钻机动力头铸造工艺设计样本.doc

机械技术学院
毕 业 设 计 论 文

QT450钻机动力头铸造工艺设计

学生姓名： 李赛龙
指导老师姓名： 黄晓徐

所在班级 材料11071 所在专业 材料成型和控制技术
论文提交日期 年 月 日 论文答辩日期 年 月 日
答辩委员会主任 主答辩人

机 械 技 术 系
年 月 日

目录
1、引言 2
2、钻机动力头工艺分析 3
2.1钻机动力头 3
2.2 工作环境及性能要求分析 4
2.3 结构特点分析 4
2.3.1 底盘 4
2.3.2 大臂摆动或上机回转结构 5
2.3.3 传动系统及结构 5
2.4 发展趋势 5
3.钻机动力头选材 6
3.1 球墨铸铁金相组织、性能特点、牌号及技术要求 6
3.1.1．球墨铸铁金相组织特点 6
3.1.2.球墨铸铁性能特点 7
3.1.3．球墨铸铁牌号及技术要求 9
表4 球墨铸铁牌号及力学性能 9
3.2 灰铸铁金相组织、性能特点、牌号及技术要求 10
3.2.1、灰铸铁金相组织 10
3.2.2．灰铸铁性能特点 11
3.2.3、灰铸铁牌号及技术要求 13
表8 灰铸铁件硬度分级（GB9439-88） 13
3.3 钻机动力头材料确实定 13
4.浇注系统设计 14
4.1 金属液充型 14
4.1.1、影响充型能力原因 14
4.2浇注系统各部分结构形式 15
4.2.1 浇口结构形式 16
4.2.2 直浇道结构形式 17
4.2.3 横浇道结构形式 17
图12 集渣包式横浇道 18
4.2.4 内浇道结构形式 18
4.2.5 浇注系统选择 18
4.2.6 球墨铸铁件浇注时间确实定 19
4.2.7 阻流组元截面积计算多个组元之间百分比关系确实定 19
5、铸件凝固控制和冒口设计 19
5.1 球墨铸铁凝固特点 19
5.2铸件收缩及收缩缺点 20

5.2.1 铸件收缩 21
5.3 冒口补缩原理及补助设计 21
6、铸造工艺设计 22
6.1 铸造工艺方案确实定 23
6.1.1、零件结构铸造工艺性 23
6.1.2 铸件浇注位置选择 23
6.1.3 铸型分型面选择 24
6.2 铸造工艺设计参数 24
7、铸件缺点分析及预防 25
7.1 铸件缺点 25
7.2 球铁件铸件常见缺点分类 25
7.3 球铁件缺点分析和预防 25
7.3.1.缩孔缩松特征 25
7.3.2.夹渣特征 26
7.3.3.石墨漂浮特征 26
7.3.4.皮下气孔特征 26
7.3.5.球化不良和球化衰退特征 27
总结 28
参考文件 29

钻机动力头铸造工艺设计
材料11071 19 李赛龙
摘要此次设计内容为钻机动力头铸造工艺设计。依据零件使用条件﹑结构特点﹑生产批量，结合工厂设备等进行铸造工艺分析，确定了铸造方法，造型及造芯方法，凝固标准及浇注位置，分型面，砂箱中铸件数量，砂型数量等。完成了砂芯，浇注系统，冒口等，相关工艺装备等设计，并进行了铸件质量控制分析及制订了检验要求。
关键词：砂型铸造 ；铸件；浇注温度；铸造工艺

