简单铸件的铸造工艺分析

B.3.1 阀体

1.凝固原则

图B.12a所示为某钢厂ϕ25×25铸钢阀体铸造工艺图。材质为ZG230-450，铸件重22kg。根据技术要求，外表和内腔所有型砂、氧化皮、飞边毛刺应清除干净，凡影响强度

图B.12 铸钢阀体铸造工艺图

和气密性的缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、夹杂物等均不允许存在。铸件经水压试验，以60kgf/cm^2[1]。压力持续试验2min以上，未发现渗漏现象则认为合格。凡经焊补的铸件，焊补后应重新经过上述水压试验。水压试验必须于涂漆前进行。

铸钢的体收缩大，容易产生缩孔、缩松，铸件本身又在高压下使用，要求高的气密性，所以确定使用顺序凝固原则进行铸造，为此要加设冒口。根据工厂条件采用水玻璃砂造型，热芯盒法制芯。

2.铸造工艺方案

第一种方案是垂直浇注。即使ϕ180法兰向上，采用顶冒口进行补缩。这样，由于冒口位置比阀体高，对补缩有利。分型面通过三个法兰中心线，这样最容易起模。这种平造立浇方案要求串联浇注，操作复杂，因而未选用此方案。

第二种方案为水平浇注（图B.12）。分型面仍选择通过三个法兰中心线的平面。采用侧暗冒口进行补缩，由于侧暗冒口补缩效果较顶冒口为差，故采用大气压力冒口，以增强冒口的补缩效果。这种平造、平浇的方案为一箱多铸创造了条件，采用800mm×800mm的砂箱，每箱放置四件，相应放置四个大小相同的大气压力侧暗冒口，每个冒口同时补缩两相邻铸件，冒口的补缩颈与两个厚法兰边相连。模板布置简图如图12b所示。由于这种方案操作简便，故确定采用这种方案。

3.主要工艺参数

绝大多数加工面的加工余量均取3～4mm（相当于二级精度碳素铸钢件加工余量），考虑起模斜度以后，加工余量最厚处增至7mm。收缩率经过实际生产验证，一般尺寸均按2%，两侧法兰之间距离，由于收缩受阻碍，实际收缩率较小，约为1%。为了保证两个侧法兰厚度和加工尺寸，该尺寸按1%收缩率计算模样尺寸。

4.芯头设计

每铸件有一个型芯，该型芯具有三个水平芯头，长度均取为30mm。只在芯头端部留芯头间隙，上、下方向不留间隙，以免型芯浮起，影响铸件壁厚均匀性。

5.缺陷防止

为防止阀体产生收缩缺陷可采取如下措施：铸件壁厚不均匀，由于结构原因，自然形成五个热节区，如图B.13所示。即在三个法兰和本体相交处，存在三个热节圆直径T=36mm的环形热节，这三个热节使用侧冒口可以实现顺序凝固。因其离侧冒口较近，冒口中炽热钢液可直接对热节进行补给。此外，在阀体中心部位还存在两个近似环形的热节区，热节圆直径约为T=20mm。由于这两个热节区被薄壁部分与冒口隔开，因此，侧冒口无法直接对其进行补缩。为了防止该两处产生缩孔、缩松，可以用不同的方法予以解决。例如：另外增加顶冒口，这样，虽然可以获得致密铸件，但是，增加了造型和切割冒口的工作量，而且严重地损害了铸件外观。所以，后来采用在铸件上增设补贴的方法，即在铸件薄壁部分增加工艺筋，用以在侧冒口和内部热节区之间造成补缩通道，这样不仅减少了冒口数目，节约钢液，而且使铸件外观得到改善。

第一种补贴方式如图B.14所示，这种补贴设在侧法兰和内部热节之间。由于在清整时要割去这两条补贴，故仍然有较大切割工作量，而且影响外观。

图B.12 铸钢阀体铸造工艺图

和气密性的缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、夹杂物等均不允许存在。铸件经水压试验，以60kgf/cm^2[1]。压力持续试验2min以上，未发现渗漏现象则认为合格。凡经焊补的铸件，焊补后应重新经过上述水压试验。水压试验必须于涂漆前进行。

