铸造工艺大赛-上冠说明书

“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛

参赛作品

铸件名称：D—上冠

自编代码：［单击此处键入自编代码］ 方案编号：［单击此处键入方案编号］

永冠杯铸造工艺大赛

目录

摘要 ................................................................................................................................................... 3 1 零件结构及其技术条件的审查 ..................................................................................................... 3 1.1 铸件结构的工艺性分析 ............................................................................................................... 3 1.2 技术条件的审查 ........................................................................................................................... 5 2 型砂，造型、造芯方法的选择 ..................................................................................................... 5 2.1 型砂 ............................................................................................................................................... 5 2.2 涂料 ............................................................................................................................................... 5 2.3 造型方法 ....................................................................................................................................... 6 2.4 造芯方案 ....................................................................................................................................... 6 3 浇注位置的确定 ............................................................................................................................ 6 3.1浇注位置选择示意 ...................................................................................................................... 6 3.2浇注位置方案比较 ........................................................................................................................ 7 4 分型面的确定 ................................................................................................................................ 8 4.1分型面选择方安示意 .................................................................................................................... 8 4.2分型面选取的方案比较 ................................................................................................................ 9 5 铸造工艺参数的确定 .................................................................................................................. 10 5.1 铸造收缩率 ................................................................................................................................. 10 5.2 机械加工余量 ............................................................................................................................. 10 5.3 铸件尺寸公差 ............................................................................................................................. 11 5.4 起模斜度的确定 ......................................................................................................................... 11 5.5 最小铸出孔和槽的尺寸 ............................................................................................................. 12 6 砂芯的设计 .................................................................................................................................. 12 6.1 芯头的设计 ................................................................................................................................. 13 6.2 压环，积砂槽的设计 ................................................................................................................. 14 7 冒口的设计 .................................................................................................................................. 14 7.1 铸件各部分模数的计算 ............................................................................................................. 14 7.2 外冷铁的计算 ............................................................................................................................. 16 7.3 冒口尺寸的确定 ......................................................................................................................... 17 7.3.1顶圆柱形明冒口与校核 ...................................................................................................... 17 7.3.2顶腰圆形明冒口与校核 ...................................................................................................... 19

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7.3.3顶环形明冒口与校核 .......................................................................................................... 19 8 浇注系统的设计 .......................................................................................................................... 21 8.1 浇注系统的类型 ......................................................................................................................... 21 8.2 确定内浇道在铸件上的位置，数量和金属液引入方向 .......................................................... 21 8.3 包孔直径的选择 ......................................................................................................................... 22 8.4 计算浇注时间并核算金属夜上升速度 ..................................................................................... 22 8.5 浇注系统各组元截面积的计算 ................................................................................................. 23 8.6 浇口窝的设计 ............................................................................................................................. 23 8.7 浇口杯的设计 ............................................................................................................................. 24 9砂箱设计 ...................................................................................................................................... 24 9.1砂箱壁的结构形式和尺寸 .......................................................................................................... 24 9.2砂箱外壁加强肋的布置形式和尺寸 .......................................................................................... 25 9.3砂箱箱带的布置形式和尺寸 ...................................................................................................... 26 9.4砂箱吊运部分的结构和尺寸 ...................................................................................................... 27 10模底板设计 ................................................................................................................................. 29 11芯盒的设计 ................................................................................................................................. 30 11.1 砂芯的修改 ............................................................................................................................... 30 11.2 芯骨的设计 ............................................................................................................................... 30 11.3 通气孔的设计 ........................................................................................................................... 31 11.4 芯盒的设计 ............................................................................................................................... 31 11.5砂芯制作的步骤 ........................................................................................................................ 32 12铸件凝固过程的模拟及分析 ...................................................................................................... 33 12.1铸件的凝固过程示意图 ............................................................................................................ 34 12.2铸件凝固完全后缩孔、缩松的分布 ........................................................................................ 34 12.3铸件凝固过程的分析 ................................................................................................................ 35 13工艺调整方案 ............................................................................................................................. 36 14关键环节质量控制 ..................................................................................................................... 36 参考文献 ......................................................................................................................................... 36

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摘要

本作品主要对ZG06Cr13Ni4Mo材质的上冠铸件进行了工艺设计。主要包括铸件结构的工艺分析及其技术条件的审查，型砂、涂料、造型、造芯方案和浇注位置的确定，分型面和铸造工艺参数的选取，砂芯、浇注系统的设计，冒口的选取与放置，模具、芯盒和模底板的设计、铸件的模拟结果分析等内容。

1 零件结构及其技术条件的审查

1.1 铸件结构的工艺性分析

生产铸件不仅需要采用先进合理的铸造工艺和设备，而且还要使零件结构本身符合铸造生产要求，易于保证铸件品质，简化铸造工艺过程。本次设计零件的零件图如图1.1，三维Proe造型如图1.2。

图1.1 上冠零件图

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图1.2 零件三维图

对零件图纸分析可知上冠铸件最大径上尺寸为1510mm，高度尺寸622.8mm，质量为1950Kg，材质要求ZG06Cr13Ni4Mo低碳马氏体不锈钢，化学成分如下表1.1。

