支撑台铸造工艺设计

目录

1绪论 (2)

2 材料的确定 (3)

3 结构工艺分析 (4)

4 工艺方案的设计 (5)

4.1铸型种类及造型方法的确定 (5)

4.2分型面的选择 (5)

4.3铸件浇注位置的确定 (6)

5 铸件工艺参数的确定 (8)

5.1加工余量 (8)

5.2起模斜度及圆角确定 (10)

5.3铸出孔 (10)

5.4型芯及型芯头选择 (10)

6 浇注系统的设置 (11)

6.1浇注系统作用与结构分析 (11)

6.2浇口杯和直浇道 (11)

6.3横浇道和内浇道 (11)

6.4各组元截面尺寸确定 (11)

6.5冒口及尺寸确定 (13)

7 铸件工艺图和铸件图 (14)

附录 (15)

总结 (16)

参考文献 (17)

1 绪论

铸造工艺是应用铸造有关理论和系统知识生产铸件的技术和方法。包括铸件工艺，浇注系统，补缩系统，出气孔，激冷系统，特种铸造工艺等内容。就是将液态合金注入到与零件尺寸、形状相适应的铸型空腔内使之冷却、凝固，制备铸件的工艺方法。现代科学技术的发展，要求铸件具有高的力学性能、尺寸精度和低的表面粗糙值；要求具有某些特殊性能，如耐热、耐蚀、耐磨等，同时还要求生产周期短，成本低。合理的铸件结构是获得优质铸件的前提，是简化铸造工艺，提高生产率，降低生产成本的根本方法。需铸造的零件结构不仅满足工作性能和力学性能的要求，同时还应满足铸造工艺、方法及合金铸造性能的基本要求，这样才能达到优质、高产、低耗的效果。

铸造工艺设计中最重要的环节就是工艺方案，其主要包括零件结构分析和铸造工艺方案分析两部分内容。根据零件的结构特点、技术要求和生产批量等条件确定其铸造工艺，绘制铸造工艺图和铸型图；然后依据绘制的铸造工艺图，结合所选定得造型方案和工艺卡，便可绘制出模样图及铸型图。

2 材料的确定

机械零件材料的选择是一个复杂的问题，需要在掌握工程材料理论及其应用理论知识的基础上，明确目标及限制条件，进行具体分析，进行必要的试验和选材方案对比，最后才能确定选材方案。一般应遵循“使用性、合理性、经济性和工艺性”原则[1]。

支撑台零件主要用于承受中等静载荷，即在工作时起支撑机器上其它部件的作用，而经常处于压应力状态，要求能抗压和耐磨即可，故选用灰铸铁HT150制成。

灰铸铁是一种断面呈灰色，碳主要以片状石墨形式出现的铸铁。并且其含碳、硅较高（碳3.0%-3.7%、硅 1.8%-2.4%）其铁水不经任何处理，出炉后可进行直接浇注。灰铸铁具有良好的减磨性、吸振性和切削加工性，以及铸造流动性好，充满型腔的能力较强，有利于金属渣中的气体和杂质上浮。HT150的工作条件是承受中等负荷，且摩擦面间的单位面积压力不大于490kpa，一般机械制造中的铸件，如：支柱、底座、齿轮箱、刀架、轴承座、轴承滑座等[2]。符合本设计的要求，故支撑台零件的材料选用灰铸铁HT150。

3 结构工艺分析

支撑台零件由法兰、锥度、内腔及小孔等结构组成。此产品的生产性质为单件小批量生产。灰铸铁具有良好的耐磨性，液态流动性好，凝固收缩性小，抗压强度高，吸振性好，使用时有充分的强度和刚性，能够满足支撑台工作要求，而且价格适宜，故选用灰铸铁作为铸件材料。

此零件外形轮廓尺寸为160mm*200mm*200mm，主要壁厚12mm，最大壁厚20mm，为一小型铸件；机器支撑台零件主要用于承受静载荷，即在工作时起支撑机器上及其他部件的作用，而经常处于压力状态，故要求能抗压和耐磨即可。故选择灰铸铁HT150制成。零件结构图及三维图3.1如下所示。

图3.1 零件图及三维图

4 工艺方案的设计

4.1铸型种类及造型方法的确定[3]

铸型包括将熔化的金属倒入铸模(同铸锭过程)，铸模的型腔提供了最终有用的形状，之后仅需根据具体应用进行加工和焊接。铸型通常按照造模的方法、造模的材料或进铸模的方法进行分类，铸造工艺有四种基本类型:砂型铸造、永久型铸造、压模和离心式铸造。考虑其经济性、合理性、工艺性，对本设计采用砂型铸造。