1、引言
为了排除尾矿坝坝体渗水，增加坝体稳定性，在坝内需设置排渗系统。尾矿库内水沿尾矿颗粒间孔隙向坝体下游方向不停渗透形成渗流，稳定渗流自由水面线称为浸润线。尾矿坝内浸润线位置越高，坝体稳定性越差，地震液化可能性越大。坝内设置排渗设施可有效地降低浸润线，并有利于尾矿泥排水固结，是增强坝体稳定性关键方法。
降低尾矿坝浸润线方法有很多个，在尾矿坝建成后排渗降低浸润线最关键设计施工方法是水平排渗体及大口径辐射井工艺，这两种排渗形式排渗效果好，降低浸润线加固坝体效果显著，在现今中国很多尾矿坝中得到了大量实践应用。
水平排渗体又分为单管水平孔排渗及垂直砂袋井-水平孔联合自流排渗体工艺，是利用尾矿坝体一面凌空地理优势从坝体外向坝内沿水平方向呈一定上仰角度钻探一水平孔，孔内下入利于排渗过滤器及导流管而达成排水目标。
辐射井排渗工艺是高尾矿坝降低浸润线一项重工方法。该工艺是由集水井、集渗管、排水管三部分组成。
辐射井工艺已经在中国很多尾矿库中得到了应用，如山西金堆成尾矿坝，山东淄博赤泥堆场，河南舞阳罗寺沟尾矿库，河南栾川榆木沟尾矿库等。
现在中国设计施工水平排渗体及辐射井工程排渗、集渗管管绝大多数管长小于80米（通常设计为60米～70米），排渗管管长小于120米（通常设计为80～120米），这些参数确实定关键是受中国外水平孔钻机施工能力影响，中国现在辐射井施工所使用钻机关键是以SPE01型钻机及dg50(DG50)型钻机为代表施工设备，spe01g(SPE01)型钻机关键性能参数以下：
1.钻机液压缸最大给进推力为2*300（kN）,
2.最大回拨拉力为：2*134(kN),电机驱动回转机构，
3.电机驱动回转最大额定扭矩为2.2 (kNm),齿轮传动比9.94，输出转速97.57r/min.输出转矩0.734(kNm),4.钻机外型尺寸为2.65*0.65m;
dg50型钻机关键技术参数见下表：
表1
1、钻孔深度
100 m
2、钻孔直径
φ80～φ178 mm
3、钻杆直径
φ50～φ89 mm
4、钻孔倾角度
0～15°
5、动力头额定输出转速（正反）
25～110 rpm
6、动力头额定输出扭矩
Nm
9、动力头最大给进力
600kN
10、动力（电机）
15 kW
11、主机外形尺寸
2550×1150×750（mm）
12、钻机重量
1200 Kg
13、最大部件重量
750 Kg
伴随中国尾矿库加高及库容增加，排渗体及辐射井设计参数伴随需进行调整，关键调整参数为集渗管、排水管加长，集水井深度增加。现有设备已经不能满足设计要求，以现有河南栾川榆木沟尾矿库辐射井工程为例：该工程设计辐射井集水井井深为43米，集渗管管长80米，排水管长160米，是现在中国最大规模辐射井。采取中国已经有设备不可能完成该项任务。所以研发一个新型水平孔施机设备已势在必行。

2、钻机动力头工艺分析
2.1钻机动力头
主视图 左视图 后视图

俯视图 右视图
图1 钻机动力头箱体视图

2.2 工作环境及性能要求分析
地质情况复杂，不一样建筑工程对桩孔深、孔径有着不一样要求，DG50型钻机用于矿洞或漏填等地点进行打孔作业，七钻杆旋转、推进、起拔和钻杆倾角调整、固定等全部有液压传动来实现。钻机工作时噪声大，钻机周围粉尘较多，整个工作环境相当恶劣。
动力头需满足要求以下：
1）动力头转速和转矩应满足钻进工艺需要。因为钻进过程中，钻头所需转速和转矩是依据所钻岩层性质、钻头直径、钻进方法规程而改变。所以，要求动力头转速和转矩是可调，而且调整范围应和钻机所采取钻进工艺相适应。
2）动力头应含有反转速度，以满足处理事故及特殊辅助工具需要。
3）动力头转动齿轮及轴承在钻进过程中，应含有良好润滑。
4）动力头主轴通孔直径应经过钻机配套钻杆，适应动力头前后均可装卸钻杆要求。
5)动力头应回转平稳，振动小，噪声小。
2.3 结构特点分析
2.3.1 底盘
在下车架上有一对履带摆动油缸分别和左右履带架相连，当钻机停在倾斜地面上时，经过油缸伸缩，能够调整上车架和地面之间角度，使上车架基础水平，有利于钻机开展工作。2个摆动油缸有同一个换向阀控制，为并联油路，假如左侧履带和右侧履带所接触店面在前后方向上有角度差，则2个摆动油缸所受压力不一样，在换向阀开启，摆动油缸运动过程中，2个油缸会有不一样伸缩量，直至压力持平。摆动式履带底盘通常在后车架上配置一对支腿油缸，工作时伸出，支带地上，使驱动轮下履带微微离地。一对摆动油缸和一对支腿油缸使上机部分有稳固支撑。

