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1、铸造说明书“永冠杯”第五届中国大学生铸造工艺设计大赛参赛作品 铸件名称：B件-下座加工尺寸图 自编代码：AB021LWG 方案编号：目录摘 要通过对零件的结构和特点分析，采用两箱呋喃树脂砂造型；确定了浇注位置和分型面。查阅资料确定了机械加工余量、起模斜度、铸造收缩率等工艺参数，再确定出铸件和砂芯的结构尺寸，做出铸造工艺图。由于此铸件为大型件，壁厚分布不均，铸造时很容易产生缺陷，根据理论数据查得了冒口的大小尺寸，通过冒口补缩作用使铸件进行顺序凝固，从而保证铸件的质量。在根据铸件的工艺参数，用Pro/E软件画出铸件的三维实体图，再用View Cast铸造模拟软件对铸件进行凝固过程进行数值模拟。根据

2、模拟结果中缺陷所在的位置，对冒口进行了改进，最终达到铸件无缺陷的结果。最后对优化后的工艺方案进行充型模拟，模拟结果表明充型过程平稳，不产生飞溅，冲击和紊流，铸件无缺陷且充型过程平稳。关键词：铸造工艺；工艺优化；数值模拟；凝固；充型；1铸件简述1.1零件名称HT250下座加工尺寸图1.2技术要求1）加工完成后于交货前，请于工件表面防锈油。2）请注意副缸中心尺寸CC 440*500及拉杆中心尺寸CC 700*940之尺。3）请注意各缸体柱孔与本体平面之垂直度。4）各缸体柱孔2*30度之外倒角分别为272.31（主缸外径）：167.31（副缸外径）。5）未注明之螺丝孔倒角皆为C1，圆余角皆为R20。

3、1.3材质及力学性能该灰铸铁下座加工尺寸圆的材质为 HT250（基体是细珠光体其成分，石墨是较细片的）。其质量分数见表1.11：表1.1 HT250的成分：成分CSiMnSPFe含量(wt%)3.163.401.61.930.891.040.0940.1250.1200.170其余1.4灰铸铁铸件的前处理1.4.1灰铸铁的熔炼技术1、合理控制碳当量。碳当量的提高将在石墨形状和基体组织两方面影响铸铁铸件的抗拉强度和铸件实体的硬度。2、灰铸铁中的合金元素主要指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等，这些元素的含量会直接影响珠光体的含量，而且在一定程度上细化了石墨。提高了铸铁的强度性能。3、炉料配比对铸铁材

4、料的机械性能有着直接的影响，是熔炼控制的重点。生铁520%、废钢5070%，其余为回炉铁。4、一般铁液的过热温度为1500，超过1550，铸铁白口倾向大。1.4.2熔炼工艺的控制技术孕育技术：孕育处理目的在于促进石墨化，降低白口倾向，降低端面敏感性；控制石墨形态，消除过冷石墨；适当增加共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达到改善铸铁的强度性能和其它性能的目的。表1.2 孕育处理参数孕育剂种类粒度加入量孕育方式孕育温度孕育时间75Si-Fe350.30.6二极孕育1420146010分钟2铸造工艺方案2.1零件的工艺性分析该零件尺寸为1100860450mm，将零件看成由下平板、内空腔及圆筒组

5、合而成。见图2.1所示： 图2.1 零件结构图其中下平板由尺寸为1100860200mm长方体叠加而成；内空腔成对称形式，各空腔的直径分别为252mm、152mm、81mm、55mm的沉头柱孔；此外该零件还在平板上方有深为11mm的凹台。由于零件轮廓尺寸较大，壁厚较大且分布不均匀，铸造难度大，所以一些较小空不铸出。在此拟定为成批量生产。出于降低铸件生产成本和保护环境的考虑，本工艺中采用造型铸造呋喃树脂砂方法来生产，其型芯为干砂。2.2工艺方法针对该零件的结构特征，该零件结构特点采用两箱造型方法。对于两箱造型，有两种造型方法：1 上平板位于下箱，其余部分位于上箱。其优点是：两箱造型，操作简便，便

6、于起模。缺点：冲型时液体飞溅，容易产生夹砂。2 使铸件全部位于上箱。优点：相对于前一种方式，使铸件全部位于同一半型中，更易于下芯、合箱及造型。保证了铸件的尺寸精度，且模样简单。缺点：铸件高度较大，起模不便。综上所述，由于综合考虑各种情况，选两箱造型的第种，方法较好，其如图所示：下下 图2.2 铸件铸件的浇注位置和分型面分型面选择在下平板的下表面处，如图2.2所示：其优点如下：1) 分型面位于铸件较大截面处，便于起模。2) 所取分型面没有穿越铸件空腔，保证了内腔表面的光滑和精度；3) 分型面简单，便于下芯，合箱，简化造型过程。3材料选择3.1型（芯）砂材料根据技术要求，采用树脂砂造型（芯）。其制

