目 录
摘 要……………………………………………………………………………………………1 1 设计任务…………………………………………………………………………………………2 1.1 技术要求…………………………………………………………………………………2
1.1.1 生产条件…………………………………………………………………………2 1.1.2 铸件材质…………………………………………………………………………2 1.1.3 造型材料及造型方法……………………………………………………………2 1.2 设计的技术要求…………………………………………………………………………2 1.2.1 化学成分…………………………………………………………………………2
1.2.2 结构工艺性分析…………………………………………………………………2 2 工艺方案的确定…………………………………………………………………………………2 2.1 铸造及造型方法的确定…………………………………………………………………2 2.1.1 铸造方法…………………………………………………………………………2
2.1.2 砂型材料…………………………………………………………………………2 2.1.3 造型方法…………………………………………………………………………3 2.2 分型面和浇注位置的确定………………………………………………………………3
2.2.1 分型面的确定……………………………………………………………………3 2.2.2 浇注位置的确定…………………………………………………………………4 2.3 铸造工艺参数的选择……………………………………………………………………4
2.3.1 铸件尺寸公差……………………………………………………………………4
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2.3.2 铸件重量公差……………………………………………………………………4 2.3.3 机械加工余量……………………………………………………………………5 2.3.4 铸造收缩率………………………………………………………………………5
2.3.5 起模斜度…………………………………………………………………………5 2.3.6 最小铸出孔及槽…………………………………………………………………5 2.3.7 分型负数…………………………………………………………………………5 2.3.8 分芯负数…………………………………………………………………………5 3 浇注系统的设计…………………………………………………………………………………5 3.1 浇注系统的类型…………………………………………………………………………5
3.2 阻流截面积的计算………………………………………………………………………5 3.2.1 内浇道截面积……………………………………………………………………5 3.2.2 横浇道截面积……………………………………………………………………6 3.2.3 直浇道截面积……………………………………………………………………6 3.3 冒口的计算和确定………………………………………………………………………6 3.3.1 冒口补缩距离……………………………………………………………………6 3.3.2 冒口尺寸确定……………………………………………………………………7 4 铸件的熔炼要求…………………………………………………………………………………7
4.1 温度要求…………………………………………………………………………………7 4.2 球化处理…………………………………………………………………………………7 4.3 孕育处理…………………………………………………………………………………7 5 铸件的热处理……………………………………………………………………………………7
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5.1 退火处理…………………………………………………………………………………7
5.1.1 高温石墨化退火…………………………………………………………………7 5.1.2 低温石墨化退火…………………………………………………………………8 5.2 冷却方式…………………………………………………………………………………8 5.3 热处理工艺图………………………………………………………………………8 6 铸件的数值模拟过程与分析……………………………………………………………………8
6.1 铸件充型及凝固过程……………………………………………………………………8 6.2 模拟过程对工艺的完善…………………………………………………………………10 结 论……………………………………………………………………………………………13 参考文献……………………………………………………………………………………………14 附 图……………………………………………………………………………………………15
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摘 要
合理的铸造工艺是保证铸件质量的关键。在目前的工作中，球墨铸铁QT450铸件的铸造工艺，是根据客户的要求进行设计的。基于对铸件结构的分析，对几个铸造工艺方案进行了认真审议。通过比较，我们从中选择了一个更为合理的方案，包括模具和砂芯的制造，浇注位置的选择和条件，其它工艺参数以及浇注系统的设计和计算。在Pro-Cast软件中进行了QT450的充型、冷却和凝固过程，在铸件的潜在缩松、缩孔的位置进行了研究。根据模拟的结果，我们仔细的对最初的铸造工艺设计进行了合理的改善。最终完成了工艺设计和其它相关内容。
关键词：球墨铸铁， QT450 ，铸造工艺设计，数值模拟
Abstract: A correct foundry process controlling is very important for casting quality. In the present
work, the foundry process of the castings of nodular cast iron, QT450, was designed according to customer’s requirements. Based on the analysis of structure of casting, several foundry processes were carefully considered. By comparison, a possible foundry process was selected, including mould- and core-making technology, pouring position and conditions, and other process parameters. The pouring system and risers were designed and calculated. The solidification simulation for QT450 support base casting by the Procast software was conducted and the potential shrinkage hole position in the castings was investigated. According to the results of simulation, the initial design was improved carefully and a correct foundry process is decided. The process drawing and the documents related to the process were completed.