砂型铸造的铸型主要分为湿型、干型、表面干型、自硬型四种。每种铸型的选择需要根据铸件重量、结构和质量要求、生产批量及车间生产条件等因素确定。湿型是应用最广泛的一种铸型。湿型铸造法的基本特点是砂型无需烘干，不存在硬化过程，其主要优点是生产灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现生产过程中的机械化和自动化，材料成本低。通常情况下，中小型铸件应尽可能选择湿型。故本设计采用湿型铸造法。

因湿型铸造法水分多，强度低，铸件易产生结疤、鼠尾、粘砂、气孔、砂眼、胀砂等缺陷，在使用时应注意以下几种情况：

1.浇注时铸件有较大水平壁时，用湿型容易引起夹砂缺陷，应考虑使用其他砂型。

2.铸件过高，金属静压力超过湿型的抗压强度时，应考虑使用干砂型或自硬砂型。

3.型内放置冷铁过多时，应避免使用湿型，因为冷铁生锈或变冷而凝结“水珠”，浇注后会引起气孔缺陷。如果必须使用冷铁时，冷铁应事先预热，放入型内后要及时合型浇注。

4.造型过程长或需长时间等待浇注的砂型不宜采用湿型，因为湿型放置过久会风干，使表面强度降低，易出现冲砂缺陷。

支撑台零件为回转体结构，且平直分型面，故适合分模造型。因其生产批量小，因此采用手工造型和制芯。

综上所述，本设计采用湿砂手工分模造型。

4.2分型面的选择

分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的得选取优劣，对铸件的精度、生产成本和生产率影响很大。选择分型面时应注意一下几项原则：

1.尽可能将整个铸件或其主要加工面和基准面置于同一砂箱内；

2.尽可能减少分型面数目；

3.尽量选用平面分型；

4.分型面应选取在铸件最大投影面处；

5.尽可能少用砂芯；

6.尽量避免铸件非加工面产生飞边；

7.尽量降低砂箱高度；

8.受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度；

9.有利于下芯、验型与合型。

支撑台零件有三个最大截面，可以设计轴向分型和径向分型两种方案。径向分型有两个分型面，分别为A、B在上下法兰下面。需要用三箱造型，工艺复杂，砂箱数量多且容易出现错箱等错误，生产效率低。而轴向分型为一个分型面，在零件垂直轴线上，分两箱造型。便于起模、下芯和验型等且分型面与分模面相同，因此选择轴向分型。

图4.1 分型面选择图

4.3铸件浇注位置的确定

铸件的浇注位置是浇注时铸件在铸型中所处的位置。浇注位置不仅对保证铸件质量有重要影响，而且与工艺装备（如模样、芯盒）结构，下芯、合型甚至清理等工序均有密切的关系，还能影响到机械加工。浇注位置的选择要根据铸件的大小、结构特点、合金性能、生产批量、现场工艺条件及综合等方面加以确定[3]。

以保证铸件质量为出发点，应尽量简化造型工艺和浇注工艺。同时还应注意以下几点原则:

1.浇注的重要加工面应朝下或呈侧立面

一般情况下，铸件顶面形成气孔和夹杂物等缺陷的可能性大，而铸件向下的底面和侧立面比较光洁，出现缺陷的可能性小。

2.尽可能使铸件的大平面朝下

既可避免气孔和夹渣，又可防止大平面处发生夹砂缺陷。

3.应保证铸件能充满

对薄壁部分的铸件，应把薄壁部分放在下半部或置于内浇道以下，以免出现浇不到和冷隔等缺陷。当铸件薄壁部分面积较大时，可采用倾斜浇注，以保证铸件能充满。

4.应有利于实现顺序凝固

铸件的厚大或局部厚实部分，应置于铸型的顶部或侧面，以便于安放冒口，实现自下而上的顺序凝固。

5.应尽量减少砂芯数量并使其稳定

避免使用吊砂、吊芯或悬臂砂芯，以便于下芯、检验、固定和排气。

本次设计中，支撑台在工作中起支撑和承受载荷的作用。下法兰受力大，应宽大。按照重要加工面或大平面应朝下或呈侧立面，为了避免出现浇不到和冷隔等缺陷，将支撑台水平浇注，可使两端加工面处于侧立面，以保证铸件的质量和精度，并且有利于下芯、检验、固定和排气。其示意图如图4.2所示。

