件的特点，出现缩孔、缩松等铸造缺陷的位置也应该在上表面，因此，模拟时着重观察上表面处凝固时的温度场分布。下图10.3为金属液充满型腔后605s、1145s、1645s、2458s、4095s及5405s时铸件温度场的变化过程：

a）

b）

c）

d）

e）

f）

图10.3 铸件凝固过程中温度场的变化

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由图10.3可知，铸件凝固时间为5405s。从铸件凝固过程的动态显示，可以发现在金属液充满铸型后605s范围内金属液体仍保持高温状态（a图），随着时间金属液开始凝固阶段的液态收缩；之后金属液温度继续降低，金属温度渐渐进入固相线以下（b、c图），且在2458s时（d图）冒口颈就已经凝固，无法再向铸件提供液态补缩，而此时铸件上部热节附近仍没有完全凝固（e图）。

从铸件剖面固相率的变化可以更清晰得看到这一过程：（图10.4）

a）

b）

c）

d）

e）

f）

图10.4 铸件凝固过程中固相率的变化

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从铸件凝固过程中固相率的变化可以看出，在冒口颈已经凝固的前提下，铸件热节处金属仍处于液态，这样在液态部分继续凝固收缩过程中极有可能产生缩孔、缩松铸造缺陷，这一推断在模拟中得到了验证，如图10.5所示。

图10.5 铸件凝固后缩孔、缩松示意图

10.2 铸件冒口的优化

为了保证铸件凝固过程中冒口的补缩效果，必须增大压边冒口的压边距离，以此来减缓冒口颈的凝固速度，为铸件本体凝固提供充足的补缩金属液体。

原始模拟方案冒口的压边距离为10mm，新方案中，将冒口的压边距离增加到15mm，其他数据与参数不变，再次利用ProCast软件进行模拟，发现热节处的缩孔几乎全部消失，如下图10.6所示：

图10.6 改变方案后铸件凝固缩孔缩松示意图

因此，作者认为原方案中压边距离为10mm的设计不合理，而压边距离为15mm为合理的设计方案。

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11.工艺装备及生产

11.1 模样

模样用来形成铸型的型腔、芯头座等结构。模样的设计直接影响铸件的形状、尺寸精度和表面粗糙度等。因此要取模样应具有足够的强度、刚度、尺寸精度和表面粗糙度，同时要考虑模样制作成本和实用性。

模样的材质分为金属模样、木模样、塑料模样。金属模样适用于大批大量生产铸件，特点是不耐腐蚀且不易加工；木摸样用于单件、小批量或成批生产铸件，特点是易加工、尺寸精度低；塑料模样用于成批及大量生产铸件，尤其适合于形状复杂难以加工的模样，特点是制造工艺简单、较脆且不能受热。根据铸件“A-熔胶座移动板”的特点，该件属于用手工造型的方法进行单件小批量生产，因此使用木模。

铸件“A-熔胶座移动板”，上下铸型的模样形状如下图11.1：

上铸型模样

下铸型模样

图11.1 铸型模样 11.2 型砂芯砂配置

呋喃树脂砂型的原砂多采用硅砂，对硅砂的要求为通常应有良好的高温稳定性，SiO2含量高，泥含量、微粉含量、酸耗值、灼烧减量以及水分含量都要低，粒度一般以0.300～0.150mm和0.425～0.212mm为多。根据资料资料（10），本次选用型砂技术指标如下表11.1：

11.2.1 原砂的选用

表11.1 原砂技术指标 粒度 0.300～0.150mm SiO2（质量分数，%） ≥90 含泥量（质量分数，%） ≤0.25 灼烧减量（质量分数，%） ＜0.5 耗酸值（ml/50g，%) ＜5 微粉含量（质量分数，%） ＜1.0 含水量（质量分数，%） ≤0.2

11.2.2 树脂粘结剂的选择

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主要选用以糠醇为主要原料、与尿素、苯酚和甲醛等材料合成的呋喃树脂，其质量应满足标准JB/T 7526-2008《铸造用自硬呋喃树脂》的规定。树脂的选用结合铸件考虑，对于球墨铸铁件，应选择含糠醇含量高的无氮或低氮树脂。脲酚醛呋喃树脂低氮具有低氮，高温性能好，抗黏砂等优点，同时又能保证树脂具有低的游离甲醛，因此，本次树脂粘结剂选用脲酚醛改性呋喃树脂。参考资料（9）其主要指标如下表11.2：

