永冠杯 铸造工艺设计大赛 参赛作品.docx

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永冠杯铸造工艺设计大赛参赛作品

“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛

参赛作品

铸件名称：

B-十字头

自编代码：

AB1990ZP

方案编号：

目　　录

1零件概述……………….………………………………………………………….…...…1

1.1零件信息…………….…………………………………………………………....1

1.2技术要求…………………………………………………………………….……1

2铸造工艺方案拟定…..…………..……………………………………………….………1

2.1铸造方法选择…………………………………………….…….….…………….1

2.2分型面选择……………………………………………………………………….1

2.3浇注位置选择………………….………………………………………………….2

3铸造主要参数…………………………………………………………………………….3

4浇注系统设计计算………………………………………………………………………3

5冒口设计…………………………………………………………………………………4

5.1模数与补缩分析…………………………………………………………………..4

5.2冒口尺寸设计……………………………………………………………………..5

6模拟与优化……………………………………………………………………………….6

6.1Procast主要参数设定…………………………………………………………….6

6.2整体思路…………………………………………………………………………..7

6.3模拟结果及分析…………………………………………………………………..8

6.3.1表面状况…………………………………………………………………....8

6.3.2内部缩孔情况………………………………………………………………..…...9

6.4加冒口模拟…………………………………………………………………………..…..10

6.5加冷铁模拟………………………………………………………………………….…...11

7砂芯设计………………………………………………………………………………………...13

8模板……………………………………………………………………………………………...14

总结……………………………………………………………………….………………………..14

参考文献…………………………………………………………………………….....…............14

附图…………………………………………………………………………………………………14

1零件概述

1.1零件信息

名称：

十字头材料：

QT450-12

外形尺寸：

1140×605×256mm体积:

41.878×103cm3

质量:

302kg生产批量：

中小批量生产（自定）

零件三维图如图1.1所示，具体尺寸件附件1。

图1.1零件三维图

1.2技术要求

（1）铸件加工后，加工面不得有任何的铸造缺陷，非加工表面不得有明显的夹渣、凹陷，上下型错模不得大于1mm。

（2）保证该件受力较大的工作部分的力学性能。

2铸造工艺方案拟定

2.1铸造方法选择

基于铸件的生产批量、铸件材料、尺寸、精度及技术要求等综合考虑，采用木模，自硬树脂砂，手工造型。

2.2分型面选择

按最大截面原则，选择分型面如图2.1所示。

在凸耳部分平面突出，周围仍是平坦的面便于模样加工与铸造过程中起模、合箱。

2.3浇注位置选择

由于铸件较长，为保证均匀充型，型腔内金属液温差不至于过大，金属液通过内浇道从铸件两头倾斜注入。

内浇道搭接在两头的侧面上，易于清理，保证铸件表面质量美观。

内浇道要与凸耳保持间距，且防止冲芯，一端设置一个内浇道。

分型面的位置确定后，铸件的浇注位置如图2.2所示有正放、倒放两种方式。

从铸件质量与生产工艺考虑，正放、倒放有各自的优劣，具体分析如下。

正放：

优点1）铸件大部分位于下箱，温度分布较合理，冒口位置设计较灵活，利于补缩。

2）减重沉孔由砂胎形成，避免吊砂；

3）凸台加工面在下，其质量较好

缺点1）质量要求较高的凸耳位于型腔上部，其质量可能受影响。

倒放：

优点1）重要部位凸耳在下部，其质量可能较好。

缺点1）型腔大部分在上箱，上砂箱偏高，易产生跑火等缺陷。

2）减重孔处需吊砂，砂型受到烘烤易产生落砂等缺陷。

3）冒口如设在最高面需冒口砂胎工艺，如设在分型面有效体积较小，出品率低。

在未知铸件质量的条件下，很难对两种浇注位置取舍。

故将正放命名为A方案，倒放命名为B方案，分别对其进行设计分析。

3铸造主要参数

加工余量：

根据零件加工部位的基本尺寸及精度要求，两端φ115孔间距、孔径尺寸、表面粗糙度要求高，按图纸所给加工余量为7.5mm，另外凸耳上的φ70圆有装配公差要求，留5mm加工余量。

