底板砂型鑄造設(shè)計(jì)及模擬說明書

1、南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）底板鑄造工藝設(shè)計(jì)及模擬摘要：鑄造是一門橫跨了幾千年的金屬生產(chǎn)技術(shù)，從剛開始的手工造型到現(xiàn)在的機(jī)器造型，隨著代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金屬鑄件的鑄造要求也越來越高。因此，在每個(gè)鑄件生產(chǎn)之前都必須進(jìn)行鑄件的工藝設(shè)計(jì)和模擬。鑄件的工藝設(shè)計(jì)的合理性與鑄件的質(zhì)量有著十分密切的聯(lián)系，工藝設(shè)計(jì)越完整越準(zhǔn)確，生產(chǎn)出來的鑄件質(zhì)量越高。在21世紀(jì)的今天，隨著計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用領(lǐng)域的普及，澆注軟件Procast軟件也孕育而生。Procast軟件是一個(gè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)澆注過程和澆注后的缺陷進(jìn)行模擬的澆注模擬軟件，其獨(dú)特的有限元分析可以幫助我們運(yùn)用計(jì)算機(jī)來分析澆注產(chǎn)生的縮松、縮孔等缺陷，來使我們?nèi)?/p>

2、改正設(shè)計(jì)方案。另一方面，環(huán)境保護(hù)的理念和綠色生產(chǎn)的概念正深入到我們的生活中，鑄造技術(shù)也要注意環(huán)境保護(hù)。鑄造生產(chǎn)中可能產(chǎn)生二氧化硫等危害性氣體，在鑄造生產(chǎn)中我們必須要設(shè)計(jì)相關(guān)方案去處理產(chǎn)生的有害性氣體。本次設(shè)計(jì)任務(wù)是底板，也就是澆注底板，是鑄造中很常用的零件。我們要根據(jù)底板相應(yīng)的特點(diǎn)來進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，才能真正設(shè)計(jì)出有效地鑄造方案。根據(jù)本次實(shí)際生產(chǎn)批量、鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和用途，確定選用的鑄造成形的方法，工藝設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容包括：鑄件的工藝性分析，鑄造工藝參數(shù)的確定，澆注系統(tǒng)的確定、冒口以及冷鐵的設(shè)計(jì)、鑄造設(shè)備的設(shè)計(jì)等。關(guān)鍵詞：鑄造工藝設(shè)計(jì)；底板；鑄件質(zhì)量；鑄造模擬iSlab casting proces

3、s design and simulationAbstract:Casting is a spanning thousands of years of metal production technology, from the beginning of the manual to the machine model, with the development of the generation of science and technology, metal casting foundry is becoming more and more demanding. Therefore, befo

4、re each casting production must be casting process design and simulation. The rationality of the design of casting process has a very close relation with the quality of the casting, the process design more complete more accurately, to produce the higher the casting quality. In the 21st century, with

5、 the popularity of the application field of computer software, pouring software Procast software can also breed. Procast software is an application of computer to casting process and casting defects after the simulation of casting simulation software, the finite element analysis of its unique use co

6、mputer can help us to analyze the casting defects such as shrinkage, shrinkage cavity, to make us to correct design. The design task is the base plate, also is the bottom board, is very commonly used in casting parts. We will according to the characteristics of the floor corresponding to technologic

7、al design, can design the casting solution effectively. According to the actual production batch, casting structural characteristics and USES, and the selection of the casting, the method of process design of the concrete content includes: the casting technology of analysis, the determination of cas

8、ting technological parameters, the determination of pouring system, riser and chill design, the design of the casting equipment, etc.Key word:casting proess design;slab;casting quality;casting simulationii目錄 1 概述 .1 2 零件鑄造工藝方法.2 2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求. .2 2.2 造型造芯方法的選擇.3 2.3 澆注位置和分型面的確定.3 3 鑄造工藝參數(shù)設(shè)計(jì).6 3.1 鑄件的尺

9、寸公差.6 3.2機(jī)械加工余量.7 3.3 鑄造收縮率.8 3.4 起模斜度.8 3.5 最小鑄出孔和槽.9 3.6 工藝正補(bǔ)量.9 3.7 分型負(fù)數(shù).10 3.8 反變形量.10 3.9 澆注溫度.114 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì).12 4.1 澆注系統(tǒng)的基本要求.12 4.2 澆注系統(tǒng)的基本類型.12 4.3 澆注系統(tǒng)的基本組元.13 4.4 澆注系統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì).155 鑄造工藝設(shè)備設(shè)計(jì).18 5.1 模樣設(shè)計(jì).18 5.2模板選擇.18 5.3 砂箱及附件的選擇.216 ProCAST軟件模擬.22 6.1 ProCAST軟件模擬操作.22 6.2 溫度場(chǎng)分布.277 鑄件缺陷分析與解決方案.29

10、iv 7.1 ProCAST缺陷模擬結(jié)果.28 7.2 缺陷產(chǎn)生的原因及處理方法.28參考文獻(xiàn).31謝辭.33vi1概述 我國古代的鑄造技術(shù)一直在世界先進(jìn)行列，但是由于幾千年的封建社會(huì)制度嚴(yán)重影響了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也導(dǎo)致了鑄造技術(shù)的停滯不前。在新中國成立以后，國家大力鼓勵(lì)發(fā)展鑄造技術(shù)，現(xiàn)在鑄造技術(shù)是我國一個(gè)很大的行業(yè)，近幾年的年產(chǎn)量達(dá)2600萬噸-3100萬噸，一直在世界前列，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2008年中國鑄件的生產(chǎn)產(chǎn)量達(dá)到2600萬噸，占世界產(chǎn)量的29.5%，而在2012年中國鑄件的生產(chǎn)量達(dá)到2900萬噸，占世界生產(chǎn)產(chǎn)量的29.8%。中國的鑄造生產(chǎn)廠點(diǎn)有2萬多個(gè)，職工將近200萬人，其中技術(shù)人員約占

