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：［单击此处键入方案编号］目录TOC\o"1-5"\h\z1零件概述11.1零件信息、1\o"CurrentDocument"1.2技术要求12铸造工艺方案拟定12.1铸造方法选择1\o"CurrentDocument"2.2分型面选择1\o"CurrentDocument"2.3浇注位置选择2\o"CurrentDocument"3铸造主要参数3\o"CurrentDocument"4浇注系统设计计算3\o"CurrentDocument"5冒口设计4\o"CurrentDocument"5.1模数与补缩分析4\o"CurrentDocument"5.2冒口尺寸设计5\o"CurrentDocument"6模拟与优化6\o"CurrentDocument"6.1Procast主要参数设定6\o"CurrentDocument"6.2整体思路76.3模拟结果及分析86.3.1表面状况8\o"CurrentDocument"6.3.2内部缩孔情况9\o"CurrentDocument"6.4加冒口模拟106.5加冷铁模拟11\o"CurrentDocument"7砂芯设计138模板14总结14\o"CurrentDocument"参考文献14附图141零件概述1.1零件信息名称：十字头材料：QT450-12外形尺寸：1140X605X256mm体积：41.878X103cm3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。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。凸耳质量有一定影响A）正放

需吊酣工艺设计日口王芝复杂铸件大部分在上箱B）倒放图2.2浇注位置正放：优点1）凸耳质量有一定影响A）正放需吊酣工艺设计日口王芝复杂铸件大部分在上箱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，两端祖115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，另外凸耳上的祖70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41.677X103cm3,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。L0.31ut【1】用奥赞公式如公式L0.31ut【1】4.1%为浇注重量，铸件质量Gc牝310k，出品率门=60〜75%，估算弓七=G加牝520kg。u浇注系统流量损耗因素，查表得干型中小铸型阻力u-0.5；t浇注时间t=S、：Gl=1.3*、.'520=29.64s，取t=30s。Hp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Hp=H0取280mm试中H0为上箱高度+浇口杯高度。倒放方案可近似认为是底注式，Hp-H0-C/2。式中C为零件高度Ce170cm,H0取365mm得H,=280mm。两种方案计算的的平均静压头H=280mm=28cmp故两方案的最小面积相等：Z=21-13顷2内浇道个数n=2,气=21.13/2=10.5cm2；取半封闭式浇注系统比例设计为:ZA2A2A=1.4:2:1srug取内浇道截面为梯形尺寸为58mm/63mmX18mm,即A=10.8cm2。g横浇道截面尺寸为梯形38mm/50mmX50mm,A==22cm2,直浇道截面尺寸为圆形直径为©64mm,A=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。模数小M203C模数小M203C^03DU7090»%体积分数表5.1模数表分区体积体积份额表面积质量模数cm19756.87638.85%2558.472.2013.8127775.99430.96%2752.67257.5422.8233166.07712.61%2089.71323.4281.5144417.5517.59%1503.19132.6892.93图5.2模数体积份额图图5.1模数与热节分析如下：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V0=VxeV0为补缩区内铸件液态收缩体积；8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=41.677X103cm3；压边冒口液态补缩体积：V0=41.677X103X4%=1.66X103cm3；液态补缩量Gf=7"1.66=12.3kg；每个冒口液态补缩量G=6.15kg冒口颈模数计算t-1150t-1150mt-1150+%c【1】tp为浇注温度，取为1350°C；L为铸铁结晶潜热取220x103J/kg；C为铁液比热容取835J/kg.K。1350-1150冒口颈模数M=xM=0.431xM1350-1150N220x103cC1350-1150+835冒口置于3分区时，冒口颈模数为M^=0.431x1.51=0.65cm。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100X100X150。即所设计冒口体积Vr=1.655x103cm3，质量Gr=11.4kg。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/K1350°C1.1m/s9.8m/s2AIR-cooling6.2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A、B两组方案无冒口，暴露缺陷位置为方案优化铺垫两组方案分别无

冒口模拟评价标准表面质量内部缩孔选择合适的方案解释理论分析方案进一步优化得出较合理方案图6.1模拟优化思路6.3模拟结果及分析6.3.1表面状况铸件冷却到450°C左右时的表面质量情况。图6.2方案A正放铸件表面凹陷ProCASTPisillx-iam-2nTEMPEMTURESTEP-2±EtTIME-丘生哺引eIIMESTEP・kOgOD&EHa图6.3方案B反放铸件表面缺陷从表面质量来看，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ProCJ1.WRnSHR»JKAGEPORgTYWTEP・WHOTIME■HmTIMESTEP-图6.4方案A正放缺陷时InMOSITVSTEP=EEEITUE=aWESTEP=l_«MDDk缩孔缺陷图6.5方案B反放缺陷0.3330^06?0.0009-7330-6670.6000-S939.4G70.^06L3330-133e.eE?0-^00ProCJ0-933土曲fl1-00*0-?939.EG?8-5龄4.5336,4E7土伽^-267MBH0.132e>-0E76.004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。Prcllx=航5图6.6加冒口后表面无缺陷ProCAST1*149顽01Z&5Prcllx=航5图6.6加冒口后表面无缺陷ProCAST1*149顽01Z&511WB31.763Z-5B6B-754-6ProCASTPrefix=JtHrvg-Jd-2^SHRIINKAGEPOFWSIIVSTEP=ll^E=Prefix=JtHrvg-Jd-2^SHRIINKAGEPOFWSIIVSTEP=ll^E=3.25B2»Gf+[M]4lflTI^ESTEP=6-773fl-700叽。，倾叽暨日izg十-12-图6.7加冒口后内部质量在设计中，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冒口凝固图6.13冒口颈凝固示意图从模拟结果来看，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,出品率门=Tl=th=83%,整个铸造件出品率高达83%，Go+Gr31°+6。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。祖100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