其它为5mm加工余量。

不铸出孔：

该铸件中心部位

42沉头孔与

28通孔加加工余量后，直径过小，下芯困难，且难保证中心度精确，故不铸出。

凸耳上

16螺纹孔、侧面凸台

5.3过小不铸出。

收缩率：

铸造收缩率取1%。

拔模斜度：

为分型方便，减重孔处拔模斜度取0.8

，其它地方取0.6

。

铸件质量：

用UG造型，在封闭不铸出孔，增加拔模斜度后计算得铸件体积41.677×103cm3,质量310kg。

4浇注系统设计计算

铁液经球化,孕育处理后，温度下降，易氧化。

因此要求浇注系统能大流量输送铁液，又有一定的挡渣能力。

故我们选择球墨铸铁常用的半封闭式浇注方式，它充型速度较快，又有挡渣能力，充型平稳。

用奥赞公式如公式4.1可计算阻流截面积：

【1】4.1

为浇注重量，铸件质量

，

出品率

，

浇注系统流量损耗因素，查表得干型中小铸型阻力

；

浇注时间

，取

30s。

为平均静压力头高度。

因为有两种方案，故分别对其最小截面计算。

正放方案浇注，凸耳处高度较小，可近似认为是顶注式

试中

为上箱高度+浇口杯高度。

倒放方案可近似认为是底注式，

。

式中C为零件高度C≈170cm，

取365mm得

=280mm。

两种方案计算的的平均静压头

=280mm=28cm

故两方案的最小面积相等：

内浇道个数n=2,

=21.13/2=10.5cm2；

取半封闭式浇注系统比例设计为：

取内浇道截面为梯形尺寸为58mm/63mm×18mm,即

=10.8cm2。

横浇道截面尺寸为梯形38mm/50mm×50mm，

==22cm2，

直浇道截面尺寸为圆形直径为φ64mm，

=32.2cm2。

5冒口设计

球墨铸铁凝固时具有糊状凝固的特性，按传统冒口设计方式，应在铸件的热节处放置冒口，将缺陷引入冒口内，减小缩松缩孔；由于球墨铸铁凝固过程中有石墨化膨胀，可以利用球铁的共晶膨胀补偿铸件缩松缺陷。

