下钳体的铸造工艺设计
1绪论
1.1铸造技术发展现状
中华文明大致经历了石器时代、铜器时代和铁器时代三个历史阶段，这三种材质的工具和技术的创造发明，随着人类的繁衍，不断推动人类文明向高级阶段发展，金属的应用使人
类文明产生了根本性的飞跃，而铸造技术的运用和金属的发展紧密联系在一起。对古代很多务农的人来说，铸造技术是一门手艺。据历史考证，我国铸造技术开始于夏朝初期，迄今已有5000多年。到了晚商和西周初期，青铜的铸造技术得到了蓬勃发展，形成了灿烂的青铜文化，遗留到今天的有一批铸造工艺水平较高的铸造产品。
中国古代的铸造方法有：石型即用石头或石膏制作铸型；泥型古称“陶范”；金属型古称“铁范”；失蜡型有出蜡法、走蜡法、脱蜡法或刻蜡法；砂型这种方法是伴随泥型一起产生的。
中国古代铸造中的精品有：沧州铁狮，司母戊方鼎，四羊方尊，曾侯乙尊盘，永乐大铜钟，大型铜编钟，铜车马仪仗队等。
尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。第一,专业化程度不高,生产规模小 。我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。第二,技术含量及附加值低。我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。第五,材料损耗及能耗高污染严重。中国铸铁件能耗比美国、日本高70%～120%。第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。
发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。
在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺。 砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%-5%；标准更新快（标龄4-5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。
重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂等飞速发展。
自中国加入WTO以来,我国铸造行业面临机遇与挑战。其未来发展将集中在以下几方面。第一,鼓励企业重组发展专业化生产,包括铸件大型化和轻量化生产。第二,加大科技投入切实推动自主创新,实现铸件的精确化生产和数字化铸造。第三,培养专业人才加强职工技术培训。第四,大力降低能耗抓好环境保护,实现清洁化铸造。
1.2我国铸铁发展现状
我国铸铁业布局分散、企业规模小, 生产的社会化水平低, 技术水平不等, 技术成果的生产转化率低。而冲天炉作为其基础工艺设施, 更是集中体现了这些特点, 大量低水平运行的小冲天炉造成的环境污染、资源浪费和低质铸件是不言而喻的。在操作技术方面, 由于长期以来自动化程度低,人工操作技术得以深入的发展。炉子的熔炼状态对操作者的依赖很大, 致使冲天炉的熔炼水平差别很大,甚至同一台炉子也会因为操作人员状态的变化和更换操作者, 而出现熔炼水平的波动。实现冲天炉操作的智能化、自动化才能从根本上避免操作者的随机不良 影响, 使冲天炉按最佳状态稳定运行。我国冲天炉自动化研究起步虽晚, 但进展较快, 在自动优化配料、上料、熔炼过程优化控制方面取得了一些实用成果,使我国冲天炉的自动化操作水平提高了一大步, 缩短了与世界先进水平的差距。加入WTO将在我们面前展现一个竞争激烈的世界铸件市场。我们不但要保持铸铁件生产大国的地位, 还要成为铸铁件生产的强国。因此, 冲天炉熔炼的发展将围绕强化管理、促进技术改造、提高规模效益进行。我国冲天炉技术的发展方向主要有以下若干方面:
(1) 走专业化生产道路, 提高冲天炉作业率, 向大型化、智能化、长期作业方向发展;
(2) 炉料供应专业化、规模化;
(3) 大力发展冲天炉配套技术, 同时加强对冲天炉的控制和检测;
(4) 发展冲天炉- 电炉双联熔炼技术;
(5) 获得高温优质铁水是冲天炉熔炼的根本任务。
1.3铸铁合金的发展
高强化、薄壁化是我国灰铸铁的发展方向我国高强度灰铸铁件与国外相比, 主要差距是强度低、耐磨性差、寿命低、断面敏感性大、加工性差。高强度灰铸铁的着眼点是提高碳当量, 在保证良好的铸造性能的同时获得高的强度。但为获得强度高、性能稳定和品质均一的铸铁件, 又必须严格控制碳当量, 并从熔炼、检测等方面来予以保证。目前国外对高强度灰铸铁的生产, 除作常规检测外, 还
提出了十项新的检验指标, 即铁水温度、铁水纯净度、共晶团数、共晶度、相对硬度、相对强度、品质因数、弹性模数、过冷度、过冷度比。其中, 共晶度一般在018～110左右较好; 相对强度为1115～1120时, 铸铁的性能最理想; 相对硬度在018～110时, 切削性能良好。品质因数愈高, 材质愈好。过冷度一般控制在6～8℃之间, 这时孕育效果最佳; 过冷度比通常控制在115～215之间; 弹性模数之值愈大, 铸铁抗拉强度愈大; 共晶团愈细, 铸铁的强度愈高。通过对上述指标的严格控制可达到稳定的质量。
我国高强度灰铸铁研究的重点是: ①提高铁液温度, 改善铸铁冶金质量, 采用合成铸铁熔炼工艺; ②加强孕育处理技术, 尤其是强化孕育铸铁的研究和推广; ③研究和推广低合金化孕育铸铁; ④调整化学成分、控制铸铁的Si/ C比, 以获得高强度低应力铸铁。国内的实践表明, 若使Si/ C比值在015～019, 再加以适当的孕育和合金化, 可获得具有良好综合力学性能的高强灰铸铁。另外, 调整Mn、Si 含量, 使含Mn量比含Si 量高012%～113%或以上, 可以得到另一种高强度低应力铸铁。目前, 我国的工厂大多无炉前快速测定C、Si 含量的仪器, 因而不能及时掌握C、Si 的变化情况, C、Si 含量波动很大, 致使铸件质量难以稳定, 这是今后急需解决的一个问题。铸铁薄壁化、轻量化、强韧化是为了满足工程界对工程材料节能性、回用性两方面的要求, 适应“人类可持续发展战略”的需要。对汽车工业而言, 降低整车自重对节能、减少废气排放有关键性的意义。铸件的“薄壁高强”化正在工程界成为一种趋势, 其技术应用也将日益成熟并迅速拓展, 在可以预见的将来, 3～5mm的高强薄壁球铁件将会大量出现在一般机电产品中。所谓“薄壁高强”, 即生产中所指壁厚为4～6mm(国外为310～315mm) , 抗拉强度大于250MPa。而国内目前大多数工厂发动机仍使用HT200牌号材质标准。就材质而论, 其主要原因是大多数工厂采用冲天炉熔炼, 铁液指标达不到要求,特别是铁液温度低和化学成分波动大, 使该类产品铸件难以控制, 从而导致废品率高。其中属于材质方面的主要是性能达不到高牌号要求, 断面均匀性差, 渗漏严重, 热疲劳性能差。我国在“六五”至“八五”期间, 经过科研院所、大专院校与生产厂家的联合攻关, 对高强薄壁铸铁件的研究取得了较大进展, 缩短了与国外先进水平的差距。与国外同类产品相比, 在铸件的使用性能和品质稳定性方面, 还存在着不小的差距。如在材料耐磨性方面, 国外汽车
一般第一次大修里程, 汽油机为30万km, 柴油机大于50万km。而国内分别是10～15万km和25万km。汽缸套使用寿命国外可达到6000～8000h, 而国内只有3000～5000h。由于耐磨性与材料的综合性能密切相关, 为满足发动机不断强化的要求, 改善缸体的组织与性能和研究缸体新材料与新工艺, 提高缸体耐磨性和使用寿命, 已成为当前国内外学者和工程技术人员研究的重点之一。