表1.1ZG06Cr13Ni4Mo化学成分表（质量分数%）

C Si Mn P S ≤0.030 Cr 11.5～14 Ni 3.5～4.5 Mo 0.4～1.0 ≤0.06 ≤1.00 ≤1.00 ≤0.30 根据零件图的技术要求结合铸造工艺可知设计的铸件应满足以下要求： （1）铸件应有合适的壁厚

每一种铸造合金的铸件，都有其合适的壁厚范围，如果选择得当，即可保证铸件的力学性能要求，又可方便铸造生产；同时还能节约金属，减轻铸件质量。为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件壁不应太薄，由零件图可知铸件最大壁厚为170mm，最小壁厚为25mm，查《铸造工程师手册》表6-6知最大轮廓尺寸在1250mm～2000mm之间的不锈钢铸件的最小壁厚为20mm～25mm，因此上冠铸件壁厚满足最小壁厚的要求。

（2）铸件结构不应造成严重的收缩阻碍

注意壁厚过度和圆角，两壁交接若成直角易形成热节，铸件收缩时阻力较大，在此处经常出现热裂。铸件薄厚壁相接拐弯，等厚度的壁与壁的各种交接，都应

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采用逐渐过渡和转变的形式，使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致出现裂纹缺陷。由零件图可知，铸件中成直角相接的两壁薄厚壁相接都用圆角过度，且圆角半径均满足设计要求。

1.2 技术条件的审查

按照设计要求，上冠铸件应作正回火处理；铸件材料及机械性能应符合JB/T10264-2001的要求；粗加工后按GB7233-87标准作超声波探伤检查，达Ⅱ级要求；过流面加工后按GB/T9444-1988进行磁粉探伤达Ⅱ级要求；同炉浇注试验棒，回厂做化学成分和机械性能复核试验；过流面用样板检查。

由于上冠过流面需要数控加工，对铸件尺寸精度要求较高，这部分的力学性能、铸件质量和铸件精度需要首要保证,因此在确定浇注位置时，必须保证过流面型线不被破坏。

2 型砂，造型、造芯方法的选择

2.1 型砂

铸件本身为低碳不锈钢，对型砂性能要求较高。在综合考虑表面质量，尺寸精度，生产实践和经济性等因素决定：面砂采用呋喃树脂铬铁矿砂、背砂采用水玻璃石英砂、而芯砂也采用呋喃树脂铬铁矿砂。造型用面砂、芯砂必须全用新砂，不得选用回用砂。新砂选用擦洗砂，SiO2含量不低于98%，角形系数不大于1.2，树脂选用无氮呋喃树脂，加入量为型砂的1.0%，固化剂选用对甲苯磺酸类固化剂加入量为树脂的45%,型砂背砂可选用部分回用砂。

呋喃树脂铬铁矿砂常温强度高，树脂加入量少，耗砂量少；高温强度高，型砂耐热性好；树脂粘度小便于混砂；树脂稳定性好，可存放1～2年；树脂砂硬透性好；硬化性能好，在较低温度下可固化；生产的铸件具有毛坯尺寸精度高，铸件表面粗糙度低，铸造缺陷少等优点。

2.2 涂料

铸件材质为ZG06Cr13Ni4Mo，浇注温度较高，且对表面质量要求较高，须在接触金属液的部位全部刷涂涂料。根据有关资料结合生产实践，涂料的耐火骨料选用锆英粉、载体选用醇。施涂方法采用喷涂或刷涂，涂层厚

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度0.75～1.0之间。锆英粉的耐火度很高，树脂不宜过烧，能有效的防止铸件表面粘砂，气孔、脉纹等缺陷。

2.3 造型方法

上冠铸件体积和质量都较大，属于中大型铸钢件，结合树脂砂流动性好，硬化时间短，硬化方法简单，不需捣固机紧实，模样强度高，表面稳定性好，铸件尺寸精度较高等铸造生产实践；经本组人员分析确定造型方法选用手工造型，且型砂应现混现用，不能一次性混制过多的型砂。

2.4 造芯方案

根据上冠铸件的结构特征，其内部空腔部分需用砂芯形成。造芯材料选用耐火度高的锆英砂。为适应手工造型方法，造芯也选用手工造芯，芯盒采用垂直对开式木质芯盒，芯盒由左右两片组成，左右芯盒设有定位，夹紧装置。芯盒的分盒面垂直于填砂面，而砂芯支撑面与支撑面为同一平面。该种方法大大的减少了造芯的难度，由于芯盒周围的挡板可以拆下，不仅可以造出形状更加复杂的砂芯而且砂芯起模更加方便，可以去掉砂芯的拔模斜度，使铸件的尺寸更加精确，更大程度的满足了生产实践的需求。

3 浇注位置的确定

3.1浇注位置选择示意

方案一：砂型呈水平放置，铸件以中心轴线呈水平状态放置，采用水平分型，在分型面上设置内浇口进行浇注。浇注位置如图3.1所示

图3.1 浇注位置方案一

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方案二：砂型呈水平放置，铸件在型内竖直放置，铸件小端在下大端在上，整体位于下型，采用水平分型，在分型面上设置内浇道进行浇注。

