铸造工艺学(新概念教学法)

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
重要面
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。
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：
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
• 补缩条件：Mr>Mc
设计冒口尺寸的第二条件—补缩量
Vr补 Vc Vr Ve
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
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？
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
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
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。
铸造工艺学
主讲：河北工业大学材料加工与控制系 李日
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
铸造工艺基本概念及铸件生产 的基本流程
➢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
➢铸造工艺流程图 ➢浇注位置和分型面的选择 ➢对铸件零件的处理 ➢砂芯设计
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
奥占公式：
S阻
m下
1 2gHP
图13 奥占公式
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）
➢外冷铁质量校核
Wc
L tcL M 0
600℃ cs
M M0
1
W0
内冷铁模数计算法（参考教材及文献）
Wd
fV0
M
0 M1 M0
f
1 3
L
qs
csTs
1 2
L
1 3
L
qs
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
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
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
H0
v2 2g
hr
v2 2g
1
i
Si S阻
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1v S阻1
2gH0
1
i
Si S阻
2
S阻
m下
1 2gH0
• 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
3、阅读第一章第一节，并找到复习思考题的 答案。
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
无气隙外冷铁：As=A0+2Ac1
V0 V0
Ac1
As A0 2
M1
M0 2
V0 (M0 M1) 2M 0 M1
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
Ac 2
As
A0
V0 M1
V0 M0
V0 (M 0 M1) M0M1
铸造工艺基本概念
• 大球的制造过程引出的基本铸造工艺 概念
• 套筒工艺与大球工艺的差别 • 基本铸造工艺概念 • 作业
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
图4 分型面
分型面
图5 分型面
一、模数
M V S散
二、模数法原理
M ———— r
f
Mc
V ———— r补 Fra Baidu bibliotekc Ve Ve
———— 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；
—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！
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
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
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。
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
V △T，冒口和铸件同时开 M 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。
S散
• 将体积和散热表面积结合 起来衡量凝固冷却能力即 模数。
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]
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
S阻
1
m上 2gH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 gSCH p
• 下半型功： A下 gSC PH0
• 上半型功：
A上
H0 H0 P
gShdh
gSP
H0
P 2
• 将上两式代入总功，则：
P2 H p H 0 2C
• 对于底注式P=C，故
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 B pmn
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m ax
v型m in
v型 m a x
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
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
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。
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(画图)。
2、分析讨论如何确定浇注位置和分型面，确 定原则是什么。