1.3.1 发展球铁新品种、采用新的球铁生产工艺
(1) 加强薄壁和大断面铸态球铁技术的开发和应用。要保证铸件的力学强度和切削加工等性能不致因壁厚减小而降低, 其基本途径就是使球墨铸铁的力学 性能得到改善。最重要的两个方面, 一是白口化倾向的减低和抑制, 二是石墨组织的改善。球化剂的合理选用和稀土(RE) 元素的加入是实现高强度薄壁球铁铸造的关键。该技术的核心是在铸造(熔炼) 工艺中要保证RE/ S=2～215。球化剂要选用Fe2Si2Mg2RE2Ca系材料, 其中稀土元素(Ce、La、Pr) 的加入并使之与硫保持一定比例是球化技术关键, 同时严格控制P≤0104%～0106%、Bi =01003%～01007%。实验证实, 当Mg/ S>5时, 易生成白口; 而RE/ S215时, 也易出现白口。故在一般情况下要求硫含量越低越好的铸铁, 此 时(薄壁状态) 为了一定的球化率、晶粒细化和减少白口, 则必须保持一定比例的硫含量。此点对于以废钢(S较少) 为主要原料的熔炼厂应特别予以注意。
(2) 继续开发和应用奥2贝球铁。奥2贝球铁是近几十年来铸铁冶金研究的重大成就之一, 它是迄今为止具有最好综合性能的一种球铁, 尤其是高的弯曲疲劳性能和良好的耐磨性, 因而获得广泛的注目和开发应用。奥贝球铁的基体组织由板状或针状铁素体、25%～50%的稳定残余奥氏体和碳化物组成, 有时有少量的马氏体存在, 一般通过850～900℃奥氏体化后在300～450℃等温淬火来获得, 其常规化学成分与通常的铁素体或珠光体球铁一样。采用等温淬火来获得奥2贝球铁, 其热处理费用高, 难以普及, 且因残余奥氏体向马氏体转变这一加工硬化现象使得加工困难。国外出现了中断热落砂法、中断正火法等新的生产奥2贝球铁工艺, 这些生产工艺成本低、能耗少,且可行, 因而具有研究和推广的实际意义。
(3) 发展奥氏体球铁。奥氏体球铁在石油、化工、海洋与船舶、仪器仪表、食品、动力与冷冻、以及核工程等许多领域都具有广阔的应用前景, 因而成为近年来球
铁领域中的一个新的研究重点。尽管目前产量还不大, 但有些国家却发展很快, 尤其德国的产量每年以10%的速度递增, 并且, 一种以GGG2NiCrNb2022为牌号的可焊接奥氏体球铁已在德国问世, 其化学成分( %) 为: C≤310, Si115～216, Mn015～115, P≤0104, Nb011～012, Ni18～22,Cr112～215, Mg0108。瑞士Sulzer 研制的新型Ni2Mn奥氏体球铁在2196℃下仍具有很好的冲击韧性,最近又出现了15%Ni25%Mn、20%Ni24%Mn系的经济性很好、低温用奥氏体球铁。现在, GGG2NiMn137牌号也开始用于制造热核反应堆外壳承重结构、核潜艇高压壳体等。我国镍的贮量占世界第一位, 而奥氏体球铁的研究还是一个弱点, 因此有待开发, 尤其是高Ni 奥氏体球铁。(4) 采用新的球铁生产工艺。在熔炼方面, 最好采用感应电炉或冲天炉2电炉双联熔炼, 特别是冲天炉—炉外脱硫—电炉保温的工艺流程能为制取球铁提供优质的高温低硫原铁液。在球化处理方面, 现在国内外已有的方法达8种以上, 国外广泛采用GF转包法和包盖法, 我国也正在推广使用。在孕育方面, 孕育剂的选择应在一定的铸件冷却速度下使球化—孕育有一个最佳的搭配。孕育方法以瞬时孕育为佳, 近十多年来, 国内外已发展了五六种新的瞬时孕育工艺。此外, 近年来发展的铁液过滤净化技术也已得到推广 应用, 成为提高球铁质量的一种很好的措施。
1.3.2 发展孕育技术
孕育推动了高强度灰铸铁的发展, 并使球墨铸铁、蠕墨铸铁的生产更趋完美。凡是经过孕育处理的铸铁, 都具有石墨细化、组织均匀和壁厚敏感性小的特点。随着工业的发展, 势必有大量废钢要利用, 电炉熔炼在铸铁熔炼中的地位日益突出。在该种熔炼、炉料条件下, 孕育更是必不可少。孕育处理已经成为生产优质铸铁产品的一种重要手段。在现代铸铁的生产中, 灰铸铁以及球墨铸铁孕育处理的重要性正越来越受到人们的重视, 而且这种情况肯定还会继续下去。过去, 对孕育的发展往往寄希望于新的孕育剂,这无疑是必要的。但近年来, 孕育方法的改进, 特别是迟后孕育, 受到了人们的重视。因此, 今后在发展孕育剂的同时, 对孕育问题的注意力可能转向发展新的孕育方法。另外, 必须在铁液质量、铁液成分、炉料组成、孕育技术、炉前快速检验与控制等环节采取措施, 克服铸造性能、白口倾向、力学性能以及希望高碳当量之间的矛盾
1.3.3 发展合金铸铁
合金化是提高铸铁性能的重要手段之一, 随着生产日益发展, 铸铁合金化或微合金化必将发挥重要的作用。必须结合当地资源不断开拓合金铸铁新品种,利用先进手段不断加深对现用合金铸铁的认识。
1.4 未来的发展方向
新世纪的到来给我国铸造业带来了大好的发展机遇和严峻的挑战。同样, 铸铁业在积极采用高新技术改造传统产业, 充分挖掘铸铁材料的巨大潜能等方面必将紧跟时代的步伐, 预计未来在以下若干方面将得到发展。
(1) 以机床工业、能源工业、核能工业、石化工业及海洋工程为主要目标, 以重、高、大、难为特点, 开展重大技术装备、铸造技术的基础理论研究。
发展数值模拟、物理模拟及专家系统, 使铸铁技术由“经验”走向“定量”。
(2) 以汽车工业, 航空航天及核能工业为主要目标, 以强韧化、轻量化、精密化、高效化为特点, 开展铸铁新材料、新工艺的研究。
(3) 为提高产品质量和生产率, 增强我国工业产品在国际市场上的竞争能力, 开展铸造过程自动化、柔性生产单元和系统及集成制造技术的研究。
(4) 激励开展有潜在应用前景的铸铁技术应用基础理论的研究。
(5) 大力发展提供铸铁工艺材料及辅料的专业化、现代化的企业。
(6) 发展绿色集约化铸造, 加大力度治理铸造过程对环境的污染, 加强对铸造材料的再生和回用。
2零件分析
2．1下钳体的生产条件、结构及技术要求
● 产品生产性质——大批量生产
● 轮廓尺寸为380mm*232mm*122mm，主要壁厚5mm，铸件重量为6Kg，铸件的外
型示意图如图2.1所示；铸件除满足几何尺寸精度及材质方面的要求外，无其他特殊技术要求。
● 此零件采用灰铸铁为生产材料。
图2.1 下钳体外形示意图
2．2下钳体结构分析
下钳体的零件结构图如下图所示
零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。审查、分析应考虑如下几个方面：
1.铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。此铸件根据《铸造工艺课程设计手册》第一页表1-1与表1-2综合考虑，我们选用灰铸铁作为铸造此铸件的材料。
2.铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角 铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。
3.铸件内壁应薄于外壁 铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。
4.壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。
5.利于补缩和实现顺序凝固。
