我的永冠杯作品

1、“永冠杯”第六届中国大学生铸造工艺设计大赛参赛作品铸件名称：推进器框架自编代码：WYHRYL方案编号：目录摘 要2 1 零件的工艺性分析2 1.1金的化学成分，组织，性能及熔炼1.2零件的结构特点说明1.3应用特点1.4不需要铸出的工艺孔和槽2 铸造工艺方案确定2.1铸型种类与造型及制芯方法的选择.4 2.1.1铸型种类及造型方法的选择4 2.1.2制芯方法的选择.42.2分型面及浇注位置的确定.42.3铸造工艺参数.5 2.3.1铸件最小铸出壁厚.5 2.3.2铸件最小铸出孔 .5 2.3.3铸件尺寸公差及加工余量.5 2.3.4铸件收缩率.5 2.3.5起模斜度与分型负数.63 砂芯的设计

2、74 浇注系统设计.8 4.1直浇道的确定.9 4.2横浇道的设计9 4.3内浇道的确定 10 7结论.15参考文献.16摘 要铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，是现代装备制造业的基础共性技术之一，在现今制造技术中占有重要地位。铸造是指熔炼金属、制造铸型并将熔炼金属浇入铸型凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成型方法。铸造的主要优点是投资少，生产周期短，技术过程灵活性大，能制造形状复杂的零件；缺点是铸件内部组织疏松、晶粒粗大，易产生缩孔、缩松，气孔等缺陷，逐渐外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等。铸件C-推进器框架,材质为ZL101，铸件质量约37.52kg，为中空小型薄壁复

3、杂铝铸件。铸件外形尺寸为1222mm1222mm93.5mm，主要壁厚为10mm，最小壁厚9mm。铸件采用机械砂型造型，选择呋喃树脂砂制芯。浇注系统采用顶部注入搭边式浇注系统。分型面选在铸件最大截面处，置于上下平板中间。浇注位置选在铸件分型面侧面。铸件沿长度方向一边浇注。铸件工艺出品率约65%。设计过程采用三维造型软件Pro/E绘制出零件的三维图，然后在Procast软件中完成网格划分并模拟浇注和凝固过程，观察模拟结果，验证工艺方案的合理性。通过对结果的分析模拟，最终铸造工艺可获得质量良好的铸件，避免了缩孔、缩松等缺陷，符合零件的使用要求。1. 零件铸造工艺性分析1.1合金的化学成分，组织，性

4、能及熔炼1.1.1零件名称：铸件C-推进器框架 1.1.2. 材质：ZL101（相当于国内GB/T 1173-1995 ）1.1.3物理性能合金代号ZL101A密度 /gcm-32.68熔化温度范围 /55761320100时平均线膨胀系数 /m(mK)-121.4100时比热容 /J(kgK)-196325时热导率 /W(mK)-115020时电导率 /(%IACS)3620时电阻率 /nm44.2ZL101 各状态下力学性能：名称抗拉强度/b (MPa)：伸长率/5 (%)：硬度/（HB)：S R K T4态195560(5/250/30)J JB T4态225560(5/250/30)S

5、 R K T5态235470(5/250/30)SB RB KB T5态235470(5/250/30)JB J T5态265470(5/250/30)SB RB KB T6态275280(5/250/30)JB J T6态295380(5/250/30)1.1.3：ZL101化学成份： 牌号 成分Si Mg TiFe ZL101 含量（%） 6.57.5 0.250.45 0.080.20 0.21.1.4. 熔炼工艺1、熔炼准备清炉和洗炉(电阻炉或中频灼）预热柑涡及熔炼工具到200-3000C，然后喷刷涂料。清理和预热炉料。 准备熔剂。配料计算，由于熔炼中Si和Mg的烧损很大，合金成分含量

6、变化大，故配料时应按标准成分上限计算。2.装料装料的顺序为:回炉料，Al -Si中间合金或ZL102合金，纯铝锭。3.熔化及精炼炉料装完之后，升温熔化。待炉料全部熔化后，除渣并加入熔剂。当温度达到680时，用钟罩将预热到200-300的金属镁块或Al-Mg中间合金压入熔池的一定深度处并缓慢回转和移动，时间为3-5min。然后升% ill 730-75O t，用占炉料总质量0.7%一0.75%的C2C1。分2-3次用钟罩压入合金液内精炼合金液，总时间为10-15min，缓慢在炉内烧圈。待精炼完成后静置1-2min，取试样做炉前分析。4.变质处理当合金液温度达到730-750时，用占炉料总质量1.

