毕业设计 设计题目 球铁钩型连杆铸造工艺 和模具设计
合肥工业大学2011届学生毕业设计
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中文摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 英文摘要„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 引言
1.1 球墨铸铁的历史 1.2 球墨铸铁的性能和发展情况 1.3 球墨铸铁生产的新工艺 1.4 课题产生背景 2 铸件结构的铸造工艺性„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3 砂型铸造工艺方案的确定„„„„„„„„„„„„„„„„
3.1 造型方法及型(芯）种类 „„„„„„„„„„„„„„ 3.2 铸件分型面浇注位置的选择„„„„„„„„„„„„„„
3.3 造型的吃砂量及砂箱尺寸„„„„„„„„„„„ 4 铸造工艺参数的确定„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.1 铸件尺寸公差„„„„„„„„„„„„„„ 4.2 铸件重量公差„„„„„„„„„„„„„„ 4.3 机械加工余量„„„„„„„„„„„„„„ 4.4 铸造线收缩率„„„„„„„„„„„„„„„
4.5 起模斜度„„„„„„„„„„„„„ 4.6 最小铸出孔和槽„„„„„„„„„„„„„ 5 浇注系统的设计„„„„„„„„„„
5.1 球墨铸铁浇注系统特点„„„„„„„„
5.2 该球墨铸铁件浇注系统尺寸的计算„„„„„„
5.3 冒口与的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6 冷铁的设计(备用)„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7 出气孔的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8 砂芯及芯头的设计„„„„„„„„„„„„„„„„ 9 工艺方案的模拟优化„„„„„„„„„ 10 铸造工艺装备设计 10.1 模底板 10.2 模样
结 论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
附 图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„
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球墨铸铁钩型连杆铸造工艺和模具设计
摘要:首先，根据提供的零件图获取零件的技术要求、材料组成、结构特点、生产条
件、生产批量以及性能要求。然后，对零件结构的铸造工艺性进行分析，找出可能存在的结构问题并提出改进措施或预防缺陷的措施；根据零件结构特点、技术要求、生产批量、生产条件选择铸造和造型方法；由零件的结构特点，提出多种浇注和分型方案，综合对比分析，选择最为理想的浇注位置及分型面。再次,根据铸造工艺方案和零件的特点，选用适宜的工艺参数，设计铸件的补缩系统、浇注系统并绘制出铸造工艺图。根据二维铸造工艺图UG绘制三维模型，用PROCAST软件进行模拟，并适当改动参数直到没有明显缺陷后。根据铸造工艺设计模板和砂箱等铸造工艺装备，绘制铸造工艺图、模板图和合箱图。
关键词：球墨铸铁；浇注工艺；浇注系统；模具设计；模拟
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Casting Process and Mould Design of the Hook-type Nodular Graphite Cast Iron
Connecting Rod
Abstract: First of all, I got clear to the technical conditions，the material composition，the
structure characteristics, the production condition, the production, and performance requirements of the piece by reading the provided part chart . Following that, I identified possible structural problems and proposed measures to improve the structure of the piece or the prevention of defective by analyzing the casting process performance of the piece and chose the best methods of casting and modeling the best pouring position and parting surface comprehensively and comparatively. Moreover, I selected the appropriate technical parameters such as shrinkage, draft and shake allowance, designed pouring system which consist of pouring basin, sprue, runner and gate. After that, protract the three-dimensional mould and imitated the casting processes with the software PROCAST. Finally, I designed the foundry process equipments including the templates and flask, plotted drawings of the sand mould and template.
