大学生铸造工艺设计大赛作品-c-推进器

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：C推进器自编代码：ACGWLY方案编号：目录摘 要2 1 零件的工艺性分析2 2 铸造工艺方案确定42.1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.6 2.4砂箱尺寸.63 砂芯的设计74 浇注系统设计.8 4.1直浇道的确定.9 4.2集渣包的设计9 4.3内浇道

2、的确定 105 冒口设计116 铸造过程数值模拟.126.1网格划分结果 . 126.2 Procast数值模拟 . 137结论.15参考文献.16摘 要铸件C-推进器材质为铝合金，铸件质量约1460kg，为大型铸铁件。铸件外形尺寸为1100mm860mm450mm，主要壁厚为200mm，最小壁厚35mm。铸件采用手工砂型造型，选择呋喃树脂砂制芯。设计中首先对铸件进行了工艺性改造，从而在不影响零件主要结构及使用的情况下，既有利于提高铸件整体强度，又较大程度的简化了工艺设计难度。浇注系统采用中间偏底部浇注系统。分型面选在铸件最大断面处且接近主要加工面，浇注位置选在铸件分型面侧面。由于铸件厚大、结

3、构相对简单，直浇道下方接集渣包再转接内浇口。砂芯下方采用合并式芯头，砂芯中部采用组合型结构，通过垂直芯头进行定位及固定。铸件沿长度方向一边浇注、另一边采用边冒口补缩，以防止在凝固阶段形成缩孔。铸件工艺出品率约为70%。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本铸件是一个厚度较大的大型铸铁件，材料为普通铸铁,铸件质量约为1460kg。铸件外形尺寸为1100mm860

4、mm450mm，主要壁厚200mm，最小壁厚35mm。铸件主体为厚大的平板，机座支撑部分壁腔深且内有相互连通的盲孔。铸件的三维造型如图1-1所示。 一个关键的问题是：按照所提供的零件图，四个外围支撑体与中心支撑体之间连接为一段中空的圆管，给铸造工艺设计及铸造生产过程带来极大的困难，因此需对铸件进行工艺性改造。解决办法是在连接管与底板间补充一个加强筋板，这样不仅强化了支撑体之间的连接，同时也极大地降低了铸造工艺设计的难度。工艺改造后的零件与原零件对比图如图1-2所示。图1-1 机座零件三维图图1-2 工艺改造后的零件与原零件对比图图1-3 机座零件图及铸件图对比铸件主要加工面上有大量螺纹孔，为了

5、便于机械加工、减少砂芯数量，故将直径小于40的圆孔不予铸出1。另外，铸件四角分布四个孔，若安放砂芯必然对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。该铸铁件尺寸比较大，铸件主体部分壁厚较大，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，充分利用铸铁件石墨化膨胀的自补缩作用，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；手工造型最好采用呋喃树脂砂造型；砂芯可采用树脂砂制芯。 根据铸件主要加工面和大

6、平面朝下的原则，工艺设计时，厚大的平板部分位于砂箱的底部，这样可以保证铸件主要加工面附近的内在质量。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1-4 铸造工艺设计及Procast模拟流程2.1铸型种类与造型及制芯方法的选择 2.1.1铸型种类及造型

7、方法选择针对这种大型铸铁件，为充分利用铸铁件石墨化膨胀时的自补缩作用，若采用砂型铸造，最好机器造型保证铸型强度；也可选用强度较高的树脂砂型或水玻璃砂型、干型等2。本设计采用树脂砂手工造型，用呋喃树脂做型砂粘结剂。 2.1.2制芯方法的选择采用树脂砂制芯，浸刷特制易清理涂料并烘干。2.2分型面及浇注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。浇注系统采用封闭式（以防止气体吸入），不设横浇道，铁水通过集

8、渣包后由内浇口从铸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）：铸件全部置于上型，整体性好、相对精度高，但是不利于砂芯安置和铸件的补缩；方案c）：全部平板部分置于下型，铸件相对精度较低；方案b）：分型面置于下平板中间，一方面即提高冒口补缩效率，又利于保

