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3.2计算；

C1=2.18-0.18%Si 3.13 C2=2.32-0.18%Si 3.14

平均含碳量 Cavg=0.3686C1+0.6314C2 3.15 晶格常数 a=3.572+0.033%C-0.00157%Si+7×10-5（TE-25℃） 3.16 3.16式中，TE为共晶转变温度，取为1140℃。图3.5为确定C1和C2取值的示意图。

根据所用球铁成分，则C1=1.748，C2=1.888；

平均含碳量Cavg=0.3686C1+0.6314C2=1.84%，晶格常数a=3.7070 ?。

共晶奥氏体含碳1.84%、硅2.4%、铁95.76%，将各元素重量百分数转化为原子百分数，分别为7.85％C、4.37%Si和87.78t。一个奥氏体晶胞中结点原子数为4，硅原子占据结点位置，则平均一个晶胞中硅、铁原子数计算如下：

设x为硅原子效，则铁原子效为4-x。由x/(4-x)=4.37/87.78，求得x=0.1897，4-x=3.8103。

碳原子占据问隙位置。平均一个晶胞中碳原子数计算如下： 设y为碳原子数。由y/(4+y)=7.85/100， 求得y=0.3407。

Avogadro常数为6.023×1023。故共晶奥氏体的密度为

0.3407?12?0.1897?28.09?3.8103?55.853?r==7.2428g/cm 23?936.023?10?(3.7070?10)共晶奥氏体的比容为(SPV)?=1/?r=0.1381(cm3/g) 共晶石墨的比容取0.4870cm3/g。

利用杠杆定律．计算出共晶奥氏体和石墨的重量百分数为98.11%和1.89%。共晶转变物的比容为0.1447cm3/g。

共晶转变时的体积变化，共晶转变前铁水的比容为0.1408cm3/g，故共晶转变时的体积变化率为：

ΔV/V=(0.1447-0.1408)/0.1408=2.77％。

不考虑石墨化膨胀的收缩率为3.16%，则综合收缩率为3.16%-2.77%=0.39%。 因此，在进行充型凝固模拟时，采用自定义收缩率，球墨铸铁收缩率设为定值0.39%。

该浇注系统的充型顺序模拟结果如图3.6所示。从模拟结果可以看出，温度梯度分布良好，但金属液对型腔冲击较大，充型前期金属液面极不平稳。

另外，在实际应用中，由于浇口杯位于砂箱中部，转包浇注不易进行，且雨淋横浇道过于复杂，浪费金属。

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（a） （b） （c） （d） 图3.6 雨淋浇注系统充型顺序 (a) 时间11.3s (b) 时间18.0s (c) 时间33.6s (d) 时间51.4s

3.4.3.2 阶梯-雨淋浇注系统的数值模拟

为保证模拟的可比性，在模拟过程中参数设置与雨淋相同，即浇注温度：1350℃；充型速度，取恒定值0.046m/s，收缩率如前设置为0.39%。

该浇注系统的充型顺序模拟结果如图3.7所示。由图可分析，该浇注系统金属液对型腔冲击较小，充型较平稳，温度梯度分布良好。比较发现阶梯-雨淋无冒口浇注系统较雨淋浇注系统好，在此选择阶梯-雨淋浇注系统。

（a） （b） （c） （d） 图3.7 阶梯浇注

(a) 时间6.8s (b) 时间16.8s (c) 时间27.8s (d) 时间48.7s 3.4.3.3 工艺出品率的计算

G件=4666kg，G浇=1321kg；

G件?100%=4666/5987×100%≈77.9%。一般大型球铁件的工铸件工艺出品率=

G件?G浇艺出品率为40%～60%。

3.4.3.4 确定浇注温度、验证充型速度

树脂砂抗高温铁液冲刷能力较差，发气量较大，宜快速浇注。

中大型球铁件采取低温快浇的原则。低温可减少液态收缩，有利于减小缩孔总体积，快浇可防止出现浇不足。根据相关经验和计算，确定尾板件的浇注温度为1300～1350℃。

对阶梯-雨淋综合浇注系统充型速度的验证：

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充型速度vL?2.43?F内CHPG计算得vL=35.2>30（mm/s）。