7、芯工艺有壳型工艺、热芯盒工艺、温芯盒工艺、吹气硬化工艺。根据比较及砂芯要求，采用吹气硬化工艺。与其他工艺相比，它有以下优点：（1） 制芯周期短，生产效率高。（2）芯盒没有受热变形的问题，砂芯精度高；（3）无需加热，节约了能源消耗及劳动条件；（4）综合费用低于其他制芯工艺。因此，型（芯）砂材料采用吹气硬化树脂砂。4铸造工艺设计4.1铸造工艺性改进a) 铸件最小铸出孔槽：实型铸件最小壁厚为24mm,允许最小铸出孔径为20mm，因此零件图所给孔径小于20mm孔不能铸出。b) 铸件壁的连接与铸造圆角、倒角：壁与壁之间的过渡圆角均按零件图要求。4.2工艺参数设计4.2.1铸件的尺寸公差铸件尺寸公差是指铸

8、件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。在这两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械加工，装配和使用要求。该铸件的造型材料为灰铸铁HT250，铸件最大轮廓尺寸为1100mm，为小批量生产。选取底座加工尺寸圆的尺寸公差等级为CT12。铸件尺寸公差的数值按GB6414-1999查取2。4.2.2铸件的质量公差(铸件质量公差定义为以占铸件公称质量的百分率为单位的铸件质量变动的允许值。质量公差按QJ2330-92查取，为MT14)。4.2.3机械加工余量GB/T6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量中规定，机械加工余量值应根据最终机械加工后成品零件的最大轮廓尺寸和相应的尺寸范围选取。当铸件尺寸公差等级确定

9、后，查参考文献3表“用于成批和大量生产与铸件尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量等级（GB/T 11350-89）”，确定球灰铁件的机械加工余量等级为H。铸件各需要加工部位的机械加工余量的具体数值，可通过参考文献3查表“与铸件尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量（GB/T 11350-89）”查取3,4。4.2.4铸件模样的起模斜度起模斜度基本尺寸大于100mm，公差等级取912，其起模斜度取035。4.2.5铸造收缩率该铸件内腔复杂，砂芯较多，铸件收缩为受阻收缩，铸铁件受阻收缩收缩率为0.81.0%，此件收缩率为0.9%.44.2.6其它铸造工艺参数该铸件的其它铸造工艺参数主要包括：分型负数、砂

10、芯负数、非加工壁厚的负余量等，具体尺寸在铸件工艺图中标出。4.3砂芯设计根据铸件结构复杂的特点，设置1个组合砂芯来形成铸件的型腔。如图：图4.1 砂芯的空间位置其中，将砂芯分为5种。红色为1#砂芯1块， 绿色为2#砂芯4块，棕色为3#砂芯4块，蓝色为4#砂芯2块，黄色为5#砂芯4块。 4.4浇注系统设计4.4.1浇注系统类型选择： 采用半封闭底注式浇注系统，因为半封闭式阻流截面在内浇道、横浇道截面为最大，且具有一定的挡渣能力，充型平稳性好，对型腔的冲刷力小。4.4.2浇注系统位置选择将浇注系统内浇道开设在分型面上，其具体位置为内浇道底部与下平板底部相平。理由：1) 将内浇道开设在铸件壁厚处，有

11、利于铸件顺序凝固，有利于补缩，达到消除缩孔，获得致密铸件目的。2) 内浇道设在铸件非重要加工面，浇道易清理打磨，保持铸件美观。4.4.3浇注系统参数计算1) 计算铸件质量：铸件密度取=7.00g/cm3，在ProE中画出铸件图，应用菜单命令得：铸件质量M=1329.85kg；2）阻流截面计算：用奥赞公式（式2.1）求得铸件浇注系统最小截面积： （2.1）式中 最小截面积（cm2）； 流过浇注系统最小横截面的铸铁金属液总质量（kg）；浇注时间（s）；流量因子，量纲为1；平均静压头（m）。各个参数的确定方法如下：1 金属液总质量G：根据铸件质量和生产类型，选择铸件浇冒口系统占其质量百分数为20%，