图4.2 浇注位置图

5 铸件工艺参数的确定

5.1加工余量

为了保证零件加工面尺寸和精度，在铸造工艺设计时，将加工面上留出的、准备切去的金属层厚度，称为机械加工余量。加工余量过大或者过小都会影响零件的质量。在选择加工余量时要考虑铸造合金种类、铸造工艺方法、生产批量、设备与工装的水平、加工表面处的浇注位置、铸件的基本尺寸的大小和结构的影响。

支撑台零件采用砂型手工造型且最大轮廓尺寸为630-1000之间，且其基本尺寸为160mm、200mm，查表5.1表5.2表5.3和表5.4可知其加工余量等级为F-H，尺寸公差等级为CT(11-13),确定其加工余量为7.5mm。

表5.1 毛坯铸件典型的机械加工余量等级（GB/T6414-1999）[3]

方法

要求的机械加工余量等级

铸件材料

铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金轻金属合金

砂型手工造型G-k F-H F-H F-H F-H F-H

砂型机器造型或

壳型

E-H E-G E-G E-G E-G E-G

金属型或低压铸

造

D-F D-F D-F D-F D-F

压力铸造B-D B-D 熔模铸造 D D D E E

表5.2 要求的铸件加工余量（GB/T6414-1999 [3]单位（mm）

最大尺寸①

要求加工的机械余量等级

A②B② C D E F G H J K

≤400.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.5 0.7 1 1.4 >40-6

3

0.1 0.2 0.3 0.3 0.4 0.5 0.7 1 1.4 2

>63-1

00

0.2 0.3 0.4 0.5 0.7 1 1.4 2 2.8 4

>100-

160

0.3 0.4 0.5 0.8 1.1 1.5 2.2 3 4 6 >160-

250

0.3 0.5 0.7 1 1.4 2 2.8 4 5.5 8

>250-

400

0.4 0.6 0.9 1.3 1.4 2.5 3.5 5 7 10

（续）

最大尺寸①

要求加工的机械余量等级

A②B② C D E F G H J K

>400-

630

0.5 0.7 1.1 1.5 2.2 3 4 6 9 12

>630-

1000

0.6 0.8 1.2 1.8 2.5 3.5 5 7 10 14

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... >6300

-1000

1.1 1.5

2.2 3 4.5 6 9 12 17 24

①最终机械加工后铸件的最大轮廓尺寸。

②等级A和B仅用于特殊场合，例如，在供需双方已就夹持面和基准面或基准目标商定了模样装备、铸造工艺和机械加工工艺的成批生产的情况下。

表5.3 小批量或单件生产的毛坯铸件公差尺寸等级[3]

铸造方法造型材

料

公差等级

铸件材料

铸钢灰铸铁球墨铸

铁

可锻铸

铁

铜合金轻金属

合金

镍基合

金

钴基合

金

砂型铸

造

粘土砂13-15 13-5 13-15 13-15 13-15 11-13 13-15 13-15

手工造型化学粘

结剂砂

12-14 11-13 11-13 11-13 10-12 10-12 12-14 12-14

表5.4 铸件尺寸公差数值[3]单位（mm）

毛坯铸件基

本尺寸

铸件尺寸公差等级CT①

大于至 1 2 3 4 5 ... 11 12 13②- 10 0.09 0.13 0.18 0.26 0.36 ... 2.8 4.2 -

10 16 0.10 0.14 0.20 0.28 0.38 ... 3.0 4.4 -

16 25 0.11 0.15 0.22 0.30 0.42 ... 3.2 4.6 6

25 40 0.12 0.17 0.24 0.32 0.46 ... 3.6 5.0 7

40 63 0.13 0.18 0.26 0.36 0.50 ... 4.0 5.6 8

63 100 0.14 0.20 0.28 0.40 0.56 ... 4.4 6 9 100 160 0.15 0.22 0.30 0.44 0.62 ... 5.0 7 10 160 250 - 0.24 0.34 0.50 0.72 ... 5.6 8 11 ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

①在等级CT1-CT15中对壁厚采用粗一级公差。

②对于不超过16mm的尺寸，不采用CT13到CT16的一般公差。本设计中未到的数据在本表中有所省略。

5.2起模斜度及圆角确定

起模斜度是指为了方便起出模样或取出砂芯，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。由于铸件两端法兰较厚，可在远离分型面处减少1mm的加工余量，取起模斜度为1度。

铸造圆角是指在铸件上相邻两壁之间的夹角，为了防止该处产生缩孔、因冲砂而缺角、因集中力而产生开裂等缺陷。一般为两交壁平均厚度的1/3-1/2,这里取R5mm[3]。

