铸造工艺学课程设计案例

前言

铸造工艺学课程是培养学生熟悉对零件及产品工艺设计的基本内容、原则、方法和步骤以及掌握铸造工艺和工装设计的基本技能的一门主要专业课。课程设计则是铸造工艺学课程的实践性教学环节，同时也是我们铸造专业迎来的第一次全面的自主进行工艺和工装设计能力的训练。在这个为期两周的过程里，我们有过紧张，有过茫然，有过喜悦，从中感受到了学习的艰辛，也收获到了学有所获的喜悦，回顾一下，我觉得进行铸造工艺学课程设计的目的有如下几点：通过课程设计实践，树立正确的设计思想，增强创新意识，培养综合运用铸造工艺学课程和其他先修课程的的理论与实际知识去分析和解决实际问题的能力。

通过制定和合理选择工艺方案，正确计算零件结构的工作能力，确定尺寸，掌握了浇冒口的作用及其原理，具有正确设计浇冒口系统的初步能力；掌握铸造工艺和工装设计的基本技能。

熟悉型砂必须具备的性能要求，原材料的基本规格及作用，并初步具备分析和解决型砂有关问题的能力。

熟悉涂料的作用、基本组成及质量的控制；了解提高铸件表面质量和尺寸精度的途径。

了解合金在铸造过程中容易产生的铸造缺陷以及采取相关的防止途径，并初步具备分析、解决这类缺陷的基本解决途径

学习进行设计基础技能的训练，例如：计算、绘图、查阅设计资料和手册等。

目录

零件铸造工艺分析 (4)

零件基本信息 (4)

材料成分要求 (4)

铸造工艺参数的确定 (4)

铸造尺寸公差和重量公差 (5)

机械加工余量 (5)

铸造收缩率 (5)

拔模斜度 (5)

其他工艺参数的确定 (5)

工艺补正量 (5)

分型负数 (5)

非加工壁厚的负余量 (5)

反变形量 (5)

分芯负数 (6)

铸造三维实体造型 (6)

上冠件图纸技术要求 (6)

上冠件结构工艺分析 (6)

基于UG零件的三维造型 (6)

软件简介 (6)

零件的三维造型图 (6)

第三章铸造工艺方案设计 (7)

工艺方案的确定 (7)

铸造方法 (7)

型（芯）砂配比 (8)

混砂工艺 (8)

铸造用涂料、分型剂及修补材料 (8)

铸造熔炼 (8)

熔炼设备 (9)

熔炼工艺 (9)

分型面的选择 (9)

砂箱大小及砂箱中铸件数目的确定 (10)

砂芯设计及排气 (11)

芯头的基本尺寸 (11)

芯撑、芯骨的设计 (12)

砂芯的排气 (12)

第四章浇冒系统的设计及计算 (12)

浇注系统的类型及选择 (12)

浇注位置的选择 (12)

浇注系统各部分尺寸的计算 (13)

合金铸造性能分析 (13)

铁液在型内的上升速度 (13)

浇注系统截面尺寸设计 (14)

冒口设计计算 (14)

铸件工艺出品率 (14)

出气孔 (15)

冒口的作用及位置确定 (15)

冷铁设计及尺寸计算 (15)

冷铁的选用及作用 (15)

冷铁的尺寸及放置位置的选择 (15)

总结 (17)

参考文献 (18)

