铸造工艺设计说明书电子教案

铸造工艺设计说明书

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“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：B件---铰接支架

自编代码：AB33510A

方案编号：

目录

摘要 (1)

1 零件简介 (2)

1.1零件名称及用途 (2)

1.2零件的技术要求 (2)

1.3零件的结构 (2)

2铸造工艺方案 (3)

2.1材料选择 (3)

2.2工艺方案的选择 (3)

2.3工艺参数的确定 (5)

2.3.1铸件的尺寸公差 (5)

2.3.2铸件的质量公差 (5)

2.3.3机械加工余量 (5)

2.3.4模样的起模斜度 (5)

2.3.5铸造收缩率 (5)

2.3.6最小铸出孔 (5)

2.4浇注系统的设计 (6)

2.4.1浇注系统的选择 (6)

2.4.2浇注系统尺寸的计算 (6)

2.4.3浇注系统设计的校核 (8)

2.5砂芯设计 (9)

2.5.1砂芯设计的要点 (9)

2.5.21#砂芯 (10)

2.5.32#砂芯 (11)

2.6冒口设计 (12)

2.6.1冒口设计的说明 (12)

2.6.2冒口的尺寸计算 (12)

2.7出气孔的设计 (13)

3砂箱的设计 (13)

4铸件充型及凝固过程数值模拟 (14)

4.1ViewCast 模拟软件 (14)

4.2充型过程模拟 (14)

4.3铸造凝固过程数值模拟 (17)

4.4铸造工艺改进方案 (18)

结论 (19)

参考文献 (20)

附图1 ——铸造工艺图

附图2 ——合箱图

附图3 ——铸造工艺卡片

附图4 ——砂箱图

摘要

该铸件为驾驶室右铰接支架，通过分析零件的结构特点和性能要求，选用粘土砂湿型手工造型方法，采用两箱造型，确定了浇注位置和分型面等工艺方案，使零件整体位于下箱。确定了机械加工余量、起模斜度、铸件收缩率等工艺参数。根据各铸造工艺参数用Pro/Engineer软件画出铸件的三维实体图。根据零件的形状特征，选用两个竖直放置的砂芯，1#砂芯采用盖板砂芯的形式固定。选用了封闭式底注式浇注系统，采用了两个内浇道，用奥赞公式计算了浇注系统各部分的截面面积和尺寸，根据工艺方案在铸件顶部放置了两个用于补缩的暗冒口。用Viewcast软件对铸件进行充型过程和凝固过程数值模拟，根据模拟结果对工艺方案优化。最后达到充型过程平稳，没有缩松缩孔的效果。

关键词：球墨铸铁；工艺优化；浇注系统；数值模拟；

1零件简介

1.1零件名称及用途

该零件名称为右铰接支架-驾驶室，用于驾驶室中，每个驾驶室中两个，对应的为左铰接支架，与扭杆、过渡支架总成等组成驾驶室的悬置系统，主要起连接作用。

1.2零件的技术要求

零件的材质为QT450-10，技术要求主要有：

1)铸件表面应光滑，去除毛刺和锐边

2)不允许有砂眼、气孔、夹渣等明显铸造缺陷

3)铸造拔模斜度不大于3o

1.3零件的结构

铸件的整体尺寸为425.5×363×150.5mm，重量为11.676Kg。铸件整体为一曲线轮廓，两边上下各有两个肋板，用于增加零件的结构强度，左端用于和轴承垫圈、过渡支架总成等零件配合，精度要求较高。（如图1.1所示）

（a）视角1 （b）视角2

图1.1零件的三维实体图

由表查得球墨铸铁最大轮廓尺寸在400-800mm时，可铸的最小壁厚为8-10mm，而零件的平均壁厚一般10mm，符合标准，但可认为充型阻力较大，对浇注系统要求较高，而四个加强肋的铸造质量要求一般。

