铸造大赛设计说明书---路铝合金框架

1、“永冠杯”第四届中国大学生铸造工艺设计大赛“永冠杯”第四届中国大学生铸造工艺设计大赛参赛作品 铸件名称：外框架目录摘 要.11零件结构特点、技术要求与分析.1 1.1 零件结构分析. 1 1.2 零件生产分析. 22零件的铸造工艺性分析.3 2.1 零件的最小壁厚. 3 2.2 零件的临界壁厚. 4 2.3 零件壁的过渡与连接. 43 浇铸位置与分型面.5 3.1 浇铸位置的确定.5 3.2 分型面的确定.74 机械加工余量.105 砂芯的设计.13 5.1 砂芯的形状.13 5.2 芯头的结构尺寸.19 5.3 芯骨的设置.216 各工艺参数设置.21 6.1 起模斜度.21 6.2 铸造收

2、缩率.226.3 分型负数. 227 浇铸系统设计.23 7.1 浇铸系统类型.25 7.2 浇铸系统结构.26 7.3 浇铸系统各组元尺寸.27 7.3.1 平均静压头.27 7.3.2 各浇道横截面尺寸.28 7.3.3 浇口杯尺寸.28 8补缩系统设计.289 合箱图及铸造工艺卡.2610 铸造工艺优化.32 10.1 原始工艺方案中铸件的充型和凝固分析.34 10.2 铸件的优化方案. 3611砂箱. 37 11.1 砂箱的结构尺寸. 38 11.2 砂箱的定位. 39参考文献.40附 图.41摘 要：铸造是通过熔炼金属，制造铸型，并将熔炼金属液浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸和性能

3、金属零件毛坯的成型方法。在机器制造业中用铸造方法生产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。而铸造工艺（造型、制芯、浇注、落砂、清理及其后处理等）是铸造生产的核心，是能否生产优质铸件的关键。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。采用树脂砂造型造芯能获得高精度表面光洁的铸件，铸型不用烘干、强度高而且溃散性好，易于实现机械化生产。由于树脂砂铸造的多种优点，作者对“C件外框架”采用树脂砂型铸造，用CATIA V5创建模型，通过对铸件结构、形状和尺寸的详细分析

4、，设计了铸造生产时的“浇注位置”、“分型面”，设计了砂芯的形状和数量等铸造工艺方案内容以及铸造生产时涉及到的“加工余量”、“拔模斜度”、“铸造收缩率”等工艺参数，采用了大孔流出的方法设计了浇注系统的类型、内浇口的开设位置以及浇注系统各组元的截面形状和尺寸。应用Hypermesh软件剖分网格，采用ProCAST软件对铸件进行充型及凝固过程的数值模拟，优化工艺，减少或消除铸造缺陷，缩短新产品的试制周期，降低成本，提高生产效率。关键词：铸造，工艺设计，铝合金铸件，呋喃树脂自硬砂，数值模拟1、 零件结构特点、技术要求与分析1.1 零件结构分析1、零件名称：外框架2、材质：ZL114A3、零件用途：支撑

5、,传动扭矩4、零件特点：件的轮廓尺寸为1466mm×870mm×619mm，结构左右对称，壁厚均匀，最厚大部位30mm，最小壁厚15mm，最大孔径210mm，最小孔径5mm。 5、零件的形状：如图1.1所示三维实体。图1.1 零件结构三维实体图铸件材料为ZL114A，钢套材料为45号钢，铸件重量为253.98千克，内部结构较复杂，属于中大型铸件，适合单间小批量生产。圆柱上下表面和框架顶端为工作表面；圆盘上表面有4个125mm的铸造孔，下表面有一个210mm的铸造孔，钢套上有10个35mm的铸造孔，圆柱空腔里有10个60mm的铸造孔，其它孔过小不宜铸出，均为加工孔。 技术要求

6、：1、 铸件不得有气孔、沙眼、缩松等缺陷，且须经时效处理。2、 未注倒角1×45° ，未注倒圆R13。3、 内径275钢套应与框架铸造牢固，保障传递10000Nm较大扭矩。4、 加工时保证尺寸439及619一致。1.2铸件生产分析零件“C外框架”净重达到253.986kg，零件尺寸为1466mm×870mm×619mm，属于大型铝合金铸件。中大型零件的铸造生产不易采用机械化流水线生产，而应该采用手工造型生产方式。砂型包括湿型、干型、表干型和树脂砂型等。采用粘土砂造型方法，无论是普通湿型造型还是表面干型或者是干型造型，由于粘土的粘结性能比较低，铸型的强度受