附图

第一章零件铸造工艺分析

零件基本信息

零件名称：上冠铸件。

零件材料：HT200。

产品生产纲领：成批量生产或者小批量生产。

结构：属厚、薄相差悬殊的大型回转体结构。

上冠零件图：

图上冠零件图

材料成分要求

根据相关资料查得HT200具体成分及其含量如表所示。

表

C Si Mn P S Cr

~~~≤≤~

铸造工艺参数的确定

铸造尺寸公差和重量公差

该铸件材质为HT200，手工造型，经查得，铸件的尺寸公差等级为13级；重量公差等级为13级，该铸件的重量公差为10％。

机械加工余量

该铸件为铸铁件，砂型人工造型，经查加工余量等级为H，经查得，该铸件法兰端面以及锥面的加工余量为13mm、孔的加工余量为8mm。

铸造收缩率

由于铸件的固态收缩(线收缩)将使铸件各部分尺寸小于模样原来的尺寸，因此，为了使铸件冷却后的尺寸与铸件图示尺寸一致，则需要在模样或芯盒上加上其收缩的尺寸。加大的这部分尺寸为铸件的收缩量，一般用铸造收缩率表示。经查可知该锥体铸件的线收缩率为％。

拔模斜度

由于该铸件为锥形而且锥度大非常易于拔模，因此锥体部分不设拔模斜度，而在立壁处可设置

3mm的起模斜度以便拔模。拔模斜度的示意如图和。

图外立壁拔模斜度示意图图内立壁拔模斜度示意图

其他工艺参数的确定

工艺补正量

对中小批量的铸件由于选用的收缩尺寸与实际的收缩率不符，或由于铸件产生变形、操作中不可避免的误差等原因使加工后铸件的尺寸小于图样要求尺寸，为提高尺寸精度，要在铸件相应的非加工表面上增加金属层厚度来弥补,但由于该件在垂直分型面的立壁上都设有较大的拔模斜度,故不放工艺补正量。

分型负数

干砂型、表面烘干型、自硬砂型以及砂型尺寸超过2m以上的湿型才应用分型负数。而此铸件采用树脂自硬砂造型且砂箱尺寸小于2m，故不留分型负数。

非加工壁厚的负余量

由于该铸件采用木模，手工造型、造芯过程中，为取出木模要进行敲模，同时木模受潮时会膨胀，这些情况会使型腔尺寸增大，从而造成非加工壁厚增加，为保证铸件尺寸的准确性应该减小厚度尺寸，但由于该件在无拔模斜度，且该件不是很大故不放非加工壁厚的负余量。

反变形量

铸造较大的平板类、床身等类铸件时由于冷却速度的不均匀性，铸件冷却后常出现变形。为了解决挠曲变形问题，在制作模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，使铸件冷却后变形的结果正好将反变形抵消，得到符合设计要求的铸件。一般中小型壁厚差别不大且结构上刚度较大时，不必留反变形量。由于该铸件为中小型铸件，所以不需留反变形量。

分芯负数

对于分段制造的长砂芯或分开制造的大砂芯，在接缝处应留出分芯间隙量，即在砂芯的分开面处，将砂芯尺寸减去间隙尺寸，被减去的尺寸即为分型负数。此铸件没有分段制造的长砂芯，故可不设分芯负数。

第二章铸件三维实体造型

上冠件图纸技术要求：

（1）铸件应作正回火处理；

（2）铸件材料及机械性能应符合JB/T10264-2001的要求；

（3）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；

（4）同炉浇铸试验棒，回厂做化学成分和机械性能复核试验；

（5）过流面用样板检查；

（6）请刻出叶片进出水边与上冠的交点圆线。

上冠件结构工艺分析：

上冠件属壁厚相差悬殊的回转体结构，其主要壁厚为50mm，最小壁厚为25mm，最大壁厚为275mm，零件的外形轮廓尺寸为上法兰直径φ1510，法兰另一端直径φ，该件质量为1665kg。由零件图可知，该零件外形不是很复杂，内腔结构也不复杂，壁厚不均匀，材料为灰铁，流动性较好，收缩大，在浇注时容易产生浇不足、冷隔、缩孔和缩松、热裂、内应力以及变性和冷裂等缺陷。该件为中大型铸件，可采用砂型铸造中湿型铸造，操作方便，劳动量较小。

基于UG零件的三维造型

软件简介

UG NX是由Siemens PLM Software发布的集CAD/CAM/CAE一体化解决方案软件，它涵盖了产品设计、工程和制造中的全套开发流程。NX 产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具。NX 与UGS PLM 的其他解决方案的完整套件无缝结合，这些对于CAD 、CAM 和CAE 在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。