铸钢的体收缩大，容易产生缩孔、缩松，铸件本身又在高压下使用，要求高的气密性，所以确定使用顺序凝固原则进行铸造，为此要加设冒口。根据工厂条件采用水玻璃砂造型，热芯盒法制芯。

2.铸造工艺方案

第一种方案是垂直浇注。即使ϕ180法兰向上，采用顶冒口进行补缩。这样，由于冒口位置比阀体高，对补缩有利。分型面通过三个法兰中心线，这样最容易起模。这种平造立浇方案要求串联浇注，操作复杂，因而未选用此方案。

第二种方案为水平浇注（图B.12）。分型面仍选择通过三个法兰中心线的平面。采用侧暗冒口进行补缩，由于侧暗冒口补缩效果较顶冒口为差，故采用大气压力冒口，以增强冒口的补缩效果。这种平造、平浇的方案为一箱多铸创造了条件，采用800mm×800mm的砂箱，每箱放置四件，相应放置四个大小相同的大气压力侧暗冒口，每个冒口同时补缩两相邻铸件，冒口的补缩颈与两个厚法兰边相连。模板布置简图如图12b所示。由于这种方案操作简便，故确定采用这种方案。

3.主要工艺参数

绝大多数加工面的加工余量均取3～4mm（相当于二级精度碳素铸钢件加工余量），考虑起模斜度以后，加工余量最厚处增至7mm。收缩率经过实际生产验证，一般尺寸均按2%，两侧法兰之间距离，由于收缩受阻碍，实际收缩率较小，约为1%。为了保证两个侧法兰厚度和加工尺寸，该尺寸按1%收缩率计算模样尺寸。

4.芯头设计

每铸件有一个型芯，该型芯具有三个水平芯头，长度均取为30mm。只在芯头端部留芯头间隙，上、下方向不留间隙，以免型芯浮起，影响铸件壁厚均匀性。

5.缺陷防止

为防止阀体产生收缩缺陷可采取如下措施：铸件壁厚不均匀，由于结构原因，自然形成五个热节区，如图B.13所示。即在三个法兰和本体相交处，存在三个热节圆直径T=36mm的环形热节，这三个热节使用侧冒口可以实现顺序凝固。因其离侧冒口较近，冒口中炽热钢液可直接对热节进行补给。此外，在阀体中心部位还存在两个近似环形的热节区，热节圆直径约为T=20mm。由于这两个热节区被薄壁部分与冒口隔开，因此，侧冒口无法直接对其进行补缩。为了防止该两处产生缩孔、缩松，可以用不同的方法予以解决。例如：另外增加顶冒口，这样，虽然可以获得致密铸件，但是，增加了造型和切割冒口的工作量，而且严重地损害了铸件外观。所以，后来采用在铸件上增设补贴的方法，即在铸件薄壁部分增加工艺筋，用以在侧冒口和内部热节区之间造成补缩通道，这样不仅减少了冒口数目，节约钢液，而且使铸件外观得到改善。

第一种补贴方式如图B.14所示，这种补贴设在侧法兰和内部热节之间。由于在清整时要割去这两条补贴，故仍然有较大切割工作量，而且影响外观。

图B.13 阀体在砂箱内的布置

第二种补贴方式如图B.15所示，铸件外形变化不大，只是增加了4mm×30mm的两条补贴。内部虽然增加了10mm厚度的月牙形补贴两条，但对使用毫无影响，对铸件强度、刚度都有利，因此，清整时无需割去。这样，既保证了外观，又节约了钢液，也减少了切割工作量。因此决定用此法进行生产。

图B.13 阀体在砂箱内的布置

第二种补贴方式如图B.15所示，铸件外形变化不大，只是增加了4mm×30mm的两条补贴。内部虽然增加了10mm厚度的月牙形补贴两条，但对使用毫无影响，对铸件强度、刚度都有利，因此，清整时无需割去。这样，既保证了外观，又节约了钢液，也减少了切割工作量。因此决定用此法进行生产。

图B.14 第一种补贴（补缩筋）方式

图B.14 第一种补贴（补缩筋）方式

图B.15 第二种补贴方式

在工厂最早的铸造工艺方案中，阀体内部的两条导向筋两侧（图12b）用了圆形外冷铁，目的是消除这两处小的热节的影响。后来，型芯由合脂砂改为热芯盒树脂砂，使导向筋的加工余量减小，热节也随之减小，因而取消了外冷铁。