7、到影响，生产中大型铸件时容易造成铸件夹砂、多肉、气孔、缩孔、铸件尺寸和铸件重量偏差大等铸造缺陷，难以获得内部质量和外部质量优良的铸件，所以很少采用。对于中大型铸件，可以采用树脂自硬砂型，水玻璃砂型以及黏土干砂型。采用水玻璃粘结剂CO2气体硬化方法制作铸型，由于水玻璃砂出砂性差，增加了铸件的清理工作；黏土干砂型需要烘干，增加了人力和成本；而树脂砂造型造芯能获得高精度、表面光洁的铸件，铸型不用烘干、强度高且溃散性好。目前，多数铸造企业为了提高铸件的尺寸精度、重量精度以及铸件的内部质量和表面质量，并且为改善铸造车间的生产环境，对于单件小批量生产的中大型铸件一般都采用树脂自硬砂造型、树脂砂制芯方式生产

8、铸件。采用树脂粘结剂作为型砂和芯砂的粘结剂能够获得高强度的砂型和砂芯，对于保证铸件的质量是有保证的。本次设计采用呋喃树脂自硬砂作为型砂和芯砂，另外，由于采用单件小批量生产，设计使用芯盒手工造芯。图1.2 砂型铸造流程图2、 零件的铸造工艺性分析零件的工艺性分析包括考察零件的合理壁厚和铸孔尺寸，铸件壁的连接和过渡，肋的设计，铸件的结构斜度等内容。合理的金属零件铸造结构可以消除许多铸造缺陷。该零件的结构及主要尺寸如图2.1所示。零件轮廓尺寸为1466mm×870mm×，619mm，整体结构对称，内部结构较为复杂，壁厚均匀，最大壁厚30mm，最小壁厚15mm，最大孔径为210mm

9、，最小孔为M5螺纹孔。图2.1 零件整体结构及尺寸2.1 铸件的合理壁厚从保证金属液充型能力看，在设计铸件壁厚时，要考虑金属液的流动性和铸件的轮廓尺寸。在一定的铸造条件下，铸造合金液能充满铸型的最小厚度称为该铸造合金的最小壁厚。为了避免铸件产生浇不到和冷隔等缺陷，应使铸件的设计壁厚不小于最小壁厚。如果铸件的壁厚小于其最小壁厚的限制，则容易使铸件形成“浇不足”、“冷隔”等缺陷。对于砂型铸造铝合金铸件，参照资料（1）铸造手册表3-3列表格如下表2.1：表2.1 砂型铸造铝合金铸件的最小壁厚（mm）合金种类当铸件最大轮廓尺寸为下列值时<1001002002004004008008001250铝

10、合金3455668812由表中数据可推出，铸件最大轮廓为12501800mm时，铝合金最小壁厚为1216mm，对于零件“C外框架”，铸件最大轮廓尺寸为1466mm，最小壁厚为15mm，接近铝合金铸件的容许的最小壁厚，浇注时应该特别注意，防止产生“冷隔”和“浇不足”的缺陷。2.2 铸肋的合理分析布置肋的时候，要尽量分散与减少热节点，肋的布置尽量避免十字交叉。但是考虑到该零件的设计要求，如图2.2所示的交叉肋，只能设计成十字交叉型铸出。交叉肋交叉肋图2.2 零件十字交叉肋位置2.3铸件壁的过渡和连接一般情况下，铸件壁的断面尺寸不可能完全相同，同时，铸件有类型各异的连接。任何零件都是由不同尺寸的“壁

11、”相互连接构成，通常构成零件的各“壁”其“壁厚”应该接近一致，不能差别过大，否则其铸造工艺也属于不合理。同时，铸件各个壁的连接和过渡应该满足铸造工艺性要求，即铸件“壁”的连接、过渡应该是平缓的。分析该零件的连接过渡，均运用合理的圆角过渡，过渡平缓，因此零件满足铸造工艺性要求。3、铸造工艺方案设计3.1 浇注位置的确定浇注位置是指浇注金属液时铸件在铸型中所处的位置，浇注位置是根据铸件的结构特点、尺寸、重量、技术要求、铸造合金特性、铸造方法和铸造生产车间的条件决定。正确的浇注位置应该能保证获得健全的铸件，并使造型、制芯和清理方便。要依据浇注位置的确定原则选取合理的浇注位置，本铸件不能满足所有的原则