Keywords: Casting Process; casting system; Nodular Graphite Cast Iron;
Mould Design; Imitation
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1 引言
球墨铸铁是指用球化剂和孕育剂处理铁液后，石墨呈球状的铸铁。
1.1 球墨铸铁历史
在河南巩县铁生沟西汉中、晚期的冶铁遗址中出土的铁镬，经过金相检验，具有放射状的球状石墨，球化率相当于现代标准一级水平。而现代的球墨铸铁则是迟至1947年才在国外研制成功的。我国古代的铸铁，在一个相当长的时期里含硅量都
偏低，也就是说，在约2000年前的西汉时期，我国铁器中的球状石墨，就己由低硅 的生铁铸件经柔化退火的方法得到。这是我国古代铸铁技术的重大成就，也是世界冶金史上的奇迹。
国际冶金行业过去一直认为球墨铸铁是英国人于1947年发明的。西方某学者甚至声称，没有现代科技手段，发明球墨铸铁是不可想象的。1981年，我国球铁专家采用现代科学手段，对出土的513件古汉魏铁器进行研究，通过大量的数据断定汉代我国就出现了球状石墨铸铁。有关论文在第18届世界科技史大会上宣读，轰动了国际铸造界和科技史界。国际冶金史专家于1987年对此进行验证后认为:古代中国已经摸索到了用铸铁柔化术制造球墨铸铁的规律，这对世界冶金史作重新分期划代具有重要意义。
1947年英国H.Morrogh发现，在过共晶灰口铸铁中附加饰，使其含量在0.04wt%以上时，石墨呈球状。1948年美国 A.P.Ganganebin等人研究指出，在铸铁中添加镁，随后用硅铁孕育，当残余镁量大于0.04wt%时，得到球状石墨。从此以后，球墨铸铁开始了大规模工业生产。
球墨铸铁作为新型工程材料的发展速度是令人惊异的。1949年世界球墨铸铁产量只有5万吨，1960年为53.5万吨，1970年增长到500万吨，1980年为760万吨，1990年达到9巧万吨。2000年达到1500万吨。球墨铸铁的生产发展速度在工业发达国家特别快。世界球墨铸铁产量的75%是由美国、日本、德国、意大利、英国、法国六国生产的。
我国球墨铸铁生产起步很早，1950年就研制成功并投入生产，至今我国球墨铸铁年产量达230万吨，位于美国、日本之后，居世界第三位。适合我国国情的稀土镁球化剂的研制成功，铸态球墨铸铁以及奥氏体一贝氏体球墨铸铁等各个领域的生
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产技术和研究工作均达到了很高的技术水平。
1.2 球墨铸铁的性能和发展情况
1.2.1球墨铸铁的力学性能在强度和塑性方面均具有优越性。
(l)与灰铸铁相比，灰铸铁的力学性能仅以抗拉强度作为性能指标;并且，其最高牌号的抗拉强度只有300M以;而球墨铸铁的最低抗拉强度要求的最低值是400MPA，并且还具有10%以上的断后伸长率。
(2)与可锻铸铁相比，无论是黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁还是白心可锻铸铁，虽然他们具有塑性指标，但他们的综合力学性能不如球墨铸铁，并且他们只限于生产壁厚在10mm以下，重量不得超过几十公斤的铸件。
(3)与铸钢和结构钢相比，虽然他们的断后伸长率和冲击韧度很高(这是球墨铸铁所不及的)，但是他们的屈服点却比球墨铸铁的要低，由此表明，材料利用率要要比球墨铸铁差。球墨铸铁属共晶成分的铸造合金，因此它的铸造性能优良，在使用性能和价格比方面均占有优势。
基于以上的优点，球墨铸铁仍在迅速发展，它在全世界的年产量仍以每年3%~5%的速率递增。在全世界范围里，球墨铸铁在各个领域中应用分配百分数为:铸管及其管件占40%一50%，汽车铸件占20%一35%，其他部门占15%一30%。因国情不同，世界各国的球墨铸铁在各个领域应用分配百分数有所不同;另外，因年代不同，在同一个国家球墨铸铁在各个领域中应用分配百分数也会有较大的变化。
球墨铸铁迅速发展的原因可以归结为:(l)可在相当宽广的范围里，满足设计对材质的要求。(2)与相同水平的材质相比，球墨铸铁的价格低廉，例如:汽车曲轴用球墨铸铁的制作代替锻钢件，生产成本减少50%。(3)生产技术不断进步与完善，这表现在:一、熔炼技术的改善;二、脱硫、球化和孕育处理技术的开发和改进;三、新的铸造方法与技术的应用;四、质量控制体系的完善。总之，由于出现了球墨铸铁，使机械零件和铸件本身的质量有了很大的改善提高，从而球墨铸铁的产量也就迅速增加。可以这么说，球墨铸铁占铸件年产量的比例，特别是它与灰铸铁的比例，从一个侧面，标志着一个国家的工业发展水平。
1.2.2 球铁件的应用