Keywords: nodular cast iron, QT450, support base, design of foundry process, numerical simulation
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1 设计任务
1.1技术要求 1.1.1生产条件
指定零件为机座，生产性质为批量生产。 1.1.2铸件材质 零件材质为QT450
1.1.3造型材料及造型方法
根据材质及使用要求，为保证铸件质量，选择自硬树脂砂手工造型。 1.2设计的技术要求 1.2.1 化学成分
根据相关资料查的的QT450化学成分，根据此含量对化学成分进行 控制见表1.1[1]
表1.1 QT450化学成分
C 质量 分数 3.4%—3.9% Si 2.5%—3.0% Mg RE 0.04%0.015%≤ ＜＜——0.4% 0.05% 0.025% 0.10% 0.04% Mn P S 1.2.2结构工艺性分析
零件结构的铸造工艺性指的是零件的结构应符合铸造生产的要求，易于 保证铸件品质，简化铸造工艺过程和降低成本。
2 工艺方案的确定
2.1铸造及造型方法的确定 2.1.1铸造方法：砂型铸造
砂型铸造是指以原砂为主要骨料的铸造工艺，依所用粘结剂的不同又可 以分为粘土砂型、水玻璃砂型和有机粘结剂砂型等不同种类的砂型铸造方 法。
2.1.2 砂型材料：树脂自硬砂
树脂自硬砂是指原砂（或再生砂）以合成树脂为粘结剂，在相应的固化 剂作用下，在室温下自行硬化成型的一类型砂。树脂自硬砂特别适合于铸 铁、铸钢和非铁合金的生产，不少工厂已用它取代粘土砂、水泥砂，部分
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取代水玻璃砂，在国内外应用十分广泛。 2.1.3 造型方法：手工造型
手工造型能适应各种复杂的要求，灵活性较高，不要求很多工艺装备。 通过分析选择两箱造型，既能满足造型要求还能简化工序、节省开支。
2.2 分型面和浇注位置的确定
2.2.1分型面的确定
分型面是指两半铸型相互接触的表面，选择分型面时，应注意以下原则： (1)应使铸件全部或大部置于同一半型内 (2)应尽量减少分型面的数目和活块数量 (3)分型面应尽量选用平面
(4)便于下芯、合箱和检查型腔尺寸 (5)不使砂型过高
(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 方案一： 以圆柱中心线为分型面，如图2.1。
优点： 缺点：
(1)铸型大部分位于下箱 (1)不利于浇注位置的确定 (2)使铸件大平面朝下 (2)砂芯、活块、数量增多
(3)有利于起模，砂芯安置 (3)铸件顶部不利于补缩且有可能浇不足 方案二：
以大平面凹下部位为分型面，如图2.2。 优点： 缺点：
(1)分型面为大平面 (1)上箱高度过高，减少浇注系统静压力 (2)有利于浇注和金属液填充铸型 (2)不易清理和机械加工
(3)有利于下芯和减少砂芯数量 (3)铸件顶部不利于补缩且有可能浇不足 方案三：
以距铸件上表面170mm 处作为分型面，如图2.3。 原因：
(1)铸件大部分位于下箱 (2)浇注系统开设方便 (3)有利于检查砂芯定位
(4)上箱造型简单，提高静压力
(5)易实现顺序凝固，有利于底部薄壁补缩 (6)方便开设冒口，有利于大平面补缩 (7)造型简单，清理方便，节省材料
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图2.1 方案一 图2.3 方案二
图2.2 方案三
2.2.2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 置时应考虑以下原则：
(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呈直立状态
(3)使铸件的大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷 (4)应保证铸件能充满 (5)应有利于铸件的补缩
(6)保证砂芯的稳定、排气通畅便于检验
(7)应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致 2.3 铸造工艺参数的选择 2.3.1 铸件尺寸公差
铸件尺寸公差是指铸件个部分尺寸允许的极限偏差，铸件尺寸公差见零 件图。
2.3.2 铸件重量公差
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铸件重量公差是以占铸件公称质量的百分率为单位的铸件质量变动的允 许值。
查《铸工实用手册》表3-34确定重量公差等级为12级[2] 查《铸造工艺学》表3-3-2确定铸件质量公差数值为8% [3] 2.3.3 机械加工余量
在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚 度，称为机械加工余量，简称加工余量。
查《铸工实用手册》表3-36及《铸造工艺学》表3-3-3分析确定铸件机 械加工余量，见铸件工艺图。[2] 2.3.4 铸造收缩率 球墨铸铁铸造收缩率：1% 2.3.5 起模斜度
为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定的出模斜度。见铸件 工艺图。
2.3.6 最小铸出孔及槽