3.17

经验证，充型速度符合工艺要求。

3.5 砂芯的设计

3.5.1 砂芯分块

由于该铸件结构复杂，铸件形状由组合 砂型来保证，其砂型分块组合情况，由前面 所确定的浇注位置和分型面分析，尾板内部 需用一个大砂芯。由于该砂芯较为粗大，安 放在砂型底部稳定性较好，可直接加芯头安 放，只需考虑定位准确即可。大砂芯周围的 突起，设计与大砂芯成一体，可减少砂芯数 量。铸件外部凹处设计采用小砂芯，通过 芯座安装在外型。砂芯的具体分块及布置 形式如图3.8。 3.5.2 砂芯的尺寸计算

芯头尺寸及间隙依据各个砂芯的尺寸确定。根据铸造设计手册，确定以下尺寸： 1） 垂直砂芯

1号大砂芯：其下端结构可作为芯头起定位作用。砂芯下端部分与两侧砂型及其他砂芯之间间隙S=2.5mm（树脂砂型的间隙比干型小50%）。砂芯下端两侧斜度α=5°。

2号砂芯：由于此砂芯底座为大平面，因此不设置芯头，砂芯与砂型之间间隙

S=2mm，砂芯前后两侧斜度α=5°，另外考虑到该砂芯两侧的角部需要成型零件的四个圆柱小凸台（如右图所示部位），在该部位2号砂芯与砂型及1号砂芯之间沿高度方向留15mm的无间隙部分。

3号砂芯：同样不需设置芯头，其三个侧面与砂型之间预留间隙S=2mm，三面斜度取α=5°。

4号砂芯：不需设置芯头，其三个侧面与砂型之间预留间隙S=2mm，斜度α=5°。 5号和8号砂芯：不需设置芯头，其三个侧面与砂型之间预留的间隙S=1.5mm，斜度α=5°。

2） 水平砂芯

6号和9号砂芯， 该砂芯为成型侧翼两孔部分，其需要与1号大砂芯装配使用，因此，对进入大砂芯的部分，由于需要装配，芯头l=80mm，同时可以不留间隙；该砂芯与砂型配合部分，为垂直芯头，其三个侧面与砂型之间间隙S=1.5mm，斜度α=5°。

7号砂芯，芯头l=45mm。间隙S1=0.75mm，S2=1.0mm，S3=1.5mm。 10号砂芯，芯头l=70mm。间隙S1=0.75mm，S2=1.0mm，S3=1.5mm。 以上间隙，采用芯盒按名义尺寸制造而将模样尺寸加大的方法来形成。

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图3.8 砂芯的分布图

3 2 10 5 9 1

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3.5.3 砂芯的芯骨和

由于1#砂芯尺寸较大，为了提高砂芯的强度及减少用砂量，我们在1#砂芯中放入如图3.9所示的4根外径为150mm，厚为6mm的焊管作为芯骨，这四根钢管在外围由厚度为6mm的若干钢板焊接在一起。焊管顶面距离砂芯的上顶面预留了100mm的吃砂量，底面直接通到砂芯的下端面。

图3.9 1号砂芯芯骨设置

在焊管的管壁上打有一些小孔，用于砂芯的排气。浇注过程中砂芯上产生的气体通过管壁上的小孔进入焊管空腔内，然后通过砂型上的排气孔排出到外界。

其他砂芯由于尺寸较小，因此未设置芯骨，另外，由于这些砂芯与砂型壁直接接触，因此可以依靠砂型上的出气孔来实现排气。 3.5.4 集砂槽、防压环的设计

为了加速下芯、合型及保证铸件质量，我们在如图所示的位置设置了集砂槽和防压环。两者的尺寸根据砂芯的结构尺寸得：集砂槽的尺寸为B=20mm，H=20mm；防压环的尺寸为B=2mm，H=12mm。集砂槽和防压环由模样直接做出。如图3.10.

防压环

集砂槽

图3.10 集砂槽、防压环 图3.11 砂芯组合图

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