模具支架铸造工艺设计说明书

一、生产条件及技术要求

1、生产性质   试制研发。

2、材质   材质为QT400—15。

3、零件图

4、主要技术要求    力学性能：σb>400MPa；δ≥15%；130-180HBW。金属组织：球化等级≤4级；石墨大小5.8级；φ（P）≤20%;ω(Fe3C)≤3%.

二、造型、制芯

1、造型    采用手工造型；砂箱尺寸600mm*620mm*250mm，每型4件。

2、制芯设备    芯盒制芯。

三、熔炼工艺

1、铁液的化学成分    ω(C)=3.6%-3.9%；ω(Si) ≤3.0%；ω(Mn)＜0.5%；            ω(P) ≤0.07%；ω(S)＜0.03%；ω(Mg)残=0.03%-0.05%；      ω(Re)残=0.01%-0.03%。

2、球化剂    稀土镁硅铁合金，加入量为铁液质量分数的1.5%-1.7%。

3、出炉温度    1420-1440℃。

4、浇注温度    1320-1380℃。

5、孕育剂    75Si-Fe合金孕育，加入量为包内铁液质量分数的0.3%-0.7%。

6、熔炼设备    0.5t无芯工频感应电炉熔炼原铁液；在100Kg铁液包中进行球化处理；转50Kg浇包进行浇注。

四、主要工艺参数

1、加工余量   2-3mm,模具支座面机械加工余量取3mm；模具支座底面及侧面机械加工余量取2mm。

2、收缩率    1%。

3、拔模斜度    1°。

4、砂型硬度    砂型硬度大于40（C型硬度计）。

5、吃砂量    吃砂量为30-60mm。

6、型砂性能    湿压强度为0.12-0.14MPa，透气性≥100cm2/（Pa*s），紧实率为40%-48%（夏季），41%-47%（冬季）。

7、铸造圆角    铸造圆角为R2。

五、铸造工艺方案

1、浇注位置及分型面的选择    由于本铸件采用试制研发的方案进行设计，其可能的分型面的选取有如下图所示的6种：

但是，根据分析及铸件实际分型面的选取原则，我们不难发现方案3、4、5是根本无法起模的，故应舍弃；再由于方案2不能很好的保证铸件孔的同轴度，且容易发生错型、不易合箱，故也应舍弃；方案1使得大部分铸件都处在下型，且能很好的保证铸件孔的同轴度及圆度；方案6下芯方便，上下模样相同；故最终，确定方案1和方案6为本铸件的可行分型面选择方案。

2、对于方案1

2.1 型芯设计    根据铸件孔的基本尺寸及其加工余量，确定型芯的相关尺寸。砂型的实际工作长度L=101mm，垂直芯头与芯座之间的间隙S=0.5mm，垂直芯头与芯座之间的侧隙s/2=0.25mm，垂直芯头高度h=h1=30mm，垂直芯头的斜度α=9°，砂型直径D=46mm，相关数据参数如下图所示：

2.2、工艺分析图的确定    根据对零件结构优化、分型面、加工余量、拔模斜度以及型芯的相关设计，作出铸件的工艺分析图如下所示：

2.3、铸件图的确定    根据之铸件的分型面选择以及铸件加工余量和拔模斜度的确定，作出连杆铸件图如下所示：

2.4、冒口设计    根据球墨铸铁凝固特点，此件采用控制压力冒口进行补缩。这是因为当铸件以液态收缩为主时，冒口内铁液补给铸件以消除集中缩孔。

共晶膨胀初期，由于砂型硬度高，铸件内部压力大，多余铁液倒回入冒口，以降低铸件内部膨胀压力，防止铸件膨胀。而当冒口颈凝固后，共晶膨胀造成内压力自补缩，克服缩松缺陷，因此冒口大小选择以及冒口颈尺寸选择尤为重要。

（1）铸件相关参数计算

通过运用三维设计软件UG，测算出铸件的体积V=2157.5㎝3

进而计算出铸件质量m=V*ρ=2157.5*7.3=15.75Kg

（2）铸件关键模数的确定

1对于φ62的热节圆

铸件模数    Mc1=Drb/[2*(Dr+b)]=62*101/[2*(62+101)]=19.2mm

2对于φ40的热节圆

铸件模数

Mc2= Drb/[2*(Dr+b)]=40*101/[2*(40+101)]=14.3mm

根据以上分析，Mc1 > Mc2，Mc1是计算冒口时起决定性作用的模数，故选择Mc1为铸件的关键模数较合适。

（3）冒口模数及冒口颈模数的确定

根据《材料成型工艺》图4-35控制压力冒口的模数和铸件关键模数的关系，取冒口模数Mr=13.0mm。

又冒口颈模数Mn=0.67Mr，故Mn=8.7mm，取Mn=9mm。

（4）冒口尺寸的确定

查阅标注冒口系列尺寸关系，由Mr=0.1d得：d=68.8mm，取d=70mm。冒口高度h=1.5d=1.5*70=105mm；冒口质量m=1.04d3ρ=2.6Kg。