图2 底盘
1、左履带摆动油缸 2、上机平台 3、右履带摆动油缸
2.3.2 大臂摆动或上机回转结构
大臂根部和回转力柱铰接。一个油缸在侧面推进大臂摆动。这种形式结构简单可靠，但摆动角度较小，在±40°左右。
2.3.3 传动系统及结构
传动系统设计动力头设计关键，直接关系到动力头性能和外观尺寸。动力头设计关键设计参数为最大输出功率1200N·m、输出转速110～280 r/m in,依据马达输出转矩和转速, 计算出动力头传动比为3.974, 考虑到传动效率等原因, 确定传动比为411765。煤矿用钻机在动力头设计时, 不仅要达成设计性能参数要求, 还应尽可能做到体积小和质量轻,便于井下搬运动力头箱体。经过反复优化设计,最终采取一级斜齿轮传动,其传动路线: 马达﹑轴齿轮﹑主轴齿轮﹑主轴。
2.4 发展趋势
（１）底盘专业化。现在中国外生产旋挖钻机绝大多数应用是专用底盘，只有少数应用是挖掘机底盘或起重机底盘，这些底盘在设计上没有兼顾旋挖钻机施工特点，在稳定性方面存在着一定缺点。
（２）控制技术智能化。在起钻桅控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机监控、钻孔深度测量及显示、车身工作状态动画显示及虚拟仪表显示、故障检测、报警及信息显示等方面逐步实现智能化控制。
（３）多功效化。即钻机采取是多用途模块式设计，国外钻机通常可用于：—大口径短螺旋和旋挖斗回转施工；长螺旋施工；全护筒跟管施工；全护筒跟管＋磨桩机施工；液压抓斗地下连续墙施工；高压旋喷施工；潜孔锤施工；预制桩施工。以上不一样工法施工，只需要选装不一样工作附件，便可做到一机多用，节省使用成本。
（４）安全保护。钻机设计充足考虑操作人员安全，并采取了部分方法：—驾驶室前窗配有
ＦＯＰＳ（防坠物保护）；卷扬高度限位；驾驶室内操作台安全控制；发动机、液压等参数显示、报警等。
（５）上、下车独特水平调整系统。钻机上车和下车连接机构采取了独特设计形式，经过左右尤其两个油缸，可进行上下车倾斜调整，当下车底盘倾斜时（施工场地为斜面时），上车驾驶室仍为水平，此功效既确保了钻孔时垂直度，又可使操作手在舒适位置长时间工作而不会感到疲惫。
（６）动力头ＭＣＳ系统——套管钻进增扭装置。增加套管跟管钻进增扭系统，可减省摆管机应用，大幅度降低使用成本。