6.冒口计算

已知每个铸件重22kg，每箱四件，每箱放置四个冒口。因此仍然相当于一个冒口补缩一个铸件。冒口计算依据下述原理进行：设ZG230-450的体收缩率已知为3%，钢的密度为7.8kg/dm³，主、侧法兰根部热节圆直径T=36mm。那么可以计算出该铸件从浇注到凝固以后所需要补缩的钢液体积，把此体积视为球形，可求出其直径d₀约为55mm。把d₀加上热节圆直径T，则可作为冒口的最小直径。这里冒口直径D为：

D=d₀+T=91mm

采用95mm。冒口高度H按经验关系求得：

H=1.7D=161mm

取160mm。冒口全部放在上箱内，使用ϕ18mm的大气压力型芯，插入冒口深度为50mm。

补贴厚度按经验关系取为1.21T（1.2×36=42mm）。补贴高度按冒口高度的0.4倍选取（0.4H=0.4×160=64mm），取为65mm。

为了使阀体内部阀座处的两个热节区（T=20mm）能得到补缩，按第二种补贴方式增加两条补贴，其大小可根据热节圆镶圆法确定。因内腔过小，阀座处装配不便，所以，补贴未全部加在内部，向阀体外部借出4mm（图B.15）。

经过生产验证，每箱金属总重143kg，浇冒口质量为（143-88=55）55kg。铸件工艺出品率=（88/143）×100%=62%。

据资料介绍，某石油机械厂生产类似的铸钢阀体，水玻璃砂型，油型芯，铸造工艺方案（分型面，浇注位置和补贴的加设）相同，由于使用了发热顶冒口，铸件工艺出品率达72%。由此可见，采用先进的工艺措施，可以使技术经济指标得到提高。

B.3.2 CW6140型机床床身

1.材料的选择

图B.16所示为CW6140机床床身铸造工艺图。该床身在某厂属于大量生产性质，轮廓尺寸为2240mm×400mm×479mm，铸件重510kg，浇注铁液质量610kg，每箱一件。主要技术要求如下：导轨面不允许有任何铸造缺陷，机床导轨硬度要求190～240HBW（铸态），并要求硬度均匀。加工前须经过消除应力退火。根据上述要求，为了保证机床导轨的硬度和耐磨性，以前工厂多选用HT200为材质，铸造工艺方案中于机床导轨面处使用外冷铁，以获得珠光体为基体的铸态组织，保证硬度和耐磨性。这种方法要求铁液牌号较低，但需要使用大量外冷铁，给操作和生产管理带来困难。

在不使用外冷铁的情况下，采用高牌号铁液的方法完全可以达到上述技术要求。但这种方法的缺点是孕育合金和废钢的用量增大。该厂确定用HT300为床身的材料。实践证明，由于孕育铸铁具有较高的强度和铸态硬度、石墨片细小，在不使用外冷铁的条件下，完全能保证导轨的质量。

图B.15 第二种补贴方式

在工厂最早的铸造工艺方案中，阀体内部的两条导向筋两侧（图12b）用了圆形外冷铁，目的是消除这两处小的热节的影响。后来，型芯由合脂砂改为热芯盒树脂砂，使导向筋的加工余量减小，热节也随之减小，因而取消了外冷铁。

6.冒口计算

已知每个铸件重22kg，每箱四件，每箱放置四个冒口。因此仍然相当于一个冒口补缩一个铸件。冒口计算依据下述原理进行：设ZG230-450的体收缩率已知为3%，钢的密度为7.8kg/dm³，主、侧法兰根部热节圆直径T=36mm。那么可以计算出该铸件从浇注到凝固以后所需要补缩的钢液体积，把此体积视为球形，可求出其直径d₀约为55mm。把d₀加上热节圆直径T，则可作为冒口的最小直径。这里冒口直径D为：