2铸造工艺方案

2.1材料选择

零件的材质为QT450-10，属于铸铁件，选择粘土砂作为造型和造芯用砂。其中造型用湿型砂，造芯用干型砂。

设计说明：

1)铸件为普通球墨铸铁件，粘土砂来源广泛、价格低廉、生产周期短并能满足

本件的性能要求，故选用粘土砂作为造型、造芯材料。

2)铸件尺寸不大，不存在较大的水平壁、金属的静压力过高、冷铁多等问题，

故选用湿型造型，生产周期短，材料成本低。

3)考虑到砂芯的强度问题，选用干型砂制芯。

2.2工艺方案的选择

铸件用于汽车驾驶室的悬置系统，但并非标准件，不同的汽车型号千差万别，不可同一而论，再者考虑工艺实施的简便性，降低对设备的要求，降低生产成本和保护环境等几个方面的因素，此处选用手工造型。

铸件尺寸不大，但轮廓较为复杂，整体为一曲面轮廓，轮廓较为敞开。由零件结构特点，可选用如2.1图所示的浇注位置和两种分型方案。

（a）曲面分型

（b）直线分型

图2.1铸件的两种分型方案

设计说明：

曲面分型的选择依据：铸件整体为一曲面轮廓，两侧为加强肋，轮、轮廓没有较深的内腔，较为开放，考虑可以自备砂胎成型，这样就可不要砂芯，大大减小了生产的复杂程度，提高铸件生产效率。

但这种分型有其明显的缺陷：

1)从10mm厚的薄壁分型，会有错型、合型等很容易出现的问题，降低铸件的

尺寸精度，是生产过程不好控制；

2)由于铸件表面要铸出制造厂代码、零部件号、日期标记等字号，自带砂芯的

尺寸精度不够，字体清晰度达不到要求。

3)拔模时会和铸件一边的两个加强肋有很大的摩擦，砂芯强度会达不到要求，

直接使砂芯溃散。

直线分型的选择依据：这种分型方式使铸件基本上全部处于同一半型，上面的四个凸台做成活块，易于保证铸件精度。同时采用两个砂芯，可保证砂芯的强度，并能得到较为清晰的轮廓。

综上所述，在此选用第二种分型方式——直线分型。

2.3铸造工艺参数的确定

2.3.1铸件的尺寸公差

铸件材质为球墨铸铁，球墨铸铁砂型铸造手工造型的尺寸公差等级为CT11～CT14，结合零件特点及使用要求，此处选择为CT12，铸件的最大尺寸为425.5mm，铸件的尺寸公差的数值即可按GB6414-1999表1查取。

2.3.2铸件的质量公差

铸件质量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。质量公差按QJ2330-92查取，为MT12。

2.3.3机械加工余量

通过查参考文献[1]表3-11“毛坯铸件典型的借鞋加工余量等级”，球墨铸铁砂型铸造手工造型的机械加工余量等级为F～H，此处取G。铸件的最大尺寸为425.5mm ，按GB6414-1999即可查得铸件的机械加工余量。

2.3.4模样的起模斜度

铸件中部的起模高度为133mm，尺寸公差等级为CT12参考文献[1]表3-14起模斜度可查得铸件的起模斜度为1o30’。铸件左侧的起模高度为40，查表得起模斜度为3o。皆符合零件的技术要求。由于铸件的壁厚较小，此处选用增加厚度法添加铸造模样的起模斜度。

2.3.5铸造收缩率

球墨铸铁QT450-10是铁素体球墨铸铁，再者铸件的壁厚比较均匀，各部位收缩时相互制约较小，由参考文献[1]表3-13“砂型铸造常用合金的收缩率”查得在自由收缩条件下的收缩率为0.8%～1.2%，此处选0.9%。

2.3.6最小铸出孔

此铸件的孔都为加工圆孔。查参考文献[1]表3-16“最小铸出孔”查得，单件小批量生产的最小铸出孔径为30～50，故此处各加工圆孔不予铸出。这样也降低了工艺的复杂程度，增大了生产的可操作性，提高了生产效率。