浇注位置如图3.2所示

图3.2 浇注位置方案二

方案三：砂型呈水平放置，铸件在型内竖直放置，铸件大端在下小端在上，整体位于上型，采用水平分型，在分型面上设置内浇道进行浇注。

浇注位置如图3.3所示

图3.3 浇注位置方案三

3.2浇注位置方案比较

方案一铸件水平放置，内部空腔可采用水平砂芯形成，而外部凹陷

部分需要用外部砂芯形成。由于砂芯尺寸较大且水平放置，不利于排出砂芯中的气体，容易形成气孔缺陷。该方案分型面要经过中心轴线，将铸件分为上下半型，在合箱时容易产生偏差，很难保证铸件重要加工面的尺寸

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精度和上冠过流面的完整性。而且，铸件热节部位处在侧面，不利于冒口的安放，严重影响铸件的质量

方案二铸件在型内竖直放置，整体位于同一半型，能够保证铸件同心和重要加工面的完整性。形成内腔的砂芯呈垂直放置，不仅便于砂芯的安放与固定，而且有利于排出砂芯中的气体。上冠过流面作为铸件的重要加工部位处于铸型底部，避免了由于钢液中渣粒和气体的上浮引起的夹渣、气孔等铸造缺陷，同时在上部钢液的压力作用下凝固，使其组织更加致密，获得更好的金属质量。铸件热节部位全部朝上，有利于铸件的顺序凝固，便于冒口的安放，获得较好的补缩效果，很好的保证了铸件的整体质量。 方案三铸件在型内竖直放置，整体位于上半型，能够保证铸件同心和重要加工面的完整性。形成内腔的砂芯呈垂直放置，不仅便于砂芯的安放与固定，而且有利于排出砂芯中的气体，凹陷部位朝下放置，是吊砂转变为砂台，保证了砂型的强度。但是铸件的重要加工面朝上放置，容易形成夹渣、凹陷、集中缩孔等铸造缺陷，致密性难于保证，严重影响铸件重要加工面的质量。而且铸件热节部位朝下放置，不利于冒口的安放和补缩。

终上所述：浇注位置方案二较为合适，将其确定为浇注位置的最终方案。

4 分型面的确定

4.1分型面选择方安示意

方案一：铸件在铸型内呈竖直放置，分型面选在铸件内腔最大水平面处，采用中注式浇注系统，内浇道开设在分型面上。

分型位置如图4.1所示

图4.1 分型面方案一

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方案二：铸件在铸型内呈竖直放置，分型面选在铸件最顶部外轮廓，铸件整体位于下型，采用顶注式浇注系统，内浇道开设在分型面上。

分型位置如图4.2所示

图4.2 分型面方案二

4.2分型面选取的方案比较

方案一：分型面选在铸件内腔最大水平面处，将铸件从中间分为上下半型，不容易起模，容易在分型面处形成毛边，破坏了重要加工面的完整性。而且由于上冠是转轮上部件，需绕轴旋转，必须保证同轴。然而该方案上下半型在合箱时用以产生错箱偏差，很难保证上下两部分同轴，且由于合箱不严，在垂直分型面方面总会保持一定“厚度”误差，很难保证尺寸精度。

方案二：分型面选在铸件最顶部外轮廓，铸件整体位于下型，起模容易，保证了重要加工面的完整性与尺寸精度。大部分型腔位于下型有利于型腔尺寸的检验，方便下芯与喷刷涂料。采用顶注式浇注系统，内浇道开设在分型面上，容易保证足够的压头，得到组织致密的铸件，避免浇不足，冷隔等缺陷，且铸件热节区位于分型面部位，便于冒口的设置。

综上所述：方案二的分型面选取比较合理，将其确定为最终的分型方案。

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5 铸造工艺参数的确定

5.1 铸造收缩率

铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示:

L1?L2 ε= ×100%

L1式中，ε—铸造收缩率；L1—模样长度,L2—铸件长度。

上冠铸件可视为简单厚实件，材料为含铬高合金钢，收缩方式为自由收缩。由《铸造工程师手册》表6-24查得该铸件的自由收缩率为1.3%～1.7%，但是联系实际，工厂一般所用的缩尺型号，从而确定铸造收缩率为2%。

5.2 机械加工余量

由前面可知，上冠铸件为单件生产，铸型为干砂型，其最大轮廓尺寸为φ1510mm，由《铸造工程师手册》表6-37查得铸件机械加工余量等级为

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13?15J

可取为J，再根据表6-38查得该公等级所对应的机械加工余量为17mm～23mm，其中小值为双侧加工时的加工余量，大值为单侧加工时的加工余量。 由于上冠为旋转体零件，圆周面可视为双面加工，所以加工余量取17mm。根据生产经验，砂型铸造的铸件其顶面（相对于浇注位置）的机械加工余量等级应比底侧面的加工余量大一些,所以顶面的机械加工余量可取为

20mm。上冠铸件孔的最大直径为500mm，高为613mm，机械加工余量等级为

14J

，根据表6-38查得该公等级所对应的机械加工余量为13mm～18mm，由于

孔可看为双面加工，故加工余量取13mm。根据上冠铸件的浇注位置可知，铸件的底面组织较为致密，不容易出现铸造缺，可取小的机械加工余量，为了减少加工余量数值种类，方便机械加工，底面可以使用与孔相同的加工余量，故底面的加工余量取为13mm。

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5.3 铸件尺寸公差

上冠零件的最大轮廓尺寸为φ1510，铸型为干砂型，由《铸造工程师手册》表6-28查得该铸件的尺寸公差等级为13～15，与机械加工余量的选取相适应，取尺寸公差等级为CT14

