铸造工艺学新概念教学法

1
m上 2g
H平均
综合上下半型公式有
m
S阻 1 2gHP
平均压头Hp计算
• 总功： mgH p gSCpH
• 下半型功： A 下 gC SPH 0
• 上半型功：
AH 0 上 H 0P
g
S hg dS h H P 0P 2
• 将上两式代入总功，则：
Hp
H0
P2 2C
• 对于底注式P=C，故
无气隙外冷铁：As=A0+2Ac1
V0 V0 Ac1As2A0M12M0 V0(2M M00MM 11)
As—砂型等效面积 A0—铸件表面积 Ac—冷铁工作表面积
M0—铸件原模数 M1—使用冷铁后铸件
等效模数
有气隙外冷铁：As=A0+Ac2
A c2A sA 0M V 0 1M V 0 0V 0(M M 0 0M 1 M 1)
冒口设计的基本原则
➢顺序凝固 ➢同时凝固
注意！冒口补缩的是整体补缩域的收缩， 而不是相邻结构体！！！
加强冒口补缩的手段
➢补贴 ➢冷铁 ➢提高冒口自身补缩能力
补贴
冷铁
不加冷铁的补缩距离！与前加冷铁对比！
外冷铁之间距离为0.5~1倍于冷铁长度！
提高冒口自身补缩能力
➢大气压力冒口 ➢保温、发热冒口 ➢易割冒口
Hp
H0
P 2
• 对于顶注式P=0，故
Hp H0
浇注时间确定
• 对其他合金铸件，有经验公式
Amn
Bpmn Bpmn
A、B 、P 、n系数见教材表3-4-4、 表3-4-5。
用金属液在型内的上升速度来校核 充填时间
v型
C
C C
v型max
v型min
v型m
ax
Re型
4R
铸铁铸钢的最小上升速度见教材表3-4-6、 表3-4-7
芯头设计
➢芯头组成 ➢芯头承压面积的核算 ➢特殊定位芯头
芯头组成
• 芯头结构 • 芯头长度 • 芯头斜度 • 芯头间隙 • 压环、防压环和积砂槽
图3-3-10中： α、α1、a、a1等
图3-3-9： s、s1、s2
3-3-10中： s、s1、s2
芯头承压面积的核算
S>=kF芯/[σ压]
➢外冷铁质量校核 W cL6 ℃ 0 tc L 0 cM s 0M M 01W 0
内冷铁模数计算法（参考教材及文献）
Wd fV0M0M 0M1
f
1 3
L
qs
csTs
1 2
L
1 3
Lqs
浇注系统设计
浇注系统典型构造 浇注系统类型 浇注系统设计计算 浇注系统设计步骤 练习举例
浇注系统典型构造
置 • 工装类：模样、模板、砂箱、芯盒
浇注位置和分型面的确定
• 浇注位置的确定 • 分型面的确定 • 作业：抄画教材图，并说明选择图中
浇注位置和分型面的原因。
作业
1、叙述球和套筒的铸造生产过程；并讨论分 析该过程中需要开展的研究工作。
2、分析讨论如何确定浇注系统和分型面，确 定原则是什么。
3、阅读第一章第一节，并找到复习思考题的 答案。
件
铸造工程师应当完成的设计任务
铸造工艺图 铸型装配图 铸造工艺卡 铸件图
铸件零件结构的铸造工艺性
零件结构是否容许制造 零件结构是否容易制造
4、作业：抄画教材图，并说明选择图中 浇注位置和分型面的原因。
5、确定下面铸件的浇注位置和分型面
浇注位置的确定
判定浇注位置的优先次序为：
保证铸件质量→凝固方式→ 充型→工艺操作
例1：铸件主要加工面或重要加工面，应尽 量置于下部或垂直放置。
重要面
重要面来自百度文库
图 3-2-36
例2：能保证顺序凝固。例如，厚大部分在上部，或 按一定次序厚大部分靠近冒口。
吃砂量
图16 砂型装配示意 图
箱把：翻 箱及吊运 操作等
紧固夹紧防 止跑火等
定位销 图15 模样定位销示意图
大球的制造过程引出的 基本铸造工艺概念
➢成型类：分型面、分模面 ➢工艺类：浇注系统、冒口、冷铁 ➢工装类：模样、模板、砂箱等
套筒工艺与大球工艺的差别 ——浇注位置、砂芯、外模 样变化
a 垂直放置
图4 分型面
分型面
图5 分型面
图6 造型
图7 造型时分型面与 分模面平齐一致
分模面
图8 造型时分型面与 分模面平齐一致
图9 球形空腔
图10 在球形空腔上置浇道
图11 更平稳的浇注系统
图12 浇注系统的典型形式 1、浇口杯 2、直浇道 3、浇道窝 4、横浇 道 5、集渣包 6、内浇道