7、5%-2.5%的三元变质剂做变质处理，变质时间为15-18min 5.浇注当变质完成后除渣并搅拌，然后静置5 -10min。当温度达到760时，扒渣出炉浇注。1.2零件的结构特点说明： 本铸件是一个中空小型薄壁复杂铝合金铸件，材质为ZL101,铸件质量约为37.52kg。铸件外形尺寸为1222mm1222mm93.5mm，主要壁厚10mm，最小壁厚9mm。铸件主体为中小型环形中空框架，环形铸件周围有三个带孔耳朵。铸件的三维造型如图1-1，1-2所示。 图1-1一般方向视图 图1-2 铸件背面视图1.3应用特点及技术要求： a) 普通砂造型，铸件应平整光滑无夹砂、缩孔和缩松等有害缺陷，并应符合所

8、设计几何模型所提供的图纸或铸模的尺寸。 b) 在需要机械加工的部位，铸件不应有激冷拐角。以防止铸件发生裂纹或钻孔困难。 c) 若另有要求，铸件应满足有关硬度、耐压性能和表面粗糙度等特殊要求。1.3.1铸造难点分析认为，该件在铸造上有以下难点：（1）薄壁冷却速度快，成型困难，易产生冷隔，浇不足等缺陷。（2）采用砂型铸造，型芯浇注过程中产生大量气体，从而易导致呛火、缩孔、涨箱、跑火等。（3）铸件壁薄且形状复杂，易产生变形。1.4不需要铸出的工艺孔铸件主要加工面上有大量螺纹孔，根据机械加工手册第五卷，由于本材料为铝合金，且壁厚在8-10mm之间，故小于20mm的圆孔不予铸出1。另外，若安放砂芯必然对

9、铸件自由收缩及冷却过程形成较大的影响，进而影响铸件内在质量，而机械加工非常方便，况且该孔及所在平面也都是机械加工表面，具有较高的机械精度要求，工艺设计中也未铸出。该铸铁件尺寸适中，铸件主体部分壁厚较薄，且包含主要加工面，浇注时很容易产生缩孔、缩松等缺陷。为了保证铸件质量，充分利用铸铝件自补缩作用，保证铸件的尺寸精度和表面质量，造型材料及方法宜选择使铸型强度较高的方案：如普通砂型铸造，最好采用机器造型；机械造型采用普通砂造型；砂芯可采用树脂砂制芯。 根据铸件主要加工面和大平面朝下的原则，以及考虑砂芯位置固定等原因，工艺设计时，带有九个直径为50mm的平面放砂箱的底部，这样可以保证铸件主要加工面附

10、近的内在质量。图(a) 图（b） 图（c） 图1-3铸件图及局部放大图2. 铸造工艺方案的确定在考虑了铸造合金的种类、零件的结构及技术要求等因素后，设计了多种工艺方案。经过Pro/E造型，将三维模型导入Procast，进行网格化分及数值模拟后，确定出最优的铸造工艺方案。应用Procast进行模拟分析的流程如下图（a）所示：设计并改善铸件及浇注系统、补缩系统的几何模型将三维立体铸件模型导入Procast进行铸件浇注过程模拟分析判断设计是否合理符合要求确定工艺方案是否 图(a)下图（b）为砂型铸造基本工艺过程： 图（b）2.1铸型种类与造型及制芯方法的选择2.1.1铸造种类选择砂型铸造的优点是：粘