图11.2 呋喃树脂主要指标 氮（质量分黏度 游离醛（质量数，%） （MPa·s） 分数，%） 1～2 ≤15 ≤0.3

游离酚（质量分数，%） — 比强度（Mpa） ≥1.0 11.2.3 固化剂的选择

自硬呋喃树脂砂以酸为固化剂，由于磺酸类有机固化剂易分解，树脂砂的溃散性和旧砂再生性较好，而磷酸等无机酸高温下不易分解，溃散性较差。因此普遍采用有机磺酸类固化剂，通过改变苯类和其配比、溶剂的种类和控制固化剂的主要技术指标，支撑不同固化速度的磺酸固化剂，以适应不同季节的生产条件。参考资料（9），以下是磺酸固化剂的主要技术指标：

表11.3 固化剂主要技术指标 密度 黏度 总酸度（质游离酸（质指标型号 （g/cm3） （MPa·s） 量分数，%） 量分数，%） GS03 1.20～1.30 10～30 24.0～26.0 7.0～10.0 GS04 1.20～1.30 10～30 18.0～20.0 0.0～1.5 GS08 1.20～1.40 170～200 29.0～31.0 4.5～7.5 GS09 1.20～1.40 60～80 24.5～27.5 2.5～4.5 适用范围 春天、秋天 夏天 严冬 冬天 11.2.4 附加物的选用

为了改善呋喃树脂自硬砂的某些特性，有时在配比中加入一些附加物，如硅烷可提高强度、氧化铁粉可以防冲砂和气孔、甘油可增加砂型韧性等。

11.2.5 涂料

涂料是铸造生产的防粘砂材料，可提升铸件的光洁程度，防止或减少黏砂、夹砂等铸造缺陷。根据资料（9），涂料成分参考下表：

表11.4 涂料成分配比 序锆英石英铝矾号 粉 粉 土 1 100 — — 2 100 — — 配比/% 有机膨润土 — — 锂基膨润土 — 6～8 硅酸二甲树脂 松香 乙酯 苯 — 1～3 3～5 — 4～6 — — — PVB 酒精 — 适量 0～0.2 适量 34

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3 4 5 6 100 — — 100 — — — 100 — — — 100 — 1.5 — — 4～8 — — 6～8 2～4 2 2～8 4～6 — — — — — — — — — 15 — — 0～0.2 — — 0～0.2 适量 适量 适量 适量 综上所述，根据资料（10）实用铸造手册中表4.2-31，确定呋喃树脂自硬砂配置比例如下表：

表11.5 自硬砂配置比例 配比（质量分数，%） 编树脂（占固化剂硅烷（占树号 新砂 旧砂 原砂质量（占树脂脂质量比） 比） 质量比） 11 — 性能 24h抗拉强度/Mpa 0.5 850℃发气量（ml/g） 应用 铸钢件、球墨铸铁件 100 1.3 30 0.1～0.3 1.5

砂箱是铸造生产中的主要工艺装备。手工造型所用的砂箱一般要求比较简单；半机械化造型对砂箱的要求要高一些；近年来，随着高压、气冲、静压等高效率、高比压造型设备的广泛使用，对砂箱的要求也越来越高。正确地设计和选择适合铸造生产的需要的砂箱，对日益发展的铸造生产，具有重大意义。

根据资料1和资料12，砂箱应满足铸件在生产过程中的各项工艺要求；要有足够的强度和刚度；内壁与砂型既要有足够的附着力，又要便于落砂和脱出铸件；要有可靠的固定和公差范围；应便于制作；规格尽量地标准化、系列化、通用化。

11.3 砂箱

11.3.1 砂箱的结构尺寸

本次铸造球墨铸铁件采用的是手工造型用的砂箱，砂箱本体采用铸钢制作。要确定砂箱尺寸，首先要确定铸件在铸型中的位置，铸件的位置如下图11.2：

图11.2 铸件在铸型中的位置 35

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根据资料8和资料资料11中关于砂箱的设计，取砂箱厚度为30mm。为了铸造简单方便，砂箱壁采用垂直壁，不设内外凸缘，拔模斜度设在砂箱内壁。设计的砂型尺寸如图11.3所示:

砂箱效果图如下图11.4：

图11.3 砂箱尺寸

上砂箱结构 图11.4 砂箱效果图 下砂箱结构 11.3.2 砂箱的定位

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