6.防止铸件翘曲变形。
7.避免浇注位置上有水平的大平面结构。
对于下钳体的铸造工艺性审查、分析如下：
砂型铸造条件下该轮廓尺寸为380mm*232mm*122mm，允许的最小壁厚查《铸造工艺课程设计手册》第一页表1-1与表1-2得：最小允许壁厚为5 mm。
根据《铸造工艺课程设计手册》第一页表1-3、表1-4与表1-5 经过检验零件图上各处的铸造圆角、壁厚的过度形式、铸件壁的连接形式均较合理，符合要求。
3.工艺分析
3.1分型面的确定
分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。
初步对水泵体进行分型有：方案一如图3.1所示，方案二如图3.2所示。
图3.1分型面确定方案一
图3.2分型面确定方案二
而选择分型面时应注意一下原则：
1.应使铸件全部或大部分置于同一半型内
2.应尽量减少分型面的数目
3.分型面应尽量选用平面
4.便于下芯、合箱和检测
5.不使砂箱过高
6.受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度
7.注意减轻铸件清理和机械加工量
对方案一如图3.1进行综合分析如下：
1. 分型面选择在最大截面处，且基本都是平面；
2. 造型时比较困难，在砂箱合箱时可能不太准确，影响铸件的精度；
3. 上下模取模都不方便，需要加芯子才能解决；
4. 芯子的稳定性不好，需要加活块进行固定；
5. 浇注时厚大部分可能会产生浇不到，产生缺陷；
对方案二如图3.2进行综合分析如下：
1铸件大部分位于同一半型内，这样合箱时易于对准，不会产生偏差；
2.砂芯在山下型中分布较为均匀；
3.上箱难于取出模样，需要做芯子才能解决；
4.铸件精度可以保证，且造型比较方便；
5.浇注时两边的厚大部分可能会浇不足，需要设置冷铁；
经以上几点分析，综合比较，方案二比方案一可行性更强，故采用第二种分型方案。
由于铸件外形尺寸较小，而且我们所采取的是砂型铸造方法，因此采用一箱两件的铸造方案
3.2确定型内铸件数目
由于铸件外形尺寸较小，也考虑到所选用的铸造方法是砂型铸造，故采用一箱两件的铸造方案。
图3.3 砂箱中铸件排列示意图
4砂芯设计
4.1.1 砂芯的功用是形成铸件的内腔，孔和铸件外形不能出砂的部位。砂芯应该满足以下要求：砂芯的形状，尺寸以及在砂芯中的位置应符合铸件要求，具有足够的强度和刚度，在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外，铸件收缩时阻力小和容易清砂。
4.1.2确定砂芯形状的基本原则：
1）保证逐渐内墙尺寸精度。
2）保证操作方便。
3）保证铸件壁厚均匀。使砂芯的起模斜度和模样的起模斜度大小，方向一致，保证铸件壁厚均匀。
4）应尽量减少砂芯数目。
5）填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面。
4.2主要砂芯
1#砂芯如下图所示：
图4-2
1#砂芯的主要作用造出D=55mm，L=82mm的通孔，查铸造工艺手册表3-1（JB/T5106-91）由于L=82mm，小于100mm，在考虑湿型浇注，选择垂直芯头的高度和芯头座间的配合间隙参数S=0.3，S1=(1.5-2)S=2*0.3=0.6.h=（25-30）,取h=30,h1=(0.6-0.7)h=0.6*30=18.垂直芯头顶面与芯座的配合间隙S2=0，考虑到大批量生产，又由于高度中心线对称，故可以把上下芯头设计成相同。上部芯头α1=10°a1=7,α=10°a=7.
2#砂芯的设计如下图所示：
2#砂芯的主要作用造出A=B=50mm,(A+B)/2=50,L=16mm的凹槽，查铸造工艺手册表3-1（JB/T5106-91），对于湿型,选择垂直芯头的高度和芯头座间的配合间隙参数:S=0.3, S1=(1.5-2)S=2*0.3=0.6.h=(25-30),初步选定h=25,考虑到铸件的放置位置为水平放置，而此时贴近铸件的位置将没有上部芯头，从而下部芯头高度应增加30-50%，即h=25*(1+30%)=32.5. 垂直芯头顶面与芯座的配合间隙S2=0 ,因为h
3#砂芯的设计如下图所示：
3#砂芯的主要作用造出深度为L=55mm的凹型槽，查铸造工艺手册表3-1（JB/T5106-91）。由于L=55，故查表可得S=0.5，S1=1.5*S=1.5*0.5=0.75 h=(25-30)，选择h=30. 垂直芯头顶面与芯座的配合间隙S2=0.5,.上部芯头：a=7α=10°下部芯头：a1=5,α=7°
.
5浇注系统的设计
5.1浇注系统的设计
浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称，它由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道组成。
5.1.1选择浇注系统类型
浇注系统分为封闭式浇注系统，开放式浇注系统。虽然封闭式浇注系统但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。但是它全部的全部截面上的金属液压力均高于型壁气体压力能使金属液充满浇注系统。而且控流截面积在内浇道，浇注开始后，金属液容易充满浇注系统，呈有压流动状态。阻渣能力强，适用于各种铸铁件。此零件的重量为5 Kg,壁厚为7mm（铸造工艺手册上查得为薄壁件），所以铸件为小型铸件。综合考虑，薄壁件经常会出现浇不足的现象，所以对流速要求较大。所以选择封闭式浇注系统。
5.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向
I
II
根据零件结构图确定分为两个模板进行造型，零件上下模为上图所示。为了方便造型，内浇道开设在分型面上。经过对零件图的分析为了防止浇注时会产生的铸造缺陷决定开设三个内
浇道。而且从I可以看出零件的底部（就是标有1、2、3）结构比较上部分来说较为简单，这样可以是逐渐由简单到复杂的顺序来凝固，将来可是补缩效果良好。所以把内浇道设在此处三个内浇道分别为1、2、3。4
为横浇道，设在铸件的的侧面。使金属液可以从侧面引入。
由《铸造工艺手册》50页，得上表。如表所示由于铸件质量为6Kg。所以内浇道最小截面积取2.5由于内浇道数量n=3,所以内浇道的最小面积取0.8cm2
为了使造型方便，所以把内浇道开设在砂型的分型面上。在设计内浇道时采用扁平梯形，这样可以有效防止夹杂物流入铸型型腔，而且不易在铸件连接处产生缩松，同时便于清理。横浇道采用高梯形，这样可进一步增强阻渣能力，为内浇道提供干净的金属液。直浇道为圆柱形，浇口杯采用普通漏斗形。
从铸造工艺手册得下表：
浇注系统选择的是封闭式浇注系统，各浇道的截面积之比为：F内：F横：F直=0.5:1.5:1 又因为内浇道的截面积为2.5 cm2.所以计算得直浇道和横浇道截面积分别为：7.5 cm2
和5
cm2.所以从上表得各浇道面积如图：
为了使金属也能平稳的均匀的流入横浇道，一般会在直浇道的起始地方，也就是 浇口，会设置一个浇口杯这样可以减小金属液垂直流入时浇道的冲刷力，从而减小沙粒的的脱落，而且这样可以降低对工人师傅的技术要求使浇注变得相对简单点。横浇道和直浇道相连的地方通常设有一个直浇道窝，它的作用是为横浇道提供一个平稳流动的金属液，因当金属液从直浇道留下来时，有很大的冲压力，如果不设置直浇道窝，使金属液直接进入横浇道，这样会使流入横浇道的金属液由于在拐角处的冲力产生的紊流而夹杂大量的气体，且金属液流动的很不平稳，这样势必会造成铸造缺陷（气孔，砂眼等）所以在此设置一个直浇道窝是很有必要的。而横浇道采取如图所示的多阶梯式，这样可以增强其阻渣的能力，也能进一步控制金属液的流动平稳性，降低冲刷力,减小铸造缺陷。
