C件-外框架铸造工艺设计说明书.doc

“永冠杯”第五届中国大学生铸造工艺设计大赛
参赛作品

铸件名称：C件-外框架

自编代码：AC100332
方案编号：

目 录
摘 要 1
一、ZL114A框架的铸造工艺性能 2
1.1 ZL114A的铸造性能及热物理性能 2
1.2 框架零件的铸造工艺性 2
二、铸造工艺方案的优化设计 4
2.1 零件结构的审查及改进 4
2.2造型、制芯方法的选择 6
2.2.1 造型方法 6
2.2.2 制芯方法 6
2.3 型砂、芯砂的配方 6
2.3.1 型砂的配方 6
2.3.2 芯砂的配方 7
2.3.4 浇注位置的确定 7
2.3.5 分型面的确定 8
2.4 铸造工艺优化设计 8
2.4.1 方案 8
2.4.4 铸造工艺方案的确定 11
三、铸造工艺参数 13
3.1 铸件尺寸公差 13
3.2 机械加工余量 13
3.3 铸造收缩率 14
3.4 起模斜度 15
四、砂芯设计 17
4.1 砂芯的设置 17
4.3 芯头的尺寸及间隙 19
五、浇注系统的设计 21
5.1 浇注系统类型的选择 21
5.2 浇注系统引入位置的确定 21
5.3 浇注系统结构尺寸的确定 22
5.3.1 内浇道截面面积的计算 22
浇注系统各截面尺寸和形状的确定 24
5.4 浇注系统设计的校核 25
5.4.1 型内液面上升速度的校核 25
5.4.2 最小剩余压头高度的计算 26
六、冒口设计 27
6.1 冒口引入位置的选择 27
6.2 冒口形状与尺寸的确定 27
6.2.1 冒口形式的选择 28
6.2.2 冒口的尺寸 28
八、工装设计 29
8.1 模样设计 29
8.3砂箱设计 29
8.4芯盒设计 32
九、铸型装配 33
9.1下芯顺序 33
9.2铸型装配 34
十、铸造后处理 37
10.1铸件的落砂除芯 37
10.2铸件的清理 37
10.2铸件内应力的去除 37
参考文献 38
附件 39

“永冠杯”第五届大学生铸造工艺大赛

摘 要
本文对材料为ZL114A的框架结构零件进行了铸造工艺设计。在分析材料特性及审查零件结构的基础上改进零件的铸造工艺性，选定了造型及造芯方法，确定了分型面及浇注位置，采用截面比设计法计算了浇注系统的尺寸，通过计算铸件各个部分的模数确定了冒口的形式及安放位置，针对型芯的结构特点确定了芯头大小及下芯顺序，并设计了芯盒结构。根据设计方案，在三维造型软件UG平台上绘制零件、铸件、装配、型芯、芯盒和铸型等实体图；接着，采用PROCAST软件进行充型过程的模拟，根据模拟结果优化铸造工艺并修改设计方案，然后再次进行数值模拟，如此反复，以获得最优的工艺方案。根据最终工艺方案，完成铸件、铸造工艺、装配等二维图的绘制。
关键词：框架零件；ZL114A；铸造工艺设计；Procast；三维造型；平面图集。

一、ZL114A框架的铸造工艺性能
1.1 ZL114A的铸造性能及热物理性能
ZL114A合金是在ZL104A合金的基础上增加镁元素的含量发展起来的Al-Si-Mg系高强度铸造铝合金，它不仅具有优良的铸造工艺性能，而且有较ZL104A更高的力学性能。在航空制造业中，利用该合金的优越性能制造一些重要部位的大型薄壁结构件代替铝合金钣金结构件，具有较大的经济效益。ZL114A的化学成分、物理及化学性能及力学性能分别如表1-1、表1-2和表1-3所示。
表1-1 ZL114A的化学成分（质量分数，%）
合金代号
Si
Mg
Ti
Be
Al
ZL114A
6.5～7.5
0.45～0.6
0.1～0.2
0.04～0.07
余量
表1-2 ZL114A的物理及化学性能
合金代号
熔化温度（℃）
热导率w/(m·℃)
比热容J/(kg·℃)
密度（g/cm3）
电阻率（nΩ·m）
ZL114A
557～613
152
963
2.685
43.4
表1-3 ZL114A的力学性能
合金代号
铸造方法
合金状态
力学性能不低于
σb（MPa）
δ5（％）
HBS（5/250/30）
ZL114A
SB
T5
290
2
85
J、JB
T5
310
3
90

