铸造工艺方法确定

第一章铸造工艺方案确定

1．夹具的生产条件，结构，技术要求

●产品生产性质——大批量生产

●零件材质——35Cr

●夹具的零件图如图所示，夹具的外形轮廓尺寸为285mm*120mm*140mm，主要壁厚40mm，为一小型铸件；铸件除满足几何尺寸精度及材质方面的要求外，无其他特殊技术要求。零件图如下图所示：

2．夹具结构的铸造工艺性

零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降

低成本。审查、分析应考虑如下几个方面：

1.铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。

2.铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，

都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。

3.铸件内壁应薄于外壁铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻

内应力和防止裂纹。

4.壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。

5.利于补缩和实现顺序凝固。

6.防止铸件翘曲变形。

7.避免浇注位置上有水平的大平面结构。

3．造型，造芯方法的选择

支座的轮廓尺寸为285mm*140mm*120mm，铸件尺寸较小，属于中小型零件且要大批量生产。采用湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。因此，采用湿型粘土砂机器造型，模样采用金属模是合理的。

在造芯用料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料成本较低，但是烘干后容易产生裂纹，容易变形。在大批量生产的条件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及保证铸件质量。选择使用射芯工艺生产砂芯。

4．浇注位置的确定

铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量，铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。

确定浇注位置应注意以下原则：

1.铸件的重要部分应尽量置于下部

2.重要加工面应朝下或直立状态

3.使铸件的答平面朝下，避免夹砂结疤内缺陷

4.应保证铸件能充满

5.应有利于铸件的补缩

6.避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验

初步对支座对浇注位置的确定有：方案一如图，方案二图，方案三图，方案四图

图浇注系统方案一

图浇注系统方案二

图浇注系统方案三

图浇注系统方案四

5分型面的确定

分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。

而选择分型面时应注意一下原则：

1.应使铸件全部或大部分置于同一半型内

2.应尽量减少分型面的数目

3.分型面应尽量选用平面

4.便于下芯、合箱和检测

5.不使砂箱过高

6.受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度

7.注意减轻铸件清理和机械加工量

图分型面选择方案一

图分型面选择方案二

图分型面选择方案三

图分型面选择方案四

第三章铸造工艺参数及砂芯设计

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的极限尺寸之差。在两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械

加工，装配，和使用要求。

夹具为砂型铸造机器造型大批量生产，由《铸造工程师手册》查表6-25得：

支座的尺寸公差为CT8～12级，取CT9级。

支座的轮廓尺寸为285mm*140mm*120mm，由《铸造工艺设计》查表1-9得：

支座尺寸公差数值为。

铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：

ε=[（L1-L2）/L1]*100％

ε—铸造收缩率

L1—模样长度

L2—铸件长度

支座受阻收缩率由《铸造工程师手册》查表6-24得：

受阻收缩率为％

3.1.4起模斜度

为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。这个斜度，称为起模斜度。

起模斜度应在铸件上没有结构斜度的，垂直于分型面的表面上应用。

初步设计的起模斜度如下：

外型模的A面（如图所示）高52mm的起模斜度由《铸造工程师手册》查表6-39得：

粘土砂造型外表面起模斜度为а=0°30＇,a=

外型模的B面（如图所示）高100mm的起模斜度由《铸造工程师手册》6-39查表得：

粘土砂造型外表面起模斜度为а=0°25＇,a=

但是同一铸件要尽量选用同一起模斜度，以免加工金属模时频繁的更换刀具。所以选用同一起模斜度为а=0°

30＇,a=

3.1.5最小铸出孔和槽

零件上的孔、槽、台阶等，究竟是铸出来好还是靠机械加工出来好，这应该从品质及经济角度等方面考虑。一般来说，较大的孔、槽等应该铸出来，以便节约金属和加工工时，同时还可以避免铸件局部过厚所造成热节，提高铸件质量。较小的孔、槽或则铸件壁很厚则不易铸出孔，直接依靠加工反而方便。

根据夹具的轮廓尺寸285mm*140mm*120mm由《铸造工程师手册》查表6-45得：铸钢件最小铸出孔约为直径60mm。

大孔Φ72，考虑加工余量后直径为65mm，壁厚度为24mm。该孔直径比较大，高径比也不大，则应该铸出。

小孔Φ30，考虑加工余量后直径为24mm，小于最小铸出孔为60mm的要求，壁厚度为10mm。该孔直径较小，

高径比较大，不应该铸出，机械加工较为经济方便。

铸件重量公差

铸件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。

支座的公称重量约为11kg，尺寸公差为MT9级。

由《铸造工程师手册》查表8-4得：支座的重量公差为MT9级，查《手册》8-9得重量公差数值为10%。

3.1.9分型负数

干砂型、表面烘干型以及尺寸较大的湿砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接触面很不严。为了防止浇注时炮火，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳、泥条等，这样在分型面处明显增加了铸件