D=d₀+T=91mm

采用95mm。冒口高度H按经验关系求得：

H=1.7D=161mm

取160mm。冒口全部放在上箱内，使用ϕ18mm的大气压力型芯，插入冒口深度为50mm。

补贴厚度按经验关系取为1.21T（1.2×36=42mm）。补贴高度按冒口高度的0.4倍选取（0.4H=0.4×160=64mm），取为65mm。(www.xing528.com)

为了使阀体内部阀座处的两个热节区（T=20mm）能得到补缩，按第二种补贴方式增加两条补贴，其大小可根据热节圆镶圆法确定。因内腔过小，阀座处装配不便，所以，补贴未全部加在内部，向阀体外部借出4mm（图B.15）。

经过生产验证，每箱金属总重143kg，浇冒口质量为（143-88=55）55kg。铸件工艺出品率=（88/143）×100%=62%。

据资料介绍，某石油机械厂生产类似的铸钢阀体，水玻璃砂型，油型芯，铸造工艺方案（分型面，浇注位置和补贴的加设）相同，由于使用了发热顶冒口，铸件工艺出品率达72%。由此可见，采用先进的工艺措施，可以使技术经济指标得到提高。

B.3.2 CW6140型机床床身

1.材料的选择

图B.16所示为CW6140机床床身铸造工艺图。该床身在某厂属于大量生产性质，轮廓尺寸为2240mm×400mm×479mm，铸件重510kg，浇注铁液质量610kg，每箱一件。主要技术要求如下：导轨面不允许有任何铸造缺陷，机床导轨硬度要求190～240HBW（铸态），并要求硬度均匀。加工前须经过消除应力退火。根据上述要求，为了保证机床导轨的硬度和耐磨性，以前工厂多选用HT200为材质，铸造工艺方案中于机床导轨面处使用外冷铁，以获得珠光体为基体的铸态组织，保证硬度和耐磨性。这种方法要求铁液牌号较低，但需要使用大量外冷铁，给操作和生产管理带来困难。

在不使用外冷铁的情况下，采用高牌号铁液的方法完全可以达到上述技术要求。但这种方法的缺点是孕育合金和废钢的用量增大。该厂确定用HT300为床身的材料。实践证明，由于孕育铸铁具有较高的强度和铸态硬度、石墨片细小，在不使用外冷铁的条件下，完全能保证导轨的质量。

图B.16 CW6140机床床身铸造工艺图

2.浇注位置、造型方法与分型面

浇注位置为导轨面向下，由于是大量生产，应尽量用快速造型方法，合型也必须简便。根据该厂条件，决定采用抛砂造型法，干型两箱造型。沿床身纵向分型和分模。为了保证浇注位置，于下芯合型后，使铸型翻转90̊，使导轨面呈向下位置进行浇注。下芯合型工序必须仔细，以免在铸型翻转时型芯位置移动。

3.分芯负数和分型负数

铸件内腔和筋条均由型芯形成。3号、4号型芯都分为两半制芯，于烘干后装成整体，在分盒面上每半型芯各留0.5mm的分芯负数。3号和4号型芯相接处，留3mm的分芯负数。在1号、2号型芯之间留2mm分芯负数（留在1号型芯上），以利于下芯。由于是干型，合型时在分型面上要采取措施防止跑火，其结果会使两半砂型之间加厚。因此，在制定工艺时，两半模样上各留1mm的分型负数，以保证铸件精度。

4.浇冒系统

该床身较短小，浇注系统从一端底部沿导轨面引入，使用一个直浇道，横截面积为28.3cm²，横浇道总截面积为24.3cm²，内浇道共四道，总面积为18.5cm²，为一封闭式浇注系统，各单元比例为∑F_内∶∑F_横∶∑F_直=1∶1.3∶1.5。

在前床脚座处，设有出气冒口22/28×20的两个，20/24×10的1个。在后床脚座处设出气冒口30/35×20的1个。

5.主要工艺参数

缩尺（铸造收缩率）采用0.8%～1.0%。导轨处加工余量取6～9mm，床脚座处为5～7mm。为防止床身变形，在床身中心导轨面处留反变形量3mm（可按三角形作）。铁液浇注温度为1300～1330℃。浇注时间为28～35s。

应当指出，在制订床身类铸件铸造工艺时，要抓住床身导轨面的质量这一关键，即保证无缺陷、硬度和硬度差要求，还要注意采取导轨面变形的预防措施。其次是根据生产批量和工厂具体条件选择造型方法。以上实例采用干型，但我国许多工厂多采用湿型或表面干燥型铸造各种床身。