1.2 框架零件的铸造工艺性
框架零件三维结构如图1-1所示，该零件大多部位为薄壁结构，内部有大量的空腔结构，表面有较多的孔洞，成型该零件需要较多的型芯，型芯结构较为复杂，同时下芯时型芯之间存在互相干扰，这就使得下芯困难，并且该零件的长和宽分别达到了1466mm和870mm，这就对该零件的铸造方法的选择带来了一定的限制。所以本设计初步考虑采用组合芯的方法来解决下芯困难的问题，并且采用明冒口来保证铸件的补缩和排气。总之根据以上分析，本设计的重点在于浇注系统和砂芯的设计，同时其他方面也应当有所考虑。

高619

870
1092

（a）框架三维结构示意图正面

1466

878

（b）框架三维结构示意图反面
图1-1 铸件的整体结构
二、铸造工艺方案的优化设计
2.1 零件结构的审查及改进
（1） 如图2—1所示，零件薄壁处壁厚多为20mm，少部分位置为25mm、30mm，壁厚较为均匀，有利于实现铸件的顺序凝固和补缩。
30
20

25
20

图2-1 铸件的结构
（2）铸件形状对称，可以减少型芯种类和芯盒数量，有利于简化铸造工艺。
（3）铸件上的工艺孔较多，其中有些工艺孔的孔径较小而孔深较大，这些小孔在铸造过程中成型困难，会使铸件产生粘砂，造成清理和机械加工困难，同时通过铸造的方法成型小孔也很难保证成型精度，所以在本工艺方案中零件上的小孔不铸出，在铸造工序完毕后再通过机械加工的方法将小孔加工出来。不铸出的孔如图2-2和表2-1所示。

①Φ17.5完全贯穿
Φ26 16

②6-M8深16
③8-φ22透

（a） 零件正面

⑤ 4-φ140沉台深2
④16-M3深7.5
⑥6-M5深15

（b）零件反面
图2-2 铸件上不铸出的孔
表2-1 不铸出的孔
序号
孔的尺寸
序号
孔的尺寸
①
Φ17.5完全贯穿
Φ26 16
④
16-M3深7.5
②
6-M8深16
⑤
4-φ140沉台深2
③
8-φ22透
⑥
6-M5深15

2.2造型、制芯方法的选择
2.2.1 造型方法
（1）选用砂型铸造。砂型铸造的优势有：
1）砂型铸造成本低；
2）砂型铸造生产灵活，既适用于单件小批量生产，又适用于大批量生产；
3）砂型铸造可以用于生产大型铸件。
（2）选用表干型
表干型兼有干型和湿型的特点。相对于湿型，其避免了易于产生夹砂、气孔、砂眼、膨胀等缺陷的问题，相对于干型，表干型不需要大型的烘干设备，生产成本低，生产效率高。
2.2.2 制芯方法
选用自硬树脂砂造芯。自硬树脂砂的优势有：
（1）树脂砂与粘土砂相比铸件尺寸精度高，表面粗糙度低，可以显著减低铸件废品率；
（2）自硬树脂砂能常温自硬成型，节能节材；
（3）芯砂在可使用时间内流动性好，能在较小紧实力的作用下，较好地充填形状复杂的型、芯各个部位，减轻工人的劳动强度；
（4）芯砂的溃散性好，铸件落砂、清理容易。
2.3 型砂、芯砂的配方
2.3.1 型砂的配方
根据《铸造工艺学》，型砂的配方如表2-2所示。
表2-2 型砂的配方
成 分（％）
性 能
新红砂
旧砂
粘土
含水量（％）
湿压强度（KPa）
透气性
粒度组别
加入量
10
10～30
70～90
8～12
5～7
30～50
＞30

2.3.2 芯砂的配方
根据《铸造手册（第二版）第五卷：铸造工艺》，芯砂的配方如表2-3所示。
表2-3 芯砂的配方（质量，kg）
原砂
呋喃树脂
对甲苯磺酸
100
1
0.4