目前薄壁铸态铁素体球铁、铸态珠光体球铁、厚大断面球铁、等温淬火球墨铸铁得到了广泛的应用。
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(1)薄壁铸态铁素体球铁
薄壁铁素体球铁在轿车保安件等有广泛用途，如转向节、前后臂等，铸件壁厚一般在10mm左右，该类铸件的凝固特点是，冷却速度快，白口倾向大，铁水容易按介稳定系结晶形成晶间碳化物和珠光体的共析组织。东风汽车公司为广州本田、神龙公司生产的薄壁球铁(汽车保安铸件)的化学成分、金相组织和力学性能指标为：C3.40~3.80%,Si2.3~3.0%,Mn≤0.2%,P≤0.03%,S≤0.02%；球化率≥95%，铁素体含量≥75%，渗碳体≤2%；力学性能：σb>420MPa,,δ>12%,αk>12,HB156-197。近年来，东风汽车公司在铸态薄壁球铁的开发方面进行了大量的工作，已能生产壁厚3mm、重0.3kg的铸态高韧性球铁。山东省机械设计研究院与山东诸城石龙阀门有限公司联合，采用含Si2.4-2.8%，Mn≤0.2%的低P、低S铁水，通过适当球化和孕育处理，铸态获得QT400-18球铁，生产回流器组合件，球化率≥90%，铁素体含量≥90%薄壁铁素体球铁铸件一般形状复杂，冷却速度快，石墨化能力差，缩孔缩松倾向大，是生产中的难题。研究表明，除了一般球铁所应有的凝固特性外，薄壁球铁还呈现下述特点：①由于壁厚不大冷却速度较快，石墨化不充分或容易生成游离碳化物(或反白口)，使合金总体积收缩倾向增大。张博认为中小型球铁铸件模数M＜t/2=2.5cm时(t为铸件主要壁厚)，收缩值比根据平衡状态计算的要大，铸件石墨化所带来的膨胀总量不能抵偿总收缩量，因而也无法采用无冒口铸造技术。②奥氏体枝晶发达：对球铁组织的最新研究结果发现，球铁凝固生长过程中存在发达的离异奥氏体枝晶，且随着铸件壁厚减小，离异枝晶愈发达，加之小型球铁铸件形状较为复杂，使液态金属补缩通道更为不畅通，因此小型球铁铸件缩孔缩松缺陷出现的几率大，而且难于控制。就铸件生产过程而言，解决缩孔缩松缺陷要从冶金因素和铸型工艺因素综合治理。
(2)铸态珠光体球铁
珠光体球铁具有较高的强度、硬度和良好的韧性，在机械制造业中用途广泛。制备铸态珠光体球铁可通过加入合金化元素在铸态下直接获得珠光体球铁。铜作为一种添加元素能有效稳定珠光体而又不促进碳化物是较好的铸铁生产工艺，早在上世纪80年代东汽公司铸造一厂就已成功应用，生产了6缸、150匹马力发动机的球铁曲轴，球铁性能达到QT600-3水平。上海圣德曼生产的桑塔拉轿车曲轴也采用了Cu合金化。另外，朱先勇等采用0.5%Cu+0.02%Sb复合合金化，生产了σb800MPa、δ3-5%、HB280-350的珠光体球铁。采用复合孕育剂替代合金化也是生产铸态球铁的
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好办法。近年来不少厂采用华中科技大学开发的SPI孕育剂生产铸态珠光体球铁取得良好效果。该孕育剂兼有孕育和微合金化两种功能，结合低稀土镁球化剂和随流孕育技术，实现基体的珠光体化，同时改善了石墨圆整度，铸态性能可达到QT700-2水平。郭振廷等选用低稀土球化剂，使用盖包法球化处理工艺；采用含Sb和含Ba的孕育剂复合孕育处理，研制出了一种高强韧球铁,其抗拉强度和伸长率分别超过700 MPa和5%。江铃铸造厂使用含Sb球化剂(5-6%Mg,2-3%RE,0.65-1.23%Sb,加入量：1.3-1.4%)，铁型覆砂生产了QT800-2球铁四缸曲轴。壳型铸造也是生产铸态珠光体球铁的好方法，朱先勇[14]等采用0.6%Cu和0.4%Mn配合可使球铁性能达到QT600-3水平，试验结果还表明，壳型填丸工艺有利于提高石墨球数，增加石墨圆整度和基体组织中的珠光体含量，降低缩孔缩松倾向，改善球铁性能，而且壳型填丸工艺能提高球铁加工表面精度。
(3)厚大断面球铁
随着重型机械工业和核电工业的发展，推动了厚大断面球铁的研究与应用。围绕厚大断面球铁的凝固特性、破碎石墨的形成机制及防止措施、以及现场生产控制进行了大量的研究工作。早在上世纪80年代，武汉重型机床厂就已生产出Wo29箱体球铁铸件，铸件尺寸2880mm×2370mm×3200mm，铸件重量28吨，壁厚200mm。4齐齐哈尔第一机床厂于1984年在我国首次生产了大型球铁端盖，铸件尺寸φ4400×1860，铸件重量37吨，最大壁厚300mm，成为国内生产的最大厚大断面球铁铸件，此后该厂还成功生产出核燃料容器，重20吨，壁厚330 mm。厚大断面球铁铸件由于冷却速度缓慢，凝固时间长，则铸件中常出现石墨球数减少，石墨球径粗大，球化衰退，石墨畸变，石墨漂浮，元素偏析及晶间碳化物等一系列缺陷。