这种补缩方式不仅提高工艺出品率，而且比传统冒口有更好的效果。

故采用冒口对铸件进行液相收缩进行补充，利用凝固过程中的共晶膨胀实现自补缩的思想设计冒口。

5.1模数与补缩分析

通过对铸件模数划分，分析补缩位置，进行冒口设计。

铸件模数计算具体见表5.1。

表5.1模数表

分区

体积

体积份额

表面积

质量

模数cm

1

9756.876

38.85%

2558.4

72.201

3.81

2

7775.994

30.96%

2752.672

57.542

2.82

3

3166.077

12.61%

2089.713

23.428

1.51

4

4417.55

17.59%

1503.191

32.689

2.93

分析如下：

如图4.1红色圈表示热节，这些位置较厚，容易产生缩松缩孔缺陷。

将铸件所示部分分为4个分区，凝固顺序是1、2、4、3。

3分区模数最小，换热面较大，冷却速度快，较其他分区先进行液态收缩与共晶膨胀，在3分区设置浇道和冒口，为其提供液态补缩，让它的膨胀压补充2、4区。

冒口内浇道靠近热节但不在热节上，避免了接触过热，较合理。

由于该铸件模数大，树脂砂砂型强度高，完全可以设置压力冒口对铸件液态补缩。

因此，我们选择补缩效率高、冒口颈短薄宽的压边冒口。

当球铁铸件液态收缩终止时，冒口颈适时凝结。

利用铸件膨胀压力补偿二次收缩，消除缩松。

5.2冒口尺寸设计

冒口补缩体积

；

为补缩区内铸件液态收缩体积；

金属的液态体收缩率，一般球铁取为4%；

用UG造型得铸件体积V=41.677×103cm3；

压边冒口液态补缩体积：

=41.677×103×4%=1.66×103cm3；

液态补缩量

=7.4×1.66=12.3kg；每个冒口液态补缩量G=6.15kg

冒口颈模数计算

【1】

为浇注温度，取为1350℃；L为铸铁结晶潜热取

；

C为铁液比热容取835J/kg.K。

冒口颈模数

=

冒口置于3分区时，冒口颈模数为

cm。

因要求液态补缩终止时冒口颈即凝结，压边截面积不能过大，查表取压边宽度10mm,长度100mm。

根据冒口液态补缩量，冒口颈模数，查表取冒口尺寸为100×100×150。

即所设计冒口体积

，质量

。

6模拟与优化

在得出正放、倒放两种方案后，难以对其取舍，用procast软件模拟球铁件的充型凝固过程，分析铸件质量，选择合适方案。

6.1Procast主要参数设定

对实体网格划分后，进行边界条件与参数设置。

为更接近球铁的模拟效果，我们经过多次修改试验，选择较成功的数据。

重要参数如表4.1所示。

表4.1procast主要参数设定

材料赋值

传热系数

金属浇注温度

浇注速度

重力加速度

HEAT

树脂砂

铸件与砂型之间500W/m2/K

1350℃

1.1m/s

9.8m/s2

AIR-cooling

6.2整体思路

用procast模拟对两种方案的成形结果预测。

采用控制变量法，对正放、反放两种方案不加冒口模拟，分别对其表面质量、内部缺陷进行比较，结合实际手工砂型工艺特点，选择一个可行性较高的方案。

再加冒口改进，加冷铁进一步优化铸件质量，做到工艺最简洁，效益最高。

具体思路如图4.1所示

6.3模拟结果及分析

6.3.1表面状况

铸件冷却到450℃左右时的表面质量情况。

、

从表面质量来看，正反放两种浇注方式铸件上表面局部区域有少量凹陷，说明球铁铸件虽有共晶膨胀，但该件还不能完全自补。

在实际生产中调研，球铁件的无冒口工艺要求较高，对冶金质量，铸件结构都有一定要求。

故该件仍需补缩措施。

6.3.2内部缩松情况

从内部质量来看，两种方式都没有较大缩松缩孔，部分热节处有少量缩孔。

铸件下部分液态收缩可由上部提供铁液，故下部分内部质量较好。

故正放凸耳位置较高，有一定缩孔。

但凸耳处散热条件较好，凝固早，缺陷影响不大。

通过以上分析看出，由于球铁的膨胀效果，两种方案铸件质量相差不大，而A方案浇注位置正放的工艺要简单，故我们选择正放浇注。

6.4加冒口模拟

选择正放浇注方式后，正放铸件缺陷需通过冒口补缩完成。

加冒口后的模拟结果显示，铸件表面质量与内部缺陷问题均有改善，如图4.5、图4.6所示。

在设计中，我们只对球铁件液态补缩，浇道在充型完成后适时凝固，冒口完成液态补缩后，冒口颈凝固，铸件凝固收缩利用共晶膨胀进行自补缩，如图6.13所示。

T=33s充型完成

T=167s内浇道凝固

T=619s冒口颈凝固

T=1280s冒口凝固

从模拟结果来看，我们用液态补缩原理，设计压力冒口利用石墨化膨胀。

用UG计算三维造型冒口浇注系统质量为60kg,出品率

整个铸造件出品率高达83%，比一般通用冒口设计出品率高很多，铸件质量也较好，故而这是我们的优化方案。

7砂芯设计

侧边凸耳三个圆孔同心，可共用一个砂芯。

φ100圆柱孔较大，要下芯。

铸件底部有四个减重孔，如图7.1所示。

2、3号减重孔较深，考虑下芯工艺复杂与分型的方便性，在砂胎内增加骨架，增加砂胎的强度，又方便分型。

1、4号孔可以设砂胎简化工艺。

砂芯分布如图7.1所示。

制造方法：

壳芯树脂砂壳芯法制芯。

粘结剂：

酚醛树脂。

技术要求：

砂芯表面光洁，紧实度均匀，硬化强度高，可多次使用。

砂芯尺寸：

如图7.2、图7.3所示：

8模板设计

上、下模板示意图如图8-1、8-2所示。

砂箱根据生产车间实际情况定。

保证铸件周围吃砂量为100mm以上。

因球铁件凝固时有膨胀压，要求上下箱用箱卡夹紧，避免铸件变形。

结论：

1、采用手工砂型铸造工艺生产铸件，造型方案选择a方案（正放）。

2、冒口设计采用模数法，并利用球墨铸铁共晶膨胀进行补缩，减小冒口尺寸，提高工艺出品率；

参考文献

（1）李弘英赵成志主编.铸造工艺设计.北京:

机械工业出版社.2005.2

（2）（美国）卡塞.灰铁和球铁件冒口设置方法现代铸铁.1981年3期

（3）李晨希主编.铸造工艺设计及铸件缺陷控制.北京:

化学工艺出版社.2009.1。

（4）李远才.铸型材料基础.北京：

化学工业出版社.2009.5。

（5）吴德海.球墨铸铁.北京：

中国水利水电出版社.2006.11

（6）周垣.对“均衡凝固技术”几个基本问题的讨论.现代铸铁2004年5期

（7）毛洪奎.球铁件凝固过程数值模拟技术研究.华北工学院硕士学位论文2003

附图：

十字头铸造工艺图