2.3.4 浇注位置的确定
铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置，浇注位置是根据铸件的结构特点、尺寸、重量、技术要求、铸造合金特性、铸造方法等确定的。正确的浇注位置可以保证铸件结构完整，组织致密，同时方便造型、下芯。
本框架结构件的浇注位置有两种方案可供选择：
方案一：如图2-3（a）所示，铸件倒着摆放、三箱造型。
方案二：如图2-3（b）所示，铸件水平摆放、二箱造型。
铸件水平摆放，虽然可以减少砂箱的高度，便于造型和下芯，使的铸件的大平面竖直摆放，减少粘砂和夹渣的缺陷，却不利于砂芯的固定，不能保证铸件的的尺寸精度。而采用竖直摆放，有利于降低浇注系统和冒口的设置难度，并且方便下芯，同时也有利于铸件的顺序凝固，更加有利于砂芯的固定。所以本设计采用铸件竖直倒着摆放的浇注方案，如图2-3（a）所示。

上
上
中
中
中
中
下
下
上

下

（a）铸件竖直摆放 （3箱 造型） （b）铸件水平摆放 （2箱造型）
图2-3 铸件的浇注位置及分型面
2.3.5 分型面的确定
铸造分型面是指铸型组元间的接合面。合理的分型面可以简化铸造工艺、降低生产成本、提高生产效率，并且能够提高铸件良品率。本设计选择的分型面如图2-3(a)所示，其优点有：
（1）铸件最大截面在分型面上，造型，下芯方便；
（2）浇注系统和冒口的设置较为方便；
（3）分型面与浇注位置一致，方便浇注系统的设计。

2.4 铸造工艺优化设计
本设计采用procast软件对选定的铸造工艺方案进行铸造过程的模拟，以分析铸件的充型过程以及铸造缺陷的大小和分布。在分析模拟结果的基础上，通过改变冒口和冷铁的大小、数量和安放位置以改进铸造工艺方案，再对新的工艺方案进行模拟、分析，如此反复，以得出最佳的铸造工艺。
2.4.1 方案
方案1如图2-4所示，为避免铸件出现缩孔、缩松等缺陷，在铸件两个厚大的部位设置两个明冒口对铸件进行补缩。冒口设在加工面上，方便去除，避免冒口对铸件表面质量的影响。

冒口 1 冒口2
（3个） (3个)
浇口杯
图2-4 方案1浇冒口设置示意图

图2-5 方案2浇冒口设置示意图

对方案1、方案二进行模拟的边界条件如表2-4所示。
零件材料
铸型材料
冷却方式
浇注温度（℃）
浇注速度（m/s）
ZL114A
硅砂
空冷
720
1.4
表2-4 工艺模拟参数
图上的两个方案模拟结果基本相似，出现缩松的位置也基本一致，都是出现在铸件的中部，直径为870和两个框臂交接的地方，以及铸件的中下部四个地方的缩松比较严重。
2.4.3.2 充型过程
铸件的充型过程对铸件的质量影响很大，如果铸件的充型不平稳，甚至引起涡流，会造成铸件产生氧化夹杂和气孔。而浇注系统、冷铁和冒口的设置是影响铸件充型的重要因素。为了验证铸造工艺方案的合理性，对铸件充型过程进行数值模拟，方案1的充型过程模拟结果分别如图2-8和图2-9所示。

（a） 10s (b) 15s

(c) 20s (d) 20S

(e) 30s (f) 35s

图2-8 方案1充型过程示意图
从上图中可以看出，方案1比方案二充型平稳，间到35秒时，铸件已基本充满，无卷气和夹杂产生，这就证明方案1的浇冒口设置是合理的。
2.4.3.4 缩孔缩松分布