球化衰退主要是由于球化良好的铁液，在液态下保持时间过长，因氧化等原因，使铁液中球化元素的残留量低于石墨化所需的球化元素残留量的临界值时而产生的球化级别下降的现象。而石墨畸变通常是指厚大断面球铁中，由于冷却速度缓慢，共晶凝固时间过长而使铁液中发生了石墨的变形。关于石墨畸变而出现的碎块状石墨的形成原因有两种说法。一种是球状石墨破碎引起的；另一种是由于热流、某些合金元素等因素破坏了奥氏体外壳的稳定性，致使奥氏体破碎而改变了石墨的生长方式而形成。由此可见，碎块状石墨的出现，通常都是在厚大断面铸件凝固速度缓慢的条件下产生的。目前，大断面球墨铸铁生产技术在国外已逐步成熟并为人们所掌握，典型的例子如西德Siemplkamp公司生产的压力机机架，铸件重量160吨，最大壁厚630mm，
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铸件尺寸11300mm×3300mm×3000mm，是当前世界最大的球墨铸铁件。能够反映大断面球墨铸铁生产技术最高水平的是乏燃料容器的生产(核燃料罐)，该类铸件除了要满足球墨铸铁的基本力学性能外，还须通过9m落下破坏实验和850℃火燃试验，在韧性和低温性能方面要求也很高。前西德Thyssen公司生产的TN1300型乏燃料容器，铸件直径Ф2500×5967，铸件重量115吨，壁厚400mm，其本体取样试块σb≧300Mpa，低温冲击(－40℃)≧12J/cm2。法国Thystem公司生产的TN1300型乏燃料容器，115吨，壁厚500mm，日本1998年也生产了该类容器，重100吨，壁厚425mm，都获得成功。因此我国的大断面球墨铸铁生产还有极大的潜力。
1.3 球墨铸铁生产的新工艺
1.3.1 水平连铸球铁型材
将化学和温度符合要求的铸铁液倒入保温炉内，铁液流入安装在保温炉侧下部的结晶器中，铁液被激冷，并形成一定强度的凝固外壳。开动牵引机，将已凝固的外壳向前牵引一步(以保证外壳不破断，铁液不漏出为准)。炉内铁液在自重的作用下，不断地补充入结晶器内并被激冷。如此反复操作制成铸铁型材。经切割压断形成不同规格的产品。
连铸铸铁型材的特点：采用封闭式结晶器，真正实现了铁渣分离，铁液不会接触砂了，使保温炉下部的纯净铁液进入结晶器，故型材不易出现砂型生产铸件常有的夹渣砂孔气孔等铸造缺陷。结晶器内的铁液是在较高的静压力下凝固的，亦不易产生缩孔缩松等缺陷。由于铁液是在水冷结晶器中冷却凝固的，冷却速度高，铁液形核能力强，故型材的石墨细小，组织致密、机械性能高。西安理工大学、沈阳铸造所等单位近年来引进和研制了十几条铸铁水平连铸生产线，年产能力2万吨，其中30%为球铁，已用于制造提速列车轴套、小型齿轮、高压液压泵阀等重要零件。
1.3.2 球铁的负压消失模铸造
消失模铸造技术以生产的铸件表面光洁度及尺寸精度高、生产劳动条件好、生产成本低等一系列优点，于20世纪后十年在我国得到快速发展。一些企业或通过技术引进或与国内科研机构合作开发，建立了一批不同生产水平的消失模生产线或较简易的生产装置。将负压密封造型与消失模铸造工艺结合起来形成的负压EPC法，由于在负压状态下浇注凝固，因铸型紧实度高，冷却快，亦适合球铁生产。采用消失模铸造工艺生产球铁铸件，铸件尺寸精度高，表面光洁度好，废品率低，具有较
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好的经济效益。目前我国已有一些工厂采用此工艺生产球铁异形管件、阀体、汽车差速器壳等球铁铸件。
1.3.3球铁的金属型覆砂铸造
金属型覆砂铸造兼有金属型和壳型铸造的特点，因此特别适合于球铁。近年来通过浙江省机电院的不懈研究和推广，已经成为具有我国特色的球铁特种铸造工艺。全国约有数十家企业采用，生产的铸件有30多种，年产铸件约10万吨。主要铸件是曲轴，占80%左右，可铸造单、三、四、六缸曲轴。此外，还可生产阀、缸套、齿盘等球铁铸件。
1.3.4球铁的熔模铸造
熔模精密铸造具有尺寸精度高，表面光洁度好，可生产形状复杂、超薄壁铸件的特点，因而成为球铁件生产的一种重要手段，自上世纪六十年代开发应用以来，精铸球铁工艺在国外得到了迅速发展，最近几年在我国也有大量发展，其产量和产品种类、复杂程度都有大幅度增加。
1.4课题产生背景
本课题来自于“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛，本届大赛由中国机械工程学会及其铸造分会、铸造行业生产力促进中心、中国机械工业教育协会和教育部高等学校机械学科教学指导委员会等单位联合主办，由中国机械工程学会铸造分会承办。此次大赛旨在提升学生对专业知识的运用能力和创新思维能力。
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2 铸件结构的铸造工艺性