5.2冒口的设计
冒口是铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。
我们所用的材料是铸铁，而通过查资料（《铸造工艺学》）得高牌号的灰铸铁的共晶度很低结晶温度范围宽共晶转变前析出奥氏体阻碍补缩，所以冒口补缩的距离较小，补缩的效果不明显，而且，此铸件为小的薄壁铸件，一般只有在湿型或者壳型铸造较厚的铸件时才有必要设置冒口。所以可以不设置冒口。
5.3冷铁的设计
为了增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块称为冷铁。
下钳体铸件壁厚较为均匀，两边为厚大部分，容易产生浇不到及产生裂纹缩松等缺陷。因此需要设置冷铁，消除铸造缺陷，保证铸件的精度。
6．工装设计
6.1模样的设计
6.1.1模样材料的选用
模样是造型工艺过程必须的工艺装备，用来形成铸型的型腔，因此直接关系着铸件的形状和尺寸精确,下钳体为大批量生产，所以用金属模样，该金属模样的材料选用如下： 模样：铝合金（质轻、不生锈，加工性能好，加工后表面光滑，并有一定的耐磨性，但耐磨性较差），适用于成批和大批量生产的中、小型模样。
下钳体属于中、小型铸件，要求一定的耐磨性、强度和刚度，而且要有较高的尺寸精度。选用铝合金较为合适。
选用ZL102
出气针、气孔针：45#钢
6.1.2金属模样尺寸的确定
模样尺寸＝铸件尺寸 （1＋铸造线收缩率）
=（零件尺寸±铸造工艺尺寸）×（1＋铸造线收缩率）
注：“+”用于模样凸体部位的尺寸；“-”用于模样凹体部位的尺寸。
下钳体的线收缩率K=0.8%
6.1.3金属模样的技术要求
模样的尺寸精度、表面光洁度是影响铸件质量的一个重要因素，因此对其表面光洁度和尺寸偏差应严格控制。
由《铸造工艺课程设计手册》查表6-29与表6-30得：
模样表面的粗糙度为3.2，模样与模板接触面的粗糙度为6.3 。
6.1.4金属模样的生产方法
为增加材料浇注后的致密度，现将材料制作成与该模样形状类似的腔体，然后进行热处理，以增加其硬度，增加抗磨损能力，然后在用机器按模样的尺寸加工成模样的形状。
6.2模板的设计
模板也称型板，是由模底板和模样、浇冒口系统及定位销等装配而成。模底板用来连接与支承模样、浇冒系统、定位销等。
本设计采用单模底板，其工作面是平面。
6.2.1模底板材料的选用
对模底板材料的要求是有足够的强度，有良好的耐磨性，抗震耐压，铸造和加工性。根据模样的结构及生产要求，选用铸造铝合金作为模底板的材料。
6.2.2模底板尺寸确定
模底板长＝砂箱长＋2×砂箱分型面出边缘厚度
＝500＋2×25=550 mm
模底板宽＝砂箱宽＋2×砂箱分型面出边缘厚度
＝300＋2×25＝350 mm
由《铸造工艺课程设计》查表6-20得：模底板的壁厚取为14mm
6.2.3模底板与砂箱的定位
模底板与砂箱之间采用定位销与销套定位。
6.3模样的设计
砂型铸造对铸件结构设计有一定的要求
，砂型造型铸件设计，不仅要考虑工作功能和力学性能的要求，还必须考虑合金铸造性能、铸造工艺对铸件结构的要求。铸件结构设计是否合理，对铸件质量、生产率和制造成本都有很大影响。铸件的结构，假如不能满意合金铸造性能的要求，将可能产生浇不到、冷隔、缩孔、缩松、气孔、裂纹和变形等缺陷。
流动性好的合金，充型能力强，铸造时就不易产生浇不到、冷隔等缺陷，而且能铸出铸件的最小壁厚也小。不同的合金，在一定的铸造条件下能铸出的最小壁厚也不同。设计铸件的壁厚时，一定要大寸：该合金的“最小答应壁厚”，以保证铸件质量。铸件的“最小允许壁厚“主要取决于合金种类、铸造方法和铸件的大小等。但是，铸件壁也不宜太厚。厚壁铸件晶粒粗大，组织疏松，易产生缩孔和缩松，力学性能下降。铸件艰载能力并不是随截面积增大成比例地增加。设计过厚的铸件壁，将会造成金属浪费。为了提高铸件承载能力而不增加壁厚，铸件的结构设计应选用合理的截面形状。此外，铸件内部的筋或壁，散热条件比外壁差，冷却速度慢。为防止内壁的晶粒变粗和产生内应力，一般内壁的厚度应小于外壁。铸件各部分壁厚若相差过大，厚壁处会产生金属局部积聚形成热节，凝固收缩时在热节处易形成缩孔、缩松等缺陷。此外，各部分冷却速度不同，易形成热应力，致使铸件薄壁与厚壁连接处产生裂纹。因此在设计铸件时，应尽可能使壁厚均匀，以防止上述缺陷产生。
结合以上综述，我们分别设计如下：
图6.1 上模板模样图
图6.2下模板模样图
6.3模具合模图
图6.4 上、下模具合模图
6.4芯盒的设计
6.4.1芯盒的类型和材质
查《铸造工艺课程设计手册》表6-32，下钳体所用的芯子均是小型的芯，故我们选用 热芯盒，芯盒材料为铝合金。
6.4.2芯盒的结构设计
查《铸造工艺课程设计手册》表6-34，芯盒的壁厚可在6～8mm之间取值，我们取7mm
6.4 芯
1
芯
2
芯子1的尺寸为55mmx32.5mm
芯3
6.5沙箱的设计
砂箱的设计内容有：选择类型和材质，确定砂箱尺寸。结构设计，定位及紧固等。
6.5.1砂箱的材质及尺寸
支座零件机械造型用砂箱可选用的材料牌号由《铸造工艺课程设计手册》查得有：HT15-33,HT20-40,QT45-5,QT60-2,QT40-10,ZG15～ZG45。选择HT200为砂箱材料，需进行人工时效或退火处理。
根据通用砂箱的规格尺寸选砂箱的尺寸： 上箱为300*250*100mm 下箱为300*250*120mm
6.5.2砂箱型壁尺寸及圆角尺寸
普通机械造型砂箱的箱壁选为普通砂箱壁形式，箱壁上流出气孔。 由《铸造实用手册》表1.5-47查得： 箱壁壁厚为t=10mm 箱壁型式如图：
致 谢
经过近两周的忙碌和学习，本次课程设计终于完成，在此，首先要感谢我们的指导老师郭永春老师的精心指导，及时为我们答疑解惑，才使我们的课程设计得以顺利进行，在此对郭老师表示衷心的感谢；其次，感谢本组的同学积极的配合，积极提出自己的意见和建议，对设计的方案提出宝贵意见，使本次的方案可行性进一步加强。
作为本科生，由于知识有限，实际生产经验有限，在设计中难免有许多不到位的地方，
希望老师可以体谅并提出宝贵意见，我们一定虚心接受，并在以后的工作中牢记教诲，精益求精。
再一次对郭老师表示衷心感谢，感谢您在百忙中对我们进行指导，谢谢！您严谨的工作态度是我们学习的榜样，是我们人生的楷模！
参考文献：
1. 叶荣茂 吴维冈 高景艳 编，《铸造工艺课程设计手册》，哈尔滨工业大学
出版社，1993.11
2. 《铸造手册》 中国机械工程学会铸造专业学会编，1994.10 3. 高文清 李魁盛 编，《铸造工艺学》，机械工业出版社，2010.7
4. 于顺阳 编，《现代铸造设计与生产使用新工艺、新技术、新标准》，当代
中国音像出版社
5. 陈为国 章登明 著，《圆柱形型腔热芯盒模具的制造工艺》，《模具制造》
2001.No.4
6. 中华人民共和国国家标准《GB-T 11350-89 铸件机械加工余量》
7. 中华人民共和国第一工业机械部部标准《JB2435-1978_铸造工艺符号及表示
方法》
8. 中华人民共和国机械行业标准《JB-T_5106-1991_铸件模样型芯头_基本尺
寸》