方案（1） 方案（2）

从图中可以看出，模拟结果显示方案1的缩松和方案2差不多，出现的位置也相差不大。
2.4.4 铸造工艺方案的确定
通过对以上两种方案的充型过程、凝固情况和缩孔缩松分布的模拟可以得出方案1、2的冒口的补缩作用不强，这里冒口的主要作用是排气。修改一下冒口的尺寸如图
所以本设计选择方案1作为本框架零件的铸造方案。
三、铸造工艺参数
3.1 铸件尺寸公差
根据GB/T6414-1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》的规定，对于轻金属合金，小批生产的铸件采用砂型铸造手工造型的工艺方法和采用粘土砂型生产铸件的尺寸公差等级为CT11~CT13，选取为CT12。
3.2 机械加工余量
根据GB/T6414-1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》的规定，机械加工余量应适用于整个毛坯铸件，即对所有需机械加工的表面只规定一个值，且该值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸，根据相应的尺寸范围来选取。所以根据GB/T6414-1999，本设计选取的机械加工余量等级为G级，铸件的最大轮廓尺寸为619mm,机械加工余量为4mm。
铸件需机械加工的部位如图3-1及表3-1所示

1

2

3

（a）铸件正面需机械加工的部位

4 5 6 7 8

9

（b）铸件反面需机械加工的部位（剖面图）
图3-1 铸件需机械加工的部位

表3-1铸件需机械加工的部位尺寸大小
序号
尺寸类型
加工余量等级
加工余量(mm)
说明
1
端面尺寸
G
11
方便造型减少错型对铸件的影响
2
轴向尺寸
G
8

3
轴向尺寸
G
4

4
轴向尺寸
G
5

5
轴向尺寸
G
11

6
端面尺寸
G
4

7
轴向尺寸
G
4

8
径向尺寸
G
4

9
轴向尺寸
G
4

3.3 铸造收缩率
铸件的线收缩率又称铸件收缩率或铸造收缩率，是指铸件从线收缩开始温度冷却到室温时的相对线收缩量，以模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：
(3-1)
式中 L1——模样长度
L2——铸件长度
铸件的收缩可分为自由收缩和受阻收缩，两种收缩的收缩率差别较大。本铸件的材料为ZL114A，铸件结构复杂，型芯较多，所以铸件受阻收缩，查《铸造手册（第二版）第五卷：铸造工艺》表3-69得，本铸件的铸造收缩率为1.0%
3.4 起模斜度
当铸件没有结构斜度时，为保证铸件的顺利起模，有必要在铸件上设置起模斜度。所以本设计采用增加铸件壁厚的方法来设置起模斜度。
查《铸造手册（第二版）第五卷：铸造工艺》表3-70得铸件外表面的起模斜度为25′，凹处内表面的起模斜度为45′。
3.5 铸件三维结构示意图
铸件图是在零件土的基础上去除不铸出的孔和槽、增加加工余量和设置起模斜度而得来的。它反映了铸造工序完成后铸件的形状，是设计铸型工艺及其装备、编制铸造工艺规程和铸件验收的重要依据。铸件三维结构示意图如图3-2所示，绿色的面为铸件的机械加工面，红色的面为增加了起模斜度的面，紫色表示既是机械加工面又是设置了起模斜度的面。

（a）铸件的侧面

(b) 铸件的反侧面
图3-2 铸件三维结构示意图
四、砂芯设计
4.1 砂芯的设置
本框架零件结构复杂，特别是有较多的空腔结构，这些空腔结构均需要型芯来成型，这就使得本铸件的型芯较多，同时型芯的设置方式对铸件的质量、生产效率及生产成本有着很大的影响。
采用整体芯的方案可以使型芯定位准确，避免铸件尺寸因型芯的定位而出现偏差，整体芯的强度较高，，这样可降低对芯头强度的要求以减小芯头尺寸，同时由于几个型芯合为一体，可以减少芯盒数量，缩短制造周期。但是采用整体芯的方案也有其缺点，主要是整体芯体积较大，特别是对于本框架结构件来说，整体芯的尺寸很大，这就使得制造整体芯的芯盒的尺寸变得很大，芯盒的制造、搬运、极为不便。而采用各个型芯分开制造，在有必要的的砂芯进行组装成为组合砂芯的方式就能解决这个问题。本框架结构件，各个砂芯的外形如图4-3所示。

（1#、2#） （3#、4#）

（5#） （6#）

（7#） （8#）

（9#）
图4-3 各个砂芯的外形
其中1#、2#、8#、9#砂芯形状复杂，制芯和下芯都较为困难，所以这几个砂芯均采用组合芯的方法来制造：将砂芯分为几个部分，其中砂芯本体分为三块，芯头也分开单独制造，再与本体装配在一起，如图4-4所示。

