支承臺鑄造工藝設計分析

邢小穎，湯 彬，馬 運，姚啟明，王龍兵

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

0 引言

鑄造工藝通常可分為砂型鑄造和特種鑄造。通常砂型鑄造包括濕砂型、干砂型、化學硬砂型鑄造三類。特種鑄造材料可分為兩大類：一種以自然礦質砂巖為主體的造型材料，如熔模鑄造、殼型鑄造、負壓鑄造等；一種以金屬材質為主體鑄型材料，如金屬型鑄造、離心鑄造、低壓鑄造等。

圖1 為支承臺零部件的結構圖,該件材料為HT200,在應用中承載力較小,是一般的承載力部件。支承臺產品特性為小批量生產，零部件的主要技術條件應滿足σb＞200MPa，210＞HB＞170,精度要求:鑄件表面不能有砂眼、縮孔、縮松等缺點,鑄件表面平滑,外觀輪廓清晰。

圖1 支承臺零件圖

1 工藝分析

該零部件的一般壁厚為13mm,整體鑄件的壁厚比較平整,外輪廓尺寸約為:￠120mm×115mm。法蘭和支承臺之間的銜接處較容易產生熱節,但因為該件材質為HT200,收縮力較小并且加之灰鐵鑄件中的石墨化膨脹,產生縮松和縮孔的可能性也較低,故不需要再對冒口加以補縮,經鑄造后再用機器加工生產,由于零部件的整體鑄造工藝性較強,且制造批量為小批量投產,所以毛坯產品的主要制造方式采用了砂型鑄造。

2 工藝方案確定

因為支承臺制造批次主要為小量產,且零部件構造并不復雜,所以根據加工工廠材料的供應現狀,并兼顧工藝上科學性,所以決定其毛坯制造方式為一般砂型鑄造,而砂型種類主要為濕型。凝固方式:由于鑄造材料主要采用HT200,收縮較小,為便于造型并得到良好鑄造效果,采用同時凝固。澆注方式:為提高鑄造效率,將鑄件造型、澆注方式進行水平放置。根據零部件的技術特點和實際應用情況可以看出:由于對材料質量要求一般,對設計尺寸精度要求較高,所以,可使支承臺呈水平,并且鑒于材質為HT200,自重較輕,壁厚變化也不大,從改善技術、便于使用、增加工藝效率綜合考慮,不再設置冒口。根據綜合考慮得出結論定,本件的澆注情況如圖2 所示。冷卻情況與澆注情況相同。

圖2 澆注位置

2.1 分型面的選擇

經過分析此件可有三種分型面方案。

（1）方案I:如圖3 所述可將鑄件對稱的布置于兩鑄形內,模樣、芯盒易于制造,造型、下芯較簡單,但由于鑄造時容易錯型,且外觀品質較差,因此清理工程量很大。（2）方案II:如圖4 所述鑄件在同一鑄形內,能夠提高其尺寸精確度,且下芯后易于檢測壁厚是否一致,并且砂型較穩定,但由于形狀較復雜,且澆注不均勻,容易形成沖砂,并且由于上箱小,下箱大,且起模行程較大，因此需要兩個砂芯,且模型、芯盒的制造過程較繁瑣,因此不適合于大批量生產。（3）方案III:如圖5 所示鑄件大都在同一個鑄形內,可以提高其尺寸精確度,下芯也易于檢查，同樣滿足合箱,并采用側澆注方式,切向引入改變了澆注時的充型不均勻的情況,既降低了沖擊,也避免了沖砂缺口的形成,上、下箱差別也很大,整體形狀比較簡潔。缺陷是有兩個砂芯,下箱較高,動手操作比較難,勞動工作量大,模樣、芯盒的加工也比較繁瑣。可采用手工造型中的三箱造型。通過對比,發現方案二需用兩個砂芯過程繁瑣不適用于大批量生產，方案三需用到三箱造型，而在造型過程中三箱操作難度大工藝復雜，一般情況能用兩箱造型盡量不選擇三箱造型，所以綜上所述，方案一較為合適，對于容易錯型的問題可以做泥記號或者定位孔定位銷的方式解決。

圖3 方案I

圖4 方案II

圖5 方案III

2.2 砂芯數量的確定

因為此模型的砂芯確定為水平放置，所以使用一個水平芯頭即可滿足要求，如圖6 所示。

圖6 砂芯數量圖

2.3 主要工藝參數的確定

按照實際的加工狀況,確定該件的收縮率為百分之一。但由于鑄造的精度條件較一般,所以又采用了手工造型木質模具,并判斷該件的加工精度為十三級,查到的誤差為±6mm,質量誤差為百分之十。按十三級的鑄件并考慮實際狀況,確定加工余量為4mm。根據零件圖尺寸要求選用增厚法。鑄造為小批量，規定的拔模斜度為1°。每次鑄造用一個砂芯,使用木質芯盒、機械制芯。砂芯由砂芯主體與芯頭所構成,砂芯造型比較簡潔,為?20mm×135mm 的圓柱，砂芯用樹脂砂，鑄件的放置位置可確定為水平芯頭。