12、，但是在解决主要矛盾的同时兼顾其他次要矛盾。本铸件共有4种浇注位置，分析如下： A B C D图3.1 浇注位置如图3.1所示，A位置铸件的加工面放在侧面，防止加工面产生砂眼、气孔、夹渣等铸造缺陷，缺点是需使用悬臂砂芯；B位置与A位置优缺点相似，但B位置难以取出模样,同时，竖放使得砂箱的高度大大增加，给铸造生产带来更大的困难；C位置下芯相对简单，但是加工面被放置在上表面，容易产生铸造缺陷；D位置除了有C的缺点外，需大量使用吊芯，使得砂芯安放困难。综合考虑以上4种浇注位置，A和C各有优缺点，设计小组人员考虑应把铸件的质量放在第一位，尽量不让加工面产生砂眼、气孔、夹渣等铸造缺陷，所以选择A浇注位置

13、。3.2 分型面的确定铸造分型面是指铸型组元间的结合面。合理的选择分型面，对于简化铸造工艺、提高生产率、降低成本、提高铸件质量等都有直接关系。分型面的选择应尽量与浇注位置一致，尽量使两者协调起来，是铸造工艺简便，并易于保证铸件质量。对于铸件“C件外框架”，综合以上原则，位置分型面放在最大截面方起模，如下图：图3.2. 分型面分型面选在铸件的最大截面处，保证从铸型中取出模样，不损坏铸型，铸件上下对称分布，避免上沙箱过大。4 铸造工艺参数的设计4.1铸件尺寸公差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。在两个允许极限尺寸之内，铸件可以满足加工、装配和使用要求。根据资料（1）铸造手册GB/

14、T64141999铸件尺寸公差和机械加工余量的规定，铸件尺寸公差等级分为16级，表示为CT1CT16。铸件“C-外框架”需满足CT12级要求，具体公差数值见下表4.1：表4.1 单件小批量生产铸件的尺寸公差等级方法造型材料公差等级CT铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金轻金属合金镍基合金钴基合金砂型铸造手工造型粘土砂13151315131513151315111313151315化学粘结剂砂12141113111311131012101212141214铸件“C-外框架”材料为ZL114A，属于轻金属合金，采用呋喃树脂砂手工造型，根据表4.1数据，选用尺寸公差等级为CT11。根据公差等级，根据表4

15、.2选用合理的公差数值：表4.2铸件尺寸公差数值 （摘自GB/T64141999） 单位：mm毛坯铸件基本尺寸铸件尺寸公差等级CT12345678910111213>4006300.640.91.21.82.63.6571014>63010000.721.01.42.02.84.0681116>100016000.801.11.62.23.24.6791318铸件毛坯最大长度为1466mm，公差等级为CT11，所以采用的尺寸公差数值为9mm。4.2铸件重量公差 铸件的重量公差，是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。铸件重量的公差等级应根据铸件的生产方式、铸造

16、合金种类和铸造工艺方法选取。一般来说，铸件的重量公差等级与铸件的尺寸公差等级应该对应选取。因此“C-外框架”选择MT11。表4.3 铸件重量公差数值 (%)公称重量重量公差等级MT12345678910111213>10040023456810121416由表4.3可知，铸件的重量公差数值为12%，即30.4kg。4.3铸件机械加工余量根据资料（1）铸造手册GB/T64141999铸件尺寸公差与机械加工余量规定，机械加工余量应适用于整个毛坯铸件，且该值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸和相应的尺寸范围选取。铸件的某一部位在铸态下的最大尺寸应不超过成品尺寸与要求的加工余量及铸造总公

17、差之和，有斜度时斜度另外考虑。要求的机械加工余量等级共有10级，称之为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K级共10个等级。根据铸造工艺手册要求，轻金属合金手工造型砂型浇铸应选公差等级为FH级。处于浇注位置“底部”和“侧面”的选用“高”的等级，本次设计对于底面采用F级，侧面选择G级；处于浇注位置“顶部”的选用“低”的等级，本次设计对于顶面选择H级；根据铸造工艺手册GB/T64141999所要求的机械加工余量如下表：表4.4 要求的机械加工余量（RAM） (mm)最大尺寸要求的机械加工余量等级EFGH>4006302.2346>63010002.53.557>100016002