11、土的资源丰富、价格便宜。使用过的粘土湿砂经适当的砂处理后，绝大部分均可回收再用。制造铸型的周期短、工效高。混好的型砂可使用的时间长。砂型舂实以后仍可容受少量变形而不致破坏，对拔模和下芯都非常有利。缺点是：混砂时要将粘稠的粘土浆涂布在砂粒表面上，需要使用有搓揉作用的高功率混砂设备，否则不可能得到质量良好的型砂。由于型砂混好后即具有相当高的强度,造型时型砂不易流动，难以舂实,手工造型时既费力又需一定的技巧，用机器造型时则设备复杂而庞大。铸型的刚度不高，铸件的尺寸精度较差。铸件易于产生冲砂、夹砂、气孔等缺陷。2.1.2最常用的砂型铸造方法：手工造型:单件、小批量和难以使用造型机的形状复杂的大型铸件。

12、手工造型灵活、易行，但效率低，劳动强度大，尺寸精度和表面质量低。机械造型：适用于批量生产的中、小铸件。机械造型尺寸精度和表面质量高，但投资大，差压铸造铝、镁合金几克几十公斤好复杂（可用砂芯）。针对这种中小型铸铁件，又需大批量生产，采用机械砂型铸造，保证铸型强度，故本设计采用普通砂机械造型。2.2分型面位置的确定铸件分型面及浇注位置的选择是铸造工艺设计中的重要环节，关系到铸件的内在、外在质量及铸件的尺寸精度等。根据重要加工表面朝下的原则，分型面及浇注位置设置如图2-1所示，铸件凸起部分壁较薄易于冷却，便于实现顺序凝固，同时这样利于安放砂芯。浇注系统采用开放式，不设横浇道，通过集渣包后由内浇口从铸

13、件中间偏下部位集中引入铸件，通过集渣包的缓冲作用，使铸件缓慢、平稳充型，并将浇口以60夹角注入型腔，从而保证金属液平稳充型，并顺时针形成旋流，避免金属液对砂芯的直接冲击，便于熔渣上浮至冒口。浇口杯与直浇道接口处设置过滤网，既能挡渣，又可以起到缓流的作用。分型面的选择，在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。本铸件的分型面可以有三种选择，如图2-1所示：图2-1 铸件分型面选择方案a：全部平板部分置于下型，铸件相对精度较低, 砂芯安置困难；方案b：分型面置于上下平板中间，铸件的厚大部位位于铸件的底部，既有利于充型又有利于设置冒口对铸件的厚实部位补缩。并且此位置需要的砂芯数量最少， 所有的加

14、工孔可 以利用下砂型支撑，不需要使用吊芯和悬臂砂芯，同时方便了铸件的起模能保证加工面的质量，避免偏析。方案c：铸件全部置于上型，整体性好、相对精度高，可以防止错型而避免产生尺寸偏差，并且铸件全部 都位于下砂箱，减少了砂芯(吊芯) 的数量，方便起模，但是不利于砂芯安置经分析对比，确定选择分型面方案b。图2-2选择的铸件分型2.3 铸造工艺参数2.3.1铸件最小铸出壁厚砂型铸造铸件的最小壁厚可参考铸造手册第5卷表2-13。对铸件图纸分析可知，该铸铁件最小壁厚为9mm，满足最小壁厚要求。 2.3.2 铸件最小铸出孔（手册）通常零件图样上较大的孔应铸出，从节约机械加工工时的原则出发，较小的孔或槽不宜铸

15、出，直接用机械加工成孔反而方便，因此，对铸件孔的大小有一定要求，该铸铁件最小铸出孔直径为20mm1。2.3.3 铸件尺寸公差及加工余量铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。由本铸件技术要求知：该砂型铸件的公差等级取10级，GB/T6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量中规定，查表1-93可得：铸件基本尺寸为10001600mm，可得到铸件尺寸公差为7mm。机械加工余量等级由精到粗分为 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H、 J 和 K 共 10 个 等级，本铸件为铝合金，采用普通砂，机械加工等级选 EG 级。 根据铸件的“浇注位置”，对铸件不同部位设置不同等级的“加