11、4%，已經(jīng)成為我國重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。 國家的綜合國力的標(biāo)志是這個(gè)國家的制造業(yè)發(fā)展水平。大型鑄件的生產(chǎn)水平和鑄造生產(chǎn)水平，標(biāo)志著中國制造業(yè)的水平能力,影響國民經(jīng)濟(jì)。鑄造一直是裝備制造業(yè)的基地,但我國鑄造業(yè)的設(shè)備制造行業(yè)一直存在薄弱環(huán)節(jié)。要想成為鑄造大國,我國必須盡快解決鑄造相關(guān)知識(shí)和人員相關(guān)的質(zhì)量提高。中國鑄造行業(yè)的現(xiàn)狀主要是:平均規(guī)模較小的鑄造企業(yè),專業(yè)水平不高,落后的鑄造生產(chǎn)工藝和設(shè)備,自主創(chuàng)新能力弱,鑄件質(zhì)量不高,鑄造強(qiáng)國的距離這一目標(biāo),有很強(qiáng)的路要走。根據(jù)模具材料,鑄造成形工藝成型過程將以不同的方式,可分為兩大類的砂型鑄造和特種鑄造。砂型鑄造適用于金屬材料,不同的大小,形狀和體積的各種鑄件

12、,低成本,通過鑄造砂鑄造生產(chǎn)占總產(chǎn)量的90%以上鑄件。常見的特種鑄造是熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等。本次重點(diǎn)介紹的是砂型鑄造。 我國雖然是個(gè)鑄造大國，但并不是鑄造強(qiáng)國，在鑄造生產(chǎn)中存在許多不合理的因素和工藝流程，不科學(xué)和不規(guī)范的操作會(huì)導(dǎo)致鑄件質(zhì)量的下降，鑄造存在以下問題： 1）我國雖然鑄造廠很多，但是鑄造技術(shù)人員并不多，生產(chǎn)效率很低； 2）在鑄造生產(chǎn)中資源能源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，污染也嚴(yán)重； 3）鑄件質(zhì)量不能保證，附加值很低。 因此，必須大力培養(yǎng)鑄造相關(guān)技術(shù)人員，更新和改進(jìn)鑄造工藝流程，保證鑄件質(zhì)量的同時(shí)，減小環(huán)境污染和能源浪費(fèi)。2 零件鑄造工藝方法2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 本

13、次設(shè)計(jì)的任務(wù)是底板的鑄造工藝設(shè)計(jì)，材料為球墨鑄鐵，質(zhì)量為12.32Kg，生產(chǎn)方式為小批量生產(chǎn)，底板的三維零件圖為圖2.1，底板的二維零件圖為圖2.2， 圖2.1 底板的三維零件圖圖2.2 底板的二維零件圖 2.2 造型、造芯方法的選擇分析：本次設(shè)計(jì)的底板存在有大平面，因此不采用濕型造型的方法，可以采用半干型造型的方法，又因?yàn)樾∨可a(chǎn)，因此采用手工造型的方法。由于鑄件的特殊性，本次設(shè)計(jì)沒有砂芯，所以沒有砂芯相關(guān)的設(shè)計(jì)。結(jié)論：砂箱中逐漸數(shù)量的確定原則：砂箱中的鑄件的數(shù)量要根據(jù)工藝條件和生產(chǎn)批量要求來確定，本次設(shè)計(jì)的鑄件是底板，生產(chǎn)方式為小批量。采用砂型鑄造，一箱一件。 2.3 鑄件澆注位置和分型

14、面的確定2.3.1鑄件澆注位置的確定鑄件的澆注位置是指澆注時(shí)未來鑄件在鑄型中所處的狀態(tài)和位置，也就是說那個(gè)部位在上，那個(gè)部位在下。澆注位置在選擇造型方法后才能確定下來，澆注位置一般與鑄件的形狀和結(jié)構(gòu)、鑄件的合金種類等有關(guān)澆注位置確定的一般原則：（1）澆注位置應(yīng)有利于所確定的凝固順序，對(duì)于體積收縮較大的合金，澆注位置用盡量滿足順序凝固的原則。（2）鑄件的重要部分應(yīng)該盡量位于下部。（3）重要的加工面應(yīng)該朝下或者在側(cè)面，因?yàn)闅饪缀徒饘賷A雜物容易出現(xiàn)在朝上的表面。（4）鑄件的大平面朝下，避免加砂結(jié)疤類缺陷，對(duì)于大平面鑄件，也可以采用傾斜澆注。（5）應(yīng)保證鑄件能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)充滿，不會(huì)產(chǎn)生澆不到、冷隔的

15、缺陷。（6）避免使用吊砂、吊芯，便于合箱和檢查。（7）應(yīng)該使合箱位置、澆注位置和鑄件的冷卻位置一致。圖2.3 澆注位置 鑄件最終確定的澆注位置如圖2.32.3.2分型面的選擇澆注位置確定后，即可確定分型面。鑄造分型面是指鑄型組元間的結(jié)合面，分型面確定的合理與否，關(guān)系到模樣制造的難易程度。同時(shí)合理選擇分形面，對(duì)于簡(jiǎn)單化鑄造工藝，提高生產(chǎn)率，降低成本，提高鑄件質(zhì)量等有直接關(guān)系。分型面選擇原則； 1）應(yīng)使鑄件全部或大部分置于同一個(gè)半型內(nèi)； 2）應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)量； 3）分型面通常選在鑄件的最大截面處，盡量不使砂箱過高； 4）分型面盡量選用平面； 5）便于下芯、合箱和檢查型腔尺寸； 6）受力件的分