根据各铸造工艺参数画出铸件的三维实体图如图2.2所示

（a ）整体图 （b ） 局部放大图

图2.2铸件的三维实体图

2.4 浇注系统的设计

2.4.1 浇注系统的选择

考虑到铸件的壁厚较小，轮廓比较复杂，用顶注式浇注系统虽然结构简单，造型方

便，但充型不平稳，容易产生飞溅、氧化和吸气，导致氧化夹渣、气孔等缺陷。此

外对型腔的冲击较大，容易导致砂孔、铁豆等缺陷。综合考虑，此处选择底注式浇

注系统。

球墨铸铁铁液 经球化、孕育处理后温度下降很多，要求快速浇注。薄壁小型球墨铸

铁件多采用半封闭式浇注系统，各浇道截面比例∑A 内：∑A 横：∑A 直=0.8：（1.2～

1.5）：1，此处取∑A 内：∑A 横：∑A 直=0.8：1.2：1。

2.4.2 浇注系统尺寸的计算

采用阻流界面设计法计算浇注系统的尺寸。首先用奥赞公式计算浇注系统的最小截

面积。

H P

t G μ31.0A =阻 （2.1）

式中 A 阻——最小界面面积（cm 2）；

G ——流过浇注体统最小界面的铸铁金属液总质量（Kg ）；

t ——充型时间，可近似用浇注时间这个工艺参数替代（s ）；

——填充全部型腔时，浇注体统阻

流截面的流量系数，量纲为1；

Hp ——充填型腔时的平均计算压头（cm）﹔

其中 G：G的值可去铸件质量的1.2倍即G=1.2×11.676=14kg

t：球墨铸铁浇注时间的确定可按灰铸铁浇注时间计算方法确定，然后减少 1/3。

灰铸铁的浇注时间 T=S G（2.1）式中S为取决于壁厚的系数，本零件壁厚为10取S=2.2,带入公式2.2可计算得T=8.235s，则t=2/3T=5.5s。

μ：该铸件为湿型铸铁件且阻力一般，又为底注式浇注系统，设两个内浇道，综合查表取值为0.4

Hp：对于底注式浇注系统Hp=H0-Hc （2.3）

式中H0为阻流截面以上的液态金属的静压头；

Hc为铸件型腔的总高度

则Hp=27.15cm。

将以上四个参数值代入公式2.1得A阻=4cm2

由∑A内：∑A横：∑A直=0.8：1.2：1可得

A横=6 cm2；A直=5cm2

为了保证顺利充型，本工艺采用两个内浇道，内浇道的尺寸相同。由以上数据可得内浇道和横浇道的截面形状和尺寸如图2.3和图2.4所示。

图2.3内浇道的截面形状图图2.4 横浇道截面形状图

为了防止在直浇道中产生负压和便于取模，将直浇道设计成上大下小的锥形（如图2.5（a））；浇口杯的高度和宽度应该为直浇道直径的2.7～3倍（如图

2.5（b））；直浇道窝的宽度和深度应该为横浇道的1.5倍（如图2.5

（c））。

（a）直浇道（b）浇口杯（c）直浇道窝

图2.5直浇道形状图

浇注系统与铸件的空间位置图如图2.6所示。

（a）视角1 （b）视角2

图2.6 浇注系统与铸件的空间位置

2.4.3浇注系统设计的校核

(1)型内金属液面的上升速度

查表可知壁厚为10mm的铸铁件金属液面最小上升速度v升为10～20mm/s。本铸件的型腔高度为C=143mm，设计浇注时间t=5.5s则型内金属液的上升速度v升

=C/t=26mm/s。故符合设计要求。

(2)最小剩余压头校核

铸件壁厚为10mm，铸件最高最远点距直浇道中心线的水平距离L小于600mm 时的最小压力角为90～100。该铸件的最小剩余压头H M为190mm，L=381mm。

则tanα=H M/L=0.498，得出α=26.50，符合设计要求。

2.5砂芯设计

2.5.1砂芯设计要点：

1)根据铸件结构的特点在○1和○4（如图2.7所示）两处设置两个整块砂芯,用1#砂

芯和2#砂芯表示；

2)砂芯轮廓整体随铸件轮廓，但由于浇注系统的存在，为了方便起模，满足工艺

的可行性，砂芯必须将○2处覆盖，轮廓随横浇道和内浇道，并是直浇道在下砂箱的部分从砂芯中穿过；

3)○3处的内腔较浅，轮廓敞开，自备砂芯完全可以满足生产要求。

（a）视角1 （b）视角2

图2.7铸件与浇注系统组合图

2.5.21#砂芯

1#砂芯采用盖板方式固定，三维实体见图2.8，应有良好的通气性，以利于浇注时铸件左半部型腔中气体的排出，避免产生气孔缺陷。本工艺采用尼龙管在砂芯中做出气孔，同时采用通气针在砂芯中扎出若该小气孔。砂芯的尺寸及相关参数件附图。1#砂芯与铸件的位置关系见图2.9

（a）视角1 （b）视角2

图2.8 1#砂芯三维实体图

（a）装配图 (b)分解图

图2.9 1#砂芯与铸件的空间位置

2.5.32#砂芯

2#采用下部芯头定位，由于只有下部芯头，为了保证砂芯的稳固，可加大芯头的尺寸，具体砂芯尺寸及相关参数见附图。砂芯的三维实体见图2.10。砂芯与铸件的空间位置见图2.11.