确定砂芯总体形状 定位形式初定（芯头位置） 制作过程（分盒面确定） 砂芯分解 分解后砂芯之间的定位
砂芯放置方式（考虑烘干或相关制作过程） 再定各砂芯间的定位方式 确定砂芯组合方式 终定砂芯
例1：保证铸件内腔尺寸精度：铸件内 腔尺寸较严的部分应当由同一半砂芯 形成，避免为分盒面分割。
保证此处孔四 壁壁厚均匀： 将芯子分块。
v2
H02g
hr2 vg 2 1
iSS阻 i 2
v
2 gH 直
2
1
i
Si S阻
• 充填下半型时，通过阻流截面的金属质 量m下和浇注时间τ有如下关系
m下S阻1vS阻1
1
2gH0
iSS阻 i 2
S阻
m下
1 2g
H0
• 充填上半型时，对应着最大压力头和最小压 力头有平均压力头 hP，则
S阻
As—砂型等效面积 A0—铸件表面积 Ac—冷铁工作表面积
M0—铸件原模数 M1—使用冷铁后铸件
等效模数
M1的确定
➢同时凝固：M1相当于热节四周薄壁部 分的模数
➢顺序凝固：M1=(0.83-0.91)Mp，Mp 是热节旁补缩壁的模数。经验证明， 只有满足Mp≥0.67M0时，才能用外冷 铁消除热节影响
Vr>Vc
可以用体积作为冒口设计的准则吗？
冒口体积比铸件体积大，但显然冒口比铸件 先冷却，因冒口散热面积大。
设计冒口尺寸的准则—模数
• 储热量Q=mc△T=ρVc
M △T，冒口和铸件同时开
始凝固，V大则储热量大， 但如果冒口散热面积大则 不能补缩。
• 将体积和散热表面积结合 起来衡量凝固冷却能力即 模数。
砂箱高 度过高
多箱造型控 制砂箱高度
例5：受力件的分型面的选择不应消弱铸 件结构强度。
例6：注意减轻铸件清理和机械加工量。
砂芯设计
➢砂芯本体设计 ➢芯头设计
本体设计的典型实例
分盒面2
分盒面1
1、能制作出来；
2、能进行烘干；
3、如果自硬，则不 需烘干，在型内干 后直接取出使用。
砂芯本体设计的基本步骤
机加工
表面清砂 （吹砂、喷丸、抛丸）
通用冒口设计
—普通冒口设计
正圆柱或立方体冒口设计 长杆（长板）、大圆环、立柱冒口的设
计 真实铸件—复合体冒口设计 加强冒口补缩的手段 冒口设计步骤 冷铁设计计算
正圆柱或立方体冒口设计
铸件补缩分析
缩孔
铸件
小冒口
Vr=Vc
冒口体积大于铸件体积时可以消除缩孔！
缩孔 当冒口体积与铸件 体积成什么关系时 可以使缩孔位置刚 好处于铸件顶部呢？
图12 浇注系统的典型形式 1、浇口杯 2、直浇道 3、浇道窝 4、 横浇道 5、集渣包 6、内浇道
浇注系统类型
• 按截面比分类 • 按内浇口位置分类
按截面比分类
1）封闭式：S直> S横> S内
2）开放式： S直<S横< S内。适于铝镁合金件
3）半开放半封闭式： S直<S横>S内而S内<S直
直浇道充满，用于小型铝镁合金产品。
例2：保证操作方便：分割砂芯，但要防止金 属钻入砂型分割面的缝隙，以防堵塞通气道。
例3：保证铸件壁厚均匀。
例4：应尽量减少砂芯数目，如将砂芯做出 （砂胎，教材图3-3-4；吊砂，浅底锅。用 活块代替，教材图3-3-5）；
例5：填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面。
例6：砂芯形状适应造型、制芯方法， 组合芯，教材图3-3-7。
一、模数
MV S散
二、模数法原理
———— Mr f Mc
———— V r补 V cV eV e
———— 补缩通道角
—Mr=fMc 顶冒口：Mr=(1.2~1)Mc 侧冒口：Mc:Mn:Mr=1:1.1:1.2 内浇道通过冒口：Mc:Mn:Mr=1:(1~1.03):1.2
—冒口提供足够的金属液： ε(Vc+Vr)+Ve<=Vr ·η ε：表3-5-4，表3-5-5，注意合金钢 εx； η：表3-5-6；
例3：铸件水平面积大的部分应尽量置于 铸件下部。
例4：避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯， 便于下芯、合箱及检验。
合箱时容易碰坏砂芯
合箱时不会 碰坏砂芯
分型面的确定