16、型面的選擇不應(yīng)該削弱之間結(jié)構(gòu)強(qiáng)度； 7）注意減輕鑄件清理和機(jī)械加工余量 分型面的確定； 方案一： 圖2.3 方案一分型面的位置 方案二：圖2.4 方案二分型面位置 方案一（圖2.3）和方案二（圖2.4）的分型面選擇一樣，不同的是將鑄件放在上半砂箱和下半砂箱，放在下半砂箱，因?yàn)榈装屙斆鏋橹匾募庸て矫?，所以不符合分型面的選擇原則，而放在上半砂箱就不會(huì)存在這種問題，因此方案一更好，選擇方案一。 3鑄造工藝參數(shù)設(shè)計(jì)3.1 鑄件尺寸公差 鑄件的尺寸公差是指允許的鑄件尺寸變動(dòng)量。公差就是最大極限尺寸與最小極限尺寸的代數(shù)的絕對(duì)值。鑄件尺寸保持在兩個(gè)允許極限尺寸之內(nèi)，就可滿足加工、裝配和適用要求。鑄件的尺寸

17、精度取決于工藝設(shè)計(jì)過程控制的嚴(yán)格程度，鑄件的尺寸精度越高，對(duì)工藝的控制就越嚴(yán)格，但鑄件的生產(chǎn)成本相應(yīng)的就越高。因此在規(guī)定鑄件的尺寸公差時(shí)，必須從實(shí)際出發(fā)，綜合考慮各種因素，達(dá)到既保證鑄件的質(zhì)量，又不過多的增加生產(chǎn)成本的目的。表3.1 小批和單件生產(chǎn)的鑄件尺寸公差等級(jí)（CT）(GB/T 6414-1999)工藝方法造型材料 鑄件材料鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵銅合金輕金屬合金鎳基合金鈷基合金砂型鑄造手工造型粘土砂13151315131513151315111313151315化學(xué)粘結(jié)砂12141113111311131012101212141214 因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)所用的材料為球墨鑄鐵，因此采用公差等

18、級(jí)為13級(jí)，再根據(jù)公差表分別選擇相應(yīng)的公差尺寸。按照GB/T64141999鑄件尺寸公差的規(guī)定，鑄件尺寸公差一共分為16級(jí)，表示為CT1CT16。參見表3.2：表 3.2 摘自鑄造技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)表3.14單位：mm毛皮鑄件基本尺寸鑄件尺寸公差等級(jí)CT大于至123 4567891011121314151625406340631000.120.130.140.170.180.200.240.260.280.320.360.400.460.500.560.640.700.780.911.11.31.41.61.822.22.62.83.23.644.455.6678991011111214141618

19、3.2 機(jī)械加工余量 鑄件為保證零件精度，應(yīng)有加工余量，即在鑄件工藝設(shè)計(jì)師預(yù)先增加的、而后在機(jī)械加工時(shí)又被切去的金屬層厚度，成為機(jī)械加工余量，簡(jiǎn)稱加工余量。加工余量過大，浪費(fèi)金屬和加工工時(shí)；過小，降低刀具壽命，不能完全去除鑄件表面缺陷，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求GB/T16141999鑄件尺寸公差與機(jī)械加工余量中規(guī)定，要求的機(jī)械加工余量RMA適用于整個(gè)毛坯鑄件，即對(duì)有需要機(jī)械加工的表面只規(guī)定一個(gè)值，且改值應(yīng)根據(jù)最終機(jī)械加工后成品鑄件的最大輪廓尺寸和相應(yīng)的尺寸范圍選取。要求的機(jī)械加工余量等級(jí)有10級(jí)，稱之為A、B、C、D、E、F、G、H、J和K共10個(gè)等級(jí)。參見表3.3、3.4。3.3 要求的鑄件機(jī)械加工余

20、量（RMA）（GB/T64141999）單位：mm最大尺寸要求機(jī)械加工余量等級(jí)大于至ABCDEFGHJK400.10.10.20.30.40.50.50.711.440630.10.20.30.30.40.50.711.42表3.4 用于各種鑄造合金和鑄造工藝機(jī)械加工余量等級(jí)工 藝方 法要求的機(jī)械加工余量等級(jí)鑄 件 材 料鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵銅合金鋅合金輕金屬合金鎳基合金砂型鑄造手工鑄造GKFHFHFHFHFHGKGK砂型鑄造機(jī)器造型和殼型FHEGEGEGEGEGFHFH在這里，我們選用機(jī)械加工余量等級(jí)為H級(jí)。底板外形的機(jī)加工：A=F+2RMA+C； (3-1) 400+2*3.5+12

21、/2=413350+2*3.5+12/2=3638+2*0.5+2/2=1032+2*0.5+7/2=36.5A為鑄件毛坯的基本尺寸。F-最終加工后的尺寸。RMA-要求的機(jī)械加工余量。CT-鑄件公差。3.3 鑄造收縮率鑄件線收縮的定義是： K=(LM-LJ)/LJ×1 (3-2)式中 LM表示模樣長(zhǎng)度; LJ表示鑄件長(zhǎng)度 鑄造收縮率受到合金種類、鑄件的冷卻時(shí)受阻力的大小、冷卻條件的不同等非常多的條件的影響。對(duì)于單件和小批量生產(chǎn)的底板，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取即可。鑄造收縮率可以根據(jù)表3.5進(jìn)行選取。表 3.5 鑄鐵件球墨鑄鐵的收縮率由鑄造實(shí)用數(shù)據(jù)手冊(cè)可查得鑄件的種類線收縮率受阻收縮自由收縮球墨鑄