9、证铸件质量；另一方面，减小铸件拔模斜度。经分析对比，确定选择分型面方案b。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35毫米，满足最小壁厚要求。 2.3.2 铸件最小铸出孔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40mm1。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。GB/T6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量中规定，查表1

10、-93可得：砂型铸造机器造型和壳型的公差等级为79级，取8级，铸件基本尺寸为6301000mm，可得到铸件尺寸公差为2.8mm。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。查表1-33，该铸件机械加工余量可取5mm。2.3.4 铸造收缩率铸造收缩率又称作铸件线收缩率，用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。 为获取尺寸精确的铸件，必须选择适宜的铸造收缩率，铸铁件自由收缩率为0.51.3%，取1.0%3。 2.3.5 起模斜度与分型负数模样的起模斜度应不致使铸件超出尺寸公差，对铸件而言，平板部分，高度为100m

11、m，凸起部分，高度250mm，为便于起模，拔模斜度（按木模选取）1；铸孔高度400mm，选取拔模斜度3。分型负数取1mm1。经过上述选择及分析计算，确定铸件形状如图2-2所示：图2-2 铸件三维图 2.4 砂箱尺寸由于所铸零件尺寸比较大，因此我们在一个砂箱中铸一个铸件。按铸件及模样平均轮廓尺寸得5：a=100mm,b=120mm。（如图2-3所示）所以，沙箱尺寸为：长=2018+1002=2218mm2300mm宽=860+1202=1100mm1200mm高=450+120=570mm600mm(下砂箱高度可较低)图2-3 沙箱尺寸（中部长方形代表铸件轮廓）验算：根据压力角验算高度是否满足充

12、型要求。验算公式为：Hm LtanaHm最小剩余压力头；L 直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离；a压力角，根据铸件厚度取压力角为74。其中 Hm=150mm ，L=480mm ，a=7，代入公式可得：HmLtana=480tan7=58.9mm所以沙箱高度符合要求。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。具体尺寸设计如下所述：根据铸造手册第5卷，查表3-913垂

13、直芯头高度、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3-1 芯头尺寸参数示意图根据铸件形状，垂直砂芯高度L=460mm（铸件总高度含加工余量）；砂芯直径分别为D1=248mm，D2=110mm，查表1-8992可得：下芯头高h=50mm，上芯头高度h1=30mm，高度间隙s=1.5mm，上芯头斜度：1=9，下芯头斜度 =7。砂芯结构如图3-2所示：图3-2 砂芯结构三维示意图 如图3-2所示，为保证铸出孔相对位置精度要求，该砂芯下芯头相互连接到一起，形成空间框架结构，但是同时给砂芯制作带来困难，为此

14、采用组合砂芯，其分解及组合方案如图3-3所示：图3-3 砂芯分解及组合示意图生产中可分体制作砂芯，待干燥后粘结在一起再统一浸刷涂料、烘干后下芯。4. 浇注系统设计3浇注系统应遵循的原则是：平稳（防止飞溅和紊流）、顺（金属液流动方向顺时针旋转，有利于气、渣排出）、封闭、保证压头7。铸件浇注系统中的最小阻流截面面积，由奥赞公式计算： 式中：GL浇注重量，包括浇冒口在内，取1.5倍铸件质量，铸件重量1480kg，浇注总重量GL=1.51480=2220kg；t 浇注时间（S）；0.550.65，设计中取0.6；Hp平均压力头，单位为cm； H0为内浇道至浇口杯液面的高度，根据前面砂箱高度取600mm

15、；C为浇注位置铸件总高度即铸件型腔高度450mm；P为内浇道上的铸件高度350mm，计算单位为cm），代入上式经计算可得HP=46.4（cm）。t为浇注时间，对于大型铸铁件：（s）其中，灰铸铁件一般情况下S1=2，为铸件主要壁厚即200mm，浇注金属重量2220kg，可求得浇注时间：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： 由最小阻流断面12cm2，由此可确定可确定内浇口（最小阻流断面）为24mm60mm，求得直浇道最小断面直径20（mm）设计中取最小直径30。 4.1.1 直浇道的确定直浇道最小直径30，呈倒置圆台以防止通过直浇道

