铸造工艺设计报告

铸造工艺学课程设计设计题目：大批量生产的HT200喂入辊链轮（11）工艺设计学院班级：材料学院材物091班

姓名：高建波

指导老师：

设计时间：2011.12.25到2012.01.06

设计类型

□机械零件设计

■铸造零件设计

□冶金零件设计

□建筑零件设计

□其他零件设计

目录

课程设计任务书

一：铸造工艺设计概念 (5)

二：零件分析

2.1零件结构分析 (5)

2.2零件技术分析········································5～6 三：工艺方案的论证

3.1造型、造芯方法确定 (6)

3.2铸型的选择 (6)

3.3浇注位置的选择 (6)

3.4分型面选择 (7)

3.5浇注系统的选择 (7)

3.6凝固顺序 (7)

四：铸造工艺参数设计

4.1铸造收缩率··········································7～8

4.2机械加工余量 (8)

4.3起模斜度 (9)

4.4砂芯设计···········································9～10

五：浇注系统

5.1浇注时间计算·······································10～12

5.2阻流浇注系统其他各组元的截面积的计算 (12)

5.3组元截面积的计算及各组元之间比例关系的确定 (12)

5.4冒口的有关计算·····································12～13 六：零件图、铸造工艺图、装配图

6.1零件图·············································13～14

6.2铸造工艺图 (14)

6.3装配图 (15)

七：主要缺陷及防止 (15)

八：总结（附录参考文献）······························16～17

课程设计任务书

一、设计题目

大批量生产的HT200喂入辊链轮（11）工艺设计

二、课程设计教学目的及基本要求

1．通过设计这一实践性教学环节，培养学生独立思考力，熟悉并系统地掌握铸造工艺与工艺设备的设计方法及设计能力；

2．学会并掌握液态成型工艺设计及工装模具设计的全过程；

3．通过所学专业知识，提高运算、设计绘图能力及查阅技术资料的技能；培养学生分析、初步解决液态成型工艺问题的能力；

4．为毕业设计（论文）及毕业后从事工程工作打下良好的基础。

三、课程设计内容及安排

1．结合具体零件图（液态成型件），确定设计任务；

2．课堂讲解典型零件的设计任务、设计方法（步骤）；

3．学生设计内容：

（1）读图，根据零件图技术要求及零件结构特点分析零件设计原理、成型工艺；（2）完成铸件工艺分析以及几种成型工艺方案的比较和论证；选取最佳工艺方案；

（3）设计计算浇注系统、确定工艺参数、绘制铸造工艺图（包括主视图、俯视图、侧视图等）

（4）在工艺图的设计基础上完成模板图（上或下模）设计，包括主视图、俯视图、侧视图等。

（5）设计绘制芯盒的装配图设计，包括主视图、俯视图、侧视图等。

（6）撰写设计说明书一份，约4000-5000字，按上述1-5包括的设计内容，方案分析比较与设计计算过程结果，查找资料依据，参考资料。要求书写工整，图文并茂，规格统一。

4．设计题目（每个学生一个题目，独立完成）

（1）按零件图完成铸造工艺设计并绘制铸造工艺图一张；

（2）根据铸造工艺图，绘制铸件图一张；

（3）按工艺图设计绘制模板装配图一张；

（4）按工艺图设计绘制芯盒图一张。

5．时间安排

（1）布置题目，集中指导1天

（2）铸造工艺图设计绘图2天

（3）铸件图绘图 1天

（4）模板图设计绘图 1天

（5）芯盒设计绘图2天

（6）撰写设计说明书2天

（7）答辩 1天

四、课程设计考核方法及成绩评定

学生全部完成（按内容1-5）课程设计，包括四张设计图纸、一份设计说明书，交给指导教师审核签字通过后方可参加答辩。

答辩结束后，指导教师根据学生答辩情况、图面质量等方面的表现，按照统一评分标准进行成绩总评。答辩成绩分为四部分：平时表现、图面质量、答辩成绩、设计论证（说明书），各部分所占比例：