22、鐵0.91.03.4 起模斜度為了方便起模，在模樣、芯盒的出模方向要留有一定的斜度，這樣可以避免破壞型腔或者芯盒，因此把這個(gè)斜度成為起模斜度。起模斜度應(yīng)小于或者等于零件圖上規(guī)定的起模斜度，防止鑄件不能從鑄型中取出，另一方面，鑄件的起模斜度應(yīng)該選取一致，防止加工時(shí)頻繁更換刀具。3.6模樣的起模斜度。由鑄造工藝課程設(shè)計(jì)手冊(cè)表2-13可查得模樣外表面的起模斜度測(cè)量面高度起模斜度金屬模樣、塑料模樣木模樣/mm/mm10401º10´0.81º25´1.0401000º30´1.00º40´1.23.5 最小鑄出孔及槽 一般

23、來說，零件上較大的孔和槽、臺(tái)階等，應(yīng)鑄出來，可以節(jié)約金屬和加工工時(shí)，同時(shí)還能避免鑄件局部過后所造成的熱節(jié)，改善鑄件質(zhì)量。比較小的孔和槽，或者說鑄件很厚，則不適合鑄造出，否則會(huì)使鑄件產(chǎn)生粘砂，造成清理與機(jī)械加工時(shí)困難，直接加工出孔和槽方便一點(diǎn)。由零件圖可以知道，本次設(shè)計(jì)的底板最小孔為10mm，查表可知道最小的鑄出孔為30mm，所以不采用鑄造的方式生產(chǎn)孔，采用鑄造完成后機(jī)械加工孔，不加工的孔的尺寸選取按照表3.7選取。3.7 鑄件的最小鑄出孔直徑生產(chǎn)批量最小鑄出孔直徑（mm）大量生產(chǎn)1215成批生產(chǎn)1530單件、小批生產(chǎn)30503.6 工藝正補(bǔ)量在單件和小批量生產(chǎn)中，由于縮尺和鑄件的收縮率選用的不

24、合適，或者由于鑄件產(chǎn)生了變形以及操作中存在不可避免的誤差的原因，便使加工過后的鑄件的尺寸小于原來要求的尺寸，尺寸過小的話，還會(huì)因?yàn)槌叽缯`差太大，強(qiáng)度不夠而不能使鑄件滿足生產(chǎn)的需要，導(dǎo)致鑄件無法使用而報(bào)廢。因此便會(huì)在鑄件相應(yīng)的非加工平面增加一層金屬厚度來彌補(bǔ)鑄造過程中的誤差，這就是工藝正補(bǔ)量。工藝正補(bǔ)量的數(shù)值與鑄件的尺寸，結(jié)構(gòu)以及澆注位置和造型材料有關(guān)，由于本次設(shè)計(jì)的底板是小批量生產(chǎn)，工藝正補(bǔ)量要根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)去設(shè)計(jì)。工藝正補(bǔ)量如圖3.1： 工藝正補(bǔ)量的厚度為2mm。圖3.1工藝正補(bǔ)量3.7 分型負(fù)數(shù) 砂型鑄造時(shí)，上下兩個(gè)砂型的接觸面一般都是不平整的。特別是干型和表干型，由于烘干時(shí)分型面產(chǎn)生

25、變形，因此合箱時(shí)，上下兩個(gè)砂型之間就不能緊密接觸。為了防止?jié)沧r(shí)跑鐵水，合箱前往往要在下箱分型面上墊上石棉繩或泥條。這樣就是在垂直于分型面方向的鑄件尺寸增加了。為了使鑄件合乎圖紙的尺寸要求，必須在制作模樣時(shí)減去這部分高出的尺寸，這個(gè)被減去的尺寸稱為分型負(fù)數(shù)。 分型負(fù)數(shù)選取根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取，根據(jù)本次設(shè)計(jì)鑄件的特點(diǎn)，在分型面選擇分型負(fù)數(shù)為2mm。3.8 反變形量影響鑄件變形的因素有很多，例如合金性能、鑄件的結(jié)構(gòu)、和尺寸大小、澆冒系統(tǒng)的布置、造型方法等。在鑄造大平板類、床身類鑄件時(shí)，鑄件冷卻后常出現(xiàn)變形。為了解決撓曲變形問題，在制造模樣時(shí)，按鑄件可能產(chǎn)生變形的相反方向做出反變形模樣，使鑄件冷卻后的結(jié)果正

26、好將反變形抵消，得到符合圖紙要求尺寸的鑄件。這種在模樣上做出的預(yù)變形量稱為反變形量。本次設(shè)計(jì)的底板在下表面設(shè)置2mm的反變形量。3.9 澆注溫度澆注溫度的選取對(duì)鑄件質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生很重大的影響，溫度選取過高，會(huì)導(dǎo)致鑄件熱節(jié)增加，殘余熱應(yīng)力增加；溫度選取過低，會(huì)導(dǎo)致澆不到和冷隔的缺陷，本次設(shè)計(jì)的底板材料為球墨鑄鐵，選取澆注溫度為1420.4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1 澆注系統(tǒng)的基本要求澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔的通道的總稱。鑄鐵件的澆注系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)是由澆口杯、直澆道、直澆道窩、橫澆道以及內(nèi)澆道等部分組成，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理與否直接影響鑄件的質(zhì)量和澆注是金屬利用率。澆注系統(tǒng)的基本要求： （1）內(nèi)澆道的