铸件本身的结构除应满足机器本身使用性能和机械加工要求外，还应符合铸造工艺的要求。这种对于铸造而言的铸件结构的合理性，称为铸件结构的铸造工艺性。
图1.1零件三维图
下面结合该零件（钩型连杆），分析其工艺性：
1）有合适的铸件壁厚：对于球墨铸铁而言，当铸件轮廓尺寸介于400～800，砂型铸造是铸件最小允许壁厚为8～10。而钩型连杆的最小壁厚为22.5，所以在这一点上，能够防止浇不到、冷隔等缺陷。另外，铸件不应设计得太厚，各种合金铸件的临界壁厚可按最小壁厚的三倍来考虑，超过临界壁厚的铸件中心部分晶粒粗大，常出现缩孔、缩松等缺陷，导致力学性能降低，而钩型连杆的壁厚未超过临界壁厚24～30，所以说其壁厚合适。
2）零件多枝杈结构，铸件成型时的收缩会受到一定的阻碍，但是在铸件上，三个凸台与平板的相接采用了较大的圆角，所以铸件收缩时阻力较小，不会出现热裂缺陷。 3）利于自补缩：铸件除两边的片状体外，其他部分模数均达到25mm以上，而圆环
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耳可以可以下放在下边，通过重力作用在凝固早期形成补缩。
4）零件的结构特点局限了零件造型方案的选择，进而局限了浇注位置的选择。由于砂芯的数目较多，浇注位置上有大平面结构，可能会对铸件的质量有影响。零件上的所有螺孔及板状体端面的浅槽，由于尺寸较小且需要加工，不易铸出，由机加工成形。
5) 零件重要的部分是中间的三个凸耳，它们不但壁较薄，而且存在机械加工面，在设计铸造工艺时，应重点分析考虑
总体来说，钩型连杆的铸造工艺性较好，只要工艺方案设计合理，就能获得好的铸件质量。
3 砂型铸造工艺方案的确定
砂型铸造工艺方案通常包括铸件浇注位置的确定，砂型分型面的确定，造型的吃砂量及铸件在砂箱中的布置等。
3.1 造型方法及型(芯）种类
铸造生产中，砂型铸造应用最为广泛。砂型铸造生产率高、成本低、灵活性大、技术相对成熟，世界上用砂型铸造生产的铸件，占铸件总产量的80%以上。
在砂型铸造中，造型和制芯是最基本的关键工艺。造型和制芯方法选择得是否合理至关重要。本次设计采用合成树脂砂，在大量流水线或大批量生产的铸造车间，用树脂砂制型（芯），配合高压、挤压、冲击、静压等高密度造型工艺，为大量薄壁、光洁、加工余量小的复杂铸件创造了条件。
3.2 铸件浇注位置及分型面的确定
浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。正确的浇注位置应能保证获得健全的铸件，并使造造型、制芯和清理方便。砂型分型面确定的是否合理，对于能否简化铸造工艺、提高生产效率、降低成本、提高铸件质量等都有直接关系。本零件的浇注位置及分型面有下列几个方案。 3.2.1方案一，如图
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图3.1 分型方案一
铸件出于对称状态，故浇注位置不管哪一半朝上对铸件质量来讲都是相同的。 优点：1、 能够很好地利用重力作用进行自补缩，减少缩孔和缩松的可能性。
缺点：1. 砂箱较高，不利于造型
2. 砂型上下高度差距大，浇注时容易产生冲击 3.2.2 方案二，如图
图3.2 分型方案二
优点：1. 铸件大部分在下箱，使上砂箱高度减小。
2.大平面和重要加工面都在呈垂直状态，有利于形成较好的表面质量。 缺点：1. 砂型上下高度差距大，浇注时容易产生冲击
2. 上部带有凸台部位较薄，充型较困难 3.2.3 方案三，如图
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图3.3 分型方案三
优点：1. 铸件大部分在下箱，使上砂箱高度减小。
2.大平面和重要加工面都在呈垂直状态，有利于形成较好的表面质量。 3.薄壁凸耳下箱，有利于充型
3.3 造型的吃砂量及砂箱尺寸
对于该零件的造型，我们采用一箱单件造型，同时合理的考虑模样与砂箱壁、箱顶和箱带之间的吃砂量是否合理。若吃砂量太小，砂型紧实困难，易引起涨砂、包砂、跑火等缺陷；若吃砂量太大，既不经济又不合理。
按铸件重量（kg）确定吃砂量（在UG中，由铸件的三维造型，得其铸件体积3.78*107mm3，因此铸件重量Gc=276kg，工艺出品率为0.8，铁液重量
Gl=Gc/0.8=345kg。再由铸件在三个方向上的总体尺寸可得砂箱尺寸为910*990*540。
4 铸造工艺参数的确定
4.1 铸件尺寸公差
铸件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差，称为铸件尺寸公差。由所给出的零件图要求，知铸件尺寸公差为CT12。
4.2 铸件重量公差