图4-4 组合芯

4.3 芯头的尺寸及间隙
芯头的尺寸、斜度及间隙如表4-2和表4-3所示。
1#、2#砂芯相同，芯头为长方形，尺寸为长220mm,宽为38.9mm,芯头斜度为5°，芯头高为100mm。
3#、4#砂芯相同，芯头为长方形，尺寸为长250mm,宽为220mm,芯头斜度为5°，芯头高为100mm。
表4-2 芯头的尺寸

H
D
L

型芯编号
芯头直径D(mm)
防转结构位置L(mm)
芯头高度H(mm)
5#
400
无防转结构
上芯头
25
下芯头
40
6#、7#、8#、9#
180
60
100
表4-3 芯头的斜度及间隙
S

型芯编号
芯头间隙S(mm)
芯头斜度а(°)
1#、2#
2.0
5°
3#、4#
1.5
5°
5#
1.5
上芯头
10°
下芯头
5°
6#、7#、8#、9#
3.0
5°
五、浇注系统的设计
5.1 浇注系统类型的选择
根据内浇道在铸件上的相对位置，浇注系统分为顶注式、中注式、底注式和阶梯注入式等4种类型，这4种类型各有优缺点，其适用范围也不相同，应当根据铸件的具体情况选择浇注系统的类型。对于本框架结构件来说，顶注式、中注式和底注式浇注系统均可以选用。顶注式浇注系统结构简单、造型方便，金属液从顶部流入型腔，易于充满，且可以形成自上而下的温度梯度，利于铸件补缩，但是顶注式浇注系统对砂型冲击力大，不利于型腔中气体的排出，会造成砂眼、气孔、夹杂等缺陷，所以顶注式浇注系统对本铸件并不适用。底注式浇注系统虽能克服顶注式的缺点，但是也存在着金属液消耗多、充型时间长、金属液长时间与空气接触，表面易产生氧化皮等缺陷。同时，对于本框架结构件，采用底注式浇注系统必须采用三箱造型，费时费力，且增加生产成本。所以根据本框架结构件的结构特点和尺寸大小，本设计选择中注式浇注系统。中注式浇注系统的优势有：
（1）合金液从铸件高度的中间分型面处引入，因而降低液流下落的高度，改善了顶注式浇注系统充型不平稳的缺点；
（2）内浇道和横浇道均可开设在铸件的分型面上，避免三箱造型，节省成本，造型方便；
（3）对于本框架结构件，中注式浇注系统可以通过设置合理的内浇道位置以避免金属液直冲砂芯。
5.2 浇注系统引入位置的确定
浇注系统的引入位置影响到浇注系统结构类型的确定，同时对液态金属的充型方式、铸型温度分布、铸件质量影响很大，因此在浇注系统设计中，对于内浇道的引入位置，要给予充分考虑。内浇道的设计原则有：
（1）根据较弱顺序凝固原则，应当对每一个补缩区域按顺序凝固的要求设置内浇道，对整个铸件则按同时凝固的要求采用多个内浇道分散充型，以有利于铸件的凝固补缩。
（2）为提高铸件外观质量，内浇道应当开设在铸件要求不高的加工面上，而不开设在铸件的非加工面上。
（3）内浇道应使金属液沿型壁注入，避免金属液溅落到型壁表面上或使铸型局部过热。
（4）内浇道应避免直冲砂芯、型壁或型腔中其他薄弱部位，防止造成冲砂。
（5）内浇道不得开设在靠近芯撑的位置，以免造成芯撑过早熔化。
根据以上设计原则，浇注系统的布置形式如下图5-1所示。

图5-1 浇注系统的布置形式
5.3 浇注系统结构尺寸的确定
浇注系统设计的方法可分为3类，分别是公式法、经验设计法和简化图表法。其中公式法又分为阻流截面设计法和截面比设计法。其中，截面比设计法更为可靠、实用。所以本设计采用截面比设计法进行浇注系统的计算。
5.3.1 内浇道截面面积的计算
根据截面比设计法，内浇道截面面积计算公式为：

式中： A内—内浇道截面积； GL—流经内浇道的金属液总重量；
—金属液密度； μ—流量损耗系数；
t—浇注时间； g—重力加速度；
hp—内浇道单元处的压力高度值；Hp—平均静压头高度；
对于有浇口杯-直浇道-横浇道-内浇道四个单元的浇注系统来说
=

