“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛

(a) (b) （c） （d）

图5.7 优化方案卷气顺序

(a) 时间6.9s (b) 时间15.8s (c) 时间33.6s (d) 时间44.8s

5.3.2 缩孔缺陷预测及分析

图5.8为凝固过程中残余熔体分布及铸件的截面的缺陷预测结果。

从图5.8中可以看出，铸件浇注方案二中出现的缩孔缩松并无明显减少，热节点基本无变化。可见，由于尾板铸件是大型件，改变浇注系统对改善缩孔缩松影响不大，故方案还需进一步优化。而要实现无冒口铸造，需要使用大量冷铁。后续优化主要是增加安全冒口并布置多处冷铁。 5.3.3 方案三的工艺改进

(a) (b) (c) （d）

图5.8 残余熔体分布及缺陷预测结果

鉴方案三充型、温度场的分布情况都达到了比较好，在此仅对方案三在铸造过程中进行工艺改善，并对改善后的方案进行数值模拟。

工艺改善的要点如下：

在浇注平面的厚大部位增设2个安全冒口； 冒口形式采用压边冒口；

压边冒口尺寸：高Hr=250mm，压边e=15，另一侧设30°斜度，长L=120mm，宽B=100mm。

冒口位置如图5.9所示。

（2）放置冷铁

铸件厚大热节处冷却速度过慢，拟加强铸型冷却，在可能产生缺陷的部位设置外冷铁，增加冷铁数量，调整冷铁位置，对金属液激冷以达同时凝固条件。在尾板上部大平

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面处设置2个外冷铁，在减重孔处设置6个外冷铁。

大平面外冷铁（2块），工作面积200×150mm；厚度δ=80mm； 铸件内部减重孔外冷铁（6块），工作面积220×130mm；厚度δ=40mm。 冷铁的布置位置如图5.10所示。

对工艺改进方案进行数值模拟，凝固残留熔体分布及铸件截面的缺陷预测状况见图5.11。

从图5.11残余熔体分布及缺陷预测结果显示，铸件内部的缩孔缩松缺陷范围有所减小，但并未完全消除。

因此需对方案三的冷铁进行优化。

改进措施如下：增加冷铁数量，调整冷铁厚度和位置。

将方案三铸件内部减重孔的外冷铁工作面长度减半，厚度均改为δ=60mm，为了使方便取出，冷铁分块安装在砂芯上，分块如图5.12所示；增设铸件外部减重孔外冷铁（共6块），工作面积145×110/100/160mm（3块）、170×140mm（3块），厚度为δ=65/35/60mm；增设铰耳减重处外冷铁（共6块），工作面积90×100mm，厚度δ=60mm；增设底层内浇道与铸件拐角一处冷铁(1块)，工作面积48×40mm，δ=40mm。

优化方案见图5.13。凝固残留熔体分布及铸件截面的缺陷预测状况见图5.14。

虽然从模拟结果看，整个优化过程不能完全消除缩孔缺陷，但在实际生产中，在球墨铸铁冶金质量高，铸件模数大，采用低温浇注和坚固的铸型等条件下，有可能保证浇入铸型内的铁液，从一开始就膨胀，从而避免收缩缺陷—缩孔的可能性。

从图5.14（a、b）模拟结果看出，可能的缩孔缺陷的分布范围较小，在坚固的铸型内，可以认为膨胀内压足以克服这些收缩缺陷。 考虑到经济性，节省树脂砂，浇口杯旋转90°，说明：为减少浇口杯一侧吃砂量，浇口杯旋转90°

另外，在不需机加工的位置安放大量冷铁后，缩松转移至需机加工的部位，如图5.14（c），此时，有缺陷的部分通过后续机加工除去即可。至此，最终的冷铁方案如图5.13所示，整个工艺优化基本完成。

图5.9 冒口布置示意图

图5.10 冷铁布置示意图

(a) (b) 图5.11 方案三残余熔体分布及缺陷预测

（a）剖面c；（b）剖面d

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。

冷铁铁

图5.12 冷铁分块图

图5.13 冷铁优化布置

(a) (b) (c)

图5.14 方案四残余熔体分布及缺陷预测 （a）剖面c；（b）剖面d；（c）剖面e

6 铸造工艺装备的设计

6.1 模样的设计

模样包括铸件模样、浇口与芯头等的模样，如图6.1。模样的外形，根据工艺图绘制，其中形成铸件轮廓的尺寸均应放缩芯头尺寸，压环，集砂槽及浇冒口系统模样无需放缩尺寸，只需按工艺图上所给的尺寸绘制。 6.1.1 模样材质的确定

考虑到模样必须具有一定的尺寸精度和表面粗糙度，具有足够的强度和刚度，在造型、制芯中不损坏、不变形，便于造型和制芯操作，模样结构便于加工，成本低，且尾板属于单件、中等批量生产的大件，可采用灰铸铁制做模样，灰铸铁加工后表面光滑，强度硬度高、耐用且价廉。综上所述，决定采用HT250铸铁，自由收缩率为0.8～

1.0%；结构为空心。金属模的壁厚及加强肋查铸造设计手册确定，（A+B/2=2000mm，则壁厚和加强肋t=12mm。

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6.1.2 金属模的本体结构

金属模的本体结构设计成两半分开式模样，内部布置加强肋。 6.1.3 模样的基本尺寸

与铸件有关的模样尺寸按L模=（L件±L艺）（1+K）,K为0.01，标注是保留1位小数，只进不退；与铸件非关联的尺寸按铸造工艺图上的尺寸标注，不加铸造收缩率。 6.1.4 表面光洁度与尺寸公差的确定

模样分开面平面度<0.12mm，模样工作表面尺寸偏差由铸造手册确定，内腔不作要求。

6.1.5 模样在模底板上的定位和连接

模样在模底板上的装配偏差：在保证上、下模样的装配相对位移偏差不大于0.1mm的条件下，模样在模底板上的位置偏差参考值单面模板≤0.7mm。内浇道模尺寸偏差为±0.3mm。其余部位，模样尺寸偏差为±0.7mm。

上模样采用嵌入式的放置方式，定位靠矩形槽，无需定位销；模样与模板之间采用内六角圆柱头螺钉紧固，方式为上固定法，该方式需在安装后填平修补螺钉所在的位置。上模样如图6.1。

图6.1 上模样三维图

下模样采用平放式的放置方式，用两侧各一个圆柱销定位；由于下模样在砂箱起箱时需要跟随砂型一起起箱，因此，下模样与模板之间不设置紧固装置。下模样如图6.2.

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图6.2 下模样三维图

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