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成批和大量生产下，砂型铸造机器造型时铸件重量公差等级，铸钢件和铸铁件均为MT8～MT10。一般情况下，铸件重量的上偏差和下偏差相同；要求较高时，下偏差等级可比上偏差等级小二级[2]（表4—3）。
4.3 机械加工余量
为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸造工艺设计时，在零件的加工表面上预先增加的、并在机械加工时应予以切除的金属层厚度，称为机械加工余量。砂型铸造机器造型加工余量等级：铸铁件为E、F、G级[2]（表4—4）。
4.4 铸造线收缩率
铸件在凝固和冷却过程中，一般要产生线收缩而造成铸件实际尺寸比模样尺寸减少。因此，在制造模样或芯盒时需加上相应的线收缩量1%。
4.5 起模斜度
造型时，为便于起模或从芯盒中取出砂芯，需要在模样和芯盒垂直分型面的壁，设计一个向着分型面逐渐扩大的斜度，称为起模斜度。
起模斜度大小主要取决于造型方法、造型材料、起模高度、模样的材质和模样的制作精度及表面粗糙度等因素。
综合以上因素，本铸件的起模斜度取0o50’
4.6 最小铸出孔和槽
铸件上的孔、槽，有的可以铸出，有的不可以铸出而采用机械加工方法加工出。确定零件上的孔和槽是否铸出，既要考虑这些孔和槽的可能性，又要考虑铸出这些孔和槽的必要性和经济性。最小铸出孔和槽的尺寸与铸件的生产批量、合金种类、铸件大小、孔的直径、壁厚和长度有关[2]（表4—14）。
该零件，除了三角柱上的孔较小，但作为工艺孔，可以减小热节，其余孔的直径都在40以上，所以均铸出。
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5 浇注系统的设计
浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称。
5.1 球墨铸铁浇注系统特点
铁液经球化、孕育处理后，温度下降很多，要求浇注迅速。为此球墨铸铁浇注系统截面积往往比灰铸铁的大20%～100%。球墨铸铁容易氧化，为防止产生二次氧化渣，要求铁液充型平稳、畅通，故多采用半封闭式或开放式浇注系统。球墨铸铁液态收缩大，具有糊状凝固特性，缩孔缩松倾向较大，缩孔体积比灰铸铁大2倍以上。因此，多按定向凝固原则设计浇注系统，并设置冒口补给液态和凝固初期的收缩。当内浇道通入冒口时，可采用封闭式浇注系统。
对于铸件平均最小模数M大于或等于2.5cm的球墨铸铁件，可采用无冒口铸造工艺。此时，按同时凝固原则设计浇注系统，并使内浇道在铸件凝固初期就凝固。这样，在凝固阶段，由于石墨的析出引起体积膨胀，从而对凝固时产生的空隙具有“自补缩”的作用。如果铸型刚度足够，铁液化学成分控制合适，孕育充分，就可实现球墨铸铁件在无冒口或冒口很小的情况下铸造。而对于该零件不满足模数要求，并且后面模拟时采用的浇注温度在1440℃以上，液态收缩增大，不能采用无冒口铸造工艺。[2]
5.2 该球墨铸铁件浇注系统尺寸的计算
我们采用半封闭中注式浇注系统。因为，半封闭式浇注系统的特点： 横浇道截面积＞直浇道截面积＞内浇道截面积，阻流截面在内浇道上，横浇道截面为最大。浇注中，浇注系统能充满，但较封闭式晚，具有一定的挡渣能力。由于横浇道截面大，金属液在横浇道中流速减小，充型的平稳性及对型腔的冲刷力都优于封闭式。适用于各类灰铸铁件及球墨铸铁件。
选定内、横、直的截面积比为0.8：（1.2～1.5）：1。[2] 其中，内浇道总截面积由阻流截面公式
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式中， Gl------- 铁液重量
F------ 内内浇道截面积（cm²） μ
-------
流量系数`
Hp------- 压头高度（cm） t------- 浇注时间（s）
u=0.42[2] （表5.1—60），t是浇注时间，t=24s[2]（表5.1—67），Hp是平均压力头高度 ,Hp=H0-h02/2h
式中，Ho：内浇道至外浇道液面的高度； ho：内浇道以上的铸件高度； h：铸件高度。
由铸件工艺图可知：ho=95，h=95+140+58=293，Ho=155+120+95=370 ，平均压力头高度Hp=355。
从而，可算出总阻流截面积A=18.52 cm2 ，也就是内浇道的总截面积。由于该钩型连杆的结构重复性较好，所以采用四条内浇道。且因为零件两端板厚比中间要薄，近似按比例取：两端的内浇道A=2.90 cm[2]（表5.1—66），查得梯形横浇道截面尺寸为：下底a=30，上底b=28 ，高c=10
。而中间的内浇道A=6.36cm2， 此
2