27、數(shù)量、位置和方向應(yīng)該符合鑄件的凝固順序原則和補(bǔ)縮要求。 （2）必須在固定的時(shí)間內(nèi)充滿型腔。 （3）充型壓力必須能使?jié)沧⑼瓿珊统錆M型腔，能使鑄件輪廓清晰。 （4）具有良好的擋渣能力。 （5)金屬液在充滿型腔中要流動(dòng)平穩(wěn)，避免紊流，防止在充滿型腔中因吸入的空氣過多而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，影響鑄件的質(zhì)量。 (6)金屬液流入型腔和澆道過程中流速不宜過快，避免飛濺和沖擊澆道和砂芯以及型腔。 (7)型腔內(nèi)的金屬液提升的速度也不能太慢，否則會(huì)導(dǎo)致加砂和冷隔等缺陷。 (8)不允許破壞冷鐵以及支撐砂芯。 (9)澆注過程中的金屬液消耗小，利用率高，澆注本身系統(tǒng)內(nèi)的金屬液易清理。 (10)減小砂型體積，造型比較簡(jiǎn)單。 (1

28、1)對(duì)于一些比較薄的鑄件常用澆口作為冒口使用。4.2 澆注系統(tǒng)的基本類型按澆注系統(tǒng)各單元截面的比例：分為封閉式、開放式、半封閉式和封閉開放式,各種澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)如表4.1表4.1 澆注系統(tǒng)的種類及特點(diǎn)類型截面比例關(guān)系特點(diǎn)及應(yīng)用封閉式A杯>A直>A橫>A內(nèi)阻流截面在內(nèi)澆道上，開始澆注后，充滿型腔很快開放式A直<A橫<A內(nèi)阻流截面在直澆道上，充型平穩(wěn)，擋渣能力差半封閉式A直<A橫A橫>A內(nèi)A直>A內(nèi)阻流截面在內(nèi)澆道上，橫澆道截面最大，具有一定的擋渣能力，充型比較穩(wěn)定封閉開放式A直>A阻<A橫<A內(nèi)阻流截面在直澆道下端，擋渣能力不錯(cuò)，

29、充型較為穩(wěn)定，應(yīng)用在中小型鑄件較多4.3 澆注系統(tǒng)的基本組元4.3.1 澆口杯澆口杯的作用是：便于澆注,接收來自澆包的金屬液，可以防止液體的濺出和溢出；減輕金屬液對(duì)型腔和澆道的沖擊，具有一定的擋渣作用，還可以防止氣泡進(jìn)入澆道內(nèi)影響鑄件質(zhì)量，增減充型壓力。本次設(shè)計(jì)選用的是普通漏斗式澆口杯，具體尺寸為圖4.1：圖4.1 澆口杯的尺寸本次設(shè)計(jì)選用的澆口杯的特點(diǎn)是可在砂型中直接挖出或者用簡(jiǎn)單的金屬澆口圈做出，操作方便，一般應(yīng)用于小型鑄鐵件。4.3.2 直澆道直澆道的功能是將金屬液從澆口杯中引下，進(jìn)入橫澆道，內(nèi)澆道和型腔，在澆注過程中起著十分重要的作用，還能夠提供足夠的壓力來保證澆注時(shí)金屬液的填充迅速，

30、克服在澆注過程中所遇到來自型腔的阻力，使金屬液能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)充滿型腔。4.3.3 直澆道窩金屬液對(duì)直澆道的底部具有很大的沖擊力，隨之會(huì)產(chǎn)生紊流和漩渦的效果，導(dǎo)致金屬液與空氣過多接觸，從而影響鑄件的質(zhì)量，還會(huì)帶來澆注渣和沖砂等鑄造缺陷，設(shè)置直澆道窩可以有效改善這些缺陷，直澆道窩的作用如下： (1)具有良好的緩沖作用，來緩沖來自直澆道金屬液的充型壓力 (2)可以縮短直澆道和橫澆道支架紊流區(qū)的長(zhǎng)度(3) 可以均勻分布內(nèi)澆道內(nèi)的流量(4) 減少直澆道和橫澆道之間的壓力(5) 在金屬液注入澆口杯時(shí)常會(huì)攜帶一定的空氣，設(shè)置直澆道窩可以浮出一定量的空氣來改善鑄件質(zhì)量直澆道窩的大小形狀來根據(jù)直澆道小段的直

31、徑來選取。 4.3.4 橫澆道橫澆道的作用：橫澆道的主要作用是向內(nèi)澆道提供潔凈的金屬液，其主要作用就是擋渣，在金屬液流入橫澆道后，橫澆道的擋渣作用會(huì)阻擋金屬液中的金屬渣，向內(nèi)澆道提供潔凈的金屬液來澆注，可以極大改善鑄件質(zhì)量；另一方面，橫澆道可以使?jié)沧⑵椒€(wěn)進(jìn)行，穩(wěn)定澆注時(shí)的充型壓力。4.3.5 內(nèi)澆道 1）內(nèi)澆道的作用： 控制充型速度和方向，分配金屬液流入型腔，調(diào)節(jié)鑄件各部的溫度和凝固順序，內(nèi)澆道對(duì)鑄件有一定的補(bǔ)縮作用。（1）內(nèi)澆道數(shù)量的確定應(yīng)該遵守所選用的凝固順序和補(bǔ)縮方法，內(nèi)澆道應(yīng)該開在鑄件的薄壁處，數(shù)量多為好，分散布置，這樣可以使金屬液能夠均勻快速?zèng)_入型腔。（2）對(duì)于有凝固順序的鑄件，內(nèi)澆