造型方法应适应不同批量的要求。大量生产的床身，采用两箱模板造型、平造立浇方案比较简便。而成批生产则采用劈模造型比较适宜，特别是当行车起重量小而铸件大的情况下，更为方便。单件生产时，对于较高大的床身，一般采用多箱（多层中箱）造型，这样下芯、合型、尺寸检查都方便。虽然这种多箱造型工时长，但可节约大量的工装工作量。

对于较短小的床身，如上述举例，一般采取一端为主的浇注方法。而对较长的床身，一般多用两端浇注，以免铁液过多地从一端注入，引起导轨局部冲砂、过热和硬度差过大。更长的床身，如大型龙门刨床身，采用顶雨淋式或底雨淋式浇道，分散注入铁液，可保证硬度均匀，同时，顶雨淋法对减小床身的变形量也是有益的。对于很短小的床身，可不留反变形量，适当放大导轨面的加工量即可补偿其变形。较长的床身可按“竹节式”或“月牙式”加放模样的反变形量。

B.3.3 408型机车侧架

1.凝固原则

408型机车侧架铸造工艺图如图B.17所示。该机车侧架从结构上看，属于均匀薄壁的

图B.16 CW6140机床床身铸造工艺图

2.浇注位置、造型方法与分型面

浇注位置为导轨面向下，由于是大量生产，应尽量用快速造型方法，合型也必须简便。根据该厂条件，决定采用抛砂造型法，干型两箱造型。沿床身纵向分型和分模。为了保证浇注位置，于下芯合型后，使铸型翻转90̊，使导轨面呈向下位置进行浇注。下芯合型工序必须仔细，以免在铸型翻转时型芯位置移动。

3.分芯负数和分型负数

铸件内腔和筋条均由型芯形成。3号、4号型芯都分为两半制芯，于烘干后装成整体，在分盒面上每半型芯各留0.5mm的分芯负数。3号和4号型芯相接处，留3mm的分芯负数。在1号、2号型芯之间留2mm分芯负数（留在1号型芯上），以利于下芯。由于是干型，合型时在分型面上要采取措施防止跑火，其结果会使两半砂型之间加厚。因此，在制定工艺时，两半模样上各留1mm的分型负数，以保证铸件精度。

4.浇冒系统

该床身较短小，浇注系统从一端底部沿导轨面引入，使用一个直浇道，横截面积为28.3cm²，横浇道总截面积为24.3cm²，内浇道共四道，总面积为18.5cm²，为一封闭式浇注系统，各单元比例为∑F_内∶∑F_横∶∑F_直=1∶1.3∶1.5。

在前床脚座处，设有出气冒口22/28×20的两个，20/24×10的1个。在后床脚座处设出气冒口30/35×20的1个。

5.主要工艺参数

缩尺（铸造收缩率）采用0.8%～1.0%。导轨处加工余量取6～9mm，床脚座处为5～7mm。为防止床身变形，在床身中心导轨面处留反变形量3mm（可按三角形作）。铁液浇注温度为1300～1330℃。浇注时间为28～35s。

应当指出，在制订床身类铸件铸造工艺时，要抓住床身导轨面的质量这一关键，即保证无缺陷、硬度和硬度差要求，还要注意采取导轨面变形的预防措施。其次是根据生产批量和工厂具体条件选择造型方法。以上实例采用干型，但我国许多工厂多采用湿型或表面干燥型铸造各种床身。

造型方法应适应不同批量的要求。大量生产的床身，采用两箱模板造型、平造立浇方案比较简便。而成批生产则采用劈模造型比较适宜，特别是当行车起重量小而铸件大的情况下，更为方便。单件生产时，对于较高大的床身，一般采用多箱（多层中箱）造型，这样下芯、合型、尺寸检查都方便。虽然这种多箱造型工时长，但可节约大量的工装工作量。