处加过滤网修正 A=6.70cm2 ，同理查得截面尺寸为a=50， b=45， c=14。内浇道长度为30，该距离足可保证铁液充满型腔。
由内、横、直的截面积比为0.8：（1.2～1.5）：1，得横浇道总截面积=18.52*（1.2～1.5）/0.8=（27.78～34.73） cm2，取为32.4 cm2，由于我们采用的浇注系统形式是将直浇道放在中间，所以横浇道相当于有两个，故单个横浇道截面积为16.2 cm2，查得截面尺寸为a=41 ，b=30 ，c=46。直浇道截面积=18.52/0.8=23.15 cm2，算出其直径为54.3，取整55。
由于在后面模拟阶段，浇注时不能完全充型，故要修改浇注系统尺寸，最简单的办法是增大内浇道横截面积，所以将内、横、直的截面积比更改为0.9：1.35：1，即内浇道截面积为21 cm2 ，横浇道截面积、直浇道截面积仍分别为32.4 cm2、23.15 cm2。按同样比例算得：两端的内浇道A=3.28 cm2[2]（表5.1—66），查得截面具体尺寸为a=30，b=28，c=11.3；中间的内浇道A=7.22cm2，尺寸为a=52，b=48，c=14.44。
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图5.1 横浇道截面 图5.2 直浇道截面
图5.3 两端的内浇道截面 图5.4 中间的内浇道截
A-A
图5.5 浇注系统二维图 图5.6 浇注系统的三维图
5.3 冒口的设计
1.铸件冒口位置选在最高处、中间两个片体部件上部，可以给其中三棱柱部件
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补缩。
2．冒口形状尺寸的确定 为出模方便选用压边冒口，查表5.1-98：
K=1,K1=1.5-2.0, Dr=Kδ, Hr=K1Dr, B=(0.8-1.0)L, e=8-12, L=K2Dr=80-120,壁厚是70，冒口参数为L=80， e=10，B=60，Hr=120
6 冷铁的设计（备用）
由于是机器造型，冷铁不便放置。但出于学习的目的，此处仍设计了冷铁。 为增加铸件局部冷却速度和防止有些部位难于补缩，在铸件工作表面安放冷铁。查表5.1-143[1]球墨铸铁的外冷铁的厚度δ=（0.3-0.8）T。在底面环形口两边增设冷铁，选用圆柱形冷铁3个，查表5.1-142直径为d=25-45mm，长度100-200mm，间距20-30mm，结合铸件选取直径为24mm，长度为70mm。
7 出气孔的设计
型腔的出气冒口、砂型和砂芯的排气通道，总称为出气孔。
出气孔设置的原则：出气孔应设置在铸件浇注位置的最高点、金属液最后到达的部位、腔内气体难以排出的死角处；出气孔的最小总截面积应等于内浇道总截面积，以保证能顺畅排除型腔中的气体。
出气孔尺寸：中小型铸件的出气孔直径宜选用8、10、12，；重、大型铸件宜选用14～25。出气孔的形状有圆形、扁形、出气针和出气片。
由上述知识，对该零件选用五个直径为16的明出气针，放在零件的五个板处，
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与浇注系统相对的那一头，即最远端。另外在砂芯中设有直径为10的暗出气孔，三个，均放在圆柱芯里。
8 砂芯及芯头的设计
砂芯是构成铸件型腔的重要组成部分，因此很重要。 在该零件砂芯的设计中，有三个水平砂芯，两个垂直砂芯。
在设计该零件的砂芯时，我们采用了组合式砂芯，将圆柱砂芯与平板形状的砂芯组合，从而很好定位，不需要设计芯头和芯座。共有三个组合式砂芯，他们的具体形状和尺寸见三维图。下芯顺序3-2-1
图9.1 1号砂芯 图 9.2 2号砂芯
芯头长度25mm，间隙1mm 芯头长度25，间隙1mm
图9.3 3号砂芯，为吊芯 图9.4 总的砂芯
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9 工艺方案的模拟
绘制工艺图，如附图，然后在Procast中进行模拟。
在ProCAST中打开设置参数，先选择铸件、砂芯、砂箱的材料，然后设置空冷为所需冷却方式选择，浇注温度1440℃，浇注速度1.08m/s ，浇注压力100000pa，然后设置重力方向、砂芯和铸件温度，冷却温度设为砂芯和砂箱25℃、铸件500℃，运行 ProCAST，开始模拟。刚开始金属液充型98%，由于浇口杯有2%的液体收缩，所以浇注时可以使型腔完全充满。
a.充型过程 b.充满型腔
c.开始凝固 d.凝固中
图9.1 模拟图
10.铸造工艺装备设计
10.1模底板
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由于是机器造型，故采用装配式单面模板。分模面取在模样的中间平面，它将模样两端的圆柱对称一分为二。