18、.845.58 根据铸件的尺寸公差等级、要求的机械加工余量级铸件的最大轮廓尺寸确定加工余量的数值。铸件需要加工的表面如下：（1） 单侧加工 铸件单侧加工面如图4.1所示，编号为1、2、3： 单侧加工面尺寸计算公式为： =RMA+CT/2 （公式4.1） 式中： 加工余量 (mm) RMA要求的铸件加工余量 (mm) CT铸件尺寸公差 （mm） 图4.1 单侧加工面示意图（2）双侧加工面： 铸件双侧加工面如图4.2所示，编号4、5、6、7：图4.2 双侧加工面示意图双侧加工面尺寸计算公式为：=RMA+CT/4 （公式4.2） 各符号意义同上。（3）内侧加工面铸件内侧加工面如图4.3所示，编号8、

19、9、10、11、12 图4.2 内侧加工面示意图内部加工的加工余量公式为： =RMA+CT/4 （公式4.3） 各符号意义同上。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。在两个允许极限尺寸之内，铸件可以满足加工、装配和使用要求。根据零件技术要求，铸件公差等级应满足GB/T64141999铸件尺寸公差和机械加工余量的规定。铸件尺寸公差等级分为16级，表示为CT1CT16。铸件“C外框架”需满足CT11级要求，具体公差数值见下表4.5：表4.5尺寸公差数值 (mm)毛坯铸件基本尺寸铸件尺寸公差等级CT10111213>400630571014>6301000681116>

20、;10001600791318铸件毛坯最大尺寸为1466mm，尺寸公差等级满足CT11级要求，由上表查得本铸件的尺寸公差数值为9mm。综上所述，将各个表面加工余量计算结果列在表4.6中如下：表4.6各面机械加工余量（最大尺寸1466mm）加工面编号加工余量等级RMA值CT值加工余量1G5.5992G5.5993G5.5994F496.255G5.597.756F496.257G5.597.758F496.259G5.597.7510F496.2511G5.597.7512G5.597.75根据零件图，考虑以上机械加工余量后，将后续加工结构去掉，在编号为1、3、5、7的面加上拔模斜度，再把钢套装

21、配上，即可得到铸件图。此外，有些圆面相隔C3mm，在铸件上难以铸出，决定把间隔过小的两个面合成一个面铸出，在后续加工中再把它们加工出来。图4.4 铸件实体图5 砂芯的设计砂芯用来形成铸件的内腔、各种成形孔及外形不易起模的部分。砂芯要满足的基本要求是：砂芯的形状、尺寸和在砂型中的位置应与铸件的要求相适应，有足够的强度和刚度，在浇注后铸件凝固过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外，铸件收缩时砂芯不给予大的阻力，容易清砂。砂芯设计的主要内容：确定砂芯的形状和个数（砂芯分块）、下芯顺序、芯头结构、核算芯头大小等。本铸件采用呋喃树脂自硬砂造芯。5.1 砂芯的形状砂芯的设置应满足以下几个基本原则:（1）尽量

22、减少砂芯的数量；（2）复杂的砂芯分块设计；（3）选择合适的砂芯形状，便于填砂、舂砂、安放芯骨和采取排气措施；（4）砂芯的分盒面应尽量与砂型的分型面一致；（5）便于下芯和合型；（6）被分开的砂芯每段要有良好的固定条件；对于本题目，采用呋喃树脂砂自硬化制芯，涉及不到砂芯的烘干，而保证铸件的成型、保证铸件的精度则是重要的环节。分析铸件结构，需要用到多个砂芯成型，铸件共有16处需要用到砂芯，如下图5-1所示，15处编号116：图5.1 需要砂芯形成的部位15个砂芯的形状如下图5.2所示：砂芯2砂芯1 砂芯4砂芯3砂芯6砂芯5 砂芯8砂芯7砂芯10砂芯9砂芯12砂芯11砂芯11砂芯11 砂芯14砂芯13