5.4 起模斜度的确定

为了方便起模，再模样和砂芯的出模方向留有一定的斜度，以免损坏砂型或砂芯。这个斜度称为起模斜度。起模斜度应在铸件上没有结构斜度的垂直于分型面的表面上使用，其大小以模样的起模高度表面粗糙度以及造型方法而定。

由于上冠铸件的外圆周面下半部分可近似为倒圆锥形，在起模方向上本身就已经有足够的斜度无需另加起模斜度。 由于制芯所用的芯盒采用垂直对开式木质芯盒，芯盒由左右两片组成，砂芯无需设置起模斜度。因此该铸件只需在外圆周面上部①面和顶部凹槽处内表面②面、③面处设置起模斜度。外圆周面上部高度为147mm，凹槽处内表面高度分别为55mm和95mm，有《铸造工程师手册》表6-41查得三个面上的起模斜度分别为0°40′、0°55′、0°55′。又由于砂型造型时，凹槽处内表面的起模斜度值允许按表6-41增加50%，因此确定凹槽处内表面的起模斜度为1°30′。

图5.1起模斜度

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5.5 最小铸出孔和槽的尺寸

机械零件上往往有很多孔、槽和台阶，一般应尽可能在铸造时铸出。这样既可节约金属，减少机械加工的工作量、降低成本，又可使铸件壁厚比较均匀，减少形成缩孔、缩松等铸造缺陷的倾向。但是，当铸件上的孔，槽尺寸太小，而铸件的壁厚又较厚和金属压力较高时，反而会使铸件产生粘砂，造成清理和机械加工困难。有些孔，槽尺寸要求很精确，或者铸造工艺非常复杂都不便于铸出。因此在确定零件上的孔和槽是否铸出时，必须既考虑到铸出这些孔和槽的可能性，又要考虑到铸出这些孔和槽的必要性和经济性。

经过铸件结构分析，只有上冠顶部有一个凹槽。根据《铸造工程师手册》表6-45可知，铸钢件上不穿透的槽铸出的条件是：h≤d1，d1≥ 1+20% d各部分尺寸如图5.2所示：

图5.2 最小铸出槽

铸件上凹槽的尺寸为h=130mm，d=215mm，d=93mm代入上述公式满足最小铸出槽的条件。

6 砂芯的设计

根据上冠铸件的结构特征，为了便于造型，保证铸件内部空腔的完整性和尺寸精度，内部空腔需用砂芯来形成，砂芯的外形如图6.1所示：

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图6.1 砂芯形状

6.1 芯头的设计

砂芯在砂型中的位置一般用芯头固定， 对于垂直芯头为了保证其轴线垂直、牢固地固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸，对于细高的直立式砂芯，常将下芯头尺寸加大。

分析铸件结构可得到砂芯的实际计算高度为：H=645.32mm 砂芯的上端直径为：D1=274mm；下端直径为：D=164mm

由《铸造工程师手册》表6-56查得垂直下芯头的高度为：h=45～65mm取h=60mm。

再查表6-56可得垂直上芯头的高度为h1=65mm 由表6-57查得上、下芯头的斜度分别为α1=11，α=5 由表6-58查得垂直芯头与芯座的间隙为s=2mm

由于该砂芯的上部截面积大而下部截面积小，且砂芯高度较大，如果下部芯头尺寸太小，就不能起到很好的固定作用。为了使砂芯在砂型中比较稳固，采用扩大下芯头直径的办法来满足工艺要求，见图6.2，可取D2=（1.5～2）D。

取D2=1.5D=1.5×164=246mm由于铸件底面最大直径为242.28mm，如果D2大于该值则不利于起模，如果去掉芯头两边的间隙，可取D2=240mm。

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图6.2 加大下芯头示意图

6.2 压环，积砂槽的设计

在湿型大批量机器造型生产中，为了加速下芯、合芯及保证铸件质量，在芯头的模样上常常做出压环、防压环和集砂槽。

由于上冠铸件的铸造方法为手工造型，且铸型为干型所以无需设置压环与积砂槽。

但是由于砂芯上部芯头留有芯头间隙，在浇注过程中砂芯可能会在金属液的浮力下上浮，造成误差。为了防止这一现象的出现，可以在上芯头顶面放一个环形的石棉绳，来实现砂芯垂直方向的固定。石棉绳的直径可取为4mm。

7 冒口的设计

上冠所用的材质为超低碳马氏体不锈钢，收缩率较大，合金由液态转变为固态时，体积要显著地缩小，往往会在凝固后的铸件内那些模数较大的部位产生缩孔和缩松。为了得到组织致密的铸件，就必须在补缩通道上设置冒口，用以补偿铸件成型过程中可能产生收缩所需的金属液，防止缩孔、缩松的产生，并起到排气和集渣的作用。