式中： k1—直浇道截面积与横浇道截面积之比；
k2—直浇道截面积与内浇道截面积之比；
为平均静压头的高度。
浇注时间t按照经验公式t= (1)
t=B (2)
G为铸件或浇注金属重量；为铸件壁厚。
对于铝合金对于式（1）有：A=2.4; n=0.387
式（2）有：B=1.25; n=0.35; p=0.35.
式中各参数的数值为：根据铸件的合金为铝合金GL一般为铸件质量的2~3倍，故而GL=； =2.685g/cm3=2.685×103kg/m3；
取截面比为A直:A横:A内=1:2:1。
μ=0.68；k1=0.5;
k2=1；g=9.8m/s2。采用底注式根据砂箱高度为770mm以及浇口杯高度为150mm,Hp=92cm；
按式（1）得t=2.4GL0.387=2.4×(634.965)0.387=20.46s；
按式（2）得t=B=1.25=24.77s
两者相差不大，可以取t=20.46s
===0.409m
将以上参数代入式(5-1)得：

浇注系统各截面尺寸和形状的确定
根据已经确定的截面比截面比为A直:A横:A内=1:2:1，可以计算出A直=60cm2，A横=120cm2。
（1）直浇道形状和尺寸的确定
采用圆锥形直浇道，根据计算得出的结果，当采用一个直浇道时，直浇道的半径=43.7mm所以其直径D=87.4mm。

（2）横浇道形状和尺寸的确定
浇道的总横截面积为120cm2，由于采用的是两个横浇道，所以每个方向横浇道的面积为60cm2。
采用截面积h=1.2a，b=0.8a,R=3~5mm的梯形横浇道，如图5-2所示，横浇道的尺寸为：a=75.2mm；b=60.2mm；h=90.96mm；R=4mm。

图5-2 横浇道的尺寸
（3）内浇道形状和尺寸的确定
内浇道的总横截面积为60cm2，本铸件采用4个内浇道的形式，每个内浇道的面积为：60÷4=15cm2

取a=97mm; b=89mm; h=16.2mm; R=3mm
（4）浇口杯的形状和尺寸的确定
本设计选择箱式浇口杯，箱式浇口杯也称浇口箱，由铸铁制成。浇口箱主要用于浇注大、中型铸件，使用前，应经预热、刷涂料及烘烤。浇口箱的尺寸为：A=250mm；B=250mm；C=200mm；D=200mm；h=150mm；浇口箱的外形如图5-4所示。

图5-4 浇口箱的外形

5.4 浇注系统设计的校核
5.4.1 型内液面上升速度的校核
对于结构复杂及大型铸件，在浇注时间确定后，需验算型内液面的上升速度，液面的上升速度必须大于参考值，平均液面上升速度为：
(5-2)
式中：—型内液面上升速度；—铸件在浇注位置时的高度；t—浇注时间。
式中参数的具体数值为：hC=30cm；t=17.5。将参数带入式5-2得：

查《铸造手册（第二版）第五卷：铸造工艺》得，参考值V=1.0。
vt＞v
所以型内液面上升速度合格。
5.4.2 最小剩余压头高度的计算
对于结构复杂及大型铸件，在浇注时间确定后，需验算型内液面的上升速度，液面的上升速度必须大于参考值，平均液面上升速度为：
(5-2)
式中：—型内液面上升速度；—铸件在浇注位置时的高度；t—浇注时间。
式中参数的具体数值为：hC=61.9cm；t=20.46。将参数带入式5-2得：

查《铸造手册（第二版）第五卷：铸造工艺》得，参考值V=1.0~2.0。
vt＞v
所以型内液面上升速度合格。
六、冒口设计
6.1 冒口引入位置的选择
冒口是在铸件内人为设置的贮存金属液的结构体，用以补偿铸件成型过程中可能产生的收缩，防止铸件产生缩孔、缩松并兼有排气、集渣、引导充型的作用。冒口位置的选择原则有：
（1）冒口应当设置在铸件热节的上方或旁边；
（2）冒口应当设置在铸件最高、最后的部位；
（3）在满足补缩作用的前提下，冒口应尽可能设在加工面上，减少清整冒口的工作量。
根据以上原则，