16、工余量等级”： 处 于浇注位置“顶部” 的选择等级高的 E 级， 处于浇注位置“侧面” 的选择等级较 高的 F 级， 而处于浇注位置底部选择级别相对较低的 G 级。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 的尺寸范围选取。本零件的最大轮廓尺寸为1222mm，根据文献1 中 GB/T6414 1999 所要求的机械加工余量如表 2.1所示。表2.1要求的机械加工余量（RMA） 单位：mm根据铸件的尺寸公差等级要求的机械加工余量等级及铸件的最大轮廓尺寸 确定加工余量的数值， 不同情况下铸件的机械加工余量的计算方式不同。 本铸件需要进行机械加工的表面包括： 凸台外面的机械加工

17、、 内腔的机械加工以及铸件 或铸件某一部分的侧面的机械加工三种情况。图 2.3 加工余量的设置表2.2各种加工余量计算结果加工面所属类型计算公式最大尺寸加工余量等级RAMCT加工余量1铸件侧面d = RMA + CT/21222F477.52凸台d = 2RMA + CT / 2 185F277.53内腔（孔）d =-2RMA - CT / 2185F277.54内腔d =-2RMA - CT / 2129F1.576.55顶面d = RMA + CT / 21222E2.876.5参数说明： RMA要求的机械加工余量，CT铸件尺寸公差。 2.3.4 铸造收缩率铸造收缩率又称作铸件线收缩率，用

18、模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示4： 式中 L1模样工作面尺寸； L2铸件尺寸。表2.3 非铁合金铸件的线收缩率（%）【铸造手册第5卷 表3-69】合金种类铸件线收缩率受阻收缩自由收缩锡青铜1.21.4无锡青铜1.6-1.82.0-2.2硅黄铜1.6-1.71.7-1.8锰黄铜1.8-2.02.0-2.3铝硅合金0.8-1.01.0-1.2铝铜合金1.41.6铝镁合金1.01.3 铸造收缩率是铸件从线收缩开始温度冷却到室温时的相对线收缩量，为了 获得尺度精度较高的铸件， 在计算成型尺寸时，需要结合收缩率进行计算，选取数值时，要参考影响收缩率的多个因素在给出的范围内做相应的修正确定。根

19、据该零件的结构，金属液在凝固之后的冷却过程中的收缩偏向于“自由收缩”；影响铸件线收缩率的主要因素是铸件的结构复杂程度和尺寸的大小。本铸件属于复杂薄壁的铸件，且用普通砂造型， 铸件的收缩阻力较小，因而其线收缩率较大。为获取尺寸精确的铸件，必须选择适宜的铸造收缩率，铸铝件自由收缩率为1.01.2%，取1.1%3。2.3.5起模斜度与分型负数1.起模斜度 当铸件本身没有足够的结构斜度，应在铸件设计或铸造工艺设计时给出铸件 的起模斜度，以保证铸型的起模。起模斜度的设置方式有“增加厚度法”、“减小 厚度法” 和“加减厚度法”。本设计采用“增加厚度法”在砂芯的外表面上设置 起模斜度，如图 3.13 所示。

20、根据文献1 ，树脂砂造型时砂芯上的起模斜度如表本铸件的起模斜度设计结果如表 3.5 所示。表 2.3 粘土砂造型时，模样外表面的起模斜度 测量面高度 mm 起模斜度 起模斜度 a/mm 40100 0 30 1.0 表2.4 模样外表面表2.4粘土砂造型时，模样凹处内表面的起模斜度 测量面高度 mm 起模斜度 起模斜度 a/mm 40100 150 2.0 表2.5 模样凹处内表面2.分型负数造型时，由于起模后的修型和烘干过程中砂型的变形引起分型面凹凸不平，使合型不严密，为防止浇注时从分型面跑火，合型时需在分型面上放耐火泥条或石棉绳，这就增加了型腔的高度。另外，由于砂型的反弹也可造成型腔高度尺