查《铸工实用手册》表3-39、表3-40确定零件需要铸出的最小孔的直 径。不铸出孔及槽见铸件工艺图。[2] 2.3.7 分型负数
为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时为抵消铸件在分型面部位的增厚, 在模样上相应减去的尺寸称为分型负数。
查《铸工实用手册》表3-37确定分型负数取3mm。[2] 2.3.8 分芯负数
对于2#、3#芯子留有分芯负数，为2mm。
3 浇注系统的设计 3.1 浇注系统的类型
按組元截面积分类，可分为封闭式浇注系统、开放式浇注系统、半封闭半 开放式浇注系统；按系统在铸件上的位置分类，可分为顶注式浇注系统、底 注式浇注系统、中注式浇注系统和阶梯式浇注系统。此铸件采用半封闭式——中注式浇
注系统，半封闭式浇注系统的优点：浇注平稳，不易卷气、不易氧化。中注式浇注系统的 优点：利于实现自下而上的凝固，浇注平稳且有利于型腔内气体的排出。 3.2 阻流截面积的计算
3.2.1内浇道截面积
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m其中：
t2gHp 由奥赞公式S阻=
m=1490.55kg =7.3gcm3 g=10ms2 t=（2.5～3.5）3m =0.41～0.60 Hp=450mm
计算得出S阻max=58.1cm2，S阻min=28.37cm2查《铸造手册》表3-159取内浇道截面积 S内=30cm2，单个内浇道截面积S内=7.5cm2, 内浇道个数为4个， 见图3.1。[4]
a=52mm b=48mm c=15mm
图3.1 内浇道截面积 3.2.2 横浇道截面积
查《铸造手册》表3-159取横浇道总截面积S横=43cm2，横浇道搭接处阻流截面积 为26cm2见图3.2。[4]
a=64mm b=50mm
c=75mm
图3.2 横浇道截面积
3.2.3 直浇道截面积
查《铸造手册》表3-159取直浇道总截面积S直=51cm2，直浇道直径为57mm。
[4]
直浇道窝半径为R=45mm，见图3.3。 D1=57mm D =45mm L =350mm
图3.3 直浇道截面积 3.3 冒口的计算和确定
3.3.1 冒口补缩距离
查《铸工实用手册》表3-117计算球墨铸铁件的冒口补缩距离，单向冒口补缩距 离为L=7T，双向冒口补缩距离为5.5T，其中T=170mm，铸件尺寸为1100×860mm，所 以定冒口个数为2个。[2]
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3.3.2 冒口尺寸确定
查《铸工实用手册》表3-118选取冒口种类为明顶冒口，冒口为保温冒口，用一 种导热率和容积密度均非常小的保温材料作为冒口的保温套，以确定冒口晚于铸件凝 固。冒口颈加易割冒口环。[2]冒口尺寸如下：见图3.4。
1-保温剂 2-明冒口 3-发热保温套 4-易割片 D=290mm H=170mm b=10mm d1=46mm d2= 40
图3.4 冒口示意图
4 铸件的熔炼要求 4.1 温度
出铁温度：1450--1470℃以上 浇注温度：最低不低于1350℃ 4.2 球化处理
球化剂：稀土镁合金
处理方法：冲入法、型内球化法 4.3 孕育处理
孕育剂： 75%Si-Fe合金
处理方法：炉前一次孕育和多次孕育
5 铸件的热处理
材质：QT450 铁素体球墨铸铁 5.1 退火处理
目的：去除组织中的自由渗碳体及获得铁素体基体球墨铸铁 5.1.1 高温石墨化退火
将铸件加热到Ac3 以上50-100℃（通常为900-950℃）温度，保温时
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间依自由渗碳体分解速度而定，通常为2-4小时。 5.1.2 低温石墨化退火
将铸件加热到Ac1以上温度获得奥氏体基体后，让铸件缓慢通过共析转 变温区，使奥氏体直接按稳定系进行共析转变，形成铁素体+石墨。在Ac1 温度一下加热并保温，使珠光体分解为铁素体加石墨。 5.2 冷却方式
退火完成后，铸件随炉冷至550-600℃后出炉空冷，以免产生缓冷脆性。
5.3 热处理工艺图
见图5.1。
图5.1 热处理工艺图
6 铸件的数值模拟过程与分析
模拟过程包括建立三维实体模型，网格划分，确定材料热物理性能，初始条件和边界
条件，凝固数值模拟计算及铸件铸造缺陷结果显示等步骤。
首先使用Pro/E对模样和浇注系统（包括砂型、冒口）进行较准确地实体建模，然后 利用VE对模型进行网格划分，自动生成有限元网格；其次利用Pro/cast进行材料、物理 性能参数和边值条件的设置，最后进行对铸件充型过程的计算。我们通过Pro/cast观察窗 口可以看到铸件在凝固过程中各个参数的变化，从而可以对我们的铸造工艺进行分析。 6.1 铸件充型及凝固过程
铸件充型及冷却是一个时刻变化的过程，也能从中看出金属液在铸件中流场、温度 场等的变化，见图6.1-6.4。
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图6.1 4S时金属液填充铸型时的状态
图6.2 7.4S时金属液填充铸型时的状态
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图6.3 50秒时铸件刚开始凝固时的状态
图6.4 4175S时铸件凝固完毕时铸件状态
6.2 模拟过程对工艺的完善