选用矩形冒口颈，由Mn=ab/(a+b),a为冒口颈宽度，b为冒口颈高度；取a=50mm，b=8mm。

冒口形状及冒口颈尺寸如下图所示：

（5） 冒口补缩能力较核

①冒口补缩距离    与传统冒口的补缩概念不同，控制压力冒口的补缩距离，不是表明冒口把铁液输送到铸件的凝固部位，而是表明有凝固部位向冒口回填铁液能输送多大距离。该距离与铁液冶金质量和之间模数密切相关，由于该铸件模数较大，显然冒口补缩距离足够。

冒口的位置及数目    冒口应安放在铸件模数大的关键部位，该铸件采用内浇道通过侧冒口的引入方式。经分析，由于冒口内金属液体积足以补缩铸件的液态收缩量，故此方案只用采用一个冒口即可。

2.5、浇注系统设计    采用封闭式浇注系统，内浇道阻流，挡渣作用较好。

（1）浇注时间    由经验公式确定

                           T=AMn

式中   A---经验系数，取2.3；

            M---浇冒系统重量+铸件重量，预设工艺出品率65%，每箱4件，则M可取96.9Kg；

            n---指数，球墨铸铁取0.33。

代入上式，计算的t=10.8s，根据生产确定浇注时间为11s。

（2）内浇道A阻的计算    根据奥赞公式

                    A阻= m/[ρ*t*μ*(2*g*Hp)1/2]

      式中   m---铸型内铁液重量，由于每箱4件，故m=M/4= 24.2Kg；

            μ---流量系数，取0.4；

            t---浇注时间，取11s；

            g---重力加速度，取10m/s2

            Hp---平均静压头，取250mm。

       代入计算得：A阻=390mm2=A内。

（3）浇道比    取浇道比   A内：A横：A直=1:1.2:1.4

             A内=390 mm2，依浇道比计算得：A横=468 mm2；A直=546 mm2。

根据《常用球墨铸铁件浇注系统尺寸》，取A内=400 mm2；A横=480 mm2；A直=560mm2。

      浇道截面如下图所示：

       2.6、工艺出品率校验

          最终，整箱中铸件重量为：15.75Kg；浇冒系统总重量为：15.2Kg。故实际工艺出品率为：ω=（15.75*4）/（15.75*4+15.2）=80.6%，符合预期设计要求。

       2.7、模样设计

           取铸件的体收缩率为1%，则其模样图如下：

       2.8、砂箱布置

根据吃砂量及砂箱内框尺寸，作出砂箱布置图如下：

   3、对于方案6

  3.1、 型芯设计    根据铸件孔的基本尺寸及其加工余量，确定型芯的相关尺寸。砂型的实际工作长度L=101mm，水平芯头与芯座之间的间隙S=0.5mm，水平芯头长度l=35mm，砂型直径D=46mm，相关数据参数如下图所示：

3.2、工艺分析图的确定    根据对零件结构优化、分型面、加工余量、拔模斜度以及型芯的相关设计，作出铸件的工艺分析图如下所示：

3.3、铸件图的确定    根据之铸件的分型面选择以及铸件加工余量和拔模斜度的确定，作出连杆铸件图如下所示：

3.4、冒口设计    根据球墨铸铁凝固特点，此件采用控制压力冒口进行补缩。这是因为当铸件以液态收缩为主时，冒口内铁液补给铸件以消除集中缩孔。

共晶膨胀初期，由于砂型硬度高，铸件内部压力大，多余铁液倒回入冒口，以降低铸件内部膨胀压力，防止铸件膨胀。而当冒口颈凝固后，共晶膨胀造成内压力自补缩，克服缩松缺陷，因此冒口大小选择以及冒口颈尺寸选择尤为重要。