12、则G=M（1+20%）=1595.82kg；2 浇注时间t： （2.2）3 流量因数：根据铸型种类和阻力大小，取0.5；4 平均静压头Hp： H0阻流截面以上液态金属的静压头。 C铸件高度。查表，对铸件高度450mm，且全部位于上型的浇注系统，浇口杯高度取185mm，底部注入，其平均静压头高度Hp=650mm=0.65m；将上述数值代入得： （2.3）该浇注系统采用4个内浇道对称布置，此浇注系统为闭式浇注系统,取，查参考文献5页，可取四个内浇道，一个横浇道，则各组元截面积之比，所以可得横浇道面积为，直浇道面积。内浇道面积为,则单个内浇道面积为。 图4.2内浇道截面横浇道面积：=1.5=45cm

13、2；查表得：a=60mm，b=50mm，c=80mm； 图4.3 横浇道截面直浇道截面面积：=1.2=36cm2，高h=400mm；图4.4 直浇道截面为收集金属液中的脏东西，减少夹砂缺陷，加入两个集渣包，其规格如图4.5所示：图4.5 集渣包()根据铝液的质量，选用普通漏斗形浇口杯的尺寸如图4.6所示：图4.6 浇口杯的规格尺寸()最终确定的浇注系统如图4.7：图4.7 浇注系统结构4.4.4冷铁和冒口的设计由于此零件的下边是个大厚板，所以很容易产生缺陷。对于这些地方应加入冒口，使铸件进行顺序凝固，以消除缺陷。根据平板模数的计算公式6：式中：V为平板的体积； S为平板的表面积；根据公式计算：

14、 V=1T=20cm3S=2cm2Mc=V/S=10cm由于Mn=KMc，K取0.6，得Mn=60mm；颈缩冒口颈直径dR=3Mn=180mm，取180mm； DR=（1.552.0）dR=279320mm，取300mm； HR=（1.254）DR=3751200mm，取375mm；h=5575，取60mm；R=12mm；如图4.8图4.8 冒口截面()5模拟结果及分析5.1凝固过程数值模拟选择合适的铸件壁厚和剖分网格单元数（200万个）等参数后，具体网格划分工作由View Cast7软件完成。输入铸件的相关参数如下：铸铁材料为HT250，凝固初始温度为1400，砂型初始温度为20。设定凝固过

15、程计算相关参数后，对单个铸件进行数值模拟计算。对计算过程中储存的温度场分布和缺陷位置，用软件自带的图像处理技术生成虚拟铸件图，从而能直观观察到凝固过程和铸件凝固结束后的缺陷分布状况。凝固过程见图5.1，图中透明的部分表明此部位的金属已经凝固。缺陷分布状况见图5.2，图中透明部分表明其所含金属的比例在95%以上，颜色不同的部位代表其所含的金属量不同。当凝固时间为16929s时，整个铸件已经完全凝固。 t = 147s t = 4500s t = 7000s t = 10000s t = 13000s t = 16000s图5.1 铸件的凝固过程图5.2 铸件的凝固缺陷预测由图5.1分别可知铸件从

16、32秒开始凝固，在16929秒时凝固结束。铸件的中心厚大部位最后凝固和铸件的缩松缩孔等缺陷集中在铸件的上平板。分析出现这种情况的原因：1、冒口的体积太小或者冒口的补缩效率低于冒口计算时所取的值，导致冒口没有足够的金属液进行补缩。这说明在冒口设计过程中，一些系数的取值不合适，冒口体积偏小，需要增加冒口体积。5.2凝固工艺方案改进工艺改进主要从以下方面着手： 1、增加冒口的直径，扩大补缩范围，DR由原来的300mm增加到340mm。2、一侧的冒口整体往中心移入20mm。改进后的凝固模拟结果如图5.3: t = 840s t = 4600s t = 7500s t = 10000s t = 1400

17、0s t = 17683s图5.3 铸件凝固模拟图收缩模拟结果如图5.4所示： 图5.4 改进后的铸件模拟缺陷预测图由图5.2可知通过工艺改进之后，冒口中的金属液足够进行补缩。由图5.4可知工艺改进后铸件的缩松缩孔等缺陷都集中到冒口中，符合铸造工艺要求。5.3充型过程数值模拟对新的工艺方案进行充型过程模拟，择合适的壁厚参数，确定网格单元总数为200万个，网格划分工作要由View Cast软件完成，浇注温度为1400，砂型初始温度为20。充型过程模拟结果如图5.5所示。 t = 3.19s t = 3.49s t = 3.74s t = 3.8图5.5 铸件的冲型模拟过程由图5.5 可知充型过程