2.4 澆注系統的設計與計算

澆注系統主要由澆口杯、直澆道、橫澆道和內澆道等四部分構成。澆注系統的橫截面尺寸大小對鑄造品質影響較大,若橫截面太小,或澆注時間過長,則會出現澆注溫度不足、冷隔、形成砂眼等問題;橫截面太大,澆注速率太大,也許會收起沖砂,并帶入氣體,從而使鑄造中形成渣口的缺點。要保證金屬液以適當的速率充填鑄型中,就需要確定澆注系統的面積。因為主要鑄造材料是HT200,對鑄造質量要求很高,因而澆注系統一般要有較大的撇渣和緩沖力,而且由于鑄造尺寸小、質量較輕,所以為了避免在澆注中沖砂,一般采用人工澆注。

選用人工澆注鑄件,澆注系統要有較好的撇渣力,需要用全封閉或半封閉方式,本設計澆注系統采用了全封閉的,并采用側注式澆注系統。由于每型只有一種鑄件,故澆注系統中需要同時設計澆口杯、橫澆道、直澆道和內澆道,因法蘭較厚,為了對法蘭進行補縮,故選用較高階梯式的內澆道。但由于該件屬造型較單一的小鑄件,所以選用經驗法,并以此算出澆注的時間、內澆道橫截面、澆注系統之間的斷面長度等,并校核最小壓力頭。

2.4.1 澆口杯設計

澆口杯是專門用于承接來自澆包的各種金屬液體的,由于鑄件為經典的手輪型鑄件,為了確保有適當的小壓頭、便于澆注與使用,又由于該件的較小壓頭足夠,故而一般不單獨設置澆口杯,在手工造型流程中直接在上砂型的直澆道上端,倒出簡易的普通漏斗形澆口杯,其斷面形式如圖7a 所示。

2.4.2 澆注時間

式中，C 為系數，取決于鑄件的主要壁厚，例如：鑄件壁厚3～5mm 時，C=1.63,壁厚9～15mm 時，C=2.2，經確定[3]C=2.2；G 為澆入砂型的鐵水的總重量（kg）。

2.4.3 內澆道截面積的計算

式中，G=9.24kg，x 是經驗系數（經查為1.5），再代入上式：則≈4.6（cm2），每一內澆道的截面積A內=2.3cm2。截面形狀是高階梯式，通過面積確定尺寸如圖7b 所示。

2.4.4 各組元面積的確定

由于其澆注系統是全封閉的，所以需再決定其直澆道、橫澆道的外形與大小,直澆道的橫向斷面通常為長圓狀,結構為斜度3°的圓錐,而H0型即內澆道靜壓頭尺寸則為150mm。比例關系為∑F直:∑F橫向:∑F內=1.15:1.1:1，亦即∑F橫向=4.6×1.1=5.06（cm2），斷面形式為正方梯形,由體積決定直徑大小如圖7c 所示，∑F直=4.6×1.15=5.9（cm2），由體積決定直徑大小為27mm,如圖7d 所示。

圖7 澆口杯、內澆道、橫澆道及直澆道的斷面形式

2.4.5 最小壓力頭的校核

為了保證能充滿最遠最高的部分,以及保證輪廓清晰完整,上表面無收縮,鑄件最高點到澆口杯內液面的高度必須有一最小值,即最小殘余壓頭Hm值,這也就規定了直澆道應該有必要的高度。根據設計圖,可以得出最小殘余壓力值，其中L=115mm,Hm=150-100=50（mm），校核公式α=Hm/L=50/115=0.435,查得α=23°30′。式中:α 是最小殘余壓力頭的最大壓力角，L 是直澆道至鑄件中最高最遠的一段距離，Hm為最小殘余壓頭。查得α=10°，故壓頭足夠。

3 鑄造虛擬仿真以及實際鑄造

傳統的鑄造產品和加工工藝制造流程中,主要是依靠生產經驗的累積和不斷重復的試錯,直至最后做出了合格產品。這些依靠經驗和重復試錯的方法,致使制造周期長、生產成本高昂,甚至很難提高鑄件質量。鑄造虛擬仿真軟件是數字化制造的有機組成部分之一。其目的在于讓學生全方位了解鑄造流動性、應力、傳熱、凝固、缺陷分析以及優化的全過程。經過MAGMA 鑄造虛擬仿真模擬軟件進行鑄造模擬，根據上述數據，分析熱節幾乎沒有問題，然后進行實際生產，所做實際鑄件和前期工藝設計以及鑄造虛擬仿真數據結果一致。

4 結語

本文主要以支承臺零件進行鑄造的毛坯工藝方案研究設計,從工藝流程分析、工藝方案制定、鑄造虛擬仿真和實際鑄造過程三個方面展開研究設計,對鑄造方式、凝固原則以及澆注位置、分型面、澆注系統等方面給出參數,并在前期鑄造前根據工程設計參數進行了虛擬仿真建模,獲得了最終鑄件,鑄造過程與仿真結果高度貼合,縮短了鑄造工藝和工裝模具的設計制造時間,從而降低了鑄造缺陷的產生,進而提高了鑄件質量。

圖8 虛擬仿真及鑄造鑄件