本件采用UG NX进行三维立体建模使工艺设计直观形象，便于后续分析、模拟及加工等过程的管理与控制。

零件的三维造型图

通过运用对零件进行立体建模得到如图、所示三维图。

图零件的三维造型图

图零件的剖视图

第三章铸造工艺方案设计

工艺方案的确定

铸造方法

若生产纲领为单件小批量生产，基于铸件材料（HT200）、尺寸、精度及技术要求等综合考虑，通过查阅相关资料，可选的合适铸造方法只有木模树脂砂铸造或者消失模铸造两种方法。需要浇铸的产品上冠铸件属于中大型简单铸件，如果采用消失模铸造，其加工余量少，而且可以精确成型，无须起模，无分型面，无型芯，因而铸件无飞边毛刺，减少了由型芯组合而引起的铸件尺寸误差。另外消失模铸造大大地简化了砂型铸造及熔模铸造的工序。所以本次设计选择消失模树脂砂型铸造来生产此铸件。

若生产纲领为成批量生产可采用砂型铸造，铸型和型芯都采用呋喃树脂自硬砂，每箱一件，乙醇涂料，造型时按模型材质选择合适的脱模剂。采用树脂砂的优点有：强度高，可自硬，精度高，铸件易清理，生产效率高等特点。

型（芯）砂配比

根据零件结构及生产要求，该铸件采用呋喃树脂自硬砂造型、造芯即可，具体数值参考型、芯砂配比如表和表所示。

表中催化剂含量为占树脂砂的百分比。

混砂工艺

合理地选用混砂机，采用正确的加料顺序和恰当的混砂时间有助于得到高质量的树脂砂。树脂砂各种原料称量要准确，其混砂工艺如下：

砂+出砂

上述顺序不可颠倒，否则局部发生剧烈的硬化反应，缩短可使用时间，影响到树脂砂的使用性能。砂和催化剂的混合时间应以催化剂能均匀的覆盖住沙粒表面所需的时间为准。

铸造用涂料、分型剂及修补材料

铸造涂料在铸型和砂芯的表面上形成耐火的保护层，避免铸件产生表面粗糙、机械粘砂、化学粘砂以及减少铸件产生与砂子有关的其它铸造缺陷，是改善铸件表面质量的重要手段之一。虽然采用涂料增加了工序和费用，但使用涂料之后，不仅铸件表面光洁，也减少了缺陷降低了清理费用，增加了铸件在市场上的竞争力，综合效益得以提高。为满足要求可选水溶性涂料，根据生产纲领选用手工刷涂的方式施涂。

铸造用分型剂可在造型造芯过程中在模样、芯盒工作表面覆盖一薄层可以减少或者防止型砂、芯砂对模样或芯盒的粘附，降低起模力，以便得到表面光洁、轮廓清晰的砂型或砂芯，可手工涂涂柴油。

如砂型或砂芯出现裂纹、孔洞、掉角以及不平整等缺陷可用胶补剂进行修补，以提升生产效率。对自硬树脂砂可用同种自硬砂+修补膏+胶合剂进行修补。

铸造熔炼

熔炼设备：为保证获得化学成分均匀、稳定且温度较高的铁液，满足生产需要这一前提，在大批量流水生产中，宜采用冲天炉-电炉双联熔炼工艺。它可以保证出炉铁液温度在1500℃以上，温度波动范围小于等于＋（-）10℃，化学成分（质量分数）精度达到△C小于等于＋（-

）%，△Si小于等于＋（-）%。

熔炼工艺：(1) 废钢加废钢可明显提高灰铸铁基体中D型石墨和初生奥氏体的数量；加废钢能促进初生奥氏体的形核及长大；可增加铸件的强度和孕育。（2）出炉温度和浇注温度出炉温度一般都控制在1400~1450℃之内，浇注温度一般控制在1370~1440℃。（3）孕育处理为改善石墨形态和材质的均匀性，孕育处理是十分重要的。孕育的作用为消除白口、改善加工性能，细化共晶团、获得A型石墨，使石墨细化及分布均匀，改善基体组织、提高力学性能，减小断面敏感性。综合孕育剂选择的主要两个因素：满足工艺性及性能、金相组织的需要；避免铸件产生气孔、缩松、渗漏等缺陷。由于75SiFe瞬时孕育效果好，溶解性能优良，故此铸铁熔炼采用此方法。

分型面的选择

根据分型面的选择原则，分型面的选择位置如下：

方案一

1、有利于顺序凝固和冲型以及易于保证铸件的精度；

2、有利于铸件的补缩；

3、铁液在铸型中的流动不稳定；

4、由于该件外形为锥体，这样分形的好处是易于起模，在侧面处可不设起模斜度。

方案二：

特点：

1：重要面放在侧面和下面，有利于重要面得到致密的组织；

2：避免了吊芯；

3：不利于顺序凝固和补缩；

方案三：

