球阀阀体设计说明书

球阀阀体设计说明书
一、零件铸造工艺要求和特点
1.零件的生产条件、结构及技术要求
•零件名称：球阀阀体
•零件生产批量：成批生产
•零件材质：ZG230--450
•零件的外型示意图如图1所示，球阀的零件图如图2所示，球阀的外形轮廓尺寸为96mm80mm76mm，主要壁厚7mm，最小壁厚7mm，最大壁厚15mm，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。

图1 球阀外形示意图
图2 球阀零件图
2.零件铸造的工艺性
对于零件的铸造工艺性审查、分析如下：
零件的轮廓尺寸为96mm80mm76mm。

砂型铸造条件下该轮廓尺寸的最小允许壁厚查《铸造工艺课程设计手册》表1-2得：最小允许壁厚为6mm。

而设计零件的最小壁厚为7mm。

符合要求。

从零件的整体结果及尺寸看，该零件的壁厚相差并不是很大，而且在壁厚不一致处的过度属于平缓过度，能够满足铸造生产的要求，因此，该零件的结构满足铸造工艺性要求。

二.零件铸造工艺方案
1.造型、造芯方法的选择
零件的轮廓尺寸为96mm80mm76mm，铸件尺寸较小，属于中小型零件且要成批生产。

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。

采用树脂砂手工制芯。

2.浇注位置和分型面的确定
•（b）（c）
图3 零件分型面位置图
根据该零件的结构特点可以选择如图3所示的三种分型位置。

图3(a)(b)的铸件大部分置于下箱，有利于造型。

但是砂芯放置比较麻烦，而且铸件的重要部分没有置于下部，大平面朝上放置容易产生气孔、非金属夹杂等缺陷。

采用图3(c)所示分型位置，砂芯制作和放置都比较方便，有利于大批量生产。

同时有利于实现顺序凝固。

综合以上，采用图3(c)所示分型位置。

浇注位置在分型面上。

三．铸造工艺参数的确定
1.铸件尺寸公差
零件为砂型铸造机器造型大批量生产，由《铸造工艺课程设计手册》查表2-2得：铸件的尺寸公差为CT8～10级，取CT9级。

零件的轮廓尺寸为96mm80mm76mm，由《铸造工艺课程设计手册》查表2-1得：铸件尺寸公差数值为2.2mm。

2.铸件重量公差
零件为砂型铸造机器造型大批量生产，铸件的重量公差与尺寸公差等级对应选取。

则选MT9级。

此零件估算重量为1.5kg，由《铸造工艺课程设计手册》查表2-4
得：铸件重量公差值为14%。

3.机械加工余量
零件为砂型铸造机器造型大批量生产，由《铸造工艺课程设计手册》查表2-9得：铸件的加工余量H级。

零件的轮廓尺寸为96mm80mm76mm，由《铸造工艺课程设计手册》查表2-8得：铸件加工余量数值为2.5～3.0mm，因采用机器造型，金属模板，芯盒，铸件尺寸精度高，故加工余量选值3.0mm。

4.最小铸出孔和槽
根据零件生产批量由《铸造工艺课程设计手册》查表2-16得：最小铸出孔直径尺寸为30～50mm。

因此只需铸出直径较大的孔，其余孔无需铸出，机械加工较为经济方便。

5.起模斜度
设计采用金属模具，根据零件的结构及尺寸，采用“增加厚度法”设置拔模斜度，初步设计的起模斜度如下：
上模外型模的高40mm的起模斜度由《铸造工艺课程设计手册》查表2-11得：粘土砂造型外表面起模斜度为а=1°10＇,a=0.8mm。

高22mm的起模斜度为а=1°
10＇,a=0.8mm。

下模外型模的高40mm的起模斜度由《铸造工艺课程设计手册》查表2-11得：粘土砂造型外表面起模斜度为а=1°10＇,a=0.8mm。

高22mm的起模斜度为а=1°
10＇,a=0.8mm。

所以起模斜度为а=1°10＇,a=0.8mm。

6.铸造收缩率
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：K=[（L
1-L
2
）/L
2
]*100％
K—铸造收缩率
L
1
—模样长度
L
2
—铸件长度
零件受阻收缩率由《铸造工艺学》查表3-3-7得：自由收缩1.6～2.0%，受阻受挫1.3～1.7%。

