“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛
图2.1 分型面方案示意图
分析与比较：
方案Ⅰ：从右边平板上表面分型，上模板需要制作凹槽，有较高的吊砂。这
样既保证了大部分铸件位于下箱，也减少了由于分型面上铁液渗透所产生的毛边，减少后期精整量，这在大批量生产中极为重要。
方案Ⅱ：从右边平板中间分型，上下对称分布，并保证了大部分铸件位于下
箱，比方案Ⅰ摸样制作更简单，更便于安装，但是增多了分型面的毛刺，增加了后期精整工作量。
方案Ⅲ：从右边平板下表面分型，这样做的好处是可以减少吊砂的高度（减
少约40mm），且增加了吊砂的截面积，使起模和合箱更加方便和准确，但是此种方案使超过三分之一的铸件位于上箱，位于上箱的平面有较多的加工面和尺寸公差要求，板厚又属于较薄部分，增加了铸件缺陷的可能性，左边两条肋板被分开，增加了模板的制造难度。
综合考虑，分型面选择方案Ⅰ。
2.3 铸件浇注位置的确定
由于本铸件壁厚较均匀，在选择浇注位置时主要保证铸件的重要部位、受力部位和主要加工面等位于下箱，此铸件上凸台，吊耳，以及端部等为重要部位，将内浇口位置选择在支架大平板的侧面，且选择在没有吊耳的一面，接近最大壁厚处，侧面较平整，便于精整，浇注位置和内浇口位置如下图2.2所示：
内浇口位置
图2.2 浇注位置和内浇口位置
2.4 铸造工艺参数的选择
2.4.1 机械加工余量
由零件图可知，零件的最右端断面和上表面精度要求较高，吊耳上下表面、垂直支撑板两个凸台以及右端平板上八个凸台有尺寸精度和表面粗度要求，铸件
3
“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛
尺寸公差等级为CT10，加工余量等级MAG，由零件外形尺寸可得加工余量范围为2-4mm【1】，考虑到零件壁厚较薄，且为大批量生产，将所有需加工面机械加工余量取为2mm，需加工面及加工余量示意图如下图2.3所示，具体详见附录B铸造工艺图。
图2.3 机械加工余量示意
图
2.4.2 铸件上孔的成形方法
零件上有共有9个孔，分别是2个M14螺纹孔，1个Φ13mm通孔，2个Φ17mm沉头孔，4个Φ17mm通孔和1个Φ100mm通孔，球墨铸铁最小铸出孔的直径范围为12-15mm，除Φ100mm通孔外，其他8个孔均有尺寸精度要求，故这8个孔均采用机械加工的方法成形，Φ100mm通孔直接铸出。 2.4.3 起模斜度
由于零件外形本身没有斜度，为了便于起模，故需增加起模斜度。根据查表得到相应的起模斜度为1°【1】。 2.4.4 铸造收缩率
从所查资料手册以及相关工厂实际生产情况调研得知，砂型铸造球墨铸铁的铸造收缩率为0.8-1.2%【1】，由于此铸件壁厚较薄，形状并不是太复杂，故取铸造收缩率为0.8%。 3 浇注系统初步设计
3.1 浇注系统类型的选择
本铸件属于薄壁小件，根据上述浇注位置和分型面的选择，在此采用顶注式浇注系统。此外，选择封闭式浇注系统，封闭式浇注系统组元截面积比一般为
【2】
∑Ａ内：∑Ａ横：Ａ直=1：（1.2~1.3）：（1.4~1.9），本次设计取∑Ａ内：∑Ａ横：Ａ直=1：1.25：1.5。
3.2 浇注系统结构设计
综合上述各种设计方案，设计了以下两种内浇口结构方案，如图3.1所示：在方案一中，采用1个铸件2个内浇口引入，分别位于两端；方案二中，使用1个铸件1个内浇口引入，内浇口仅位于最大壁厚附近。
方案一：1个铸件2个内浇口 方案二：1个铸件1个内浇
4
图3.1 内浇口设计方案示意图
“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛
3.3 浇注系统的计算
3.3.1 最小阻流截面计算
浇注系统最小阻流截面积的计算，参照水力学计算公式进行计算：
?F内?G/(0.31??Hp）
【3】
其中：∑F内---内浇道截面积；
G---一个铸件的浇注重量（kg）； μ---流量系数； τ---浇铸时间 (s)；
Hp---平均静压头高度(mm)。
（1）铸件浇注重量G
铸件的质量在零件图中已经给出，G件=11.676kg，工艺出品率取60%，则G=G件×60%=11.676×60%=19.46kg。 （2）流量系数
由所查资料显示，工程上计算所取的μ值，在顶注时范围为0.45-0.5，这
【1】
里计算选用0.5。（3）浇注时间
对于浇注重量小于450kg，且形状复杂的铸铁件，其浇注时间工程上一般按照以下公式计算： τ=SGL