3.钻机动力头选材
3.1 球墨铸铁金相组织、性能特点、牌号及技术要求
3.1.1．球墨铸铁金相组织特点
1.石墨形态
球墨铸铁中石墨形态可分为球状石墨，团状石墨和团虫状石墨。在多种石墨形态中，以球状石墨最好，它对金属基体割裂作用最小；而团状和团虫状石墨就比球状石墨差，当团虫状石墨大量出现会使铸铁力学性能急剧降低。
2.金属基体
球墨铸铁中金属基体关键有铁素体基体，珠光体基体，贝氏体基体，马氏体及回火组织，磷共晶和渗碳体等。基体中铁素体量多少直接影响到球墨铸铁塑性高低，铁素体多以分散分布块状及网状形式存在。基体中珠光体数量增多，铁素体量降低，能够使球墨铸铁强度提升而伸长率下降。基体中贝氏体则含有强度和硬度高、塑性及韧性好综协力学性能。马氏体强度硬度高、，耐磨性能好，但塑性、韧性差。为了保持高硬度和强度，同时又不至于太脆，可将马氏体经低温、中温和高温回火，分别得到回火马氏体、回火托氏体和回火索氏体。磷共晶在球墨铸铁中危害远比灰铸铁中大，它使铸铁硬度提升，而塑性和韧性大幅度降低。所以在球墨铸铁中应降低磷共晶体数量。渗碳体在球墨铸铁中常呈针状、条状或以莱氏体存在，易使球墨铸铁变脆，所以生产中应尽可能避免其出现。
3.1.2.球墨铸铁性能特点
表2 球墨铸铁和其它钢铁材料性能比较
材料名称
抗拉强度
屈服强度
伸长率（%）
硬度HBS
冲击韧度
铸态铁素体球铁
450～650

8～22
160～190
50～150
铸态珠光体球铁
600～800
420～530
2～4
217～269
15～35
贝氏体球铁
900～1100
600～800
1～4
380～500
40～80
正火45钢
650～850
>400
24～26
180～190
30～90（有缺口）
1.静载荷性能 球墨铸铁强度和塑性随基体而不一样，下贝氏体或回火马氏球墨铸铁强度最高、其次是上贝氏体、索氏体、珠光体基体球墨铸铁，随铁素体量增多，强度下降而伸长率提升，所以铁素体球墨铸铁强度最低。
球墨铸铁静载荷性能一个突出特点是屈服点高，超出正火45钢，比强度也高于钢。屈服点是预防零件产生过量塑性变形时选择许用应力设计依据，而屈服比则深入反应材料强度利用系数，所以，球墨铸铁能够替换钢制造静态承力大、材料强度要求较高零件。
球墨铸铁硬度比同基体钢和灰铸铁高，所以耐磨性能好。球墨铸铁弹性模量在159000～17Mpa，而且随球化率降低而降低。
2.动载荷性能 冲击韧度仅对高韧性球墨铸铁而言，而珠光体球墨铸铁一次性冲击韧度比45钢低。所以，部分要求承受巨大冲击载荷零件，珠光体球墨铸铁应用就受到了限制。
从下图可见，当冲击吸收功小于2.4J时珠光体球墨铸铁小能量数次冲击韧度优于正火45钢。而且试验还证实，珠光体球墨铸铁小能量数次冲击韧度也优于铁素体球墨铸铁，但常规大能量一次冲击韧度则相反。