采用受阻收缩1.3～1.7%。

取1.5%。

7．其他工艺参数
本课程设计所进行的铸钢球阀阀体铸造工艺设计，由于属于大批量生产，并且为中小型件。

因此，经过工艺优化之后，无需进行如“分型负数”、“工艺补正量”、“反变形量”等工艺参数的设计。

四．砂芯设计
球阀阀体需一个整体砂芯，三个芯头，采用树脂砂手工制芯。

1.芯头的设计
芯头长度由《铸造工艺课程设计手册》查表3-4，3-5，3-6可得
第一种芯头根据实际设计量取计算砂芯长度：L=43mm，D=42mm。

查表得：l=30～35mm，s=0.5mm，а=7°，a=5mm。

第二种芯头长度：L=35mm，D=16mm。

查表得：l=20～25mm，s=0.5mm，а=7°，a=5mm。

第三种芯头长度：L=33mm，D=26mm。

查表得：l=25～40mm，s=0.3mm，а=7°，a=5mm。

2. 压环、防压环和集砂槽芯头结构
压环、防压环和集砂槽尺寸由《砂型铸造工艺设计》查表3-7得：a=5mm，b=0.5mm。

3．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。

五.冒口的设计
已知每个铸件重约为1.5kg,每箱2件,每箱两个冒口,一个冒口补缩一个铸件。

冒口的计算用补缩液量法：设ZG230-450的体收缩率为0.03，钢液的密度为7.8g/cm³。

法兰根部热节圆直径约为T=14mm。

那么可以计算出该铸件从浇注到凝固以后所需要
的钢液体积，把体积视为球形，求出其直径d
0。

把d
加上热节圆直径T，则可为冒口
的最小直径。

d
==2.23cm
冒口的直径D= d
+T=22.3+14=36.3mm 采用40mm
冒口高度按经验公式关系求得H=（1.15～1.8）D，取H=1.5D=1.540=60mm。

冒口全部放入上箱内，使直径18mm的大气压力砂芯，插入冒口深度为15mm。

六．浇注系统的设计
大批量生产小型铸钢件时,常采用机器造型,并用转包浇注。

这些特点决定了浇注系统必须有较好的挡渣能力，因此采用半封闭式浇注系统——阻流浇口。

•铸件重量
在本设计中铸件单重1.5kg，考虑一砂箱中浇注两个铸件，又因浇注系统中同样需要金属液，浇注系统中金属初步按铸件重量的20%估算，并且加上两个冒口的重量
则浇注重量G
==1.2kg。

G=1.5*（1+20%）
+1.5+1.2=4.5kg。

•内浇道、横浇道、直浇道的设计
内浇道的总断面积F
内
可按下式计算：
式中：Q—浇入铸型内的钢液总质（重）量kg；
K—浇注比速（kg/cm2·s）见表1；
L—流动性修正系数，碳钢为1.0，高锰钢为0.8；
t—浇注时间（s），；
C—系数，见表1
系数C、K均由铸件相对密度Kv=Q/ V决定，V是铸件轮廓体积，是铸件三个方向最大尺寸的乘积。

则Kv=4.5/963=0.00508kg/ cm2。

根据钢液总重量Q 和铸件 相对面积Kv 查《铸造工程师手册》表6-99：F 内=2.7cm 2。

浇注系统各组元截面积比例关系：F 内：F 横：F 直=1：（0.8-0.9）：（1.1-1.2）。

F 内=2.7/2=1.35cm 2；F 横=F 内*0.8=1.12cm 2；F 直=F 内*1.2=1.68cm 2。

根据《铸造工程师手册》表6-100：内浇道和横浇道截面尺寸，
内浇道 横浇道 直浇道
内浇道 ：a=27mm ，b=25mm ，h=5.5mm ；
横浇道：a=13mm ，b=9.5mm ，h=12.5mm ；
直浇道:D=14.6mm 。

3.浇注时间
初步计算浇注时间由《砂型铸造工艺设计》P85页得：t=S=0.8≈1.7s
计算钢液液面上升速度 V 上升=C/t=76/1.7≈44.7mm/s
校核钢液上升速度，一般允许钢液的最小上升速度范围由《砂型铸造工艺设计》查表5-33得：上升速度V 上升=25mm/s
通过比对44.7mm/s 的上升速度符合实际，不必调整经验系数。

4．静压头的计算
对于中间注入式浇注系统，平均静压头H P 可按如下公式计算： 8C -H C 2P H H 020p =-=
在本设计中，C=96mm 、P=48mm 、H 0=125mm ，代入上式计算得：
96248125H 2
P ⨯-== 124.875 mm
5.直浇道窝的设计
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=214.6=29.2 mm
浇口窝高度为横浇道高度两倍，因此h=212.5=25mm
6.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。