下钳体的铸造工艺设计
1绪论
1.1铸造技术发展现状
中华文明大致经历了石器时代、铜器时代和铁器时代三个历史阶段，这三种材质的工具和技术的创造发明，随着人类的繁衍，不断推动人类文明向高级阶段发展，金属的应用使人
类文明产生了根本性的飞跃，而铸造技术的运用和金属的发展紧密联系在一起。对古代很多务农的人来说，铸造技术是一门手艺。据历史考证，我国铸造技术开始于夏朝初期，迄今已有5000多年。到了晚商和西周初期，青铜的铸造技术得到了蓬勃发展，形成了灿烂的青铜文化，遗留到今天的有一批铸造工艺水平较高的铸造产品。
中国古代的铸造方法有：石型即用石头或石膏制作铸型；泥型古称“陶范”；金属型古称“铁范”；失蜡型有出蜡法、走蜡法、脱蜡法或刻蜡法；砂型这种方法是伴随泥型一起产生的。
中国古代铸造中的精品有：沧州铁狮，司母戊方鼎，四羊方尊，曾侯乙尊盘，永乐大铜钟，大型铜编钟，铜车马仪仗队等。
尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。第一,专业化程度不高,生产规模小 。我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。第二,技术含量及附加值低。我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。第五,材料损耗及能耗高污染严重。中国铸铁件能耗比美国、日本高70%～120%。第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。
发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。
在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺。 砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%-5%；标准更新快（标龄4-5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。
重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂等飞速发展。
自中国加入WTO以来,我国铸造行业面临机遇与挑战。其未来发展将集中在以下几方面。第一,鼓励企业重组发展专业化生产,包括铸件大型化和轻量化生产。第二,加大科技投入切实推动自主创新,实现铸件的精确化生产和数字化铸造。第三,培养专业人才加强职工技术培训。第四,大力降低能耗抓好环境保护,实现清洁化铸造。
1.2我国铸铁发展现状
我国铸铁业布局分散、企业规模小, 生产的社会化水平低, 技术水平不等, 技术成果的生产转化率低。而冲天炉作为其基础工艺设施, 更是集中体现了这些特点, 大量低水平运行的小冲天炉造成的环境污染、资源浪费和低质铸件是不言而喻的。在操作技术方面, 由于长期以来自动化程度低,人工操作技术得以深入的发展。炉子的熔炼状态对操作者的依赖很大, 致使冲天炉的熔炼水平差别很大,甚至同一台炉子也会因为操作人员状态的变化和更换操作者, 而出现熔炼水平的波动。实现冲天炉操作的智能化、自动化才能从根本上避免操作者的随机不良 影响, 使冲天炉按最佳状态稳定运行。我国冲天炉自动化研究起步虽晚, 但进展较快, 在自动优化配料、上料、熔炼过程优化控制方面取得了一些实用成果,使我国冲天炉的自动化操作水平提高了一大步, 缩短了与世界先进水平的差距。加入WTO将在我们面前展现一个竞争激烈的世界铸件市场。我们不但要保持铸铁件生产大国的地位, 还要成为铸铁件生产的强国。因此, 冲天炉熔炼的发展将围绕强化管理、促进技术改造、提高规模效益进行。我国冲天炉技术的发展方向主要有以下若干方面:
(1) 走专业化生产道路, 提高冲天炉作业率, 向大型化、智能化、长期作业方向发展;
(2) 炉料供应专业化、规模化;
(3) 大力发展冲天炉配套技术, 同时加强对冲天炉的控制和检测;
(4) 发展冲天炉- 电炉双联熔炼技术;
(5) 获得高温优质铁水是冲天炉熔炼的根本任务。
1.3铸铁合金的发展
高强化、薄壁化是我国灰铸铁的发展方向我国高强度灰铸铁件与国外相比, 主要差距是强度低、耐磨性差、寿命低、断面敏感性大、加工性差。高强度灰铸铁的着眼点是提高碳当量, 在保证良好的铸造性能的同时获得高的强度。但为获得强度高、性能稳定和品质均一的铸铁件, 又必须严格控制碳当量, 并从熔炼、检测等方面来予以保证。目前国外对高强度灰铸铁的生产, 除作常规检测外, 还
提出了十项新的检验指标, 即铁水温度、铁水纯净度、共晶团数、共晶度、相对硬度、相对强度、品质因数、弹性模数、过冷度、过冷度比。其中, 共晶度一般在018～110左右较好; 相对强度为1115～1120时, 铸铁的性能最理想; 相对硬度在018～110时, 切削性能良好。品质因数愈高, 材质愈好。过冷度一般控制在6～8℃之间, 这时孕育效果最佳; 过冷度比通常控制在115～215之间; 弹性模数之值愈大, 铸铁抗拉强度愈大; 共晶团愈细, 铸铁的强度愈高。通过对上述指标的严格控制可达到稳定的质量。
我国高强度灰铸铁研究的重点是: ①提高铁液温度, 改善铸铁冶金质量, 采用合成铸铁熔炼工艺; ②加强孕育处理技术, 尤其是强化孕育铸铁的研究和推广; ③研究和推广低合金化孕育铸铁; ④调整化学成分、控制铸铁的Si/ C比, 以获得高强度低应力铸铁。国内的实践表明, 若使Si/ C比值在015～019, 再加以适当的孕育和合金化, 可获得具有良好综合力学性能的高强灰铸铁。另外, 调整Mn、Si 含量, 使含Mn量比含Si 量高012%～113%或以上, 可以得到另一种高强度低应力铸铁。目前, 我国的工厂大多无炉前快速测定C、Si 含量的仪器, 因而不能及时掌握C、Si 的变化情况, C、Si 含量波动很大, 致使铸件质量难以稳定, 这是今后急需解决的一个问题。铸铁薄壁化、轻量化、强韧化是为了满足工程界对工程材料节能性、回用性两方面的要求, 适应“人类可持续发展战略”的需要。对汽车工业而言, 降低整车自重对节能、减少废气排放有关键性的意义。铸件的“薄壁高强”化正在工程界成为一种趋势, 其技术应用也将日益成熟并迅速拓展, 在可以预见的将来, 3～5mm的高强薄壁球铁件将会大量出现在一般机电产品中。所谓“薄壁高强”, 即生产中所指壁厚为4～6mm(国外为310～315mm) , 抗拉强度大于250MPa。而国内目前大多数工厂发动机仍使用HT200牌号材质标准。就材质而论, 其主要原因是大多数工厂采用冲天炉熔炼, 铁液指标达不到要求,特别是铁液温度低和化学成分波动大, 使该类产品铸件难以控制, 从而导致废品率高。其中属于材质方面的主要是性能达不到高牌号要求, 断面均匀性差, 渗漏严重, 热疲劳性能差。我国在“六五”至“八五”期间, 经过科研院所、大专院校与生产厂家的联合攻关, 对高强薄壁铸铁件的研究取得了较大进展, 缩短了与国外先进水平的差距。与国外同类产品相比, 在铸件的使用性能和品质稳定性方面, 还存在着不小的差距。如在材料耐磨性方面, 国外汽车
一般第一次大修里程, 汽油机为30万km, 柴油机大于50万km。而国内分别是10～15万km和25万km。汽缸套使用寿命国外可达到6000～8000h, 而国内只有3000～5000h。由于耐磨性与材料的综合性能密切相关, 为满足发动机不断强化的要求, 改善缸体的组织与性能和研究缸体新材料与新工艺, 提高缸体耐磨性和使用寿命, 已成为当前国内外学者和工程技术人员研究的重点之一。