图6-4 冒口的设置位置和编号
6.2 冒口形状与尺寸的确定
6.2.1 冒口形式的选择
冒口可分为明冒口和暗冒口，这两种冒口各有其优缺点和适用范围。对本铸件来说，由于冒口的设置位置在铸件的上表面，这使得暗冒口难以造型，所以本设计选择明冒口对铸件进行补缩，明冒口的优势有：
（1）明冒口与大气相通排气及浮渣效果较好；
（2）在浇注过程中通过明冒口可以直观的看到金属液的液面位置，方便操作；
（3）明冒口的造型较为方便。
6.2.2 冒口的尺寸
铝合金铸件的收缩率较大，为了得到内部质量较好的铸件，应当采用较大的冒口进行补缩。本铸件比较薄，冒口的补缩不足，这里冒口的主要作用是排气的作用。本设计根据经验确定冒口的大小，最终得出两种冒口的尺寸如图6-5和图6-6所示。

A=40mm，C=65mm，B=120mm ,DR=145mm HR=143mm,D=66.7mm,斜度为5度
6-5 1#、3#冒口的尺寸 图6-6 2#、4#冒口的尺寸
八、工装设计
8.1 模样设计
本设计选用木模样，因为其有轻质、易加工、廉价的特点，且其适用于各种批量的生产。模样的尺寸是模样所有尺寸中最重要的，其正确与否直接影响铸件的尺寸精度，模样的工作尺寸可按下式计算：
(8-1)
式中：—模样的工作尺寸；—产品的铸件尺寸；—零件铸造工艺附加尺寸（加工余量+起模斜度+其他工艺余量）；—铸造的线收缩率。
模样的基本尺寸和外形与铸件的尺寸和外形相同，所不同的是：
（1）模样上要设置起模斜度，外表面的起模斜度为30′，凹处内表面的起模斜度为55′；
（2）模样上要在有芯头结构，并且要在芯头尺寸的基础上加上芯头间隙，方便在造型时形成芯座；
（3）模样上要有冒口的定位装置，以方便在造型时安放冒口；
8.3砂箱设计
砂箱是铸造生产中必备的工艺装备。其结构和尺寸合理与否，对铸件质量、生产效率、劳动强度有很大影响。本框架结构件的内浇道为环状，且半径较大，为了减少砂箱的吃砂量，本设计采用圆形的专用砂箱，砂箱的材质为铸铁。砂箱的设计分为箱壁选择、箱带选择、砂箱的定位及合型夹紧装置的选择几个部分。
8.3.1 箱壁的选择
根据《铸造手册（第二版）第五卷：铸造工艺》表4-101，箱壁的外形和尺寸如表8-1所示。

表8-1 箱壁的外形和尺寸

参数
数值(mm)
参数
数值(mm)
δ
35

40
b
110

45

70

50

130

15

60
a
10

35
r
10
8.3.2 砂箱箱带的选择
砂箱的内框尺寸主要根据零件工艺布置图和吃砂量来确定。然后再根据通用砂箱规格系列表来选择和确定合适的砂箱内框尺寸。由于三维工艺的的长宽高为1674×1222.4×627, 取上砂箱长宽高为2000×1600 ×627长度方向吃砂量为163mm，宽度方向侧壁方向的吃砂量为177.6mm，浇口一侧的吃砂量为200mm。根据《铸造手册（第二版）第五卷：铸造工艺》表4-108，同时考虑到箱带在铸型装配过程中不与浇注系统、冒口和型芯相冲突，砂箱箱带的尺寸如表8-2所示

参数

R
数值(mm)
30
22
110
30
5
60
表8-2 砂箱箱带的尺寸

8.3.3 砂箱定位部分的选择
在铸造生产中，砂箱和模板，上砂箱和下砂箱都有一定的定位要求，本设计采用定位箱耳作为砂箱的定位装置，它与砂箱本体紧固相连，定位较为准确。定位箱耳的外形及尺寸如表8-3所示。
表8-3 定位箱耳的外形及尺寸

参数
数值(mm)
参数
数值(mm)