图3 正火球墨铸铁和正火45钢A-N曲线比较
从下表中还可看出，球墨铸铁对缺口敏感性比钢小，在用光滑试样试验时，球墨铸铁弯曲疲惫强度比钢低，但用带孔肩试样试验时比钢高。故珠光体球墨铸铁适合于制造多种动力机曲轴、凸轮轴等轴类零件。
表3 珠光体球墨铸铁和45锻钢试样弯曲疲惫强度比较
材料
弯曲疲惫强度/Mpa
光滑试样
光滑带孔试样
带肩试样
带肩带孔试样
珠光体球墨铸铁
255
205
175
155
正火45锻钢
305
225
195
120
3.高温和低温力学性能 和其它钢铁材料一样，球墨铸铁常温力学性能随温度升高而下降，伸长率则相反。珠光体球墨铸铁持久强度高于铁素体球墨铸铁，在650°C珠光体呈粒状后，二者持久强度差异降低。所以，高温时应优先选择珠光体球铁。铁素体球铁高温性能和25钢相近，持久承载温度可达450°C。
珠光体球墨铸铁随温度下降，其略有提升，而伸长率降低。它脆性转变温度靠近室温，所以在低温下承受冲击载荷零件不宜选择珠光体球墨铸铁。铁素体球墨铸铁脆性转变温度大大低于珠光体球墨铸铁，所以在低温下承受载荷零件多选择铁素体球墨铸铁。
4.使用性能
（1）耐磨性能 球墨铸铁是良好耐磨和减磨材料，耐磨性能优于一样基体灰铸铁、碳钢甚至低合金钢。如贝氏体球墨铸铁，即有很高强度、抗疲惫性能和硬度，又有良好冲击性能，可用于制造承受变动载荷耐磨性要求较高零件；而含钼下贝氏体球墨铸铁可替换18CrMnTi钢制造传动用齿轮等。
（2）耐蚀性能 球墨铸铁耐蚀性能优于钢，和灰铸铁和可锻铸铁相近。
（3）耐热性能 因为石墨球不像片状石墨那样相互联在一起，所以球墨铸铁抗氧化和抗生长性能优于灰铸铁和可锻铸铁，而铁素体基体又优于珠光体。
5.工艺性能
（1）切削性能 因为球墨铸铁含有较多石墨，能够在切削时起润滑作用，使切削阻力减小，而低于钢，切削速度较高。但球墨铸铁切削产生塑性变形使刀具温度升高，珠光体增多使切削性能下降，贝氏体球墨铸铁切削性能较差。
（2）焊补性能 当球墨铸铁需要焊补时，在焊缝及近缝区，若镁和稀土含量较高时易产生白口或马氏体，形成内应力和裂纹；若镁和稀土不足时焊缝展现灰铸铁组织，使力学性能降低。所以，球墨铸铁焊补时所用电焊条及气焊丝可按国家标准GB10044-88要求进行。

3.1.3．球墨铸铁牌号及技术要求
表4 球墨铸铁牌号及力学性能
牌号
抗拉强度
屈服强度
伸长率（%）
备注
最小值
硬度/HBS
关键金相组织
QT400-18
400
250
18
130～180
铁素体
QT400-15
400
250
15
130～180
铁素体
QT450-10
450
310
10
160～210
铁素体

表5 球墨铸铁力学性能（附铸试块）（GB1348-88）
牌号
铸件壁厚/mm
抗拉强度
屈服强度
伸长率（%）
备注
最小值
硬度/HBS
关键金相组织
QT400-18A
＞30～60
390
250
18
130～180
铁素体
＞60～200
370
240
12
QT400-15A
＞30～60
390
250
15
130～180
铁素体
＞60～200
370
240
12

表6 附铸试块V型缺口试样冲击值
牌号
铸件壁厚/mm
最小冲击值
室温23±5
低温-20±2
三个试样平均值
部分值
三个试样平均值
部分值
QT400-18A
＞30～60
14
11
—
—
＞60～200
12
9
—
—
QT400-18L
＞30～60
—
—
12
9
＞60～200
—
—
10
7

3.2 灰铸铁金相组织、性能特点、牌号及技术要求
3.2.1、灰铸铁金相组织
灰铸铁金相组织由片状石墨和金属基体两部分组成。另外，还有少许夹杂物，如硫化物、磷化物、碳化物、氧化物等。
1.石墨及其对性能影响
石墨本身有两个显著特点：一是密度小（约2.25g/，仅为铁1/3），在铸铁组织中占体积较大，质量分数大约3%石墨在铸铁中占到10%左右体积；二是石墨本身软而脆，力学性能较差，且强度低（）.所以，石墨在铸铁组织中就相当于存在很多切口一样，对金属基体起着破坏作用。这种破坏作用首先表现为降低了铸铁基体组织有效承载断面积；其次，引发应力集中，致使金属基体力学性能得不到充足发挥，从而使灰铸铁抗拉强度降低，塑性几乎等于零。由此可见，石墨对灰铸铁性能影响起着决定性作用。
在灰铸铁中因为石墨呈片状对基体割裂作用最为严重。当铸件组织中存在有这种类似缺口片状石墨而承受载荷时，就会在石墨边缘出现严重应力集中，使片状石墨尖端实际应力可能超出基体抗拉强度而产生裂纹，造成整个铸件发生脆性破坏。
2.金属基体对性能影响
灰铸铁金属基体关键分为三种：即铁素体基体、铁素体基体和珠光体基体、珠光体基体，以下图所表示：