平时表现： 20分

图面质量： 30分

答辩成绩： 30分

设计论证（说明书）： 20分

五、设计说明书撰写

课程设计说明书内容要求如下：

1．目录

2．零件结构分析、技术要求分析；

3．工艺方案论证

对零件进行工艺分析，选择多种方案进行对比、结合设计条件的具体情况和要求，分析优缺点，确定最优方案；

4．工艺尺寸计算

根据确定的工艺方案，计算浇注系统，确定工艺参数、模板尺寸等，计算方法应有依据，公式有出处，计算结果正确，并有图示。

5．结束语

对自己的设计进行客观评价以及对课程设计中存在的问题进行分析和讨论经。

6．参考文献

在设计说明书撰写过程中引用资料的出处，它反映设计的取材来源及工艺分析的可靠性。

六、课程设计教材及主要参考资料

1．《实用铸造手册》，陈琦、彭兆弟主编，中国电力出版社，2009年

2．《铸造工艺学》，董选普，李继强编，化学工业出版社，2009年

3. 《铸造工艺设计》，李弘英、赵成志编，机械工业出版社，2005年

一：铸造工艺设计概念

铸造生产是一个诸多工序集成的复杂过程，包括金属熔炼、型砂配置和处理、造型制芯、合型浇注、落砂清理和旧砂回用等，人们往往把铸件的生产过程称为铸造工艺过程，编制出其铸造生产工艺过程的技术文件就是铸造工艺设计。

铸造工艺设计技术要求根据对零件的要求，生产批量和生产条件，以及对铸件结构的工艺分析等，用文字、图样及表格说明零件的生产工艺过程和指导生产作业的技术资料，确定铸造工艺方案、工艺参数、绘制铸造工艺图、编制工艺规程和工艺卡等技术文件的过程。

合理的铸造工艺方案是进行铸造工艺设计的第一步，对铸造工艺确定，首先要对零件的结构进行深刻的铸造工艺性分析。一个好的零件是经过以下几个步骤完成的：

①功能设计

②依据铸造经验修改和简化设计

③冶金设计

④考虑经济性

只有经过一系列的铸造工艺性分析和考虑之后，才能对零件做出一个合理的铸造工艺设计。

二：零件分析

1、零件结构分析

铸造喂入辊链轮的材料为HT200即抗拉强度为200Mpa的灰铸铁，尺寸为φ1340×φ1340×370.0，通过计算，获得铸件，至少需要1845.89kg的金属液体,主要壁厚为15cm，最后处为47cm，铸件体壁厚基本均匀，铸件重主要由两个空心的圆柱构成，在圆柱中间切取一小部分，并且在当中有一个尺寸为M8-6H

的螺纹，对于两边而言，是类似的圆锥面，这些可以通过机械加工来处理，对于铸造而言，只能铸造出大概形状和尺寸，并不能准确的铸造出所满足要求的零件。

零件表面的粗糙度相对较小，一般为32mm，依据这些零件的结构考虑分析，对于螺纹、圆柱中间的孔洞以及辊链轮的轮面都采用采用机械加工的方法，铸造出来的零件相当于厚壁上下不等，但分隔界面上下壁厚均匀的空心圆柱，采用铸造的方法比较容易铸造成型，而且能够大批量生产零件，获得良好的经济收益。

2、技术结构分析

满足一定的机械性能要求，保证零件壁厚均匀，无气孔、砂眼、夹渣、粘砂等缺陷，表面光滑光洁，粗糙度小，螺纹相对零件空间而言，尺寸较小，采用机械加工的方法较合适，另外圆柱中间的小部分切割部分采用机械加工方法操行性较好，适合于零件大批量的生产。

三：铸造工艺方案的确定

1、造型、造芯方法的确定

手工造型和造芯适用于单件或小批生产中，机器造型和造芯主要用于成批和大量生产。喂入辊链轮需要大批量的生产，采用机器造型和造芯的方法较合适。

2、铸型种类的选择

采用湿型，喂入辊链轮尺寸高度较小，铸件没有较大的水平壁，采用湿型是比较合理的，但若对于铸件过高或者浇注的时间较长的零件，不宜采用湿型造型制芯的方法，

从经济的角度考虑，湿型造型制芯方案，成本低，并且劳动条件好，机械化造型，手工造型均广泛采用，采用特殊的砂型还可以获得良好的零件铸型。

3、浇注位置选择

浇注面的选择有以下两种，如下图所示，A方案铸件大平面在上，小平面在下面，选择这样的教主位置，便于合箱，B方案中，与A方案正好相反，不便于合箱，是不合理的铸造工艺浇注系统位置的设置方案。