特点：

1、减小了砂箱尺寸；

2、有利于下芯；

3、对上下箱的合箱、造型精度要求很高；

4、铁液在铸型中的流动不平稳。

根据三种方案的对比，选择方案二比较合理。

砂箱大小及砂箱中铸件数目的确定：

由于铸件为锥体件，一端的表面积较大，因此采用一箱一件的生产方式。砂箱的尺寸计算：

砂箱宽＝90+1526+90=1706mm, 取砂箱长度为1800mm。

砂箱长＝90+1526+80+90=1786mm,取砂箱宽度为2000mm。

砂箱高度的计算：

上砂箱高＝286+150＝436mm，冒口高度为286mm，故取上箱500mm

下砂箱高＝622＋180＝802mm，下砂箱取850mm。砂箱各部位的尺寸如下表所列。

砂箱长（mm）砂箱宽（mm）砂箱高（mm）

上箱20001800500

下箱20001800850

砂芯设计及排气

砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。砂芯应满足以下要求：砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置应符合铸件要求，具有足够的强度和刚度，在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外，铸件收缩时阻力小和容易轻砂。

芯头的基本尺寸

芯头是砂芯的重要组成部分。芯头的作用是：定位、支撑和排气。定位作用：通过芯头与芯座的配合，便于将砂芯准确地安放在砂型中。

支撑作用：砂芯通过芯头支撑在铸型中，保证砂芯在它本身的重力及金属液体的浮力作用下位置不变。

排气作用：在浇注凝固过程中，砂芯中产生的大量气体能够及时地从芯头排出铸型。

=60mm，斜为下芯方便，根据课本可留垂直心头与芯座之间的间隙s=1mm，芯头高度：h

下

度，h

=5°。芯头各部分尺寸及形状见图。

下

图芯头的尺寸及形状

芯撑、芯骨的设计

由于砂芯较小，且位于内浇道附近，因此不用芯撑。

为了保证砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不易开裂、不易变形、不被金属液冲击折断，生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其刚度和强度。

由于该铸件为小型铸件，且砂芯尺寸不大，故可以采用细钢管做芯骨，防止砂芯变形、开裂，同时在钢管上钻若干小孔利于砂芯排气。

砂芯的排气

砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中的有机物要燃烧（氧化反应）放出气体，砂芯中的残余水分受热蒸发放出气体，如果这些气体排不出型外，则要引起铸件产生气孔。

芯骨有小孔利于砂芯排气，还可用通气针扎出排气孔的方法排气。

第四章浇冒系统的设计及计算

浇注系统的类型及选择

该铸件为铸铁中大型铸件，壁厚不均匀，根据铸铁件生产要求及特点，根据铸造工艺学表3-4-12选择封闭式（Ⅱ）浇注系统。以横浇道截面最大，阻渣效果较好，可防止金属液卷入气体，消耗金属少，清理方便；但缺点是内浇道为阻流，充型不平稳。∑S内：∑S横：∑S直=1::

浇注位置的选择

方案一：采用顶注浇注系统浇注位置设在冒口上，设置三个内浇口分别位于三个腰圆形冒口上，如图所示：

浇注系统示意图

此浇注的优点：

（1）浇注系统位于冒口上因此在机加工时省去了切割浇道的工序；

（2）浇道和冒口相连降低冒口的冷却速度，有利于冒口的补缩；

（3）浇道位于该件的中心位置充型平稳，而且铸件的质量均一。

方案二:

采用顶注式，内浇道镶嵌在下模样边上，便于清理，横浇道搭接在内浇道上，和直浇道一起放在上模样，具体构造如下图:

特点：便于清理，可用浇注系统当冒口，对铸铁有一定的补缩作用。且节省材料，降低生产成本。

对比以上两种方案，由于铸铁具有良好的流动性，容易填充形状复杂的薄壁铸件，且不易产生气孔、浇不足、冷隔等缺陷，且浇注温度较低，充型能力好，可以不用另设冒口，因此采用方案一。

浇注系统各部分尺寸的计算

根据相关资料查得HT200具体成分及其含量如表所示。

表

C Si Mn P S Cr