21、寸的增加。为了保证铸件尺寸符合图样要求，在模样上必须减去相应的高度，减去的数值称为分型负数。本铸造工艺采用的是湿型砂铸造，而湿型一般不留分型负数。所以分型负数取零。经过上述选择及分析计算，确定铸件形状如图2-2所示： 图2-4 铸件三维图3砂芯设计铸件的内腔完全由砂芯形成。砂芯完全靠芯头固定在砂型上，对于垂直砂芯，为了保证其轴线垂直，牢固地固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸，水平砂芯还必须考虑砂芯的重力和金属液的浮力的影响。根据铸件的结构，本铸件主要内腔采用组合砂芯，砂芯内须加入芯骨以提高砂芯的刚度。所以，具体三维砂芯设计如下图： 图3.1 三维砂芯设计图根据铸造手册第5卷，查表3-913垂直

22、芯头高度、表3-903垂直芯头的斜度、表3-893垂直芯头的顶面与芯座的间隙、表3-923芯头斜度和芯头与芯座间隙。芯头尺寸参数如图3-1所示：图3-2 芯头尺寸参数示意图表2.6 芯头尺寸芯头芯头L芯头直径D芯座间隙S垂直芯头高度垂直芯头斜度hh1hh150500.5201531.550200.5201531.565870.5 251542651321.0251542 图3-3 芯头结构三维示意图4. 浇注系统设计4.1 浇注系统结构类型铝合金质轻，热容量小，导热快，温度降低快，极易氧化和吸气，且氧化物的密度与铝液相近，混入铝液中的氧化物很难浮起，易引起夹杂；凝固时收缩率大，易产生缩孔和缩松

23、。对浇注系统要求是：快速、平稳充型，不产生飞溅、冲击和涡流，有强的挡渣能力，选开放式浇铸系统。根铸造工艺手册第五卷由表3-146 铝合金铸件的材料得，各单元截面比为 A直：A横：A内=1:2:3。4.2浇注系统引入位置的确定浇注系统的引入位置影响到浇注系统结构类型的确定，同时对液态金属浇铸位置，我们选择的是中间注入，因为它适应于薄壁中空铸件，充型快而平稳5.浇注系统结构尺寸的确定5.1 浇注时间的计算t为浇注时间（小型手册），对于重量小于450kg的形状复杂薄壁铸铝件：t = S其中，t 浇铸时间（s）；G型内金属液总重量，包括浇注系统重量（kg）；S 浇注时间系数，取决于铸件壁厚。G=57.

24、7kg（G铸件质量；k铸件工艺出品率）；由下表查得铸铝合金浇注时间系数S在1.82.0，取S=1.8壁厚（mm）0-1011-2021-4040S灰铁1.111.441.661.89S铜合金0.65-0.700.75-0.800.90-1.01.10-1.20S铝合金1.8-2.02.2-2.42.6-2.83.0表2.7 系数S和铸件壁厚的关系（参考文献6）代值得浇注时间t=13.6s。5.2 浇注系统截面的确定截面比法设计步骤：1.选择浇注系统类型4. 选择流量损系数3.确定浇铸时间2.确定浇铸位置5. 选择截面比6. 算最小截面积AA7.计算其他单位截面积 铸件浇注系统中的最小阻流截面面

25、积，由奥赞公式计算： 式中：G型内金属液总重量，包括浇注系统重量（kg）；G=57.7kg（G铸件质量；k铸件工艺出品率）； t浇注时间（S）； 密度（Kg/cm）g重力加速度(g=981cm/s)流量损耗系数取0.5；Hp平均压力头，单位为cm；Hp =H0-0.125 HcH0为内浇道至浇口杯液面的高度，根据查表4-98得砂箱长度方向上的最小吃砂量a=30 mm，因为零件最大长度为1222mm，所以砂箱长度为1282 mm，根据表4-99得，砂箱高度取300mm；Hc为浇注位置铸件总高度即铸件型腔高度93.5mm；分型面到浇口杯的高度H0=380mm,代入上式经计算可得HP=36.8cm。

26、 将金属浇注质量、系浇注时间及平均压力头带入奥赞公式，求得铝合金铸件浇注系统直浇道最小截面积的计算式为： =11.7cm2 由最小阻流断面11.7cm2，由此可确定可确定直浇口（最小阻流断面）为11.7cm2，求得直浇道最小断面直径40mm38mm设计中取最小直径40mm。 浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等各单元最小处的总断面积中，内浇道的总断面积应该最大，使得浇注系统易于充满，补缩效果好。根据铸造工艺手册第五卷表3-146，由铸件的材料得，断面比 = A直：A横：A内=1:2:3，, 得到内浇道最小处的总断面积A直 =11.7 cm2，从而得到：A内 =35.1 cm2，A横 =23.4 c