对于较短小的床身，如上述举例，一般采取一端为主的浇注方法。而对较长的床身，一般多用两端浇注，以免铁液过多地从一端注入，引起导轨局部冲砂、过热和硬度差过大。更长的床身，如大型龙门刨床身，采用顶雨淋式或底雨淋式浇道，分散注入铁液，可保证硬度均匀，同时，顶雨淋法对减小床身的变形量也是有益的。对于很短小的床身，可不留反变形量，适当放大导轨面的加工量即可补偿其变形。较长的床身可按“竹节式”或“月牙式”加放模样的反变形量。

B.3.3 408型机车侧架

1.凝固原则

408型机车侧架铸造工艺图如图B.17所示。该机车侧架从结构上看，属于均匀薄壁的

图B.17 4O8型机床侧架铸造工艺图

框架类铸件，它在机车上起固定、支撑、连接的作用，要求有足够的强度、刚度和良好的外观。生产性质属于成批生产。外形尺寸为2310mm×605mm×419mm。壁厚14～18mm。铸件重340kg。应满足如下力学性能：抗拉强度σ_b≥450MPa，屈服极限σ_s≥280MPa，伸长率δ₅≥20%。

采用机械造型，水玻璃砂型和型芯。由于是均匀薄壁铸件，用同时凝固原则进行铸造，不设置冒口。

2.铸造工艺方案

为了造型、下芯方便，采用水平分型、水平浇注的方案，即分型面选在侧架的中间最大断面上（图B.17）。型芯2号、3号、5号均分为两半制芯，烘干后再组合成整体。两半型芯分开面处留1.5mm分芯负数，两半芯盒各留一半，各减0.75mm。铸件两侧内腔转角处，为防止裂纹，对称地加设收缩筋（割筋）。在两边导框开口处设有拉筋，四处圆角分别加工艺补正量（加厚）1～2mm。为调整冷却速度，在四处设有外冷铁。

按照同时凝固原则，钢液从两端注入。浇注时，钢液首先注入浇口杯（图B.18），通过过桥浇口流入两端的两个直浇道，再流经保温冒口进入铸型。

3.主要工艺参数

铸造收缩率取1.6%，加工余量取4mm，铸件热处理温度为900～920℃，保温3h，然后缓冷。

由此例可以看出，铸钢尽管体收缩大，倾向于形成缩孔和缩松缺陷，一般碳素铸钢件多采用顺序凝固的原则进行铸造。但对于这类薄壁且均匀的框架类铸钢件，使用同时凝固的原则也可以收到良好的效果。

图B.17 4O8型机床侧架铸造工艺图

框架类铸件，它在机车上起固定、支撑、连接的作用，要求有足够的强度、刚度和良好的外观。生产性质属于成批生产。外形尺寸为2310mm×605mm×419mm。壁厚14～18mm。铸件重340kg。应满足如下力学性能：抗拉强度σ_b≥450MPa，屈服极限σ_s≥280MPa，伸长率δ₅≥20%。

采用机械造型，水玻璃砂型和型芯。由于是均匀薄壁铸件，用同时凝固原则进行铸造，不设置冒口。

2.铸造工艺方案

为了造型、下芯方便，采用水平分型、水平浇注的方案，即分型面选在侧架的中间最大断面上（图B.17）。型芯2号、3号、5号均分为两半制芯，烘干后再组合成整体。两半型芯分开面处留1.5mm分芯负数，两半芯盒各留一半，各减0.75mm。铸件两侧内腔转角处，为防止裂纹，对称地加设收缩筋（割筋）。在两边导框开口处设有拉筋，四处圆角分别加工艺补正量（加厚）1～2mm。为调整冷却速度，在四处设有外冷铁。

按照同时凝固原则，钢液从两端注入。浇注时，钢液首先注入浇口杯（图B.18），通过过桥浇口流入两端的两个直浇道，再流经保温冒口进入铸型。

3.主要工艺参数

铸造收缩率取1.6%，加工余量取4mm，铸件热处理温度为900～920℃，保温3h，然后缓冷。

由此例可以看出，铸钢尽管体收缩大，倾向于形成缩孔和缩松缺陷，一般碳素铸钢件多采用顺序凝固的原则进行铸造。但对于这类薄壁且均匀的框架类铸钢件，使用同时凝固的原则也可以收到良好的效果。

图B.18 过桥浇口示意图

图B.18 过桥浇口示意图