7.1 铸件各部分模数的计算

根据铸造工艺手册查得模数的计算公式如下：M

=

VA

式中V为铸件体积cm3、A

铸件传热表面积cm2

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铸件图如图7.1，根据图计算如下：

图7.1 模数计算图

M1=

ab308×203

==9.2cm

2 a+b ?c2× 308+203 ?345M2=

T100==5cm 22T87

M3===4.35cm

22M4=R=

D113

==5.7cm 22式中，M1—铸件中间部分的模数；a—杆的横断面长度；b—杆的高度；c

—非散热面长度；M2—圆角根部模数，式中的T为该部的最大厚度；M3—板末端的模数，式中的T为该部的最大厚度；M4—看成“L”形，形成圆角部分的模数；D—形成热节圆的直径，R为半径。

从各部分模数可以看出M3M2M1之间有很理想的模数梯度，只是M4>M3，为了形成补缩的模数梯度，必须要降低M4的模数，而降低的手段只能是设置外冷铁，以控制顺序凝固，保证铸件致密。

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7.2 外冷铁的计算

M4处所需外冷铁重量可按下式计算：

G=7.4V

M0?MrM0

（7.1）

式中，G—外冷铁重量；V—欲放置外冷铁处的铸件体积；M0—放置外冷铁处铸件的原始模数；Mr—放置外冷铁处假象减少后的模数。

Mr的确定，总的原则应使Mr

4.35

Mr===3.48cm

1.251.25

M3

V=138×110×1460×3.14=69.6dm3

代入（7.1）式得到所需冷铁重量为：

G=7.4VM0?Mr4.35?3.48=7.4×69.9×=103kg M04.35有气隙式冷铁所需设置冷铁的表面积为

A=

V0? M0?Mr 69600? 4.35?3.48

==2000

2M0Mr2×3.48×4.35 由计算得出，在轮缘外圈表面积（6691cm2）上需设置冷铁的表面积为

2000cm2，采用10块尺寸为132mm（高）×160mm（宽）×80mm（厚）的冷铁，外形随铸件表面形状。

与铸件接触的冷铁总面积为：10×13.2cm×16cm=2080cm2满足表面积的条件。

冷铁的总质量为：10×（1.32dm×1.6dm×0.8dm×7.8kg/dm3)=113.5kg满足冷铁的质量要求。

取冷铁的厚度为70mm，冷铁厚度δ＞1.5Mr，根据《铸造手册 第五卷》第418页热平衡计算式（3-140），冷铁厚度也满足要求。

综上可得采用的冷铁尺寸满足所需的各项计算要求，从而确定冷铁数量10个均匀分布外圆周面，尺寸为132mm（高）×160mm（宽）×80mm（厚），位置如图7.2所示

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图7.2 冷铁位置

7.3 冒口尺寸的确定

7.3.1顶圆柱形明冒口与校核

（1）顶圆柱形明冒口尺寸确定

由铸件各部分模数可知，需在模数最大处及铸件中间部分顶部设置冒口，进行补缩，冒口种类为顶圆柱形明冒口。首先确定铸钢件冒口的有效补缩距离从而确定冒口的数量，冒口的补缩距离=冒口作用区长度+末端区长度。该部分铸件为环形件可等效为杆状件，长约为2100mm宽度为318mm，厚度为213mm，宽厚比约为1.5:1，由《铸造工程师手册》图6-154和图6-155分别查得冒口作用区长度约为230mm，末端区长度约为320mm。由于该铸件为环形件无铸件的末端区，因此由冒口作用区长度和冒口直径决定冒口数量，经计算初步确定冒口数量为3个。

冒口的模数：M r=fMc（对于顶明冒口，取f=1.2）将Mc=9.2cm代入上式得

MR=fMc=1.2×9.2=11.04cm

查《铸造工程师手册》表6-135得 冒口底部直径为d=560mm 冒口高度为h=840mm

图7.3 圆柱形明冒口冒口的体积为VR=251L

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（2）冒口补缩能力的校核

用模数法计算出来的冒口尺寸，只能说明冒口晚于铸件凝固，冒口下没有缩孔，而不能说明冒口是否能够足以补缩铸件，所以必须用铸件所需补给量来验算冒口尺寸。冒口必须提供足够的金属液，以补偿铸件及冒口在凝固完毕前的体积收缩和因型壁移动而扩大的容积，使得缩孔不至于延伸到铸件内。为此应满足下列条件：

ζ（V件+V回）+V扩≤V回η 式中：

V件，V回，V扩—铸件体积，冒口体积和因型壁移动而扩大的体积，V扩值对

于舂砂紧实的干近似为零。

ζ—金属从浇注完到凝固完毕的体积收缩率。 η—冒口的补缩效率。 经计算V件=114.3L

合金钢的体积收缩率对于不同的钢种（化学成分）有不同的数值，对于这种ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢可按下面公式计算： ζ=ζ0+ζr=ζ0+ΣKi ωi

碳及其它合金元素对凝固收缩率的影响均能查《铸造工艺学》表4-3得到，代入上式进行计算，求得ζ=6%。

圆柱形明冒口的补缩效率可查《铸造工艺学》表4-5得到η=1.4%则 ζ（V件+V回）+V扩=6×（1143+753）=5203.8L≤V回η=753×14=10542L 说明冒口有足够的金属液补缩铸件。

由于该冒口的底面直径较大，高度较高，在铸件上不易设置，消耗金属量较大，铸件的工艺出品率较低。查资料了解到这样生产出来的上冠铸件，经超声波探伤后，常有一些夹渣性质的缺陷产生，其原因与冒口的浮渣作用不良由很大的作用。