A方案B方案

4、分型面选择

分型面尽量选在铸件最大截面处，可以防止砂箱位置过高，分型面选在较小

截面处，砂箱位置太高，造型困难，填砂、紧实、起模、下芯都不方便。可以采用多个砂箱铸造零件。分型面的选择应当做到以下几个要求

（1）使铸件全部或大部分置于同一半型。若达不到这一要求，也尽量把铸件的加工面或基准面放在同一半型。

（2）应尽可能减少分型面数目。机器造型只允许有一个分型面，凡不能出砂部位均采用砂芯；对单件生产手工造型，采用两个分型面是合理的。

（3）平直分型面和曲折分型面的选择。平直分型面可以简化工装制造、加工工序和造型操作。有的情况选择曲面分型，有利于清理。

（4）分型面应选取在铸件最大投影处。

5、浇注系统的选择

一个好的零件．要有一个合理的浇注系统，才能成型完整，浇注系统包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道四个部分组成，雨淋式浇注系统中横浇道是截面最大单元，金属液由铸件顶部许多小孔流入型腔雨淋式浇注系统的特点及选用原则雨淋式浇注系统可使铸件顺序凝固,可获得组织致密的铸件，有利于铸件的补缩,能防止铸件产生缩孔、冷隔、夹渣以及浇不足等缺陷,同时还可以防止由于冲砂而引起的夹砂、气孔和渣孔等缺陷。

适合于壁厚均匀的圆筒类铸件，如缸套。在板状、箱体、床身等类型铸件方面也有广泛的应用。结合喂入辊链轮零件结构，壁厚均匀选择雨淋式浇注系统是合理的，选用的雨淋式浇注系统还必须是开放式的浇注系统，并且对于雨淋式浇注系统自带冒口，节省工艺设计。

选用其他的压边式、搭边式顶注式的浇注系统，或者是中注式，底注式浇注系统设计效果不如雨淋式合理。选用此种方案合理。

6、凝固顺序

采用的是雨淋式浇注系统，采用顺序凝固的原则进行铸造，可获得组织致密，符合零件机械性能的铸件。

四：铸造工艺参数设计

1、铸造收缩率

铸件在冷却和凝固过程中，体积一般都要收缩。由于铸件的固态收缩(线收缩）在使铸件各部分的尺寸小于模样原来的尺寸，为了使铸件冷却后的尺寸与铸件图

示尺寸一致，则需要在模样或者芯盒上加上其收缩的尺寸。增加的这部分尺寸为铸件的收缩量，一般用铸造收缩率表示:

k=(L模样一L铸件)/L铸件 X 100%

式中:L模样—模样尺寸;

L 铸件—铸件尺寸

铸造收缩率主要和铸造合金的种类及成分有关，同时还取决于铸件在收缩时受到阻碍的大小等因素。

在本次工装设计中模样材料为灰铸铁，零件生产要求大批量中小型件生产，为自由收缩，铸造收缩率选为1%。而灰铸铁的结晶范围窄，更接近于层状凝固，凝固时的膨胀和液态收缩趋于相互补偿，所以铸造工艺设计时可不考虑灰铸铁的收缩给尺寸带来的影响，但为保证铸件的表面加工和尺寸精确，依然选取铸造收缩率为1%。

2、机械加工余量

考虑到零件的厚壁并不完全一样，在不同的面选用合适的机械加工余量，零件要求大批量生产，采用机器造型及型壳，参考书籍可查加工余量为2.8mm获

4.0mm或

5.5mm，统一采用4.0mm加工余量2，有以下三个优点:

①尺寸不算太小，便于加工；

②大批量生产零件，可以节省金属材料；

③方便计算，可以省去繁琐的计算，操行性较强。

机器造型、造芯灰铸铁铸件机械加工余量（mm）

最大尺寸要求的机械加工余量

大于至 E F G H

400 630 2.2 3 4 6

630 1000 2.5 3.5 5 7

1000 1600 2.8 4 5.5 8

1600 2500 3.2 4.5 6 9

3、起模斜度

为了方便起模，在模样、芯盒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。起模斜度的大小和零件的尺寸相关，下面三个图为起模斜度的不同方式：

对于喂入滚链轮零件，选用的起模斜度方案为a中方案，容易拨出模样，是较合理的方法，喂入滚链轮零件的高度大约为340mm左右，依据下表所示，起模斜度为0°20′，而斜度长度为2.4mm。

黏土砂造型时，模样外表面的起模斜度

测量面高度金属模样、塑料模样木模样

a a/mm a a/mm

10～40 1°10′0.8 1°10′ 1

40～100 0°30′ 1 0°40′ 1.2

100～160 0°25′ 1.2 0°30′ 1.4

160～250 0°20′ 1.6 0°25′ 1.8

250～400 0°20′ 2.4 0°25′ 3

（参考文献：铸造成形手册柳百成黄天佑编第四篇砂型铸造/788页）4、砂芯设计

对于喂入辊链轮零件的砂芯设计，表达的工艺参数有砂芯，砂芯间隙s，芯头高度h、芯头斜度a、等参数。

设计芯头参考如下，铸造工艺图中上芯头高度为150mm，下芯头高度

250mm，芯头的斜度和上下芯头的尺寸相关，有上下芯头高度决定斜度。

芯头高15 20 25

上芯头 2 3 4

下芯头 1 1.5 2

（参考文献3：东北工学院砂型铸造/243页）

砂芯间隙也和尺寸有一定的关系，对于零件的砂型直径直接相关，喂入辊链轮的铸造当中砂型间隙取值为1.5mm，左右两边的取值为S/2，即为0.75mm。依据关系为D或者（A+B）/2的范围。

铸型种类

D或（A+B）/2

151 ～200 201 ～300 301 ～400 401 ～500

湿型 1 1.5 1.5 2

干型 1.5 2 2.5 3 （参考文献：铸造成形手册柳百成黄天佑编第四篇砂型铸造/788页）

五、浇注系统的计算

1、浇注时间的计算

浇注时间的计算是指金属液从开始进入铸型到完全充满铸型所经历的时间叫浇注时间（用τ表示）。合适的浇注时间与铸型结构、铸造工艺条件、合金种类及选用的浇注系统类型有关，对于每一个铸件在已经确定的铸造工艺条件下都应有其适宜的浇注时间（又称最佳浇注时间）。对于铸铁件而言铁液的浇注温度在1300～1330之间。