23、砂芯15 砂芯16图5.2 各砂芯的形状砂芯说明：铸件的位置需要大量的悬臂砂芯，所以悬臂砂芯的安放特别的重要。我们设计1号砂芯、2号砂芯和16号砂芯是加大加高的芯头，三个砂芯中分别放置一个钢结构芯盘。悬臂砂芯用芯骨连接到上述钢结构芯盘中，其中，3号、4号、13号和14号砂芯的芯骨插入1号砂芯的钢结构芯盘中，7号、8号、9号、10号砂芯用芯骨插入到2号砂芯的钢结构芯盘中,5号、6号、11号、12号和15号砂芯用芯骨插入到16号砂芯的钢结构芯盘中。由于本铸件砂芯比较复杂，我们采用组合砂芯，即在下芯之前将多个砂芯组合为一个整体砂芯，再把组合砂芯一次性放到砂箱里，这样便于砂芯装配、检查和下芯。为了使钢

24、套与铝合金框架连接牢固，在浇注之前把钢套装到砂芯15上。图5.2 砂芯组合图5.2 芯头的结构尺寸砂芯主要靠芯头固定在砂型中。对于垂直芯头，必须要有足够的尺寸，以保证其轴线垂直、牢固地固定砂型上。对于水平砂芯，必须有足够的芯头长度，以承受砂芯的重力和金属液的浮力。芯头与芯头座之间有适宜的间隙，以使砂型与砂芯既能保证装配，又能确保铸件的尺寸精度。本次设计所采用的砂芯芯头共有2种，。其中，型属于悬臂砂芯芯头，型是用芯骨连接的水平砂芯。型用于砂芯1和砂芯2，型用于砂芯15和16。型属于悬臂芯头,采用加大加长芯头的方法，将砂芯的重心移入芯头的支撑面内。根据资料（1)铸造工艺手册公式，当D或h>1

25、50mm时，h1=（1.51.8）h，l>L，芯头尺寸与斜度如图5.2所示。图5.2 型悬臂芯头尺寸 型水平芯头，右端圆柱芯头削去一部分，用于芯头的定位，左边芯头较大，用于承载其他砂芯的重量。图5.3 型水平芯头尺寸为了下芯和合型的方便，芯头应有一定的斜度，心头与芯座之间应有一定的间隙，水平芯头示意图如下图5.6所示：图5.6 水平芯头示意图参照资料1铸造手册，设置各芯头S1、S2、S3 数值如下表所示： 表5.1 芯头参数设置芯头编号S1S2S3型悬臂砂芯2.04.06.0型承载砂芯2.55.08.0型圆柱砂芯2.03.04.0为了快速下芯，合型以及保证铸件的质量，方便砂芯中产生气体的

26、排出，在砂芯的顶部应该设置“压环”；为了防止由于造型时没有完全吹净的极少沙粒引起的砂芯位置的不准确，需要在砂芯的底部设置“集砂槽”。压环、防压环和集砂槽的示意图如下图5.7所示，压环、防压环和集砂槽的尺寸列入下表5.2：图5.7 压环、防压环、集砂槽示意图表5.2：压环，防压环，集砂槽尺寸芯头编号abcr型悬臂砂芯101.5255型承载砂芯122405型圆柱砂芯101.52555.3 芯骨的设置为了保证砂芯在制造、搬运、配型和浇铸中不变形、不开裂、不被金属液体冲击断裂，在制作砂芯的过程中通常要埋置芯骨，以提高砂芯的强度和刚度。本铸件采用悬臂式砂芯，芯骨还起到承载砂芯的作用。芯骨在砂芯中的形状如

27、图所示： 砂芯3 砂芯4 砂芯5 砂芯15砂芯3、8、9、10、13、14用同一种芯骨，砂芯5、6、11、12用同一种芯骨，砂芯4、7用同样的芯骨。芯骨在砂芯中的组合形式如下图所示：6 各工艺参数设置6.1 起模斜度 当铸件本身没有足够的结构斜度时，应在铸件设计或铸造工艺设计时给出铸件的起模斜度，以保证铸件的起模。起模斜度可以采取增加铸件壁厚、增减铸件壁厚、减少铸件壁厚的方式来形成。在铸件上添加起模斜度时，原则上不得超出铸件的壁厚公差要求。对于铸件“C外框架”，对于有砂芯包裹的面，在砂芯上设置起模斜度，而没有砂芯包裹的面，则在铸件上设计起模斜度。对于砂芯1和砂芯2，有的面已自带斜度，因此不再在