32、道應(yīng)該開設(shè)在厚壁處并且設(shè)置有冒口，這樣安排可以提高冒口的補(bǔ)縮效果。（3）對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，往往采用順序凝固和同時(shí)凝固的原則安排內(nèi)澆道，這樣既可以使得厚大部位的鑄件得到補(bǔ)充還可以使得薄壁件減小充型壓力和變形。（4)當(dāng)鑄件壁厚相當(dāng)懸殊時(shí)，但是又必須從鑄件的薄壁處去引入金屬時(shí)，則應(yīng)同時(shí)使用冷鐵加速厚壁處的凝固，并且放置冒口來加速其凝固。（5）對(duì)于采用實(shí)用冒口的鑄鐵件和球墨鑄鐵件都必須遵守實(shí)用冒口的原則來布置內(nèi)澆道和冒口。2）內(nèi)澆道的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：（1）設(shè)計(jì)內(nèi)澆道應(yīng)該避免流入型腔時(shí)的噴射和飛濺現(xiàn)象，避免金屬液對(duì)著細(xì)小的砂芯、型腔、冷鐵和芯撐，保證整個(gè)充型過程的平穩(wěn)。（2）內(nèi)澆道應(yīng)該盡量薄。薄的內(nèi)澆道的好

33、處是：降低內(nèi)澆道的吸動(dòng)區(qū)，可以放大橫澆道的擋渣作用；減少初期金屬液中金屬渣的數(shù)量，來減輕后期清理的工作量，內(nèi)澆道薄于零件的壁厚，在去澆道時(shí)不容易損壞零件。（3） 內(nèi)澆道要避免開在鑄件質(zhì)量要求很高的部位，或者是加工精度要求很高的部位，這樣可以避免晶粒粗大的鑄件在此，提高鑄件的整體質(zhì)量。（4） 內(nèi)澆道的金屬流向力必須保持一致，否則會(huì)導(dǎo)致紊流。（5） 盡量在分型面上開設(shè)內(nèi)澆道。（6） 內(nèi)澆道的設(shè)置不能阻礙鑄件的凝固，否則會(huì)導(dǎo)致鑄件開裂。4. 4澆注系統(tǒng)的尺寸設(shè)計(jì)4.4.1 直澆道的高度由經(jīng)驗(yàn)可知，直澆道過低可能導(dǎo)致充型不到和金屬液補(bǔ)縮壓力不滿足，容易出現(xiàn)鑄件邊角澆注不完整、鑄件縮凹等缺陷。剛開始設(shè)計(jì)

34、直澆道的高度是150mm，應(yīng)該檢驗(yàn)這個(gè)高度是否滿足澆注需要。根據(jù)公式，剩余壓力頭和壓力角的關(guān)系，如下式所列：HMLtg （4-1）式中 HM最小剩余壓力頭 L直澆道中心到鑄件最高且最遠(yuǎn)點(diǎn)的水平投影距離壓力角由鑄造工藝學(xué)查表3-4-11得：為910 取10Ltg=450*tg1079mm 因?yàn)殍T件全部位于上箱，鑄件本身為40mm，加起來約為120mm，所以剩余壓力頭HM小于選擇的150mm所以選用的壓力頭高度滿足澆注要求。4.4.2 直澆道尺寸設(shè)計(jì)球墨鑄鐵液經(jīng)過球化、孕育處理溫度下降很多，并且容易產(chǎn)生氧化，生成渣滓，要求要快速充型，所以一般選用封閉式澆注系統(tǒng)。根據(jù)鑄造技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)表4-19的常用

35、球墨鑄鐵澆注系統(tǒng)尺寸，根據(jù)本次設(shè)計(jì)底板的質(zhì)量為13Kg，所以選擇具體直澆道的尺寸。具體尺寸如圖4.2：圖4.2 直澆道和直澆道窩的尺寸4.4.3 橫澆道尺寸設(shè)計(jì)根據(jù)鑄造技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)表4-19的常用球墨鑄鐵澆注系統(tǒng)尺寸，橫澆道如圖4.3 圖4.3 橫澆道的尺寸 A=23mm B=15mm C=25mm4.4.4 內(nèi)澆道尺寸設(shè)計(jì) 根據(jù)鑄造技術(shù)應(yīng)用手冊(cè)表4-19的常用球墨鑄鐵澆注系統(tǒng)尺寸，橫澆道如圖4.4 圖4.4 內(nèi)澆道的尺寸 a=18mm b=16mm c=6mm 5 鑄造工藝設(shè)備設(shè)計(jì)5.1 模樣設(shè)計(jì) 5.1.1 模樣種類的選取模樣按材質(zhì)、結(jié)構(gòu)分類，其特點(diǎn)及適用范圍見表5.1表5.1 模樣的種類

36、、特點(diǎn)及適用范圍 模樣種類特點(diǎn)使用范圍木模樣質(zhì)量很輕、容易加工、價(jià)錢便宜、但是強(qiáng)度比較低、容易變形、容易受潮、尺寸精度低適用于單件生產(chǎn)和小批量生產(chǎn) 金屬模樣質(zhì)量小、容易加工、表面光滑、耐腐蝕、適用于成批和大量生產(chǎn)塑料模樣質(zhì)量小、制造工藝簡(jiǎn)單、強(qiáng)度和硬度高、成本低但是原材料有毒、很脆適用于大批量生產(chǎn)，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件由于本次設(shè)計(jì)的是底板，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且是小批量生產(chǎn)，所以采用木模樣。5.1.2 模樣尺寸的計(jì)算 模樣的尺寸分為兩類：一類是與鑄件有關(guān)的尺寸；另一類是非關(guān)聯(lián)尺寸，凡是與鑄件有關(guān)的尺寸，都應(yīng)該把鑄件的尺寸按照鑄造收縮率加以放大，即遵循下面的公式計(jì)算： 模樣尺寸=（與鑄件有關(guān)的尺寸