浇口杯选用普通漏斗形浇口杯，其断面形状如图4所示，由《铸造工艺课程设计
手册》查表4-14得：D
1= 56mm D
2
=52mm h=40mm 图4 浇口杯截面示意图
直浇道高度：H
直=H
-h=125-40=85mm。

直浇口棒查《铸造工艺课程设计手册》表4-18：D=15mm，D1= 19mm，l=200mm。

图5 直浇口棒示意图
7.砂箱尺寸及造型机选择
球阀尺寸为96mm80mm76mm，单件质量约为1.5kg，因此铸件为小型简单件。

如果一箱一件生产则工艺出品率会较低，如此生产成本较高。

所以采用一箱两件生产。

这样工艺出品率大幅提高，生产成本也大大降低。

初步选取砂箱尺寸由《铸造工艺课程设计手册》查表6-63得：上箱为400 300 100mm 下箱为400 300 125m。

造型机选择由《砂型铸造工艺设计》查附表1-1得：选择型号为Z114型满足砂箱尺寸。

铸件在砂箱中排列最好均匀对称，这样金属液作用于上砂型的抬芯力均匀，也有利于浇注系统安排，在结合已经确定分型面及浇注位置以及砂箱尺寸，基本确定铸件在砂箱内的排列如图6所示，由《砂型铸造工艺设计》查表12-3得：
模样的吃砂量基本确定为：
表2 模型的最小吃砂量
最小吃砂量砂箱尺
寸
a b c d或e f g
2 0
3
4
30
3
2
≤400 图6 砂箱中铸件排列示意图
六、模板模样设计绘制模板装配图
包括：模底板、模样（包括浇冒口、出气孔模样）及模样的定位，紧固定装置，砂箱定位装置、模样在造型机上的紧固装置及起吊装置等。

1.设计原则
1）要求模板有足够的强度与刚度；
2）有良好的耐磨性，较高的表面光洁度及尺寸精度；
3）力求结构简单、合理、安装维修方便；
2.模板模具设计
7.2.1选择模板类型、结构
由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-1得：选择装配式模板，结构为单面模板顶箱式。

7.2.2设计模底板、材料、结构尺寸及定位销，销耳尺寸
对模底板材料的要求是有足够的强度，有良好的耐磨性，抗震耐压，铸造和加工性。

根据模样的结构及生产要求，选用HT150作为模底板的材料。

①模底板平面尺寸的确定：模底板的平面尺寸根据所选用的造型机和已定的砂箱内尺寸确定。

=A+2b=400+2×25=450 mm
A
B
=B+2b=300+2×25=350 mm
②模板高度：普通平面式模底板高度H，铸铁的一般控制在80～150mm，故选择H=100mm。

③模底板壁厚和加强筋：根据模底板平均轮廓尺寸和穆底板所选用的材料，由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-2得：模底板壁厚δ=14mm，加强筋厚度为=12mm。

加强筋高度H根据模底板高度、材料和使用要求决定，一般情况t=16mm，t
1
下取H≤50mm,取H=40mm。

由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-3得：加强筋间距=250mm。

K=300mm，K
1
图7 模底板壁厚和加强筋厚度
7.2.3设计金属模样结构及尺寸，包括铸件模样、浇口、冒口、出气口孔及芯头模样，凡形成铸件轮廓尺寸的均应放缩尺；芯头尺寸，压紧环，集砂槽以及浇冒口系统模样不放缩尺，只需按工艺图上给出的尺寸绘制。

模样尺寸=铸件尺寸×（1+K） K为收缩率，取值1.5%
铸件尺寸=零件尺寸+加工余量+拔模斜度
7.2.4模样在底板上的装配，布置、定位、紧固
①模样在模底板上的放置形式：平放式。

②模样在模底板上的定位：采用定位销。

尺寸由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-15得：t=6～10mm取t=6mm，H>6t，C=(2～6)d，R=(1.5～2)d，α≤45°，H ≥δ，d=0.75t。

于是有: d=0.75t=4.5mm,C=4d=24mm，R=2d=12mm。

图8 模样在模底板上的定位形式
③模样在模底板上的紧固方式：采用六角螺栓固定。

尺寸由《砂型铸造工艺及
工装设计》查表10-17得：d=M14，d
0=15mm，D=30mm，K=20mm，K
1
=25mm。

图9 模样在模底板上的紧固
7.2.5模底板、砂箱定位装置
模底板与砂箱之间用定位销和销套定位，包括定位销和导向销。

①定位销中心距：C=A+2M=400+2×50=500mm，M由《铸造工艺课程设计手册》查表6-73得。

定位销中心距偏差由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-13得±0.2mm。

②定位销形状、尺寸：定位销和导向销材料选用45#钢。

尺寸由《砂型铸造工艺
及工装设计》查表10-5得：d=20mm，d
1=18-0.035mm，d
2
=13mm，d
3
=M16，l
1
=18mm，l
2
=40mm，
l 3=20mm，K=12mm，l=100mm，L=160mm，h=3mm，d
4
=24mm，S=12mm，D=23mm。