图2.10 砂芯的三维实体图

（a）装配图（b）分解图图2.11 2#砂芯与铸件的空间位置

2.6冒口的设计

2.6.1冒口的设计说明

冒口对铸件的补缩、排气、集渣起着关键的作用，还有利于调节铸件温度的分布。球墨铸铁基本上属于糊状凝固方式，补缩条件不好，很容易产生那个分散性缩孔，冒口补缩对获得致密铸件起着重要的作用。

根据铸件的分型特点，铸件只能在顶部设置补缩暗冒口，球墨铸铁糊状凝固的特征决定了它的补缩距离较短，故在顶部平面放置两个冒口，为了保证提供合适的温度场，将冒口靠上部左壁放置。

2.6.2冒口的尺寸计算

冒口最基本的补缩条件是冒口的凝固时间晚于铸件被补缩部位的凝固时间，并有足够的金属液补充铸件的收缩。在同一零件中可近似认为冒口需满足：

Mr=fMc （2.4）

式中 Mr 为冒口的模数（cm）；

Mc 为铸件的模数（cm）

f 为安全系数，一般f 1.2。

可求得铸件的模数Mc=0.567cm，则Mr=1.2×0.567=0.6804cm

这里选用标准圆柱形暗冒口，如图2.12所示，

其中h=d；Mr=0.166d。可得d=41mm。

图2.12 冒口的形状尺寸

冒口与铸件的空间位置如图2.13所示。

图2.13 冒口与铸件的空间位置图

两个冒口至于非加工外表面，并且表面精度要求不高，冒口的残留量的凸出高度取0.5mm。

2.7出气孔的设计

根据本工艺方案，铸件的顶部不存在明冒口，需要在顶部设出气孔，以利于型腔中气体的排出，保证铸件的质量。

根据零件特征，顶浇注位置的最高部位——四个凸台面为机加工面，在每个凸台上各设一个圆形明出气孔。圆形出气孔的底部尺寸一般等于铸件该处壁厚的

1/2～3/4，此处取 8mm。

3 砂箱设计

砂箱的内框尺寸，主要根据零件工艺布置图和吃砂量来确定。然后再根据通用砂箱规格系列表来选择和确定合适的砂箱内框尺寸为500×500×200mm。

砂箱把采用整铸式，砂箱把与砂箱连接处采用圆角链接以减少铸造应力等缺陷。砂箱两侧边上边沿打有排气孔，可加快铸造时气体的排出，如图（3.1）

图3.1 砂箱图

4铸件充型及凝固过程数值模拟

4.1Viewcast模拟软件

铸造数值模拟软件为铸造工艺设计工作者提供了很大的便利性，它可以进行铸件充型过程及凝固过程中的温、应力、金属液流动状态进行模拟，进而预测生产程中可能出现的问题。从而实现铸件质量的预测和控制。通过模拟——改进——模拟这样一个重复过程，可以有效的改善铸造工艺设计不足之处，直到得出合理的设计工艺。这样就保证了铸件的质量，缩短了设计周期，避免了人力、物力不必要的浪费。

本设计中采用的ViewCast模拟软件是比利时金属加工中心考夫的铸造过程模拟辅助设计商业软件。可以模拟凝固过程温度场、数固相线分数、液态金属停止流动时间以及充型过程中的速度场等，主要用于铸造缺陷预测和浇注系统设计。值模拟的应用为铸造工艺设计

4.2充型过程数值模拟

对工艺方案进行充型过程模拟，参数设置与凝固模拟参数相同，充型模拟结果如图4.1所示.整个充型时间为6.3秒，充型过程中金属液流动平稳，不存在强烈的碰撞和卷气现象，充型轮廓清晰，效果良好。唯一不足之处是下平板2mm的凹槽充型不理想(如图4.2所示)。