计算10t以下的各类铸铁件的浇注时间，常用公式如下：

τ =S×3G

式中τ------浇注时间，单位s；

G------包括冒口在内的铸件质量，单位kg；

A------铸件壁厚，mm，对于宽度大于厚度4倍的铸件，即为壁厚，

对于圆形活正方形的铸件，壁厚取其直径或边长的一半，对壁厚不均匀

的铸件，可取平均壁厚、主要壁厚或最小壁厚；

S------系数。对普通灰铸铁一般去2.0，需快浇时可取1.7至1.9，对

于需要慢浇小浇口（如压边冒口、某些雨淋式浇口等）可取3--4，铸钢

件可取1.3至1.5。

喂入辊链轮依据尺寸大小，算出铸件的质量和冒口的质量，铸件图如下所示，

铸件尺寸相关计算：

L1=1383.7mm L2=737.3mm L3=36.63mm

H1=340.34mm H2=118.17mm

S1=πR12=1.5037㎡ S2=πR22=0.4269㎡ S3=0.1053㎡

V1=S1H1=0.177697m3 V2=S2H2=0.0948m3 V3=S3H3=0.035847m3 V=V1＋V2－V3=0.236653m3

铸件的质量：M=ρ×V=1.8458934t

冒口质量的计算：

利用公式M B=1.2M件，模数=体积/散热面积（冒口和铸件的图形如上所示） S1=πR12=1.5037㎡ R1=0.69158m

S2=πR22=0.4269㎡ R2=0.36865m

S3=πR32=0.1053㎡ R3=0.18315m

冒口的体积V冒=（S1－S3）×H=1.3984H

散热面积：A1＋A2＋A3=A冒

A1=2πR1×H=4.347H A2=S1－S3=1.3984㎡ A3=2πR32H

M冒=V冒/A冒=1.3984H/（5.497765H＋1.3984）

铸件的体积：V件=0.236653m3；

铸件散热面积：S件=S1＋S2＋S3＋S4＋S5=2.8195㎡；

铸件模数M件=V件/S件

由M模=1.2M件得出H=0.1659m

冒口质量M冒=ρ×V冒=1.80956t

流经浇注系统的金属液体总质量=M冒+M件=3.65545t

平均壁厚δ=（0.6915+0.34034-2×0.1835）/2 =0.33442m

对于系数，浇注系统是雨淋式浇注系统，系数取3

计算浇注时间τ=S×3G =32.073s

浇注速度v=C/τ=0.01m/s=10.00mm/s符合要求

2、阻流组元截面积的计算及各组元之间比例关系的确定

喂入辊链轮选用雨淋式浇注系统，依据铸件质量确定内浇道横截面积，内浇道总截面积F阻=45.8㎝2，选用16个内浇道，

A=F阻/内浇道个数=2.8625㎝2

式中A------单个内浇道面积，由此算出内浇道直径φ=19.1mm

雨淋式浇注系统对于特定的铸件有一定比例关系，各组元之间比例关系：F 直：F横：F内=1.2：1.5：1

3、浇注系统其他各组元的截面积的计算

F直=F阻×1.2=54.96㎝2

F横=F阻×1.5=68.7㎝2

πr2=F直

计算得出直浇道直径φd=85mm

4、灰铸铁冒口的有关计算

设置冒口的主要目的是为了补偿金属液体收缩和固体凝固时的体积收缩，影响体积收缩的主要因素有三种：冶金质量的影响、冷却速度的影响、化学成分。

灰铸铁中含碳较多，采用均衡凝固为指导的收缩模数冒口设计法，

（1）收缩模数Ms

Ms=f2×Mc

式中Mc--------铸件模数；

f2----------收缩系数，f2=Pc，Pc为收缩时间分数，即Pc=铸件收缩时间/铸件凝固时间。

铸件模数M c=V件/S件 =0.236653m3/2.8195㎡=8.39cm

铸件质量周界商Qm=M件/Mc3=82.35kg/㎝3

可得f2= Pc= 0.2 Ms=f2×Mc=1.678cm

（2）冒口颈模数Mn

Mn=Ms（Tp－1150）/（Tp－1150+L/c）

式中，Mn为冒口颈模数；

Ms为铸件的关键模数；

C为铁液比热容，0.835J/（g·K）；

L为铸铁的融化热（或者为结晶潜热）209J/g；

Tp为浇注温度，准确的说，是浇注后型内铁液的平均温度，℃。

或Mn=Fp·F4·Ms

带入数据可知冒口颈模数Mn=0.48，

（3）铸造工艺出品率

铸件质量M件=1.8458934t，冒口质量M冒=1.80956t，由此可得铸造工艺出品率为κ=M件/（M件+M冒）=50.5%

六：铸件图、铸造工艺图、装配图

1、铸件图

铸件图所表达的内容有机械加工余量、铸件凝固后的尺寸，通过这些尺寸，了解铸件的加工量

铸件图真的用途可以概括为以下两个方面：

1）是铸件验收的依据；

2）是冷加工车间进行铸造加工工装设

计的重要依据。对铸造车间而言，工艺装备

的各种图样，必须保证铸件和铸件图相符合，

所以也是铸造工装设计的依据，对于大批量

的零件生产需要采用铸件图，而对于单间、

小批量的零件生产，直接依据铸造工艺图进

行生产加工准备，不用绘制铸件图。

喂入辊链轮铸件的尺寸如由右图所示：

2、铸造工艺图

铸造工艺图不仅能够表示收缩率、起模斜度等工艺参数，还有浇注位置、分型面、分模面、活块、模样的类型和分型负数、砂芯的个数和形状、尺寸和间隙，分盒面，芯盒的填砂方向等各种能够表达铸造工艺参数。

3、装配图

装配图是铸造工艺设计的最后生产模型，包括砂箱、芯盒、模样、浇注系统等工艺设计，链轮的铸造工艺设计中，选用的浇注系统是雨淋式的，对高度有一定的要求，同时也会改变砂箱的高度，砂箱在选择的过程中，长度选择为100

或为200的倍数，宽度选择为50或100的倍数.