45

40

65

160
h
55

15

10

10

120

180

图8-4 砂箱的外形
8.4芯盒设计
8.4.1 芯盒的内腔尺寸
芯盒是生产砂芯的必要装备，本铸件型芯较多，所以就需要较多的芯盒来成型。芯盒的内腔尺寸为：
（8-2）
式中：—芯盒内腔尺寸；—产品零件尺寸；—铸造尺寸；—合金的铸造线收缩率。
8.4.2 芯盒的材质及壁厚

芯盒编号
芯盒壁厚（mm）
芯盒编号
芯盒壁厚（mm）
1#、2#
6
5#
8
3-1#、3-2#、3-3#、3-4#
4-1#、4-2#、4-3#、4-4#
12
6#、7#、8#、9#
8
表8-5 芯盒的壁厚
九、铸型装配
9.1下芯顺序
铸件的型芯较多，而且砂芯之间还存在互相冲突的问题，为了保证下芯顺利、准确，有必要制定合理的下芯顺序，在下芯之前先组装完成3#、4#芯。本铸件的下芯顺序如下
7#
6#
9#
8#
1# 2# 5# 45#钢 3# 4#

下芯顺序如图9-1所示。
盖上中箱，下5#芯
下1#芯
下2-#芯

下4#芯
下45#钢
下3#芯

下8#芯
下9#芯

下7#芯
下6#芯

图9-1 下芯顺序
9.2铸型装配
合箱就是把砂型和砂芯按要求组合在一起成为铸型的过程。铸型的合箱是制备铸型的最后工序，也是铸造生产的重要环节。如果合箱质量不高，铸件的形状、尺寸和表面质量就得不到保证，甚至还会使铸件报废。
合箱工作一般按以下步骤进行：
（1）全面检查、清扫、修理所有砂型和砂芯，不符合要求者，应进行返修或废弃。
（2）按下芯次序依次将砂芯装入砂型，并严格检查和保证铸件壁厚、砂芯固定和芯头间隙。
（3）仔细清除型内散沙，全面检查下芯质量，在分型面上沿型腔外围放上一圈泥条或石棉绳，以保证合箱后分型面密合，避免液态金属从分型面间间隙流出，随后即可正式合上箱。
（4）用螺栓锁紧铸型，放好浇口杯。在分型面接缝处抹上沙泥以防止跑火。最后全面清理场地，以便安全方便地浇注。
铸型装配图如下图所示：

图9-2 铸型的装配图

图9-3 铸型的透视图
十、铸造后处理
10.1铸件的落砂除芯
铸件凝固冷却到一定温度后，把铸件从砂箱中取出，去掉铸件表面及内腔中的型砂和芯砂的工艺过程称为落砂除芯，落砂除芯方式的选择有以下几点原则：
（1）选择的落砂机应与造型线上主机的生产率相适应。
（2）落砂机的台面尺寸及吨位应根据铸件尺寸大小及单位时间内通过落砂机的铸型数来选择。
（3）不同的铸件类型和型砂种类因选择不同的落砂方式。
根据本框架结构件的特点，选择双轴式落砂机，因为其适合各种生产批量、铸件和铸型质量在12t以下的铸件，可以用于本框架结构件的落砂。
10.2铸件的清理
为了提高铸件的表面质量，还需进一步对铸件进行清理，切除浇冒口，打磨毛刺等工序。由于铝合金铸件不能用气割法切除浇冒口，所以应当采用车床、圆盘锯及带锯等进行机械切割以去除浇冒口。
去除浇冒口后还要对铸件进行表面清理，铸件的表面清理包括去除铸件内外表面的粘砂、分型面和芯头处的披缝、毛刺浇冒口痕迹等。本铸件结构复杂，孔洞较多，可以采用手工清理。
10.2铸件内应力的去除
由于铸件各部分并不是同时凝固，并且砂型和砂芯也会阻碍铸件的凝固收缩，因此铸件在凝固的过程中会产生铸造内应力，所以必须采用热处理的方法消除铸造内应力，热处理的工艺为：
将铸件缓慢加热至290~310℃，保温2-4小时，出炉空冷或随炉冷却。

参考文献
[1] 中国机械工程学会铸造分会. 铸造手册（第二版）：铸造工艺. 机械工业出版社,2003
[2] 曲卫涛. 铸造工艺学. 西北工业大学出版社,1996
[3] 《中国航空材料手册》编辑委员会. 中国