的尺寸。为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。

而支座是湿型且是小型铸件故不予考虑分型负数。

反变形量

铸造较大的平板类、床身类等铸件时，由于冷却速度的不均匀性，铸件冷却后常出现变形。为了解决挠曲变形问题，在制造模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，使其于变形量抵消，这样在模样上做出的预变形量称为反变形量。而支座没有较大平板故基本不会产生挠曲变形，所以不用设置反变形量。

非加工壁厚负余量

在手工粘土砂造型、制芯过程中，为了取出木模，要进行敲模，木模受潮时将发生膨胀，这些情况均会使型腔尺寸扩大，从而造成非加工壁厚的增加，使铸件尺寸和重量超过公差要求。为了保证铸件尺寸的准确性，凡形成非加工壁厚的木模或芯盒内的肋板厚度尺寸应该减少，即小于图样尺寸。为减少的厚度尺寸称为非加工壁厚的负余量。支座砂芯属于机器造芯，造型属于机器造型。故不用设置非加工壁厚负余量

3. 2砂芯设计

砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外型不能出砂的部分。砂型局部要求特殊性能的部分有时也用砂芯。

夹具砂芯的外型如图所示

3.2.1芯头的设计

砂芯主要靠芯头固定在砂型上。对于垂直芯头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。

根据实际设计量取计算砂芯高度： L=140mm

砂芯直径： D=65mm（考虑MRA）

芯头长度初步选取由《铸造工程师手册》查表6-56得：h=25～30mm 取h=30mm

大量生产中，等截面柱状砂芯，上下芯头可取相同高度，故上下芯头均取h=30mm。

芯头斜度选取由《铸造工程师手册》查表6-57得：上芯头а=10? ，a=6mm,下芯头а=5,a=3m

垂直芯头与芯座之间的间隙为S，查《铸造工程师手册》表6-58得取S=

3.2.3压环、防压环和集砂槽芯头结构

在湿型大批量生产中，为了加速下芯、合芯及保证铸件质量，在芯头的模样上常常做出压环、防压环和集砂

槽。

压环、防压环和集砂槽尺寸由《铸造工艺手册》查表1-43得：

e=2mm f=3mm r=2mm

3.2.4芯骨设计

为了保证砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不开裂、不变形、不被金属液冲击折断，生产中通常在砂芯

中埋置芯骨，以提高其刚度和强度。

因为砂芯尺寸较小，而且采用树脂砂，故砂芯强度较好，砂芯内不用放置芯骨。

3.2.5砂芯的排气

砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中的有机物要燃烧（氧化反应）放出气体，砂芯中的残余水分受热蒸发

放出气体，如果这些气体排不出型外，则要引起铸件产生气孔。可以采用通气针，通气模板，用蜡线，尼龙管，

手工开挖等方法进行排气。

3.2.6砂芯负数

大型粘土砂芯在春砂过程中砂芯向四周涨开，刷涂料以及在烘干过程中发生的变形，使砂芯四周尺寸增大。

为了保证铸件尺寸准确，将芯盒的长、宽尺寸减去一定量，这个被减去的量叫做砂芯负数。

因为砂芯负数只用于大型粘土砂芯，本设计中的砂芯为小型砂芯不设计砂芯负数。

第四章浇注系统及冒口、冷铁、出气孔等设计

浇注系统的设计

浇注系统是铸型中引导液体金属进入型腔的通道，它由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道组成。