为了克服这些缺点，采用腰圆形冒口来代替分散冒口的工艺设计方案，即可使操作简单，又可提高冒口的利用率和铸件的工艺出品率。优点是有利于渣等渣物顺利的上浮到冒口内。

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7.3.2顶腰圆形明冒口与校核

（1）冒口尺寸

由方案一可知所补缩铸件的长度约为2100mm，铸件冒口作用区长度为230mm，末端区长度为320mm，由于该铸件为环形件无铸件的末端区，因此由冒口作用区长度和冒口直径决定冒口数量，经计算初步确定冒口数量为2个。

冒口的模数：MR=fMc（对于顶明冒口，取f=1.2）将Mc=9.2cm代入上式得:

MR=fMc=1.2×9.2=11.04cm

由《铸造工程师手册》表6-137查得 冒口底部宽度为：a=440mm 冒口底部最大长度为：b=880mm 冒口高度为：h=660mm

冒口体积为：VR=262L图7.5 腰圆形冒口示意图 （2）冒口补缩能力的校核

步骤同方案一，但是腰圆柱形明冒口的补缩效率可查《铸造工艺学》 表4-5得到η=1.4% 则

ζ（V件+V回）+V扩=6×（1143+524）=997.8L≤V回η=524×14=7336L 说明冒口有足够的金属液补缩铸件。

采用腰圆柱形明冒口铸件工艺出品率仍然较低，仍然会出现一些夹渣性质的缺陷，为了提高工艺出品率和冒口的利用率改为环形明冒口，而且采用环形冒口补缩均匀，克服了圆柱形冒口和腰圆形冒口的偏析问题。

7.3.3顶环形明冒口与校核

（1）冒口尺寸

根据铸件的最大模数M1来设计环形冒口的尺寸，环形冒口的模数为Mr=L

S

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其中：S—环形冒口横截面面积，L—环形冒口横截面散热面长度。冒口尺寸如图所示

所设计的冒口，经计算：Mr=L=11.5cm

一般情况下冒口模数为：MR=fMc（对于顶明冒口，取f=1.2）将Mc=9.6cm代入上式得 MR=fMc =1.26×9.2=11.04cm

而实际环形冒口的模数为MR=11.5cm≥11.04cm能够实现冒口晚于铸件凝固，达到补缩铸件的目的。

S

图7.4 环形冒口截面图

（2）冒口补缩能力校核

步骤同方案一，冒口体积约为288L，环形明冒口的补缩效率可取为15%，代入公式计算如下

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ζ（V件+V回）+V扩=6×（114.3+288）=2413.8L≤V回η=288×15=4320L 说明冒口有足够的金属液补缩铸件。

8 浇注系统的设计

金属液流入铸型型腔的通道为浇注系统，主要是选择浇注系统的类型，内浇道的开设位置，各组元截面积，形状和尺寸。

8.1 浇注系统的类型

上冠铸件体积较大，铸件壁较厚，故可采用顶注式浇注系统，在直浇道下放置过滤网。采用该种浇注系统，金属液沿型壁注入，充型快而平稳，可减少冲砂；直浇道下安放过滤网增强了浇注系统的除渣能力。

由于上冠铸件的材料为马氏体不锈钢，故浇注形式采用漏包浇注。因为漏包浇注保温性能好，流出的钢液夹渣物少，无需采用结构复杂的浇注系统撇渣。为了使漏包浇注能适应各类铸件，生产中常按非调节性的浇注操作，即全部打开孔塞，实际上包孔为最小阻流截面。这样，浇注系统必须采用开放式的。

8.2 确定内浇道在铸件上的位置，数量和金属液引入方向

上冠铸件结构较为简单属于中小类铸件，铸造时采取一箱一件手工，铸件大部分位于下箱，为了实现铸件由下至上的凝固顺序，便于铸件的重要部分先凝固并得到补缩，因此内浇道则设置在分型面上，由四个内浇道从侧面引入金属液。内浇道具体位置如下图所示：

图8.1内浇道位置图

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8.3 包孔直径的选择

钢包的容量是根据炉子的容量确定的，而包孔需与钢包的容量相应。经初步估算，浇注所需钢液重量约为5t，查《铸造工程师手册》表6-91可确定钢包容量为8t，包孔直径取为φ50mm，浇注温度1650℃。