分型面一般在确定浇注位置后选择。 但分析各种分型面方案的优劣之后， 可能需要重新调整浇注位置。铸造分 型面本质上是一种工艺方法，该方法 是取出模样（砂型）、铸件（金属 型）、保证（提高）精度、工艺操作 简单等几个方面综合作用的结果。其 优先次序为：
流量系数确定
浇注系统的计算步骤
1、选择浇注系统类型 2、确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属
引入方向 3、决定直浇道的位置和高度（压力角） 4、计算浇注时间并核算金属上升速度 5、计算阻流截面积S阻 6、确定浇口比并计算各组元截面积 7、绘出浇注系统图形
铸造工程师的设计任务
铸造工程师应当完成的设计任务 铸件零件结构的铸造工艺性 对铸件零件的处理→零件转化为铸
取出铸件→保证精度→工艺简单
例1：加工基准面与大部分加工面在同一半型 内，基准面不要在分型面上。
加工基准面 被加工面
加工定位基准
要加工的 外圆螺纹
例2：分型面数量应尽量少。
例3：分型面尽量为平面，避免曲面，不得已用曲面， 也尽可能改为折面。
例4：不使砂箱过高。 图3-2-32 减速箱盖手工造型方案
b 水平放置
图17 套筒铸件的三种浇注位置
c 倾斜放置
图18 直接把砂芯用砂箱做出
单独砂块 图19 用单独的砂块将孔做出
单独砂块
图19 用单独的砂块将孔做出
图20 外模样的变化
基本铸造工艺概念
• 成型类：分型面、分模面、砂芯、模 样
• 工艺类：浇注系统、冒口、冷铁 • 兼有成型与工艺特点的概念：浇注位
大气压力冒口
保温、发热冒口
易割冒口
冒口设计步骤
1）划分补缩区； 2）计算冒口及冒口颈模数； 3）确定形状和尺寸； 4）检查顺序凝固条件； 5）校核冒口补缩能力
铸钢45齿轮， 收缩率5%。试 设计其冒口
冷铁设计计算
• 经验法 • 外冷铁模数计算法 • 内冷铁模数计算法（自学）
经验法
外冷铁模数计算法
奥占公式：
S阻
m下
1 2gHP
图13 奥占公式
图13 无冒口系统时的铸件
冒口 图14 加入补缩源—冒口
模数法设计冒口的基本方法是：
1）Mr=fMc Mr为冒口模数，Mc为铸 件模数，f=1.0-1.2。
2）冒口要提供足够的补缩金属液： ε(Vc+Vr)+Ve<=Vrη
3）一定的补缩通道角：可利用冷铁和 其他工艺措施来造成合适的补缩通道 角
• 补缩条件：Mr>Mc
V S散
设计冒口尺寸的第二条件—补缩量
V r补 V cV rV e
Vr补 Vr
当冒口体积与铸件 体积成什么关系时 可以使缩孔位置刚 好处于铸件顶部呢？
设计冒口尺寸的第三条件 —补缩通道角：决定冒口位置
同样的铸件同样的冒口，安放位置不同 导致不同的补缩结果！
模数法设计冒口的原理
—补缩通道角：可利用补贴和冷铁来造成 合适的补缩通道角。
长杆（长板）、大圆环、立柱冒 口的设计
环也类似！
补缩距离：水平补缩距离和垂直补缩距离！
球铁件：表3-5-1 可锻铸铁：4~4.5δ(壁厚) 有色金属：见教材
真实铸件—复合体冒口设计
不可能用一个冒口统一补缩， 所以要划定三个补缩区域！
铸造工艺学
河北工业大学材料加工与控制系
铸造工艺学
基础部分 提高部分
基础部分
铸造工艺基本概念及铸件生产的基本 流程
通用冒口设计 浇注系统设计 铸造工程师的设计任务
铸造工艺基本概念
• 由大球及套筒铸件的制造过程引出的 概念
图1 φ1000mm钢球体
图2 形状不完备的球
耐火材料 砂箱
图3 形状完备但取不出来的球体
σ压：湿型40~60KPa; 活化膨润土砂型60~100KPa； 干砂型0.6~0.8MPa。
k：安全系数1.3~1.5
特殊定位芯头
铸造工艺流程图: 砂箱制 作准备
型砂准备
模型制 作准备
芯盒制 作准备 芯砂准备
芯骨制作
制芯
合箱检验
造型
下芯
合箱
浇注
冷却凝固 落砂开箱 去除浇冒口
熔炼
热处理 铸件
清理打磨 去毛刺
按内浇口位置分类
• 顶注式浇注系统 • 底注式浇注系统 • 中注式浇注系统 • 阶梯式浇注系统 • 缝隙式浇注系统
顶注式浇注系统
底注式浇注系统
中注式浇注系统
阶梯式浇注系统
缝隙式浇注系统
浇注系统设计计算
➢奥占公式 ➢平均压头Hp计算 ➢浇注时间确定 ➢流量系数确定
奥赞公式
• 阻流处金属液流速v计算（伯努利方程）