37、77;工藝尺寸）×（1+鑄造收縮率） (5-1) 公式中“±”的用法：“+”用于模樣凸出部位的尺寸；“”用于模樣凹下部位尺寸。 由上可得出： A= （400+13）×（1+0.01） = 418 B= （350+13）×（1+0.01） = 367 C= （40+6）×（1+0.01） = 47 D= （8+4）×（1+0.01） =12.12mm E= （8+2）× （1+0.01）mm =10.1mm F= （12+2）×（1+0.01）mm =14.14mm A、B、C、E、F為摸樣的外形尺寸。繪制模樣圖5.

38、1模樣的尺寸5.2模板選擇選擇單面普通式模板，適用于本次設(shè)計(jì)的底板的要求：小批量生產(chǎn)。 5.2.1 模板結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)及尺寸的計(jì)算 （1）模底板的平面尺寸：模底板的具體尺寸與已定的砂箱內(nèi)框尺寸有關(guān)。模底板如圖所示。模底板的具體尺寸按以下公式來計(jì)算： A0=A+2b B0=B+2b (5-2) 式中：A砂箱內(nèi)框長(zhǎng)度尺寸(mm)； B砂箱內(nèi)框?qū)挾瘸叽纾╩m）； A0模底板長(zhǎng)度尺寸（mm）； B0模底板寬度尺寸（mm）； b砂箱分型面外凸緣的寬度（mm）。模底板圖5.2（2）模底板的高度：模底板的高度H必須根據(jù)使用要求來確定。 普通平面式模底板：H=80-150mm 5.2.2 模底板的壁厚和加強(qiáng)肋

39、設(shè)計(jì)與確定（1）壁厚s和加強(qiáng)肋的尺寸t1,t2及相連圓角半徑r可依據(jù)模底板平均輪廓尺寸和所用的材質(zhì)，選用：S=10-12mm,t1=12-14mm,t2=8mm,r=3mm。（2）加強(qiáng)肋的布置：加強(qiáng)肋之間的距離為K=50mm。 （3）模底板和砂箱的定位裝置：模底板與砂箱之間用直接定位法定位，定位銷安裝在模底板上。結(jié)論：綜上所述，模底板具體尺寸是長(zhǎng)600mm、寬500mm。5.3砂箱及附件的設(shè)計(jì)5.3.1 設(shè)計(jì)選用砂箱的基本原則 (1)滿足鑄造工藝的基本要求； (2)尺寸和結(jié)構(gòu)符合鑄造設(shè)備的要求； (3)具有良好的力學(xué)性能，強(qiáng)度和剛度達(dá)標(biāo)； (4)對(duì)砂型具有足夠的粘附力，不能出現(xiàn)掉砂的情況； (

40、5)經(jīng)久耐用，便于生產(chǎn)； (6)可以盡量標(biāo)準(zhǔn)化。5.3.2 砂箱的尺寸砂箱的結(jié)構(gòu)如圖5.3圖5.3 砂箱的尺寸6 ProCAST軟件模擬ProCAST 軟件是由美國 UES（UNIVERSAL ENERGY SYSTEM） 公司開發(fā)的鑄造過程的模擬軟件采用基于有限元(FEM)的數(shù)值計(jì)算和綜合求解的方法,對(duì)鑄件充型、凝固和冷卻過程等提供模擬，提供了很多模塊和工程工具來滿足鑄造工業(yè)最富挑戰(zhàn)的需求?；趶?qiáng)大的有限元分析，它能夠預(yù)測(cè)嚴(yán)重畸變和殘余應(yīng)力，并能用于半固態(tài)成形，吹芯工藝，離心鑄造，消失模鑄造、連續(xù)鑄造等特殊工藝。6.1 ProCAST軟件模擬操作ProCAST模擬過程： 1）打開ProCAS

41、T軟件，打開所做的三維圖，三維圖可以有PROE和UG做保存為PRT和IGS格式； 2）為澆注系統(tǒng)添加虛擬砂箱：如圖6.1（砂箱大小可以調(diào)整）圖6.1 添加虛擬砂箱3）檢查所做文件的正確性，要檢查的有兩個(gè)相交面的數(shù)量，線段是否相交等，檢查錯(cuò)誤，可以改正，如圖6.2圖6.2 檢查錯(cuò)誤 4）劃分網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格分為2D劃分面和3D劃分體，如圖6.3圖6.3 2D網(wǎng)格劃分 5）檢查網(wǎng)格劃分的錯(cuò)誤并改正，因?yàn)榫W(wǎng)格劃分時(shí)可能有結(jié)構(gòu)上的錯(cuò)誤，如圖6.46.4 檢查網(wǎng)格劃分的錯(cuò)誤 6）3D網(wǎng)格劃分，也就是體劃分，劃分之后也要進(jìn)行檢查錯(cuò)誤并改正，如圖6.5和圖6.6： 圖6.5和圖6.6 3D網(wǎng)格劃分 7）重力方