~~~≤≤~

合金铸造性能分析：

灰铸铁具有良好的铸造性能：（1）流动性。灰铸铁的熔点较低，结晶温度范围较小，在适宜的浇注温度下，具有良好的流动性，容易填充形状复杂的薄壁铸件，且不易产生气孔、浇不足、冷隔等缺陷。（2）收缩性。灰铸铁的浇注温度较低，凝固中发生共析石墨化转变，使其线收缩小，产生的铸造应力也较小，所以铸件出现翘曲变形和开裂的倾向以及形成缩孔、缩松的倾向都较小。（3）灰铁充型能力好，强度较高，耐磨、耐热性好，减振性良好，铸造性较好，但需人工时效。

铁液在型内的上升速度

V 根据浇注系统的铁液上升速度计算法，查铸造工艺学表3-4-6知铁液在型中上升速度

l

V=25mm/s。

（mm/s）在20mm/s-- 30 mm/s之间，取

l

浇注系统截面尺寸设计

用奥赞公式可计算阻流截面积：

ορμτ2gH m S 下

阻=

m 下为浇注质量，铸件质量kg 1665m ≈，考虑增重5% m 下=1748kg m3 / kg 21.7=ρ 查表得湿型中等铸铁流量系数0.42≈μ,

浇注时间

查铸造工艺学表3-4-3 对于铸铁件 t=10~30s 取t=30s 浇注速度

V =m/t=1665/30=s 浇注温度

1370~1440℃

冒口设计计算

根据补缩液量法：已知该件体积约为7mm3,查课本P299可得铸铁体收缩率ε取，冒口的补缩效率取14%，铸件壁厚取主要壁厚50。 d 0=

3

π

εc

V 6=946mm

式中：V c -铸件被补缩部分体积；

ε-铸件金属的凝固收缩率理论上需要用以补缩部分液体的体积V 1； d 0：补缩球直径。 Dr=T+ d 0=50+946=996mm.

Dr:冒口直径。

该件采用三个同形状冒口，冒口的高度取为300mm.

由于该件为灰铸铁，采用保温冒口可提高铸件工艺出品率10％～15%，能够很显著地节约材料和降低成本。为了冒口的易于切割，降低后续机加工难度，在冒口底部可放置带孔隔板或易切片便于冒口的切割。

铸件工艺出品率

铸件工艺出品率=

浇注系统质量

冒口质量铸件质量铸件质量

++×100%

对该铸件工艺出品率=1665/(1665+781+312)=60%

出气孔

开始浇注的瞬间，型腔内的空气即被加热膨胀，型内压力迅速增加，有些空气可从型砂的空隙逸出，但型砂的透气性常不足以防止压力的显著增高。当浇注系统完全充满时，压力可以高到

使液态合金倒流，再周期性地返回，并降低浇注速度。压力过大可能瞬时拾起上箱，引起“跑火”，甚至从直浇道中喷溅，造成事故。道气不良还会造成气孔、浇不足和冷隔等缺陷。所以要用出气孔，将型内气体引至砂型之外出气孔除排出型腔的空气和气体之外，还可减小砂型充满时的动压力，以及便于观察型内的充满程度等。但此铸件可不需专门的出气孔，可以选取通气针在砂型上扎出排气道的方法排气。