28、这些面上设置起模斜度。如图6.1，需要设置起模斜度的面用红色标出。 图6.1 需要加起模斜度的面本次设计采用木模样造型腔，根据零件的结构及尺寸，起模斜度采用“增加厚度法”。根据资料（1）铸造手册表3-64，木模样外围的起模斜度与测量面高度有关，不同高度的测量面应具有的起模斜度如下表6.1： 表6.1 木模样起模斜度测量面高度mm起模斜度起模斜度a/mm>401000°551.6>1001600°402.0>1602500°352.6>2504000°354.2>4006300°305.6根据表中的数据选择不同的面的

29、起模斜度，各面起模斜度如下表6.2： 表6.2 各面起模斜度设置部位测量面高度h/mm起模斜度a/mm 1206.,206.4.2 2206.54.2 32064.2 4206.54.2 55825.6 6206.54.27206,2064.28435,4355.69 206,2064.210206.54.211206,2064.212206.54.2134485.614435,4355.66.2 铸造收缩率为了获得尺寸精度较高的铸件，必须选取符合实际的适宜的铸件收缩率根据该零件的结构，金属液在凝固之后的冷却过程中的收缩介于“自由收缩”与“受阻收缩”之间，因此按照资料（1）铸造手册中“铸造收缩

30、率”的设计依据（表6.3）选择该铸件的铸造收缩率为1%。 表6.3 铸造的线收缩率 (%)合金种类铸件线收缩率受阻收缩自由收缩铝硅合金0.81.01.01.26.3 分型负数砂型因起模后的修型和收缩等引起变形，致使分型面凹凸不平，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，这就增加了型腔的高度。为此铸造设计工程师在铸件模型设计时将分型面的高度适当减小，扑偿合箱时型腔高度的变化，保证生产的铸件尺寸符合设计要求。铸件“C外框架”模样分为两半，且上下两半是对称的，则分型负数在上下模样上各取一半。表6.4 模样的分型负数 mm模样示意图砂箱高度分型负数a干型表干型100021

31、1001200032铸件高度为870mm，则砂箱高度为介于10012000mm，由上表查得铸件模样的分型负数为3mm。7.浇铸系统设计浇注系统是引导金属液进入铸型型腔的通道，浇注系统设计得合理与否，对铸件的质量影响非常大，容易引起各种类型的铸造缺陷，如：浇不足、冷隔、冲砂、夹渣、夹杂、夹砂等铸造缺陷。浇注系统的设计包括浇注系统类型设计、内浇口位置的选择以及浇注系统各组元截面尺寸的计算。浇注系统的设计应遵循以下原则：（1）引导金属液平稳、连续地充型，避免卷气、金属氧化物夹杂和冲刷型芯。（2）充型过程中流动的方向和速度可以控制，保证铸件轮廓清晰、完整。（3）在合适的时间内充满型腔，避免形成夹砂、冷

32、隔、皱皮等缺陷。（4）调节铸型内的温度分布，利于强化铸件补缩、防止铸件变形、裂纹等缺陷。（5）具有挡渣、溢渣能力，净化金属液。（6）浇注系统应当简单、可靠，减少金属液消耗，便于清理。7.1 浇铸系统类型铝合金的热容量小，温度降低快，性质活泼，易吸气和氧化结皮，凝固体收缩大。对于ZL114A材料的“C外框架”，适宜采用大孔出流设计方法，要求其浇注系统能快速平稳的充型，具有较强的挡渣和补缩能力。浇注系统的引入位置影响到浇注系统结构类型的确定，同时对液态金属充型方式、铸型温度分布铸件质量影响很大。浇注统根据其内浇口的设置位置，可以分为顶注式浇注系统、底注式浇注系统、中间注入式浇注系统和阶梯式浇注系统

33、。对于中小铸件多采用将内浇口开设在铸型的分型面处，可以采用顶注式、底注式和中间注入式的浇注系统，对于大型铸件可以采用阶梯式浇注系统。顶注式浇注系统的充型能力强，有利于冒口的补缩，但对铸型底部的冲击较大，金属液在充型过程中容易二次氧化；底注式浇注系统充型过程平稳，金属液不容易氧化，缺点是不利于顶部冒口的补缩，金属液的充型能力相对较差；中间注入式浇铸系统同时具有顶注式浇注系统和底注式浇注系统的优点和缺点；阶梯式浇注系统具有充型能力强、充型平稳、金属液不易氧化、补缩能力强的优点，但其缺点是结构复杂，消耗的金属液量多。根据本题目铸造工艺方案的设计，采用中注式浇注系统。铝合金性质活泼，易吸气和氧化结皮，