1.3.1 发展球铁新品种、采用新的球铁生产工艺
(1) 加强薄壁和大断面铸态球铁技术的开发和应用。要保证铸件的力学强度和切削加工等性能不致因壁厚减小而降低, 其基本途径就是使球墨铸铁的力学 性能得到改善。最重要的两个方面, 一是白口化倾向的减低和抑制, 二是石墨组织的改善。球化剂的合理选用和稀土(RE) 元素的加入是实现高强度薄壁球铁铸造的关键。该技术的核心是在铸造(熔炼) 工艺中要保证RE/ S=2～215。球化剂要选用Fe2Si2Mg2RE2Ca系材料, 其中稀土元素(Ce、La、Pr) 的加入并使之与硫保持一定比例是球化技术关键, 同时严格控制P≤0104%～0106%、Bi =01003%～01007%。实验证实, 当Mg/ S>5时, 易生成白口; 而RE/ S215时, 也易出现白口。故在一般情况下要求硫含量越低越好的铸铁, 此 时(薄壁状态) 为了一定的球化率、晶粒细化和减少白口, 则必须保持一定比例的硫含量。此点对于以废钢(S较少) 为主要原料的熔炼厂应特别予以注意。
(2) 继续开发和应用奥2贝球铁。奥2贝球铁是近几十年来铸铁冶金研究的重大成就之一, 它是迄今为止具有最好综合性能的一种球铁, 尤其是高的弯曲疲劳性能和良好的耐磨性, 因而获得广泛的注目和开发应用。奥贝球铁的基体组织由板状或针状铁素体、25%～50%的稳定残余奥氏体和碳化物组成, 有时有少量的马氏体存在, 一般通过850～900℃奥氏体化后在300～450℃等温淬火来获得, 其常规化学成分与通常的铁素体或珠光体球铁一样。采用等温淬火来获得奥2贝球铁, 其热处理费用高, 难以普及, 且因残余奥氏体向马氏体转变这一加工硬化现象使得加工困难。国外出现了中断热落砂法、中断正火法等新的生产奥2贝球铁工艺, 这些生产工艺成本低、能耗少,且可行, 因而具有研究和推广的实际意义。
(3) 发展奥氏体球铁。奥氏体球铁在石油、化工、海洋与船舶、仪器仪表、食品、动力与冷冻、以及核工程等许多领域都具有广阔的应用前景, 因而成为近年来球
铁领域中的一个新的研究重点。尽管目前产量还不大, 但有些国家却发展很快, 尤其德国的产量每年以10%的速度递增, 并且, 一种以GGG2NiCrNb2022为牌号的可焊接奥氏体球铁已在德国问世, 其化学成分( %) 为: C≤310, Si115～216, Mn015～115, P≤0104, Nb011～012, Ni18～22,Cr112～215, Mg0108。瑞士Sulzer 研制的新型Ni2Mn奥氏体球铁在2196℃下仍具有很好的冲击韧性,最近又出现了15%Ni25%Mn、20%Ni24%Mn系的经济性很好、低温用奥氏体球铁。现在, GGG2NiMn137牌号也开始用于制造热核反应堆外壳承重结构、核潜艇高压壳体等。我国镍的贮量占世界第一位, 而奥氏体球铁的研究还是一个弱点, 因此有待开发, 尤其是高Ni 奥氏体球铁。(4) 采用新的球铁生产工艺。在熔炼方面, 最好采用感应电炉或冲天炉2电炉双联熔炼, 特别是冲天炉—炉外脱硫—电炉保温的工艺流程能为制取球铁提供优质的高温低硫原铁液。在球化处理方面, 现在国内外已有的方法达8种以上, 国外广泛采用GF转包法和包盖法, 我国也正在推广使用。在孕育方面, 孕育剂的选择应在一定的铸件冷却速度下使球化—孕育有一个最佳的搭配。孕育方法以瞬时孕育为佳, 近十多年来, 国内外已发展了五六种新的瞬时孕育工艺。此外, 近年来发展的铁液过滤净化技术也已得到推广 应用, 成为提高球铁质量的一种很好的措施。
1.3.2 发展孕育技术
孕育推动了高强度灰铸铁的发展, 并使球墨铸铁、蠕墨铸铁的生产更趋完美。凡是经过孕育处理的铸铁, 都具有石墨细化、组织均匀和壁厚敏感性小的特点。随着工业的发展, 势必有大量废钢要利用, 电炉熔炼在铸铁熔炼中的地位日益突出。在该种熔炼、炉料条件下, 孕育更是必不可少。孕育处理已经成为生产优质铸铁产品的一种重要手段。在现代铸铁的生产中, 灰铸铁以及球墨铸铁孕育处理的重要性正越来越受到人们的重视, 而且这种情况肯定还会继续下去。过去, 对孕育的发展往往寄希望于新的孕育剂,这无疑是必要的。但近年来, 孕育方法的改进, 特别是迟后孕育, 受到了人们的重视。因此, 今后在发展孕育剂的同时, 对孕育问题的注意力可能转向发展新的孕育方法。另外, 必须在铁液质量、铁液成分、炉料组成、孕育技术、炉前快速检验与控制等环节采取措施, 克服铸造性能、白口倾向、力学性能以及希望高碳当量之间的矛盾
1.3.3 发展合金铸铁
合金化是提高铸铁性能的重要手段之一, 随着生产日益发展, 铸铁合金化或微合金化必将发挥重要的作用。必须结合当地资源不断开拓合金铸铁新品种,利用先进手段不断加深对现用合金铸铁的认识。
1.4 未来的发展方向
新世纪的到来给我国铸造业带来了大好的发展机遇和严峻的挑战。同样, 铸铁业在积极采用高新技术改造传统产业, 充分挖掘铸铁材料的巨大潜能等方面必将紧跟时代的步伐, 预计未来在以下若干方面将得到发展。
(1) 以机床工业、能源工业、核能工业、石化工业及海洋工程为主要目标, 以重、高、大、难为特点, 开展重大技术装备、铸造技术的基础理论研究。
发展数值模拟、物理模拟及专家系统, 使铸铁技术由“经验”走向“定量”。
(2) 以汽车工业, 航空航天及核能工业为主要目标, 以强韧化、轻量化、精密化、高效化为特点, 开展铸铁新材料、新工艺的研究。
(3) 为提高产品质量和生产率, 增强我国工业产品在国际市场上的竞争能力, 开展铸造过程自动化、柔性生产单元和系统及集成制造技术的研究。
(4) 激励开展有潜在应用前景的铸铁技术应用基础理论的研究。
(5) 大力发展提供铸铁工艺材料及辅料的专业化、现代化的企业。
(6) 发展绿色集约化铸造, 加大力度治理铸造过程对环境的污染, 加强对铸造材料的再生和回用。
2零件分析
2．1下钳体的生产条件、结构及技术要求
● 产品生产性质——大批量生产
● 轮廓尺寸为380mm*232mm*122mm，主要壁厚5mm，铸件重量为6Kg，铸件的外
型示意图如图2.1所示；铸件除满足几何尺寸精度及材质方面的要求外，无其他特殊技术要求。
● 此零件采用灰铸铁为生产材料。
图2.1 下钳体外形示意图
2．2下钳体结构分析
下钳体的零件结构图如下图所示
零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。审查、分析应考虑如下几个方面：
1.铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。此铸件根据《铸造工艺课程设计手册》第一页表1-1与表1-2综合考虑，我们选用灰铸铁作为铸造此铸件的材料。
2.铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角 铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。
3.铸件内壁应薄于外壁 铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。
4.壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。
5.利于补缩和实现顺序凝固。