10.1.1模底板外形尺寸
A0=A+2b=910+2*60=1030 B0=B+2b=990+2*60=1110
10.1.2 定位销中心孔距 C=A1+2M=990+2*60=1110
10.1.3模底板厚度和加强筋厚度 由表3-4，结构尺寸见附图 10.1.4加强肋布置
参考铸造工艺装备设计，表3-5，布置2条，中间间距300 10.1.5模底板的搬运结构
由于模板尺寸较大，使用铸铁模底板整铸吊轴，尺寸参考参考铸造工艺装备设计，表3-12
10.1.6 模底板在造型机工作台上的安装
模底板的固定凸耳按造型机工作台上的连接槽设计，一共有四个，具体尺寸见附图。
10.2模样
采用金属模，材质为HT200,金属模具有强度高、不易变形、耐磨耐用、表面光洁等优点，与造型机配合使用，不仅能提高劳动生产率，而且能提高铸件质量。
10.2.1.模样外形尺寸的计算
A模=（A件+A艺）（1+K） 式中A模————模样的工作尺寸 A件————产品零件尺寸
A艺————零件铸造工艺附加尺寸 K————铸件的线收缩率
模样本身的结构尺寸如壁厚，加强肋等非工作尺寸不用按上式计算。具体尺寸见附图。
10.2.2壁厚和加强肋
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由于模样较大，采用空心壳体模样，并设置加强肋，以保证其强度和刚度。壁厚由铸造技术与应用案例图5-4确定，δM=10。
10.2.3模样在底板上的装配
模样在模底板上平放，用4个M16螺钉采用下固定法紧固。
结 论
该采用半封闭中注式浇注系统，其内浇道、横浇道、直浇道的横截面面积比为0.9：1.35：1，一件一箱，工艺出品率约为70%.比例合理使铸件能够很好充型。同时设计了冒口、冷铁进行补缩。采用的造型方法是机器造型，造型材料是树脂砂，。具体方案确定好后，利用UG软件对零件、砂芯、浇注系统及砂箱等进行了三维造型，并导入模拟软件PROCAST进行模拟。根据模拟结果冒口位置修改为2个，采用压边冒口，以此来对五个片体部件进行补缩。在零件最下面设置六个圆柱冷铁，防止产生缩孔等缺陷。
谢 辞
毕业设计是大学课堂的最后一课，对大学四年学习的最终检阅，同时也是我们大学四年学习生涯中最大的挑战。在这几个月里，认识了自己的很多优点和不足之处。几月的时间，让我真正明白了，有些东西看似简单，当我们真正沉下心去研究，我们会发现很多我们曾经只是浮在表面。马上就要参加工作了，我们必须抛弃眼高手低毛病，踏踏实实干好自己的工作。最后，感谢王建民老师的辛勤指导，感谢孟兆亚师兄的热情帮助，感谢各位同学的支持和鼓励。
曾祥光 2011年5月30
参考文献
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［1］ 陈琦，彭兆弟. 实用铸造手册[M]. 中国电力出版社 (第一次版).2009. ［2］ 杜西灵，杜磊. 铸造技术与应用案例[M]. 机械工业出版社(第一次版).
2009.
［3］ 王文清，李魁盛.铸造工艺学.机械工业出版社[M].（第1版）2005. ［4］ 李弘英，赵成志.铸造工艺设计[M].机械工业出版社.2005.
[5] 《铸造工艺装备设计手册》编写组.铸造工艺装备设计手册[M].机械工业出
版社.1987.
[6] Guo X，Stefanescu DM，Chuhog L，et a1．A mechanicsl Properties Model
for Ductile Iron[J]．AFS Trans，1997，99：47-53.
[7] 牛树军，于林.铸铁件小冒口和无冒口铸造技术, 中图分类号：TG244+.4 文
献标识码：B 文章编号：1673-3355（2007）02-0019-02
[8] 潘路桃，胡延平，阮五洲.机械制图[M].中国科技大学出版社.2006.9 [9] 西安柴油机厂铸工车间,西安交通大学铸工教研室.球墨铸铁处理时的浇口
杯孕育工艺[J].China Academic Journal Electronic Publishing House.1994-2000
[10] 杨智明.铸态球墨铸铁生产中的几大要素[J]. 中图分类号: TG255 文献标
识码: A 文章编号: 1000-8365(2009)08-1076-02
[11] 任庆平,王国仁, 王忠全,单学义,王书兴,何宁.铸态球铁QT450-10 的质量
控制[J]. 铸造技术，中图分类号: TG255 文献标识码: A 文章编号: 1000-8365(2010) 07-0834-03
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