34、铸件适宜采用“开放式浇注系统”，使合金液在最初充型阶段流速较慢，流动平稳。浇注系统各组元的截面比例如下：A内：A横：A直=1：2：47.2 浇铸系统结构根据铸件的结构、尺寸，采用图7.1所示的浇注系统结构。图7.1 浇注系统结构示意图集渣包图7.2 浇注系统尺寸及集渣包位置将横浇道开设在上砂箱内，为提高浇注系统的滤渣能力，在横浇道末端设置集渣包。考虑到大、中型铝合金铸件浇注，圆锥状直浇道太粗时，容易产生涡流，从而使铸件产生氧化夹渣和气孔，我们采用了片状直浇道，使金属液流动平稳。因片状浇道冷却快，选取断面时，比圆断面略大些。7.3 浇铸系统各组元尺寸 7.3.1 浇注时间根据资料（2）铸造工程师

35、手册，铝合金的浇注时间由式确定，其中，B、p、n为系数，查表可知铝合金B=1.25，p=0.35，n=0.35。为壁厚，铸件平均壁厚为22mm，G为浇注金属质量，考虑到铸件实际重量及冒口型腔中金属液重量，所以初步按=280kg计算，则浇注时间为： 7.3.2平均静压头由铸件分型面的选择可知，铸件位于上下砂型之间，铸件高度为870mm，浇注方式为中间注入，根据资料（1）铸造手册查表，可得平均静压头高度Hp=85cm，上砂型高度为650mm，浇口杯高度为250mm。图7.4 静压头示意图7.3.2 各浇道横截面尺寸浇铸系统设计依据“大孔出流原则”，用断面比设计法先算出内浇道断面积，再按照预定断面比

36、来确定其它单元的断面积。内浇道单元处的压力高度值；k1直浇道截面积与横浇道截面积之比；k2直浇道截面积与内浇道截面积之比；u流量损耗系数。 根据资料（3)轻合金砂型铸造查表可知，铝合金金属液流量损耗系数为0.68，由于Hp=85cm，A内：A横：A直=1：2：4，求出hp=4.05cm，A内=72.6cm2，则按照预定断面比可算出A横=36.3cm2，A直=18.2cm2。根据所求断面积，由表7.17.4分别设计出直浇道、横浇道和内浇道尺寸。表7.1 直浇道尺寸直浇道示意图断面积A/cm2宽a/mm厚b/mm数量n间隔s/mm20308825因片状直浇道冷却较快，故选取断面时，选择A直=20c

37、m2，比圆断面要大一些。表7.2 横浇道尺寸横浇道示意图A/cm2a/mmb/mmhR18.23729.655.53铸件横浇道A横=36.3cm2，设有两条横浇道，每条横浇道断面积为18.2cm2。根据铸造手册（铸造工艺设计）表3189所示的内浇道尺寸，选取I型扁平内浇道。根据铸件浇注位置的不同，内浇道尺寸分为两类，如下表所示：表7.3 内浇道尺寸横浇道示意图第一种A/cm2a/mmb/mmhR15.2787419.52第二种A/cm2a/mmb/mmhR21.192882327.3.3 浇口杯尺寸浇口杯可分为普通漏斗形浇口杯、箱式浇口杯、砂芯式浇口杯和沙箱式浇口杯等，砂芯式浇口杯适用于中大型

38、铸件的浇注，因此，本次设计拟采用砂芯式浇口杯。参照铸造手册中表3-184，根据铸件参数，选择8号浇口杯，浇口杯形状图尺寸下图7.5所示：图7.5 池形浇口杯形状尺寸8补缩系统设计铸件“C外框架”的材料为ZL114A，结晶温度范围较宽，而且铸件壁厚较薄，冒口补缩效果不明显。设计时把内浇道放在铸件的分型面上，即铸件的中间位置，使金属液趋于同时凝固。因此，铸件暂不设置冒口。9.合箱图及铸造工艺卡综合上述对铸型、浇铸系统冒口、砂芯等的设计，画出合箱图如下图9.1：图9.1 合箱图工艺卡零件号C零件名称外框架零件材质ZL114A铸件重量（Kg）净重毛重浇注系统重冒口重253.986271.038161.