6.防止铸件翘曲变形。
7.避免浇注位置上有水平的大平面结构。
对于下钳体的铸造工艺性审查、分析如下：
砂型铸造条件下该轮廓尺寸为380mm*232mm*122mm，允许的最小壁厚查《铸造工艺课程设计手册》第一页表1-1与表1-2得：最小允许壁厚为5 mm。
根据《铸造工艺课程设计手册》第一页表1-3、表1-4与表1-5 经过检验零件图上各处的铸造圆角、壁厚的过度形式、铸件壁的连接形式均较合理，符合要求。
3.工艺分析
3.1分型面的确定
分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。
初步对水泵体进行分型有：方案一如图3.1所示，方案二如图3.2所示。
图3.1分型面确定方案一
图3.2分型面确定方案二
而选择分型面时应注意一下原则：
1.应使铸件全部或大部分置于同一半型内
2.应尽量减少分型面的数目
3.分型面应尽量选用平面
4.便于下芯、合箱和检测
5.不使砂箱过高
6.受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度
7.注意减轻铸件清理和机械加工量
对方案一如图3.1进行综合分析如下：
1. 分型面选择在最大截面处，且基本都是平面；
2. 造型时比较困难，在砂箱合箱时可能不太准确，影响铸件的精度；
3. 上下模取模都不方便，需要加芯子才能解决；
4. 芯子的稳定性不好，需要加活块进行固定；
5. 浇注时厚大部分可能会产生浇不到，产生缺陷；
对方案二如图3.2进行综合分析如下：
1铸件大部分位于同一半型内，这样合箱时易于对准，不会产生偏差；
2.砂芯在山下型中分布较为均匀；
3.上箱难于取出模样，需要做芯子才能解决；
4.铸件精度可以保证，且造型比较方便；
5.浇注时两边的厚大部分可能会浇不足，需要设置冷铁；
经以上几点分析，综合比较，方案二比方案一可行性更强，故采用第二种分型方案。
由于铸件外形尺寸较小，而且我们所采取的是砂型铸造方法，因此采用一箱两件的铸造方案
3.2确定型内铸件数目
由于铸件外形尺寸较小，也考虑到所选用的铸造方法是砂型铸造，故采用一箱两件的铸造方案。
图3.3 砂箱中铸件排列示意图
4砂芯设计
4.1.1 砂芯的功用是形成铸件的内腔，孔和铸件外形不能出砂的部位。砂芯应该满足以下要求：砂芯的形状，尺寸以及在砂芯中的位置应符合铸件要求，具有足够的强度和刚度，在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外，铸件收缩时阻力小和容易清砂。
4.1.2确定砂芯形状的基本原则：
1）保证逐渐内墙尺寸精度。
2）保证操作方便。
3）保证铸件壁厚均匀。使砂芯的起模斜度和模样的起模斜度大小，方向一致，保证铸件壁厚均匀。
4）应尽量减少砂芯数目。
5）填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面。
4.2主要砂芯
1#砂芯如下图所示：
图4-2
1#砂芯的主要作用造出D=55mm，L=82mm的通孔，查铸造工艺手册表3-1（JB/T5106-91）由于L=82mm，小于100mm，在考虑湿型浇注，选择垂直芯头的高度和芯头座间的配合间隙参数S=0.3，S1=(1.5-2)S=2*0.3=0.6.h=（25-30）,取h=30,h1=(0.6-0.7)h=0.6*30=18.垂直芯头顶面与芯座的配合间隙S2=0，考虑到大批量生产，又由于高度中心线对称，故可以把上下芯头设计成相同。上部芯头α1=10°a1=7,α=10°a=7.
2#砂芯的设计如下图所示：
2#砂芯的主要作用造出A=B=50mm,(A+B)/2=50,L=16mm的凹槽，查铸造工艺手册表3-1（JB/T5106-91），对于湿型,选择垂直芯头的高度和芯头座间的配合间隙参数:S=0.3, S1=(1.5-2)S=2*0.3=0.6.h=(25-30),初步选定h=25,考虑到铸件的放置位置为水平放置，而此时贴近铸件的位置将没有上部芯头，从而下部芯头高度应增加30-50%，即h=25*(1+30%)=32.5. 垂直芯头顶面与芯座的配合间隙S2=0 ,因为h
3#砂芯的设计如下图所示：
3#砂芯的主要作用造出深度为L=55mm的凹型槽，查铸造工艺手册表3-1（JB/T5106-91）。由于L=55，故查表可得S=0.5，S1=1.5*S=1.5*0.5=0.75 h=(25-30)，选择h=30. 垂直芯头顶面与芯座的配合间隙S2=0.5,.上部芯头：a=7α=10°下部芯头：a1=5,α=7°
.
5浇注系统的设计
5.1浇注系统的设计
浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称，它由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道组成。
5.1.1选择浇注系统类型
浇注系统分为封闭式浇注系统，开放式浇注系统。虽然封闭式浇注系统但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。但是它全部的全部截面上的金属液压力均高于型壁气体压力能使金属液充满浇注系统。而且控流截面积在内浇道，浇注开始后，金属液容易充满浇注系统，呈有压流动状态。阻渣能力强，适用于各种铸铁件。此零件的重量为5 Kg,壁厚为7mm（铸造工艺手册上查得为薄壁件），所以铸件为小型铸件。综合考虑，薄壁件经常会出现浇不足的现象，所以对流速要求较大。所以选择封闭式浇注系统。
5.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向
I
II
根据零件结构图确定分为两个模板进行造型，零件上下模为上图所示。为了方便造型，内浇道开设在分型面上。经过对零件图的分析为了防止浇注时会产生的铸造缺陷决定开设三个内
浇道。而且从I可以看出零件的底部（就是标有1、2、3）结构比较上部分来说较为简单，这样可以是逐渐由简单到复杂的顺序来凝固，将来可是补缩效果良好。所以把内浇道设在此处三个内浇道分别为1、2、3。4
为横浇道，设在铸件的的侧面。使金属液可以从侧面引入。
由《铸造工艺手册》50页，得上表。如表所示由于铸件质量为6Kg。所以内浇道最小截面积取2.5由于内浇道数量n=3,所以内浇道的最小面积取0.8cm2
为了使造型方便，所以把内浇道开设在砂型的分型面上。在设计内浇道时采用扁平梯形，这样可以有效防止夹杂物流入铸型型腔，而且不易在铸件连接处产生缩松，同时便于清理。横浇道采用高梯形，这样可进一步增强阻渣能力，为内浇道提供干净的金属液。直浇道为圆柱形，浇口杯采用普通漏斗形。
从铸造工艺手册得下表：
浇注系统选择的是封闭式浇注系统，各浇道的截面积之比为：F内：F横：F直=0.5:1.5:1 又因为内浇道的截面积为2.5 cm2.所以计算得直浇道和横浇道截面积分别为：7.5 cm2
和5
cm2.所以从上表得各浇道面积如图：
为了使金属也能平稳的均匀的流入横浇道，一般会在直浇道的起始地方，也就是 浇口，会设置一个浇口杯这样可以减小金属液垂直流入时浇道的冲刷力，从而减小沙粒的的脱落，而且这样可以降低对工人师傅的技术要求使浇注变得相对简单点。横浇道和直浇道相连的地方通常设有一个直浇道窝，它的作用是为横浇道提供一个平稳流动的金属液，因当金属液从直浇道留下来时，有很大的冲压力，如果不设置直浇道窝，使金属液直接进入横浇道，这样会使流入横浇道的金属液由于在拐角处的冲力产生的紊流而夹杂大量的气体，且金属液流动的很不平稳，这样势必会造成铸造缺陷（气孔，砂眼等）所以在此设置一个直浇道窝是很有必要的。而横浇道采取如图所示的多阶梯式，这样可以增强其阻渣的能力，也能进一步控制金属液的流动平稳性，降低冲刷力,减小铸造缺陷。