冒口的作用及位置确定

冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件凝固过程中补给金属，能有效防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。对于该铸件采用普通明冒口，由于该铸件热节处壁厚较大，经分析可设置1个环形大冒口。如下图所示：

冷铁设计及尺寸计算

冷铁的选用及作用

为增加铸件局部冷却速度常常在铸件表面或者内部放置激冷材料,对该件采用铸钢材质板型外冷铁，对于该件使用冷铁有诸多优点：

1）在冒口难于补缩的部位防止缩孔缩松；

2）冷铁可与冒口配合使用，利用冷铁形成末端区，能加强铸件的顺序凝固条件、扩大冒口补缩距离或范围，减少冒口数目或体积；

3）防止立壁与铸件表面交接部位形成裂纹；

4）用冷铁加速热节部位的冷却，使整个铸件接近于同时凝固，既可防止或减少铸件变形，又可提高工艺出品率；

5）改善局部组织和力学性能，提高表面硬度和耐磨性；

6）减轻或防止该铸件厚壁部位的偏析。

冷铁的尺寸及放置位置的选择

通常冒口的厚度B=（^）T，可取B=84mm。

根据查表可知冷铁的其他尺寸及参数如表3-23所列。

冷铁长度（mm）冷铁间隙（mm）冷铁厚度（mm）数量

18012°8420

冷铁的放置位置如图所示

图冷铁放置位置（蓝色实体表示）

总结

本次铸造工艺课程设计历时两周,是学习铸造专业以来第一次独立的进行工艺和工装设计。在设计过程中由于本铸件体积较大，结构较复杂，其材料是在凝固过程中易出现缩松缩孔等缺陷的灰铸铁，因此此工艺设计思想是在保证铸件质量前提下，尽量采取合理工艺及先进的分析方法来消除各种缺陷，最后才考虑工艺出品率

的提高。还要考虑生产上的安全性和经济合理性。在以前铸造工艺课程的学习中，我对于铸造工艺课程是很有限的，我们所遇到的关于专业的实际应用也仅限于书上的例题和为了考试做的一些资料，它们都是理论上的或者局部的计算，而这次的课程设计让我们接触到了铸造生产过程中的工艺设计和一些辅助辅助结构的计算。让我感觉到，光是平时学习的内容对于在工艺设计方面的应用是远远不够的，这需要我们平时自觉的培养自己的自学能力，设计中我学会了离开老师进行自主学习，详读课本并参看多本指导书，完善自己的设计。

通过本次课程设计的训练，我们受益匪浅，不仅深层次的学习了铸造知识，掌握了铸造工艺设计流程，而且还提高了分析问题、解决问题的能力，使自己的专业素质得到了进一步的锻炼和提升。这对我们的继续学习是一个很好的指导方向，同时，通过课程设计，还使我们树立正确的设计思想，培养实事求是、严肃认真、高度负责的工作作风。

最后，在此特别要感谢彭老师和申老师对我们的感谢您们对我们的谆谆教诲以及在精神方面给与的支持与鼓励，您们渊博的知识和丰富的经验也值得去认真学习。同时也感谢班级同学们的相互支持，与他们一起对一些问题的探讨和交流让我开拓了思路，也让我在课程设计时多了些轻松、愉快。

参考文献：

[1] 申荣华编. 铸造工艺课程设计指导书[Z]. 贵阳，自编参考书，2011

[2] 矫津毅编著. UG NX5基础设计与案例实践[M]. 北京：机械工业出版社，2008

[3] 王文清，李魁盛. 铸造工艺学[M]. 北京，机械工业出版社，2002

[4] 李宏英编著. 铸造工艺设计[M]. 北京：机械工业出版社，2005

[5] 李魁盛，马顺龙等. 典型铸件工艺设计实例[M]. 北京，机械工业出版社，2008

[6] 中国机械工程学会铸造分会编. 铸造手册5（第2版）[M]. 北京，机械工业出版社，2004