（1）铸件相关参数计算

通过运用三维设计软件UG，测算出铸件的体积V=2152.1㎝3

进而计算出铸件质量m=V*ρ=2152.1*7.3=15.71Kg

（2）铸件关键模数的确定

3对于φ80的热节圆

铸件模数    Mc1=Drb/[2*(Dr+b)]=80*101/[2*(80+101)]=22.3mm

4对于φ47的热节圆

铸件模数

Mc2= Drb/[2*(Dr+b)]=47*101/[2*(47+101)]=16.0mm

根据以上分析，Mc1 > Mc2，Mc1是计算冒口时起决定性作用的模数，故选择Mc1为铸件的关键模数较合适。

（3）冒口模数及冒口颈模数的确定

根据《材料成型工艺》图4-35控制压力冒口的模数和铸件关键模数的关系，取冒口模数Mr=13.9mm。

又冒口颈模数Mn=0.67Mr，故Mn=9.3mm，取Mn=9.5mm。

（4）冒口尺寸的确定

查阅标注冒口系列尺寸关系，由Mr=0.1d得：d=73.5mm，取d=76mm。冒口高度h=1.5d=1.5*75=114mm，取h=115mm；冒口质量m=1.04d3ρ=3.33Kg。

选用矩形冒口颈，由Mn=ab/(a+b),a为冒口颈宽度，b为冒口颈高度；取a=50mm，b=6mm。

冒口形状及冒口颈尺寸如下图所示：

（5） 冒口补缩能力较核

①冒口补缩距离    与传统冒口的补缩概念不同，控制压力冒口的补缩距离，不是表明冒口把铁液输送到铸件的凝固部位，而是表明有凝固部位向冒口回填铁液能输送多大距离。该距离与铁液冶金质量和之间模数密切相关，由于该铸件模数较大，显然冒口补缩距离足够。

冒口的位置及数目    冒口应安放在铸件模数大的关键部位，该铸件采用内浇道通过侧冒口的引入方式。经分析，由于冒口内金属液体积足以补缩铸件的液态收缩量，故此方案只用采用一个冒口即可。

3.5、浇注系统设计    采用封闭式浇注系统，内浇道阻流，挡渣作用较好。

（1）浇注时间    由经验公式确定

                           T=AMn

式中   A---经验系数，取2.3；

            M---浇冒系统重量+铸件重量，预设工艺出品率65%，每箱4件，则M可取96.7Kg；

            n---指数，球墨铸铁取0.33。

代入上式，计算的t=10.7s，根据生产确定浇注时间为11s。

（2）内浇道A阻的计算    根据奥赞公式

                    A阻= m/[ρ*t*μ*(2*g*Hp)1/2]

      式中   m---铸型内铁液重量，由于每箱4件，故m=M/4= 24.2Kg；

            μ---流量系数，取0.4；

            t---浇注时间，取11s；

            g---重力加速度，取10m/s2

            Hp---平均静压头，取250mm。

       代入计算得：A阻=390mm2=A内。

（3）浇道比    取浇道比   A内：A横：A直=1:1.2:1.4

             A内=390 mm2，依浇道比计算得：A横=468 mm2；A直=546 mm2。

根据《常用球墨铸铁件浇注系统尺寸》，取A内=400 mm2；A横=480 mm2；A直=560mm2。

      浇道截面如下图所示：

       3.6、工艺出品率校验

          最终，整箱中铸件重量为：15.71Kg；浇冒系统总重量为：17.27Kg。故实际工艺出品率为：ω=（15.71*4）/（15.71*4+17.27）=78.4%，符合预期设计要求。

3.7、模样设计

           取铸件的体收缩率为1%，则其模样图如下：

3.8、砂箱布置

根据吃砂量及砂箱内框尺寸，作出砂箱布置图如下：

      4、方案对比

            方案1的铸件大部分放在下砂箱，与方案6的中间分型相比，冒口的补缩效果更好一些，且经过计算，冒口的重量也要小些，最终导致方案1比方案6的工艺出品率要高一些；且方案1的模样制作要比方案6简单，铸件毛坯的清理工作量要比方案6小些，故最终选择方案1进行试制研发。

六、主要缺陷及防治措施

   1、缩松   产生缩松部位主要是冒口颈及铸件厚大部位；缩松主要是冒口补缩不利；预防措施为将冒口移至厚大部位处以及调整冒口颈尺寸。

   2、夹渣   夹渣出现在大平面上不加工面以及圆孔内侧。主要原因可能是由于横浇道较短，铁液中的渣子来不及上浮。预防措施为在横浇道处采用上下箱搭接下滤渣网。