16、吸入气体，顶部为浇口杯，连接处可放置陶瓷过滤网。 4.1.2 集渣包的设计 由于铸件较大，为防止气体或熔渣进入铸件，在内浇口前设置集渣包，同时集渣包还具有缓冲作用，有利于金属液平稳充型。其形状及尺寸如图所示： 图4-1 集渣包示意图其中a=240mm，h=190mm，b= 220mm ，R=20mm。 4.1.3 内浇道的确定该工艺内浇口为铸件最小阻流截面，通过前面计算已知最小阻流断面面积为12cm2，断面形状如下图所示：图4-2 内浇道断面图 图4-3 浇注系统三维示意图5. 冒口设计由于铸铁件收缩主要为线收缩，对于普通灰铸铁来说，其凝固后期石墨化膨胀能抵消前期的收缩，在铸型强度足够高的条件

17、下，许多铸铁件不需要冒口也能获得无缩孔、缩松的铸件。但是该铸件厚度较大，且厚大部分均需机械加工，要求内在质量高，所以必须设置冒口来补缩，保证冒口最后冷却，以避免铸件产生缩孔及缩松缺陷。沿铸件长度方向，一侧为浇口，另一侧设置侧暗冒口，这样在金属液平稳充型过程中，宽度方向的凝固收缩可以通过中心予以补充。冒口具体现状及尺寸如图所示：冒口设计采用模数法，由于凝固系数相同，所以必须满足以下关系：McMnM式中：Mc，Mn，M分别为铸件模数、冒口颈模数和冒口模数。但是，对于铸铁件而言，为了防止凝固过程石墨化膨胀引起铁水进入冒口，冒口颈模数应最小，按Mc:Mn:M=1:0.3:1.2进行设计。模数计算公式：

18、式中：V计算部分体积（热节部分）；S散热面积；经计算：冒口形状及尺寸如图5-1所示，设计中采用大气压力冒口，即在冒口顶部设计倒锥形吊砂，使冒口顶部推后冷却，提高了冒口补缩效率。图5-1 冒口的设计另外，在铸件凸起部位安放了排气冒口，冒口直径为16。综合以上设计和分析计算结果，将设计好的铸件、浇注系统及冒口连接起来如图5-2所示：图5-2 最初工艺设计铸件及浇注系统三维示意图 设计绘制成铸型装配图如图5-3所示。图5-3 初步工艺设计铸型装配图通过充型过程数值模拟发现该浇注工艺采用集中的内浇口，浇注过程中对型芯冲击力较大，时间较长（浇筑时间大约160秒），容易使砂芯偏移或损坏，且热量过于集中，容

19、易在浇口根部形成缩孔、缩松等缺陷。为避免上述问题，将浇口分解为两个，从铸件两侧引入，一方面避开了砂芯，使充型过程液流旋转更合理，同时将集中的热量分解开来，有利于铸件均衡凝固。改进后的铸造工艺如图5-4所示：图5-4 改进后工艺铸型装配图6. 铸造过程数值模拟采用Pro/E软件造型，分别画出铸件图、浇注系统和冒口，并将其装配在一起，然后导入Procast中划分网格，铸件和浇注系统的网格大小为15mm，砂箱和砂型的网格大小为30mm，然后在Procast中进行充型模拟。其中浇注温度为1350，浇注速度为2.1m /s，铸件和砂型之间的换热系数为500w/k，空冷，出型温度为500。6.1 网格划分结果将Pro/E绘制的三维视图转化为*.igs格式，先导入geomsh5.0软件进行网格划分、并进行缺陷修复，然后将其导入导入Procast，再经过修复处理，结果如图6-1所示：图6-1 三维实体网格划分结果6.2 Procast数值模拟按设计数据在Procast软件中进行数值模拟，模拟浇注充型过程如图6-2所示：图6-2铸件充型过程数值模拟 由图6-2可见，该浇注工艺采用集中的内浇口，浇注过程中对型芯冲击力较大，时间较长（浇筑时间大约160秒），容易使砂芯偏移或损环坏，且热量过于集中，容易