“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛

劈箱造型法比较适宜，虽然模具、砂箱等开始投资高，但可从节约造型工时、提高产品质量方面得到补偿。

低压铸造、压铸、离心铸造等铸造方法，因设备和模具的价格昂贵，所以只适合批量生产。

3.造型方法应适合工厂条件

不同的企业生产条件（包括设备、场地、员工素质等）、生产习惯、所积累的经验各不一样，应该根据这些条件考虑适合做什么产品和不适合（或不能）做什么产品。 4.要兼顾铸件的精度要求和成本

各种铸造方法所获得的铸件精度不同，初投资和生产率也不一致，最终的经济效益也有差异。因此，要做到多、快、好、省，就应当兼顾到各个方面。应对所选用的铸造方法进行初步的成本估算，以确定经济效益高又能保证铸件要求的铸造方法[7]。

尾板铸造方法的选择是由多方面因索决定的。 目前国内尾板主要是采用传统的砂型铸造方案， 但树脂砂铸造生产周期短，铸型刚度强，对环境

热节点 污染小，工人劳动强度轻，此外，本课题的尾板

的尺寸大，侧板底部离可以设置补缩冒口的上端 面比较远，补缩通道尺寸也比热节点略小，初步 估计热结点位置如图2.1，在树脂砂型铸造中可 布置冷铁来到达顺序凝固的要求，综合考虑决定 采用树脂砂型铸造。

图2.1 热节点示意图

2.2 尾板无冒口铸造工艺的可行性

尾板铸件要求表面无气孔、砂眼等铸造缺陷，内部组织致密无收缩缺陷，具备一定的力学性能。但采用传统的冒口补缩方法生产，不仅工艺出品率低，而且易出现缩孔缩松等缺陷，无法满足质量要求。

本项目中采用FCD450即QT450-10球墨铸铁材料。球铁具有“糊状凝固”的特点。它的共晶凝固时间长，共晶膨胀力大，凝固后期铁水补缩困难，球铁在浇注后，在一个凝固外壳中进行凝固。随着石墨化过程的进行，石墨膨胀力就不断挤压凝固外壳；如果铸型的刚度不够，则铸件体积就胀大，从而会在冒口根部或附近形成缩孔或缩松。

传统观点认为，对球铁铸件必须放置与铸钢件差不多的大冒口，冒口重量一般约为铸件重量的50%～100%。

实践表明，采用传统的大冒口补缩工艺生产球铁件．不仅浪费了大量的造型和冒口切割的工时，而且也浪费了大量的金属材料和能源，同时往往在冒口根部出现缩孔或缩松，造成铸件报废。即使有些单位使用压边冒口，但也往往由于压边冒口设计不当，在冒口根部或附近会出现缩孔或缩松，同时铸件的工艺出品率也较低。

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考虑到铸件浇注、铁液流程的影响，铸件凝固总有先有后，各部分的收缩和膨胀，在时间上可能是重叠的，这就使球铁件总会存在自补缩的基本条件。因此，对于厚实的中、大型球铁件，如尾板、平衡块，床身等，其冷却速度缓慢，液态收缩可以由后浇入的铁液或浇注系统的铁液补缩，凝固收缩可充分利用石墨化膨胀来抵消。不用冒口也能生产出健全铸件，适于采用小冒口或无冒口工艺生产[8-10]。

无冒口铸造工艺的一般应用条件如下：

1.无冒口铸造要求铁液的冶金质量好。球墨铸铁尽量采用高的(接近共晶成分的)碳当量和适当的球化、孕育，以确保充分石墨化；

本项目中原料采用高C，低S、P、Mn的原则。选用低稀土镁对铁水进行球化处理，选用75Si-Fe合金对铁水进行球化包一次孕育、浇注倒包二次孕育及随流孕育的多级孕育方式，达到良好的孕育效果。

2.球墨铸铁铸件的平均模数应在2.5cm以上；

本项目中，该铸件壁厚大但较均匀，平均模数约4.1cm，满足无冒口或小冒口铸造条件。

3.无冒口铸造要求使用强度高、刚性大的铸型；

本项目中选用树脂砂造型制芯，强度较高，刚度可达到0.6-0.8Mpa左右。满足无冒口或小冒口铸造条件。

4.低温浇注、快浇，采用小的内浇道，分散引入金属液；

本项目中浇注温度选择在1350℃左右，浇注时间控制在55s左右，铁水从阶梯、雨淋浇注系统分散进入型腔，充型过程平稳，满足无冒口或小冒口浇注工艺。

5.控制内浇口，使其在铸件本体进入固-液状态前，凝固完毕而处于封闭状态； 本项目中采用封闭-开放式浇注系统，阻流截面设置在直浇道的下端，铸件本体进入固-液状态前，内浇口凝固完毕而处于封闭状态。满足无冒口或小冒口浇注工艺。