在指定工艺初期，我们通过对零件图，立体图的分析，猜想了铸件浇注时热节可能产生 的部位，经过模拟，我们可以清楚的看到铸件充型时温度较高的部位，从而证明了我们的 猜想。并且肯定了我们冒口位置的最准确性，见图6.4。
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图6.5 铸件热节部位图
制定工艺中，我们设计了冒口，但是无法验证冒口的实用性与可行性，通过观察有冒口
铸件凝固图与无冒口铸件凝固图，我们看到了有冒口的铸件表面光滑无缺陷，而有冒口的铸 件表面粗糙且有大量缩孔，证明了我们冒口的可行性，也证实了我们的设计,见图6.5-6.6。
图6.6 无冒口铸件凝固完毕图
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图6.7 有冒口铸件凝固完毕图
模拟过程也是我们对工艺检验的一个过程，例如在模拟中我们发现冒口颈温度下降过快，
会过早凝固，从而影响了冒口对整个铸件的补缩。所以我们经过讨论对冒口采用保温材料， 设为保温冒口，见图6.7。
图6.8 铸件温度分布图
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结 论
参加本次比赛期间，从最开始零件图的分析，到最后工艺方案的确定我们查阅了大量相关专业铸造资料，根据零件的结构要求与技术要求经过反复论证与验算，并在老师的指导下使用了目前较为先进的模拟软件对铸型的冲型和冷却进行了模拟，其间我们不断对我们的工艺进行验证与改善，因此，在实际生产中我组设计的工艺方案，足够满足零件的技术要求，达到铸件能够大量生产的目的，在生产应用中具有可行性和可靠性。
这次我们设计的是一个下座件，通过对零件图的分析，了解到这是一个大型铸件，而且结构较为复杂。为了使铸件能更好的充型，且尽量避免缺陷，我们采用两箱造型，把铸件放到了下箱以提高静压力。该铸件为QT-450材质，我们采用开放顶注式浇注系统，铸件对金属液质量要求比较高，我们设置了滤网，且在横浇道搭接方式上采用滤渣结构，尽量使金属液质量达到要求。铸件大平面上采用两个保温冒口，设置易割环，在保证冒口能够有良好的补缩效果以使铸件更加致密的同时也保证了冒口晚于铸件凝固以达到更好的补缩效果。最后我们使用了Pro-cast工程软件对铸型充型和凝固过程进行了模拟，也对铸型的温度场、流场进行了分析，得出温度场均匀、流场平稳的结论，更加证实了我们工艺的合理性，使得本次工艺方案具有科学性和实用性。 尽管我们对自己设计的工艺付出了大量的精力和时间，但该方案肯定还存在不足之处，望广大评委指正。我们相信通过本次大赛，我们在铸造方面及工艺设计方面能学到更多的铸造知识，在即将参加的工作中能够更好的运用自己在所学的知识。最后真诚的感谢老师的辛勤指导，感谢铸造大赛组委会给予我们此次难得的宝贵机会！
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参考文献
（1）杨世洲. 《铸造技术》[M]. 西安：西安理工大学出版社，2009.05.77-112 （2）杜西灵,杜磊. 《铸工实用手册》[M]. 北京：机械工业出版社, 2011.12. 177-534 （3）王文清，李魁盛. 《铸造工艺学》[M]. 北京：机械工业出版社, 2002.10. 213-357 （4）中国机械工程学会铸造分会.《铸造手册》[M]. 北京：机械工业出版社，2011.5. 44-644 （5）柳百成，黄天佑. 《铸造成型手册》[M]. 北京：化学工业出版社，2009.6. 569-690
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附 图
铸件三维立体图如图1、图2
图1 铸件正面立体图
图2 铸件反面立体图
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1#砂芯及芯盒三维立体图如图3、图4（a)、（b）
图3 1#砂芯立体图
图4（a） 1#砂芯上部芯盒 图4（b） 1#砂芯下部芯盒
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2#、3#砂芯及芯盒三维立体图如图5、图6
图5 2#、3#砂芯立体图
图6 2#、3#芯盒立体图
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4#砂芯及芯盒三维立体图如图7、图8
图7 4#砂芯立体图
图8 4#芯盒立体图
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5#砂芯及芯盒三维立体图如图9、图10
图9 5#砂芯立体图
图10 5#芯盒立体图
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上下模版三维立体图如图11、图12
图11 上模版立体图
图12 下模板立体图
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上下砂箱三维立体图如图13、图14
图13 上砂箱立体图
图14 下砂箱立体图
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铸件整体装配三维立体图如图15、图16
图15 正面装配图
图16 反面装配图
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