5.2冒口的设计
冒口是铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。
我们所用的材料是铸铁，而通过查资料（《铸造工艺学》）得高牌号的灰铸铁的共晶度很低结晶温度范围宽共晶转变前析出奥氏体阻碍补缩，所以冒口补缩的距离较小，补缩的效果不明显，而且，此铸件为小的薄壁铸件，一般只有在湿型或者壳型铸造较厚的铸件时才有必要设置冒口。所以可以不设置冒口。
5.3冷铁的设计
为了增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块称为冷铁。
下钳体铸件壁厚较为均匀，两边为厚大部分，容易产生浇不到及产生裂纹缩松等缺陷。因此需要设置冷铁，消除铸造缺陷，保证铸件的精度。
6．工装设计
6.1模样的设计
6.1.1模样材料的选用
模样是造型工艺过程必须的工艺装备，用来形成铸型的型腔，因此直接关系着铸件的形状和尺寸精确,下钳体为大批量生产，所以用金属模样，该金属模样的材料选用如下： 模样：铝合金（质轻、不生锈，加工性能好，加工后表面光滑，并有一定的耐磨性，但耐磨性较差），适用于成批和大批量生产的中、小型模样。
下钳体属于中、小型铸件，要求一定的耐磨性、强度和刚度，而且要有较高的尺寸精度。选用铝合金较为合适。
选用ZL102
出气针、气孔针：45#钢
6.1.2金属模样尺寸的确定
模样尺寸＝铸件尺寸 （1＋铸造线收缩率）
=（零件尺寸±铸造工艺尺寸）×（1＋铸造线收缩率）
注：“+”用于模样凸体部位的尺寸；“-”用于模样凹体部位的尺寸。
下钳体的线收缩率K=0.8%
6.1.3金属模样的技术要求
模样的尺寸精度、表面光洁度是影响铸件质量的一个重要因素，因此对其表面光洁度和尺寸偏差应严格控制。
由《铸造工艺课程设计手册》查表6-29与表6-30得：
模样表面的粗糙度为3.2，模样与模板接触面的粗糙度为6.3 。
6.1.4金属模样的生产方法
为增加材料浇注后的致密度，现将材料制作成与该模样形状类似的腔体，然后进行热处理，以增加其硬度，增加抗磨损能力，然后在用机器按模样的尺寸加工成模样的形状。
6.2模板的设计
模板也称型板，是由模底板和模样、浇冒口系统及定位销等装配而成。模底板用来连接与支承模样、浇冒系统、定位销等。
本设计采用单模底板，其工作面是平面。
6.2.1模底板材料的选用
对模底板材料的要求是有足够的强度，有良好的耐磨性，抗震耐压，铸造和加工性。根据模样的结构及生产要求，选用铸造铝合金作为模底板的材料。
6.2.2模底板尺寸确定
模底板长＝砂箱长＋2×砂箱分型面出边缘厚度
＝500＋2×25=550 mm
模底板宽＝砂箱宽＋2×砂箱分型面出边缘厚度
＝300＋2×25＝350 mm
由《铸造工艺课程设计》查表6-20得：模底板的壁厚取为14mm
6.2.3模底板与砂箱的定位
模底板与砂箱之间采用定位销与销套定位。
6.3模样的设计
砂型铸造对铸件结构设计有一定的要求
，砂型造型铸件设计，不仅要考虑工作功能和力学性能的要求，还必须考虑合金铸造性能、铸造工艺对铸件结构的要求。铸件结构设计是否合理，对铸件质量、生产率和制造成本都有很大影响。铸件的结构，假如不能满意合金铸造性能的要求，将可能产生浇不到、冷隔、缩孔、缩松、气孔、裂纹和变形等缺陷。
流动性好的合金，充型能力强，铸造时就不易产生浇不到、冷隔等缺陷，而且能铸出铸件的最小壁厚也小。不同的合金，在一定的铸造条件下能铸出的最小壁厚也不同。设计铸件的壁厚时，一定要大寸：该合金的“最小答应壁厚”，以保证铸件质量。铸件的“最小允许壁厚“主要取决于合金种类、铸造方法和铸件的大小等。但是，铸件壁也不宜太厚。厚壁铸件晶粒粗大，组织疏松，易产生缩孔和缩松，力学性能下降。铸件艰载能力并不是随截面积增大成比例地增加。设计过厚的铸件壁，将会造成金属浪费。为了提高铸件承载能力而不增加壁厚，铸件的结构设计应选用合理的截面形状。此外，铸件内部的筋或壁，散热条件比外壁差，冷却速度慢。为防止内壁的晶粒变粗和产生内应力，一般内壁的厚度应小于外壁。铸件各部分壁厚若相差过大，厚壁处会产生金属局部积聚形成热节，凝固收缩时在热节处易形成缩孔、缩松等缺陷。此外，各部分冷却速度不同，易形成热应力，致使铸件薄壁与厚壁连接处产生裂纹。因此在设计铸件时，应尽可能使壁厚均匀，以防止上述缺陷产生。
结合以上综述，我们分别设计如下：
图6.1 上模板模样图
图6.2下模板模样图
6.3模具合模图
图6.4 上、下模具合模图
6.4芯盒的设计
6.4.1芯盒的类型和材质
查《铸造工艺课程设计手册》表6-32，下钳体所用的芯子均是小型的芯，故我们选用 热芯盒，芯盒材料为铝合金。
6.4.2芯盒的结构设计
查《铸造工艺课程设计手册》表6-34，芯盒的壁厚可在6～8mm之间取值，我们取7mm
6.4 芯
1
芯
2
芯子1的尺寸为55mmx32.5mm
芯3
6.5沙箱的设计
砂箱的设计内容有：选择类型和材质，确定砂箱尺寸。结构设计，定位及紧固等。
6.5.1砂箱的材质及尺寸
支座零件机械造型用砂箱可选用的材料牌号由《铸造工艺课程设计手册》查得有：HT15-33,HT20-40,QT45-5,QT60-2,QT40-10,ZG15～ZG45。选择HT200为砂箱材料，需进行人工时效或退火处理。
根据通用砂箱的规格尺寸选砂箱的尺寸： 上箱为300*250*100mm 下箱为300*250*120mm
6.5.2砂箱型壁尺寸及圆角尺寸
普通机械造型砂箱的箱壁选为普通砂箱壁形式，箱壁上流出气孔。 由《铸造实用手册》表1.5-47查得： 箱壁壁厚为t=10mm 箱壁型式如图：
致 谢
经过近两周的忙碌和学习，本次课程设计终于完成，在此，首先要感谢我们的指导老师郭永春老师的精心指导，及时为我们答疑解惑，才使我们的课程设计得以顺利进行，在此对郭老师表示衷心的感谢；其次，感谢本组的同学积极的配合，积极提出自己的意见和建议，对设计的方案提出宝贵意见，使本次的方案可行性进一步加强。
作为本科生，由于知识有限，实际生产经验有限，在设计中难免有许多不到位的地方，
希望老师可以体谅并提出宝贵意见，我们一定虚心接受，并在以后的工作中牢记教诲，精益求精。
再一次对郭老师表示衷心感谢，感谢您在百忙中对我们进行指导，谢谢！您严谨的工作态度是我们学习的榜样，是我们人生的楷模！
参考文献：
1. 叶荣茂 吴维冈 高景艳 编，《铸造工艺课程设计手册》，哈尔滨工业大学
出版社，1993.11
2. 《铸造手册》 中国机械工程学会铸造专业学会编，1994.10 3. 高文清 李魁盛 编，《铸造工艺学》，机械工业出版社，2010.7
4. 于顺阳 编，《现代铸造设计与生产使用新工艺、新技术、新标准》，当代
中国音像出版社
5. 陈为国 章登明 著，《圆柱形型腔热芯盒模具的制造工艺》，《模具制造》
2001.No.4
6. 中华人民共和国国家标准《GB-T 11350-89 铸件机械加工余量》
7. 中华人民共和国第一工业机械部部标准《JB2435-1978_铸造工艺符号及表示
方法》
8. 中华人民共和国机械行业标准《JB-T_5106-1991_铸件模样型芯头_基本尺
寸》