39、690砂箱尺寸(mm)长宽高165014601300造型造型方法型砂种类通气方法合型方式紧固方式手工造型树脂砂排气通道机械定位销制芯砂芯编号数量制芯方法通气方式芯骨材料芯骨数量11手工芯盒通气孔型钢121手工芯盒通气孔型钢131手工芯盒通气孔型钢141手工芯盒通气孔型钢151手工芯盒通气孔型钢161手工芯盒通气孔型钢171手工芯盒通气孔型钢181手工芯盒通气孔型钢191手工芯盒通气孔型钢1101手工芯盒通气孔型钢1111手工芯盒通气孔型钢1121手工芯盒通气孔型钢1131手工芯盒通气孔型钢1141手工芯盒通气孔型钢1151手工芯盒通气孔型钢1161手工芯盒通气孔型钢1工艺参数直浇道A直（cm2

40、）20横浇道A横（cm2）36.3内浇道A内（cm2）72.6数量1数量2数量4A内：A横：A直=1:2：4浇注浇注方式浇注温度浇注时间型内冷却时间转包/漏包71526.5s工艺简图见文末附图特殊操作说明无10 铸造工艺优化铸造工艺设计得是否合理，影响到能否得到合格、高质量的铸件。以往设计生产新产品，在设计结束往往要通过试生产来验证设计工艺是否合理，这期间要反复进行模具的修改、造型造芯、金属熔炼、浇铸、落砂清理、铸件分析这一过程。这一过程不仅要浪费大量的人力、物力、财力，更重要的是设计时间长，新产品投入生产周期长，效率低。过去在计算机没有普及的情况下，这一过程不可避免，但随着计算机技术的发展，

41、数值模拟技术已经广泛应用到包括铸造生产的各个领域，尤其在缩短新产品开发试生产周期上起到了重要作用。数值模拟技术可以针对设计好的生产工艺，通过模拟产品生产环境，来预测生产结果，以此来指导工艺的修改，直至模拟生产结果符合要求。数值模拟技术省时省力，为获得高质量产品提供了有效手段。本次铸造工艺设计采用数值模拟技术模拟铸件的生产过程，通过模拟金属液的充型过程、凝固过程以及铸件冷却过程中的应力应变，分析铸造工艺设计的优点和缺陷，反复优化，最终在理论上得到合格铸件，确定最终工艺方案。设计采用CATIA-V5软件进行铸件三维模型的绘制，采用HyperMesh软件对三维模型进行网格剖分，采用通用数值模拟软件P

42、roCast软件模拟铸造过程，对所设计的工艺进行充型和凝固的模拟，并进行浇铸系统和补缩系统的优化。10.1 原始工艺方案中铸件的充型和凝固分析采用之前文章中叙述的铸造工艺方案；边界条件设定为：浇铸温度：T浇铸=715型、芯砂初始温度：T型芯=25金属液流量：Q=10.2Kg/S铸件和砂型、砂芯的热交换系数：K=500W/(m2.K)10.1.1 金属液充型过程分析金属液在充型过程中的流动对铸件的质量会产生很大的影响，铸造中经常产生“浇不足”、“冷隔”、“冲砂”、“卷气”等铸造缺陷，都由于浇铸系统的设计的不合理而产生的。图7.1为采用上述的浇注系统，利用ProCast模拟的金属液充型过程中的流动状态和温度变化。充型时间是 26.5s ，通过对模拟过程的分析可以判断浇铸系统能否满足要求。 1 2 3 4 5 6图10.1金属液充型不同阶段时的流动状态及温度分布在充型过程中，金属液在重力的作用下由浇口杯通过直浇道、横浇道、然后通过内浇道进入了铸件的上部，由图（1）、（2）可以看出金属液平稳的进入了型腔，由图（2）可以看出，虽然本铸件采用了顶部注入的方式，但是由于金属液在流动的过程的沿着型腔壁进入型腔的底部，所以不会对砂型造成太大的冲击，由图（3）、（4）、（5）可以看出，金属液在沿着型腔进入型腔下部后平稳的上升充型，避免的卷气现