图10 定位销形状尺寸图
图11 导向销形状尺寸图
③导销套：
图12 导销套尺寸图
④销耳尺寸：模底板上的定位销装在销耳上，销耳设置在沿中心线长度方向的两端.销耳的结构和尺寸由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-7得： d=18+0.035mm，h=20mm，e=40mm，A=60mm。

图13 销耳结构尺寸
7.2.6模底板的搬运结构
采用铸接式，其结构尺寸由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-8得：d=30mm，
D=50mm，d
1=60mm，L=90mm，l
1
=30mm，l=45mm。

图14 铸接吊轴结构尺寸图
7.2.7模底板在造型机上的安装
模底板常用螺栓固定在造型机工作台上，这时模底板上应设置紧固耳。

紧固耳的位置要和造型机工作台台面上的T型槽相对应，不可任意设置。

图15 铸铁模底板紧固耳
紧固耳尺寸由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-9得：h=20mm， h
1
=25mm，a=8mm，
A=30mm，l=50mm，l
1=70mm， b=15mm，b
1
=25mm，R=10mm，紧固耳数=4。

7.2.8浇道在模底板上的装配
①浇口在模底板上的装配：直浇口用销钉定位，无需紧固。

直浇口定位销尺
寸由《砂型铸造工艺及工装设计》查表10-19得：
图16 直浇口定位示意图
②横浇道在模底板上的固定：用铆钉直接固定在模底板上。

铆钉尺寸如图所示：
图17 铆钉示意图
八、设计绘制芯盒装配图
8.1芯盒材料的选择
根据《砂型铸造工艺及工装设计》查表11-3，采用ZL104，自由线收缩率0.9～1.1%，取1.0%，标准：GB1173-74。

8.2芯盒分盒面的设计
分型面一和分型面二如图所示，分型面二不能保证对称两侧的砂芯质量相同，最终将会导致成型孔的质量不均匀。

故采取分型面一。

图18 芯盒分型面方案图
8.3芯盒内腔尺寸的确定
芯盒内腔尺寸=（零件尺寸±工艺尺寸）（1+K）
8.4芯盒的壁厚
根据芯盒的平均轮廓尺寸（A+B）/2，及芯盒材质来决定壁厚。

（A+B）/2<300mm，材料为ZL104，由《砂型铸造工艺及工装设计》查表11-4得：壁厚δ=8mm。

8.5芯盒的边缘及防磨片
为了增加芯盒边缘的强度和刚度，芯盒边缘要加宽加厚，并且为了增加铝质芯盒刮砂面的耐磨性，特在刮砂面上设置防磨片芯盒边缘及耐磨片。

耐磨片用30钢制成，采用螺钉固定,，耐磨片的厚度为3mm。

8.6芯盒的定位与夹紧
由于芯盒较小采用止口定位，即在分盒面上加工出止口，依靠止口将两半芯
盒定位。

然后再用蝶形螺母将其锁紧，蝶形螺母尺寸由《砂型铸造工艺及工装设计》查表11-27得。

图19 蝶形螺母和活节螺栓夹紧装置的结构和主要尺寸
8.7金属芯盒的尺寸偏差
分开式芯盒分盒面之间的间隙取0.1mm。

在分盒面上芯盒内腔错位的允许偏差为0.1mm.芯盒上定位销孔距公差为±0.25mm。

8.8芯盒的搬运
芯盒的搬运：本芯盒体积小，所以不设置手柄和吊轴，直接用芯盒边缘实现搬运过程
九、铸件缺陷分析与解决方案
铸造工艺设计的是否合理，影响到是否能够获得合格的、高质量的铸件。

此次
设计铸件可能存在一些缺陷：铸钢收缩率大，会产生缩孔缩松，出现夹杂等，影响铸件质量。

因此需设置冒口，进行补缩，实现顺序凝固。

十、参考文献
1.联合编写组《砂型铸造工艺及工装设计》北京出版社 1980年
2.叶荣茂等主编《铸造工艺课程设计手册》哈工大出版社 1995年
3.铸造工程师手册编写组《铸造工程师手册》机械工业出版社 1997年
4.王文清、李魁盛主编《铸造工艺学》机械工业出版社 2009年。