18、中，金属液由底部开始填充，出现了金属液间的碰撞和紊流现象。分析出现这种情况的原因： 1、浇口盆的体积可能过大，金属液通过内浇道进入铸件时压力过大。 2、可能是内浇道的面积过小，导致金属液喷如铸件。5.4浇注系统改进工艺改进主要从以下方面着手：1、将大浇口盆改为150mm,高为185mm的浇口杯。2、内浇道有4个改为2个。a=40mm改为44mm，b由35mm改为40mm，c由20mm改为40mm.3、将内浇道改在下箱中。即内浇道的上顶与铸件的下底平齐，并且使内浇道长度大于铸件宽度。改进后的冲型模拟结果如图5.6: t = 2.95s t = 3.56st = 4.3s t = 4.9s t =

19、 5.2s t = 5.4s图5.6铸件的冲型模拟过程充型过程中，金属液由底部开始填充，液面上升平稳，没有出现金属液间的碰撞和紊流现象。在对改进后的方案凝固模拟结果如图5.7:t = 777s t = 3877s t = 6592s t = 9858s t = 15431s t = 18444s图5.7凝固模拟结果图5.8凝固缺陷预测由图5.8可知修改浇注系统之后，铸件的缩松缩孔等缺陷仍然在冒口中，铸件无其它缺陷。符合铸造工艺要求。所以改进的方案作为最终的铸造方案。6铸件的后期处理对清理后的铸件进行热处理整形防锈处理和粗加工的过程是铸造生产的最后一道工序。1、粗加工铸铁平板交货前根据技术条件对

20、局部进行粗加工。铸件经粗加工后能及时发现缺陷予以解决并能减轻重量还可使废料和切屑能够就地分类回用。热处理为了改善或改变铸件的原始组织消除内应力保证铸件性能防止铸件变形和破坏。2、铸件清理后需要进行热处理。铸件热处理采用石墨化退火人工时效(见时效处理)等。3、整形 分为矫正修补和表面精整3个方面。铸铁平板在凝固冷却以及热处理过程中可能产生变形使部分尺寸出错需用矫正的方法修复。矫正主要利用机械力量在室温下进行。当变形量过大时在加热炉内利用铸件自重或外加压重进行高温矫正。铸铁平板外部缺陷主要使用焊接手段修复。要求气密液密的铸件的渗漏缺陷采用压入堵漏剂的方法解决。铸件表面粗糙和凹凸不平一般用悬掛砂轮和

21、高速砂轮磨光精整。 4、防锈处理 铸件在交货前求要进行防锈处理以防止运输和存放期间生锈。一般是在最后检验合格后刷上底漆， 结 论(1) 根据零件的结构特点和技术要求，确定了造型方法、分型面、浇注位置和铸造工艺参数等，设计了砂芯的结构和浇注系统。(2) 采用View Cast软件模拟凝固过程；根据结果修改冒口大小，冒口有效地补缩铸件的液态收缩，灰铸铁的自补缩特点避免了在铸件内部形成缩松缩孔缺陷；(3) 对铸造工艺方案进行充型过程数值模拟，能预测出充型过程中出现的紊流、卷气和填充不平稳等现象。(4) 根据模拟结果，在原方案的基础上改进工艺，修改了更浇注系统，并且修改了内浇道的放置位置，有效地减少了

22、铸件上表面的夹砂缺陷。(5) 对优化后的工艺方案进行充型与凝固数值模拟，模拟的结果显示，充型平稳且没有缩孔缩松缺陷，验证了优化工艺的合理性。(6) 对铸件进行数值模拟是方便可行的，能够在减小铸件缺陷的基础上有效的提高铸件的合格率。参考文献1李传栻，杨国杰，张振斌.铸造工程师手册.北京.机械工业出版社，2007.2李弘英，赵成志 编.铸造工艺设计.北京：机械工业出版社，2005.2 1-7 284-2893中国机械工程学会铸造分会铸造手册：第五卷 铸造工艺（第二版）M北京：机械工业出版社，2003.4李传栻. 铸造工程师手册. 北京. 机械工业出版社（第二版）. 2002.12.5李魁盛，马顺龙

23、，王怀林典型铸件工艺设计实例M北京：机械工业出版社，1997.6王文清，李魁盛铸造工艺学M北京：机械工业出版社，2002。 7View Cast Users Manual 2010.8中国机械工程学会铸造分会铸造手册：第一卷 铸铁（第二版）M北京：机械工业出版社，2002.9贾志宏，傅明喜 编。金属材料液态成型工艺.北京：化学工业出版社 52-14810荆涛凝固过程数值模拟M北京：电子工业出版社，2002.11李依依，李殿中，朱苗勇等金属材料制备工艺的计算机模拟M北京：科学出版社，2006.12柳百成，荆涛铸造工程的模拟仿真与质量控制M北京：机械工业出版社，2002.附 图图1铸件工艺图图2铸造工艺卡片