其中：S---系数，取决于铸件壁厚，这里取2.2； GL---浇注重量（kg）。 τ=SGL=2.2×19.46=9.7s
对于球墨铸铁铸件，浇注时间应减少三分之一到二分之一，在此减少三分之一的浇注时间，则：
2 τ=9.7× =6.47s，取τ=6.5s。
3（4）平均静压头高度
由于该铸件模样在垂直面上的截面积变化不大，故可以使用水力学公式进行近似计算。公式如下：
Hp?H0?p2/2c 其中：H0---阻流截面以上的金属液静压头；
p---阻流截面“重心”以上型腔高度，一般可以近似取分型面以
上型腔高度；
c---铸件在砂箱内的垂直高度。 对于顶注式，p=0，故Hp=H0=250mm。 （5）求出最小阻流截面积 ∑F内=
G0.31u?Hp=
19.460.31?0.5?6.5?25=3.71cm2
取∑F内=3.8cm2,
对于方案一，则单个内浇口截面积F内=1.9cm2，截面形状为梯形，截面尺寸为：A=25mm，B=23mm，C=8mm；
5
“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛
对于方案二，则单个内浇口截面积F内=3.8cm2，截面形状为梯形，截面尺寸为：A=38mm，B=35mm，C=11mm； 3.3.2 横浇道的计算
在上述3.1中已经提到，本次设计的浇注系统各组元截面积比取∑Ａ内：∑Ａ横：Ａ直=1：1.25：1.5，因此计算出方案一和方案二中的横浇道截面积： ∑A横=∑Ａ内×1.25=3.8×1.25=10cm2。
横浇道截面积形状为梯形，截面尺寸为：A=34，B=23，C=40。 3.3.3 直浇道的计算
根据上述浇注系统各组元截面积比，可以计算出直浇道的截面积： Ａ直=∑A横×1.5=3.8×1.5=12cm2
直浇道的截面积形状为圆形，圆的直径为：D=Φ40。
综上所述，所设计的两种浇注系统各组元截面尺寸如下表3.2所示： 表3.2 方案一和方案二浇注系统各组元截面尺寸 内浇道 横浇道 直浇道 方案一 （1个铸件2个内 浇口引入） 方案二 （1个铸件1个内 浇口引入） 3.4 冒口的设计
此铸件材料为QT450-10，球墨铸铁本身具有糊状凝固的特征，采用传统冒口设计方法很难消除缩孔、缩松问题，且球铁QT450-10的碳当量较高，可以考虑利用石墨化膨胀作用进行自补【3】。铸件的体积为1662.8cm2，表面积为3386.1cm2，平均模数约为0.49,符合无冒口铸造工艺条件，并且在实际生产中也常使用无冒口铸造。
本次设计的两种方案均采用无冒口设计，下面通过CAE模拟来分析方案的合理性并对其进行优化。 4 CAE模拟与优化【4】
对于浇注系统方案一（1个铸件2个内浇口引入）与方案二（1个铸件1个内浇口引入），均采用ProCAST进行CAE模拟分析。
ProCAST是业界领先的铸造过程模拟软件，它基于强大有限元求解器和高级选项，可以提供高效和准确的求解来满足设计的要求。ProCAST可以提供整体软件解决方案，能够进行完整的铸造工艺过程预测评估，包括充型、凝固、微观组织以及热力耦合模拟等。这给方案的模拟及分析提供了有力依据。
对上述设计的两种工艺方案，方案一及方案二，进行数值模拟。两种方案均采用顶注式、封闭式浇注系统。铸件材料为QT450-10，型砂选用粘土砂，两种材料的热物性参数如下表4.1所示：
6
“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛
表4.1 铸件与型砂材料的热物理性参数 密度 热导率 比热(kJ/ 材料 3（kg/m） (W/(m·K)) (kg·K)) 球铁 7.2 0.085 0.128 铸件 密度熔化温度材料 化学性质 3（kg/m） （℃） 粘土2.65 弱酸性 1750 型砂 砂 结晶潜热（kJ/kg） 液相线 (℃) 固相线 (℃) 46 比重(g/cm3) 1167 透气率 100 1163 2.66 4.1 模型网格划分
利用UG导出模型文件之后，首先需要对其进行网格划分，在ProCAST模拟的过程中，一般要求网格保证铸件厚度方向最薄的网格数不得小于3，这样可以提高模拟精度，并对充填气化的过程不影响。
为了使模拟结果更精确，同时减少模拟的时间，将砂型网格系数设置为2，铸件网格系数设置为0.5，建好的模型体网格如下图4.2、图4.3所示： 方案一：节点总数44568，元素总数222856，网格较致密。
图4.2 方案一模型体网格信息
方案二：节点总数40305，元素总数200296，网格致密度与方案一近似。
图4.3 方案二模型体网格信息
7