5.3铸出孔

对于支撑台零件上8个小孔尺寸大小，根据铸造工艺性的可能性和使用的必要性。小批量孔直径30mm-50mm，而本次设计零件小孔直径为20mm，且如果要铸出，会增加型芯数量，而且还不好放置，所以不用铸出，直接在钻床上用钻头钻出。

5.4型芯及型芯头选择

铸件上的孔腔要用芯型铸出，芯型要芯头支撑、定位、排气和落砂，芯头是型芯的外伸部分，起辅助作用。型芯头的形状尺寸：一般情况下，同一个内腔用一个整体型芯铸出，当内腔简单，可以自带砂芯成型而不采用型芯。当复杂时，可将型芯分为数块。芯头分为垂直芯头和水平芯头。垂直芯头必须保留一定的斜度，以增强型芯在铸型中的稳定性。水平芯头一般都有左右两个芯头，并增强型芯的稳定性，通常加大或增长芯头，从而使型芯稳固并增加透气。

支撑台零件中央内腔呈锥形孔，适合采用整体型芯和大芯头，便于合箱，以利于稳固、定位、排气和落砂。由基本尺寸可知，型芯长度为200mm。选用垂直芯头，一般小中芯头长为20mm-80mm，确定芯头长为50mm，大端芯头直径90mm，小端芯头直径50mm。芯头的间隙查表5.5得1mm。

表5.5 垂直芯头与芯座之间的间隙[3]

铸型种类

D或（A+B）/2

≤5051-100 101-1

50

151-2

00

200-

300

301-4

00

401-

500

501-

700

701-

1000

1001

-150

>200

湿型0.5 0.5 1.0 1.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 2.5 3.0 干型0.5 1.0 1.5 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 5.0 7.0

6 浇注系统的设置

6.1浇注系统作用与结构分析

系统浇注是指砂型中引导金属液流入型腔的通道，一般由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等组成。浇口杯承接金属液，并经直浇道流入横浇道，再分配给各内浇道流入型腔，因此各交道形状及截面大小均影响铸件质量。对于本次设计采用中间注入的基本形式，其特点是内浇道开设在铸件中部某一高度上，一般开在分型面上造型比较方便，并且兼有顶注式和底注式的优缺点，生产中应用广泛，适用于壁厚较均匀、高度不太大的各类中小铸件[4]。对于支撑台零件正好适合。

6.2浇口杯和直浇道

浇口杯的作用是用来承接来自浇包的金属液，防止金属液飞箭和溢出，便于浇注，减轻液流对型腔的冲击，分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔，增加充型压力头等。浇口杯安结构形状可分为漏斗形和池形两大类，本设计采用漏斗形结构。且在上型面开设浇口杯。

直浇道多为圆形或方形断面的锥形管道，其功用是从浇口杯引导金属液向下进入横浇道、内浇道或直接导入型腔，并提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服流动过程中的各种阻力，充满型腔的各个部位[5]。

6.3横浇道和内浇道

水平的横浇道用以连接直浇道和内浇道，并将金属液平稳而均匀地分配给各个浇道。其作用除了液流的分配，就是起到挡渣的作用。横浇道截面多为梯形、圆形和圆顶梯形。其中梯形和圆顶梯形截面，主要用于浇注灰铸铁和非铁金属铸件。对支撑台零件的横浇道采用梯形截面。

内浇道的作用是引导金属液进入型腔，内浇道比较短，本身不能挡渣，但合理的结构尺寸以及与横浇道的连接方式将有助于挡渣。内浇道对于小件20mm-30mm有助于横浇道挡渣，且制模及切除方便。支撑台零件的下型面开设内浇道，并分两道将金属液从两端法兰处注入，有利于法兰冷却过程中的补缩。且内浇道采用梯形截面[4]。

6.4各组元截面尺寸确定

各组元截面尺寸可根据铸件合金种类、质量、尺寸、壁厚、浇铸时间等，利用简便经验公式求得。

内S :模S ：直S ???

??