浇注系统中浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道的一些具体的尺寸在装配图中需要表示出来，下图是浇口杯的一些尺寸：

七：主要缺陷及防止

1）气孔：浇注时选用的砂型是湿型，浇注时发气量大，易出现气孔，对于雨淋式浇注系统，开放式浇注系统通气较好，控制合理的浇注温度。

2）夹砂：在浇注最后凝固的平面较大，容易出现夹砂，金属液与砂型作用时间较长，砂型强度不够造成的夹砂，影响金属组织的内部形态，对零件的机械性能会造成一定的影响。

3）粘砂：有时出现大面积的粘砂，经分析是机械粘砂，原因是紧实度不够，注意舂砂既可防止。

在造型的过程中，有很多的影响因素会造成别的缺陷，浇注温度、浇注时间的控制，以及金属液体的类别，会影响铸件的性能。凝固顺序会对铸件的壁厚产生影响。

八：总结

在整个铸造工艺设计过程当中，了解到铸造在国民生产的地位和作用，铸造业是关系国计民生的重要行业，是汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业的基础，是制造业的重要组成部份。目前，我国铸造业正处在从铸造大国向铸造强国起步的新阶段。因此，必须抓住机遇，利用高科技技术提升铸件质量。课程设计的目的在于更好了解铸造知识，更好的创新。

这次课程设计，我运用了大学以来学到的各方面知识，例如大二时期学习的机械制图的知识，让我学习和应用知识的能力得到了全方位的展示，而且我对铸造工艺有了正确和精准的认识。

在铸造工艺设计的同时，学会独立的去解决各种遇到的难题，查阅各种参考资料，同时扩展了自身的知识面，在前期学习过的《铸造工艺学》一书当中，有很多的知识不甚了解，但通过这次的课程设计实践课程，在原来的基础之上，更加深刻理解课本上的知识。

对一种方案的设计，需要考虑到各种的因素，例如零件的重量，零件的材料以及各种影响因素，学会全面的思考问题和积极寻找解决方案。浇注系统的选择，此次方案中采用的是雨淋式浇注系统，和铸件的形状以及尺寸密切相关，喂入辊链轮是一种圆筒状，采用雨淋式浇注系统正好能够满足铸件要求。

九：参考文献

1．《实用铸造手册》，陈琦、彭兆弟主编，中国电力出版社，2009年

2．《铸造工艺学》，董选普，李继强编，化学工业出版社，2009年

3.《铸造工艺设计》，李弘英、赵成志编，机械工业出版社，2005年

4.《铸造成型手册》，柳百成、黄天佑遍，化学工业出版社，2009年

5.《铸造实用速查手册》，刘瑞玲、范金辉编，机械工业出版社，2006年

6.《砂型铸造工艺及工装设计》，帅联合编写组，北京出版社，1980年

7.《铸造工艺课程设计》，叶荣茂，吴维冈，高景艳，哈尔滨工业大学出版社1989

8.《铸造工程基础》，魏华胜，机械工艺出版社，2002年

9.《上程图学简明教程》，王成刚，张佑林，赵奇平，武汉理大学出版社, 2004. 年10.《Foundry Ｔechnology》杂志，连伟，朱建中，魏兵，2006.8./P771页

课程设计评分表

评分等级

项目

不及格及格中等良好优秀

设计内容

完整性

设计内容

正确性

设计计算方

法与准确性

分析综合

能力

说明书文字

修饰与整洁

绘图能力

设计过程认

真程度

综合评分百分制：

评阅人：

评阅时间：年月日