4.1.1选择浇注系统类型

1．封闭式浇注系统：

?指从浇口杯底孔到内浇道的截面积逐渐缩小，阻流基元为内浇道的浇注系统。

?这种浇注系统充满得快、挡渣能力好，金属液在浇道中不容易带入空气和氧化，金属消耗少、清理方便。

?缺点：金属液进入型腔的线速度高，易冲坏铸型，易使金属液产生喷溅，氧化和卷入气体。

?主要适用于不易氧化的各种铸铁件，不适用于易氧化的非铁合金铸件和用柱塞包浇注的铸钢件。

2.开放式浇注系统：

?从浇口杯底孔到内浇道的截面积逐渐增大，阻流截面位于浇口杯底孔或直浇道上口。

?优点：进入型腔时金属液流速度小，充型平稳、冲刷力小、金属氧化少。

?缺点：挡渣效果不好，内浇道大，消耗的金属液多。

?适用于易氧化的非铁合金铸件，球墨铸铁件和用柱塞包浇注的中、大型铸钢件。

以上两种均不适合本设计小型铸钢件大批量生产的特点，故不选用。

针对本设计，查铸造工程师手册的：大批量生产小型铸钢件时，常采用转包浇注，多采用可充满式浇注系统，既加强当渣能力，又能减轻喷射，常采用的浇注系统截面积之比为A内

:A横:A直=：（）：（）

4.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向

夹具外轮廓尺寸为285mm*120mm*140mm,查《铸造工艺装备设计手册》表5-7得：选择沙箱尺寸

A*B*H=350mm*250mm*200mm ,根据最小吃沙量选择铸造时采取一箱一件，。为了方便造型，内浇道开设在分型面上。因为铸件采用底座朝上且铸件全部位于下箱的方式进行铸造，这样铸件凝固顺序为由下至上凝固，这样有利于支座的重要部分先凝固并得到补缩，如此内浇道则设置在底部侧面引入金属液。

4.1.3决定直浇道的位置和高度

实践证明，直浇道过低使充型及液态补缩压力不足，容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到上表面缩凹等缺陷。初步设计直浇道高度等于上沙箱高度200mm。但应检验该高度是否足够。

检验依据为，剩余压力头应满足压力角的要求，如下式所列：

H M≥Ltgа

式中 H M——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

а——压力角

由《铸造工程师手册》查表6-79得：取а=4

Ltgа=2600*tg4≈180mm

因为铸件全部位于下箱，所以剩余压力头H M等于上箱高度200mm

经过验证剩余压力头满足压力角的要求。

4.1.4计算浇注时间并核算金属上升速度

根据铸件图计算单个铸件的体积V=

取铸钢件密度为 dm3

一箱一件质量为m=

考虑机械加工余量按8%计算m=

考虑浇口冒口占铸件比例20%-40%，取40% m=

夹具大批量生产的工艺出品率约为85%，可估计铸型中铁水总重量G

G=85%≈

铸件相对密度K v=G/V=v= kg/ dm3

查《铸造工程师手册》查表6-98得，取C=，K= kg/

初步计算浇注时间由《铸造实用手册》查表得：

T=C√G=*√≈

计算铁水液面上升速度 v=L/T=140/=s

查《铸造工程师手册》查表6-94得,一般铸钢铁水的最小上升速度v=15mm/s,但是也不应超过30mm/s,所以系数C要进行修正。取C= 得浇注时间T=，铁水上升速度为s,满足要求。

4.1.5计算阻流截面积

内浇到总断面积A可按下面的公式计算

A内=Q/KTL

Q—浇入铸型内钢液总质量（kg），K—浇注比速，L—流动性修正系数，碳钢为，T—浇注时间（S）

A内=Q/KTL=**=4cm2

4.1.7计算内浇道截面积

内浇道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

浇道对铸件有一定补缩作用。

取内浇口设计为四个，因此S内=4cm2/4=，查《铸造工程师手册》表6-100得，内浇道尺寸为：a=23mm,b=21mm,h=

内浇道形状取梯形断面形状如图所示

4.1.8计算横浇道截面积

横浇道的功用是向内浇道分配洁净的金属液，储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣滓，使金属

液流平稳和减少产生氧化夹杂物。

由于设计横浇口有两个，因此S横=4*（）= cm2取

查《铸造工程师手册》表6-100得:a=28mm,b=23mm,h=14mm

横浇道形状取梯形断面形状如图所示

4.1.9计算直浇道截面积

直浇道的功用是从浇口杯引导金属液向下，进入横浇道、内浇道或直接进入型腔。并提供足够的压力头，使

金属液在重力作用下能克服各种流动阻力充型。

由于设计直浇口有一个，因此S直=4*（）=取

查《铸造工程师手册》表6-100得：直浇道截面直径为24mm.