综上所述，在本项目中采用无冒口铸造具备可行性。此外采用无冒口铸造，对于降低铸件成本，提高铸件质量与工艺出品率，获得致密铸件，减少材料和能源无疑是一条重要途径。

3 尾板浇注系统的设计

3.1 砂型铸造工艺流程

砂型铸造工艺流程见图3.1。

3.2 铸造工艺方案的选择

3.2.1 凝固顺序

无冒口铸造工艺应采用同时凝固的原则，并在热节点或热量集中处设置外冷铁。

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3.2.2 位置的选择

根据铸件结构、表面质量和受力情况要求，确定浇注位置为：侧板在下，板体在上进行浇注。 3.2.3 分型面的选择

根据铸件结构、表面质量和受力情况要求，确定采用二开箱，以板体上底面水平分型。

3.2.4 砂箱中铸件数量及排列的确定

初步进行模板板面布置和砂箱尺寸估算，决定采用专用砂箱，一箱一件，由于模样平均轮廓尺寸>1000～2000mm，可确定模型的最小吃砂量如下：

模样至砂箱内壁尺寸>100～150mm,浇冒口至砂箱内壁尺寸≥100mm，模样顶部至砂箱箱带底部尺寸>25～30mm，初选砂箱内框尺寸为2000×1800mm，初定砂箱高度尺寸为1650mm。

炉前检验 废钢 生铁检验入库 废料浇口 成品入库 合金熔化 除渣 球化、孕育 树脂砂型铸造 砂芯清理 浇口锯切 检验 砂箱检验 转水包预热 制芯、下芯 废砂回收利用 检验 图3.1 砂型铸造工艺流程图 打磨清理 10

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3.3 工艺参数的确定

1.本项目中用砂型铸造、手工造型，确定铸件尺寸公差等级为CT11；铸件重量公差等级为MT11。机械加工余量等级为F，对应加工余量为4；根据铸件基本尺寸，确定各面具体机械加工余量如下：顶面取8mm，侧面和孔取5.5mm，底面取4mm；

2.就砂型铸造而言，最小铸出孔尺寸为12～15mm，根据图纸，尾板零件上的孔均需铸出；

3.铸件收缩率K=（L模-L件）/ L件×100%，查手册可知球墨铸铁自由收缩为0.8%～1.0%，受阻收缩为0.4%～0.6%，因树脂砂型刚性强，取铸件收缩率为0.4%。 4. 起模斜度设为3°； 5.铸造圆角选取R10；

3.4 浇注系统的设计

就本项目而言，考虑两种浇注方案：一是雨淋浇注系统；二是阶梯-雨淋浇注系统。分别对两种浇注系统进行模拟、优化，最终选取较合适的浇注方案。 3.4.1 顶部雨淋浇注系统的设计

对于该尾板铸件，浇注系统选择开在铸件上部，采用顶注式，用8个内浇道引金属液入型腔中。铸铁件采用转包浇注，考虑到挡渣问题，选定该浇注系统为封闭开放式浇注系统。

据相关文献[49]，浇注时间τ和浇注重量W的关系为：

τ=SGL 3.1

式中，τ——浇注时间(s)；S——壁厚系数；GL——铸件重量(kg)；S——壁厚系数，0.65～1.0，取0.85。

将S =0.85，GL=5400kg代入3.1式，得： T=SGL=0.855400=62.5s 。

对于球墨铸铁大件，宜低温快浇，查文献[5]，最终确定浇注时间为50～60s，选定浇注时间约55s。

3.4.1.1 浇注系统最小截面积的计算

灰铸铁用水力学公式计算[5]计算阻流面积：

GL ΣF阻= 3.2

0.31??Hp式中，ΣF阻为阻流面积，cm2；GL为流经阻流的铁液重量，kg；?为铸铁件的流量系数；τ为浇注时间，s；H1为平均计算压力头，cm。

在本课题中，GL取5.4t，?取0.82，τ为55s，H1=45cm，计算得：

ΣF阻=57.6cm2 。

球铁原铁水经过球化处理后降温较多及呈糊状凝固等特性，使得其球化处理后的铁水的流动性比灰铁液差得多，因此水力学公式用于球铁件ΣF阻的计算偏小或过小。采用相

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