??适用于薄壁小件适用于中小件适用于大中件适用于大件 1.11:1.06:1 1.15

:1.1:1

1.4:1.2:1

2:1.5:1

生产中最小的内浇道截面积为0.04cm 2，直浇道最小直径一般不小于15-18mm 。 灰铸铁阻流截面计算公式：

P

H A μτ31.0m =

阻

阻A ——浇注系统中的最小断面总面积（cm 2）；

m ——流经F 阻断面的金属液总重量（Kg ）； μ——总流量损耗系数；

τ——浇注时间（s ）；

P H ——平均静压力头（cm ）

式中m 由proe 分析的毛坯质量m=8.6kg ；μ=0.42[3]；p H = 110cm ； 浇注时间τ的计算如下：

m s 1=τ

m ——型内金属液的总质（重量）（Kg ）

1s ——系数，取决于铸件壁厚，由表查出是1s =2.2[3]。

计算得出浇注时间为6.5s 。

由于支撑台零件为中小型铸件，确定其截面比为1：1.1：1.15。

由阻流截面计算公式可得出内浇道截面积内A ＝8.902cm ,查表得a=56mm,b=52mm

,c=17mm ；直浇道截面积直A =10.242cm ，查表得D=18mm ；横浇道截面积

横A =9.972cm ，a=32mm,b=22mm,c=35mm 。所以支撑台零件的各浇道示意图如下所示：

图6.1 内浇道、直浇道、横浇道截面积

表6.1 灰铸铁件浇注系统标准值[4]

内浇道尺寸/mm（S内/m㎡) 横浇道尺寸/mm（S横/m㎡直浇道尺寸/mm（S

直/ m㎡)

a b c S内 a b c S内 A B C S横 D S直

11 9 5 50 6 4 10 50 16 11 18 240 17 230 14 12 6 80 8 5 12 80 19 14 22 360 20 310 18 15 7 115 10 6 15 120 23 15 25 480 23 420 20 18 8 150 11 7 17 150 28 18 31 720 27 570 24 21 10 225 13 9 21 225 32 22 35 950 32 800 30 26 11 310 14 10 26 310 38 28 42 1380 38 1130 40 30 12 455 17 11 33 450 46 32 50 1950 45 1590 45 41 14 600 20 12 37 600 56 40 58 2800 53 2200 56 52 17 920 24 16 46 920 65 45 70 3850 65 3320 58 53 22 1200 28 20 50 1200 80 60 80 5600 80 5030

6.5冒口及尺寸确定

一般小型、壁厚均匀的铸件可不设冒口，故在此省略。

7 铸件工艺图和铸件图

图7.1 铸件工艺图

图7.2 铸件图

附录

铸造工艺卡拟定铸件

名称材料牌号生产类型毛坯质量

最小壁

厚

铸件图

支撑

台

HT150 小批8.6kg 12mm

造型造型方

法

砂箱铸造、两箱造型

砂箱内

部尺寸

/mm

规格长宽高紧固方法

上箱250 220 130

/

下箱250 220 130

砂型烘干烘干温度

\℃

烘干时间\h

方法300 5 烘干炉

浇冒口尺寸\mm 浇道数量长宽高截面积

横浇道1

个

200 22 35 9.97c㎡内浇道2

个

50 52 17 8.90c㎡直浇道1

个

150 18 18 10.24c㎡

浇注工艺规格

出炉温度

/℃

浇注温度/℃浇注速度/sec 冷却时间/h >1300 >1250 35~55 >10

热处理工

艺加热2~4h至550±20℃，保温均热1 ~2h后缓

冷

总结

通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关铸造工艺设计方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。

对于支撑台零件的铸造工艺设计，首先从零件图出发，读懂了图，接下来再去分析它的铸型种类、型芯结构以及分型面的选择等，然后逐步确定铸件的各个工艺参数，设计出浇注系统。

在本次设计中，铸造工艺图无疑是十分重要的，因为其标示出了分型面、机械加工余量、砂芯形状尺寸、浇注系统等一系列铸造中必不可少的参数。设计中我也遇到了许多问题，特别是各个参数的选定，信息的取舍直接影响到课题设计的严密性、严谨性，通过与老师和同学的讨论，最终得出了结果。

通过这次课程设计，我发现自己对所学的知识掌握得很不好，还需要多多的努力去融会贯通，在今后的学习中要更加的认真才行。

参考文献

[1]苏翠娥.谈怎样选择机械零件的材料[J]. 科技信息,2012,33:604.

[2] 中国机械工程学会铸造分会,铸造手册（造型材料）第2版，北京：机械工业出版社.2004.8.

[3]李荣德,米国发.铸造工艺学机械工业出版社2013.8.

[4] 李宏英赵成志编著.铸造工艺设计.北京:机械工业出版社.2006.1:97-193.

[5] 陆文华,李隆盛,黄良余.铸造合金及熔炼.机械工业出版社,2005.07.