为了方便取模直浇道做成上小下大的倒圆锥形，（通常锥度取1/50）。

因此直浇道上端是直径约为：

D1=24-（1/50）*150=21mm.直浇道形状取圆形截面形状如图所示

浇口窝的设计

浇口窝对于来自直浇道的金属有缓冲作用，能缩短直——横浇道拐弯处的紊流区，改善横浇道内的压力分布，

并能浮出金属液中的气泡。

浇口窝直径为直浇道下端直径两倍，因此D=2*24=48mm

浇口窝高度为横浇道高度两倍，因此h=2*14=28mm

浇口窝底部放置耐火砖防止充型。

浇口杯的设计

浇口杯是用来承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注，并可以减轻金属液对型腔的冲击，

还可分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔。

浇口杯断面大小由《铸造工艺基本知识》查表1-51得：

D1=62mm, D2=58mm, H=46mm，铁液容量

浇口杯选用普通漏斗形浇口杯，其断面形状如图所示

冒口的设计

冒口是铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。

确定冒口位置的一般原则

①冒口应放在铸件最后被补缩部位的上部或热节附近。

②冒口应尽量放在铸件最高最厚的地方，以便利用金属液的自重进行补缩。对低处的热节，增设补贴或使用

冷铁，实现顺序凝固。

③冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防组织粗大，减低铸件强度。

④对铸件不同高度处的热节进行补缩

时，可分别安放冒口。但应采用冷铁

把各个冒口的补缩范围隔开，以防止

上部冒口对下部冒口进行补缩而使铸

件高处产生缩孔或缩松。

⑤冒口应尽可能不阻碍铸件的收缩，

不安放在铸件的应力集中处，以免

引起裂纹。

⑥冒口的设置应便于清除和随后的

机械加工。

冒口设计：采用模数法设计冒口

模数M=V/A

其中V为铸件的体积，A为铸件的传热表面积

经过计算V= A=

M=

查《铸造工程师手册》，一般取M:M N:M R=1:: ,即就是铸件被补缩部分：冒口颈：冒口的模数之比为1::，所

以M R=*=

查《铸造工程师手册》表6-134得，取标准形明冒口类型I d=h=100mm

冷铁的设计

为了增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块称为冷铁。

冷铁作用：

(1)在冒口难以补缩的部位防止缩孔、缩松。

(2)划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口的补缩距离，提高冒口的补缩效率。

(3)加速壁厚交叉部位及急剧变化部位的凝固，避免产生热裂纹。

(4)改善铸件局部的金相组织和力学性能。如细化基体组织，提高铸件的力学性能外冷铁材料的选择

?可以制作冷铁的材料很多，凡是比铸型材料的热导率、蓄热系数大的金属和非金属材料均可选用。生产中常用的冷铁材料有钢、铸铁、铜合金、铝合金和石墨、镁砂、碳素砂、铬镁砂等。

?铸铁、钢冷铁应用广泛，蓄热能力大，可吸收较多的热量，有较强的激冷能力，且制作方便、成本低廉。

广泛用于各种合金铸件的生产中。本设计选用铸铁外冷铁。

出气孔的设计

出气孔用于排出型腔内的气体，改善金属液充填能力、排除先冲到型腔中的过冷金属液与浮渣，还可作为观

察金属液充满型腔的标志。出气孔设置位置详见工艺图。

防止出气孔过大导致铸件形成热节，以至产生缩孔，出气孔根部直径，不应大于设置处铸件壁厚的倍。即出

气孔直径应小于12mm*24mm)。

防止出气孔过小导致型内气压过份增大，出气孔根部总截面接应大于内浇口总截面积4cm2。

因此设计出气孔根部直径为12mm，一箱设计共4个出气孔。为方便取模采用上小下大的锥形，斜度为起模

斜度а=1°10＇

出气孔总截面积为*（2）2*4=

第五章铸造工艺装备设计

铸造工艺装备是造型、造芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。

模样的设计

5.1.1模样材料的选用

模样是造型工艺过程必须的工艺装备，用来形成铸型的型腔，因此直接关系着铸件的形状和尺寸精确度。支座为大批量生产，所以用金属模样，该金属模样的材料选用如下：

模样：铝合金（质轻、不生锈，加工性能好，加工后表面光滑，并有一定的耐磨性，但耐磨性较差）

出气针、气孔针：45号钢

5.1.2金属模样尺寸的确定

模样尺寸＝铸件尺寸 （1＋K），（模样尺寸精确到小数点后两位）

注：K 铸件线收缩率

支座的收缩率K=%

5.1.4金属模样的技术要求

模样的尺寸精度、表面光洁度是影响铸件质量的一个重要因素，因此对其表面光洁度和尺寸偏差应严格控制。由《铸造实用手册》查表－5得：

模样表面的粗糙度为，模样与模板接触面的粗糙度为。

5.1.5金属模样的生产方法

为增加材料浇注后的致密度，现将材料制作成与该模样形状类似的腔体，然后进行热处理，以增加其硬度，增加抗磨损能力，然后在用机器按模样的尺寸加工成模样的形状。

模板的设计

模板也称型板，是由摸底板和模样、浇冒口系统及定位销等装配而成。模底板用来连接与支承模样、浇冒系统、定位销等。本设计采用单面模底板，其工作面是平面。