27、m2 。（1）内浇道尺寸内浇道的功能是控制充型速度和方向，分配金属液，调节铸件各部位的温度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过内浇道对铸件有一定的补缩作用。内浇道在铸件上的位置和数目的确定应服从所选定的凝固顺序或补缩方法。本铸件的内浇道设在厚壁处从顶部注入，并通过冒口，让金属液先流经冒口再引入型腔。 通过冒口是为了使铸件顺序凝固，更能提高冒口的补缩效果。内浇道的数量为两个，根据文献1 中表 3-236，我们选用型内浇道。因为这种扁平型的内浇道易于清理，能提高横浇道的挡渣效果。A内 =35.1 cm2 ，因为设计两个内浇道，所以，一个内浇道的面积为17.55cm2，a=70mm， b=55mm， c

28、=28mm。其示意图如图 4.4 所示 图4. 1内浇道示意图（2）横浇道尺寸 横浇道是指从直浇道的末端到内浇口前端之间的通道，横浇道需要提供稳定 的金属液流，对金属液的流动有较小的阻力。本铸件采用梯形截面的横浇道，有利于横浇道余量顺利脱出，在生产实践中很常用。根据横浇道的计算面积A横= 23.4 cm2，设计 a=45mm，b=40mm，c=55mm。横浇道的示意图如图 4.5 所 示： 图4.2道示意图（3）直浇道尺寸直浇道会引导从浇口杯金属液向下，进入横浇道、内浇道或直接导入型腔，提供足够的压力头，使金属液在重力的作用下能克服各种流动阻力，在规定的时 间内充满型腔。直浇道通常做成上大下小

29、的锥形，等断面的柱形和上小下大的倒 锥形。根据直浇道的计算面积 A直 = 11.7 cm2 ，直浇道的截面如图 4.6 所示。根据铸件的实际情况，设计D=40mm，D1=48mm，L=225mm。 图4.3 直浇道示意图5.3 浇口杯的设计 5.3.1浇口杯的类型及制作浇口杯的作用是：接纳来自浇包的金属液，便于浇注；缓和金属液的冲击，把金属液较平稳地引入直浇道；阻挡金属液中溶渣和防止气体卷入直浇道；对一些高件、大件、重要件，当砂箱高度不够时，可起到提高压力头作用。 浇口杯形状有两大类：一类是漏斗形，另一类是池形。漏斗形浇口杯的优点是结构简单且制做方便，节约金属，利于充型，机器造型中也被广泛应用

30、，一般用于小型铸件。池形浇口杯的优点是容积大，接纳的金属液多，挡渣作用较好，主要使用于中大型铸件。本铸件重量较小，大量生产，机械造型，采用漏斗形浇口杯，在砂型中直接挖出，操作方便。5.3.2浇口杯尺寸由铸造工艺手册第五版表3-190定浇口杯尺寸如下图：a=80mm,b=80mm,下连直径为40mm的直浇道大端 漏斗形浇口杯示意图综上数据可设计出浇注系统三维图，图中的黄色部分便为浇注系统6 铸造工艺设备6.1砂箱 砂箱是铸件生产中的必备的工艺装备之一。正确的设计和选择适合的铸造生产需要的砂箱，对日益发展的铸造生产，具有很大的实用价值。 6.1.1 砂箱类型的选择本铸件采用整铸式砂箱，材料选择为灰铸铁。铸铁砂箱应用最广，材料成本低，制造方便，强度、刚度较高。砂箱造型为手工造型用砂箱，砂箱按重量和尺寸选择大型吊运式砂箱。6.1.2 砂箱结构根据铸件和浇注系统在砂箱中的位置，设计上砂箱的名义尺寸为1400mm1400mm300mm，下砂箱的名义尺寸