包孔直径和包内液面高度决定了钢液的质量流率，如将包内液面高度的影响简化，则包孔直径与其对应的钢液质量流率可查表6-92得VC=55kg/s。

8.4 计算浇注时间并核算金属夜上升速度

液态金属从开始进入铸型到充满铸型所经历的时间浇注时间。合适的浇注时间与铸件的结构、铸型工艺条件、合金种类和选用的浇注系统类型等有关。

铸钢件浇注时间可有下式计算：

τ=

式中：G—铸件质量，kg；

N—同时浇注的浇包个数，一般N=1； n—每个浇包所用的塞座砖数，一般n=1； VC—钢液的质量流率； 将数据代入上式计算得

τ=

计算铁水液面上升速度

v=

C1256mm==13.8mm/s τ91sG5000

==91s

N?n?Vc1×1×55G

N?n?Vc式中：C—铸件最低点到最高点的距离，按照浇注时的位置确定，mm； τ—浇注时间，s；

查询《铸造工程师手册》表6-94可知钢液在型内允许的最小上升速度为10mm/s，所以上式所求的V>10,满足要求。

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8.5 浇注系统各组元截面积的计算

用漏包浇注铸钢件时，均采用开放式浇注系统，各组元截面积的比例，大体可采用下面比例：

F包：F直：F横：F内=1：（1.8～2.0）：（1.8～2.0）：（2.0～2.5）

式中：F包—包孔的总截面积（cm2）

F直—直浇道总截面积（cm） F横—横浇道的总截面积（cm2） F内—内浇道的总截面积（cm2）

为了应用方便可根据包孔直径查表6-95～表6-97查出浇注系统各组

元截面的尺寸：F包=19.6cm2；F直=36cm2；F横=19.6cm2 ；F内=45cm2。 直浇道：D=80mm；为了方便起模，直浇道做成上小下大的倒圆锥形，（通常锥度取1/50）。因此直浇道下端是直径约为：D=102mm

横浇道：a=35mm,b=45mm,c=45mm； 内浇道：a=30mm,b=30mm,c=40mm。

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内浇道 横浇道直浇道

图8.2浇注系统截面图

8.6 浇口窝的设计

浇口窝可设计成与直浇道底面直径相同半球形D=90mm。

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8.7 浇口杯的设计

查手册确定浇口杯尺寸为：顶部直径200mm，底部直径80mm，高度210mm， 造型后手工加工浇口杯。

图8.3浇口杯

9砂箱设计

材料选用HT150，定位销等用45钢，砂箱厚度280mm，调用式大型砂箱。上砂箱尺寸为2000mm×2000mm×1000mm；下砂箱尺寸为2000mm×2000mm×650mm。查铸造手册第五卷得：

a.铸件距砂箱边最小尺寸为125mm； b.铸件顶距上砂箱顶最小尺寸为250mm； c.铸件下端距下砂箱底的最小尺寸为250mm； d.直浇道中心距铸件的最小距离为200mm。

9.1砂箱壁的结构形式和尺寸

由于是单件手工生产用，且砂箱尺寸较大，故采用简易砂箱壁的断面结构并设置外凸缘，以增加砂箱的强度和刚度。查铸造工艺装备手册表5-9可得砂箱外壁结构如图9.1，对应尺寸为：?=32,?1=28,b=25,h1=35,h2=30。

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图9.1沙箱外壁结构

9.2砂箱外壁加强肋的布置形式和尺寸

为了减小砂箱壁的厚度而不影响砂箱的强度和刚度，可在砂箱壁的外侧做出纵向和横向加强肋。对于一些长条形而要求刚度好的砂箱可设计成人字形的加强肋。设置加强肋时，不能妨碍砂箱的定位及紧固。图9.2砂箱加强筋示意图，其尺寸如下：L=180,L1=400,?=20,?1=25,r=18。

图9.2加强筋示意图

砂箱四角容易损坏，设计砂箱时应给出合理的转角尺寸，并加大转角部分的壁厚。转角示意图如图9.3、尺寸如下：?1=?+5，R=90。

图9.3砂箱转角

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9.3砂箱箱带的布置形式和尺寸

砂箱箱带不但增加砂箱的强度和刚度，还能增加对型砂的承托力的粘附力，可以防止砂型的塌箱。砂箱箱带采用十字交错布置，a=280,b=300；a1=25，r=12。

图9.4砂箱箱带

?=30, ?1=25，h=130,h1=25,c=5,R=50。

在砂箱壁上设计排气孔，以方便排气。但不应影响砂箱强度，砂箱的箱带、转角及吊轴附近不设排气孔。排气孔形式一般为圆形或腰圆形。D=30,d1=35,c=80,b=150。

图9.5砂箱排气孔

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9.4砂箱吊运部分的结构和尺寸

本次设计中大型砂箱采用嵌入式吊轴。单个吊轴允许载荷为34300，故应设有2个。吊环图示如下图：

图9.6砂箱吊轴 d=80,D=100,D1=180,D2=195,L=250,L1=100,L2=115。

吊环，在中大型砂箱的设计中，除了吊轴外，还经常设置4～6个吊环。d=50,D=110,D1=120,L=300,L1=110,L2=135,l=200,t=25,t1=30,r=15,r1=10。