42、向的設(shè)置，要保證鑄件能夠澆注進(jìn)去，如圖6.7：圖6.7 重力方向的設(shè)置 8）鑄件材料和砂型材料的設(shè)置，以及澆注溫度的設(shè)置，如圖6.8：圖6.8 澆注溫度的設(shè)置 9）熱交換系數(shù)的設(shè)置，如圖6.9圖6.9 熱交換系數(shù)的設(shè)置 10）澆注方向的設(shè)置，澆注方向必須和重力設(shè)置的方向一致，如圖6.106.10 澆注方向的設(shè)置 11）鑄造類型設(shè)置，本次為砂型鑄造也就是重力鑄造，如圖6.11圖6.11 鑄造類型的設(shè)置 12）點(diǎn)擊check的按鈕進(jìn)行最后檢查，如果完全正確，點(diǎn)擊run的按鈕然后進(jìn)行結(jié)果的運(yùn)算，進(jìn)行澆注模擬。 13）澆注過程模擬，如圖6.12,6.13和6.14分別是澆注開始時(shí)和澆注過程以及澆注完成

43、 圖6.12 澆注開始 圖6.13 澆注過程 圖6.14 澆注完成 14）冷卻過程的模擬，如圖6.15 圖6.15 冷卻過程6.2 溫度場(chǎng)分布由ProCAST軟件模擬出的溫度場(chǎng)的分析如圖6.16和6.17 圖6.16 溫度場(chǎng)的分布6.17 溫度場(chǎng)的分布由圖6.16和6.17可知，本次設(shè)計(jì)的底板主要在加強(qiáng)筋交叉的位置冷卻下來的溫度比較高，是個(gè)熱節(jié)處，因此可以采取在熱節(jié)處噴涂冷卻材料來降低此處的凝固溫度，使得鑄件凝固均勻，降低鑄造缺陷的產(chǎn)生。7 鑄件缺陷分析與解決方案7.1 ProCAST缺陷模擬結(jié)果 ProCAST的缺陷模擬結(jié)果如圖7.1，可能出現(xiàn)缺陷的位置用紅色的圈圈標(biāo)出圖7.1 缺陷可能出現(xiàn)

44、的位置7.2 缺陷產(chǎn)生的原因及處理方法鑄件缺陷是鑄造生產(chǎn)中，由于鑄件本身或者操作的原因，在鑄件表面或者內(nèi)部產(chǎn)生的各種缺陷的總稱，本次設(shè)計(jì)可能出現(xiàn)的缺陷是：縮松和縮孔、氣孔和金屬以及非金屬夾雜物兩種。1）.縮松和縮孔鑄件在凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮，往往在鑄件最后的凝固位出現(xiàn)孔洞。容積大而且集中的孔洞稱為集中縮孔，或者簡(jiǎn)稱為縮孔；細(xì)小而且分散的孔洞稱為分散性縮孔，簡(jiǎn)稱為縮孔。影響縮孔和縮松的因素：（1）合金的收縮特性。合金的液態(tài)收縮系數(shù)越大，凝固收縮率也越大，縮孔和縮孔的容積也就越大，合金的固態(tài)收縮系數(shù)越大，縮孔和縮松的容積越小。 （2）澆注溫度和澆注速度。澆注溫度越大，合金的液態(tài)

45、收縮也就越大，縮孔和縮松的容積也就越大。 （3）鑄件的壁厚。鑄件壁厚越大，凝固時(shí)鑄件內(nèi)部的金屬溫度也就越高，液態(tài)收縮也就越大，縮孔和縮松也就越大。 防止縮松和縮孔的措施： （1）控制凝固方式，盡量保證順序凝固或者是同時(shí)凝固。順序凝固是保證鑄件和冒口有一個(gè)梯度的凝固順序，可以獲得致密的鑄件；同時(shí)凝固是采取工藝措施來使鑄件達(dá)到同時(shí)凝固，可以縮短澆注時(shí)間。 （2）采取合理的鑄造工藝措施。 A）澆注溫度和澆注速度 澆注溫度和澆注速度的調(diào)整，可以使鑄件達(dá)到順序凝固或者是同時(shí)凝固，采用高的澆注溫度，可以增加鑄件的縱向溫差，有利于鑄件的順序凝固；通過設(shè)置多個(gè)內(nèi)澆道來低溫快速澆注，有利于鑄件同時(shí)凝固。B）冒口

46、和補(bǔ)貼以及冷鐵的使用冒口和補(bǔ)貼以及冷鐵是減少縮松和縮孔的有效措施，前面的章節(jié)已經(jīng)介紹過了。C)加壓補(bǔ)縮加壓補(bǔ)縮主要是防止微小的縮孔的產(chǎn)生。2）氣孔和金屬及非金屬夾雜物鑄件中的氣體可能來自熔煉過程中、來自澆注過程中以及鑄型中。因此，要使用干凈、干燥的爐料，不許帶有水分和油脂鐵銹等；澆注要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行；最后可以進(jìn)行脫氣處理。非金屬夾雜物對(duì)鑄件的影響十分顯著，夾雜物對(duì)塑性、沖擊韌性的影響非常大，尤其對(duì)材料的疲勞強(qiáng)度影響更加嚴(yán)重。因此，必須采取合理的澆注工藝措施和澆冒口系統(tǒng)，保持金屬液在型腔中充型平穩(wěn)；正確選擇合金的材料和成分；嚴(yán)格控制鑄件中的含水量；對(duì)于高要求的鑄件可以在真空條件下進(jìn)行澆注。參考文獻(xiàn)1 黃乃瑜,萬仁芳.鑄造工藝裝備設(shè)計(jì)M.北京:電子工業(yè)出版社,2007.2 董選普,李繼強(qiáng)編.鑄造工藝學(xué)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.3 劉興國.鑄造過程質(zhì)量控制與檢驗(yàn)讀本M.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2005.4 李遠(yuǎn)才.鑄造造型材料實(shí)用手冊(cè)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.5 全國鑄造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)編.鑄造標(biāo)