图9.7砂箱吊环

砂箱的定位及紧固耳

砂箱的定位单件生产的简易砂箱，可采用内箱锥定位。

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图9.8砂箱定位

定位及紧固箱耳如图，d2=35,h=50,A=160,A1=140,r=15,r1=10。 砂箱三维图如下图所示：

图9.9上箱（左），下箱（右）

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图9.10砂箱合箱图

10模底板设计

因为是手工单件 生产，故材料选用木材。但模板必须具有一定的强度，故可在模板四个角上装砂箱垫铁板，将模板放在槽钢上，并设置翻箱起模装置板。

砂箱内框尺寸：长度为A，宽度为B。

模底板平面尺寸：长度为A0，宽度为B0。A0=A+2b，B0=B+2b。 则模板的尺寸为2250mm×2250mm×100mm

查铸造工艺装备设计手册表3-23得槽钢型号为14.6，H=100,H1=90。

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11芯盒的设计

11.1 砂芯的修改

有与冒口设计为环形冒口，在造型过程中，被冒口环绕着的型砂被孤立了起来，在起模合箱过程中操作较为麻烦。因此将该部分型砂设计为砂芯的一部分，修改后的砂芯如下图所示：

图11.1砂芯外形

11.2 芯骨的设计

为了保证砂芯在制造、运输、装配和浇注过程中不变形、开裂或折断砂芯应具有足够大刚度和强度。生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其强度和刚度。由于本次铸件所用砂芯较大，一般采用铸铁芯骨或用型钢焊接而成的芯骨。对于一些大型的砂芯，为了便于吊运，在芯骨上应做出吊攀。 芯骨选用螺纹钢，我国标准推荐螺纹钢的公称直径为8、10、12、16、20、40mm。根据砂芯的尺寸取芯骨的直径为20mm，据铸造手册第五卷铸造工艺（第2版）查表3-136可知芯骨吊攀的直径为12mm，经计算砂芯中设置6根芯骨；为保证砂芯具有足够的强度和刚度，以防止产生变形和断裂，而且又

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要注意芯骨不阻碍铸件的收缩，因此芯骨应有适当的吃砂量，由铸造手册第五卷铸造工艺（第2版）表3-137可得芯骨吃砂量为25～40mm。芯骨在砂芯中的设计如下图所示：

图11.2砂芯剖面图

11.3 通气孔的设计

砂芯在高温金属液的作用下，由于水分蒸发及有机物的挥发，分解和燃烧，在浇注后很短时间内会产生大量气体。由于该砂芯尺寸较大，气体不容易排出，这些气体会侵入到金属液中，使铸件产生气孔缺陷。因此在砂芯中要设置通气孔，使砂芯中的气体，能顺利的通过出气孔排除砂芯。通气孔的尺寸为高1100mm，上部直径130mm，下部直径70mm。

11.4 芯盒的设计

所设计的铸件为单件生产，故芯盒选用木质材料。根据砂芯的形状选取方形垂直对开式芯盒。砂芯最大截面处直径为474mm，根据据铸造手册第五

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卷铸造工艺（第2版）表4-73查得芯盒主要尺寸如下：a1=130～135，b=90，a2=75，l=350～450，k=35。为了紧固芯盒，将a1增大40mm，并在此宽度上均匀加工3个螺纹孔，用M16的螺钉固定。

图11.3芯盒

11.5砂芯制作的步骤

（1）用铁丝扎好砂芯骨；

（2）将砂芯骨垂直放置在抹地板上；

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（3）合上芯盒的两部分，用螺钉紧固后调整芯盒与芯骨之间的距离； （4）填砂舂实砂芯的第一部分安放通气棒； （5）填砂舂实砂芯的第二部分，修正砂芯头； （6）拔出通气棒，取出砂芯，放在成型烘干器内。

12铸件凝固过程的模拟及分析

铸件在砂箱中的位置如下图所示：

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图12.1铸件在砂箱中的位置图

12.1铸件的凝固过程示意图

铸件的凝固过程如下图所示

凝固1凝固2

凝固3 凝固4

图12.2铸件凝固模拟

12.2铸件凝固完全后缩孔、缩松的分布

铸件凝固完全后缩孔的分布如下图：

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图12.3缩孔

铸件凝固完全后缩松的分布

图12.4缩松

12.3铸件凝固过程的分析

钢液充满型腔后，开始由铸件底部向上凝固。由于上冠铸件大圆周围设置冷铁，故钢液由大圆向铸件内部凝固，且凝固过程中冒口内的金属能对其起到补缩作用。但是当凝固到图凝固3时，由于冒口顶部直接与大气接

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触，散热较快，冒口内的金属便由顶部开始向下凝固，导致铸件最后凝固部位虽然在冒口里，但距离铸件顶部较近。

由铸件缩孔、缩松图可以看出，凝固终了铸件内部无缩孔与缩松，缩孔与缩松都集中在冒口内。但是从缩松图看出，缩松虽然出现在冒口内但距离铸件顶部较近，出现该种现象的原因是：由于冒口顶部散热较快，使得铸件最后凝固部位距铸件较近，最后凝固部位得不到金属液的补缩而出现缩松。

13工艺调整方案

为了降低冒口顶部的凝固速度，使铸件最后凝固部位在高冒口中部，解决缩松距离铸件顶部较近的问题。在金属液充满铸型时向冒口顶部均匀的撒一层无碳发热保温剂，来降低冒口顶部的散热，从而降低其凝固速度，撒入保温剂的质量为25㎏。

14关键环节质量控制

（1） 确保木模与芯盒在使用过程中不变形，严格检查型腔，砂芯形状和尺

寸。合型前再次检查。

（2） 造型操作型砂现混现用，填砂过程中先填充摸样表面，转角处，并适

当压实，要保证型腔及砂芯表面质量。造型后将冒口顶部箱带处的型砂手工掏空。脱模4小时候，均匀涂刷涂料。烘干铸型后合型。 （3） 下芯合箱后，用铁丝将砂芯吊环固定在箱带上，防止金属液充型过程

中砂芯晃动。

（4） 确保钢水成分和温度，加强浇注前保温处理，快浇，不断流，及时引

火。从明冒口进行补浇，补浇后向冒口内均匀撒上25千克无碳发热保温剂。浇注后，保温40小时开箱。

参考文献

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