图4 灰铸铁三种基础组织
a）铁素体基体（×200）b）铁素体珠光体混合基体（×200） c珠光体基体（×200）
1）基体中珠光体数量多少，直接影响着灰铸铁性能。一样条件下，珠光体量愈多，其强度和硬度就愈高，耐磨性能就愈好。
2）珠光体细化程度不一样，其强度和硬度差异也不一样。细化程度愈高，其强度、硬度也愈高，耐磨性能就愈好。
3）碳化物是碳和一个或多个元素间形成化合物。因碳化物出现，不仅降低铸铁力学性能，而且也使切削加工性能恶化。所以，通常铸铁中不许可有自由碳化物存在。
4）磷共晶在灰铸铁中常出现。磷共晶通常全部分布在晶粒边界上，磷共晶本身硬而脆，使铸铁冲击韧度降低，脆性增加。
3.2.2．灰铸铁性能特点
1.灰铸铁力学性能
（1）灰铸铁抗拉强度较低，通常为100～250Mpa，仅有碳钢1/3～1/2，但比白口铸铁稍高，若经孕育处理可使其抗拉强度达成400Mpa。
（2）抗弯强度通常是在铸出后不需要加工直径为30mm试棒上测定，一般灰铸铁抗弯强度在300～500Mpa。
（3）灰铸铁抗压强度值比较高，为600～1000Mpa，约为其抗拉强度3～4倍。
（4）灰铸铁硬度值在基体和石墨二者之间，受石墨影响而关键取决和基体。通常灰铸铁布氏硬度在170～300HBS就能满足生产中要求。
（5）灰铸铁伸长率仅为0.3%～0.8%，冲击韧度约2～5J/，它们值均很低，故灰铸铁属于脆性材料。
2.灰铸铁使用性能
（1）灰铸铁减震性能 在灰铸铁中大量片状石墨存在，割裂基体，从而加速震动衰减，并将其转化为热能而消失，所以灰铸铁含有良好减震性。而且在灰铸铁中片状石墨愈粗大，数量愈多，对基体破坏愈严重，它减振性能就愈好，但其强度也愈低。
（2）灰铸铁耐磨性能 在承受磨损时，基体中石墨被磨掉地方就形成了微小沟槽，能够储存润滑油，有利于使零件摩擦面间保持连续油膜，再加上石墨本身又是一个良好固体润滑剂，所以灰铸铁在润滑条件下耐磨性能好。试验证实，灰铸铁含有均匀分布A型石墨和珠光体基体，其耐磨性能会愈加好。
（3）灰铸铁性能敏感性 灰铸铁因为内部片状石墨存在，实际上就相当于有很多缺口，若再有缺口时，则对其性能影响不大，其缺口敏感系数为1。所以，灰铸铁含有对缺口敏感性小特点。不过，伴随石墨细化或形状改善，对缺口敏感性就会提升。

图5 抗弯强度和抗拉强度关系
3.灰铸铁工艺性能
（1）切削加工性能 因为灰铸铁中片状石墨存在（割裂基体，石墨本身又有润滑作用），在切削加工时有利于刀具润滑和断屑，所以含有良好切削加工性能。
（2）焊接性能 因为石墨存在，加上本身是脆性材料，不管采取气焊还是电弧焊，局部易出现裂纹。所以，灰铸铁焊接性能较差，通常不进行焊接。
3.2.3、灰铸铁牌号及技术要求
表7 按单铸试棒性能分类
牌号
抗拉强度/Mpa≥
牌号
抗拉强度/Mpa≥
HT100
100
HT250
250
HT150
150
HT300
300
HT200
200
HT350
350

表8 灰铸铁件硬度分级（GB9439-88）
硬度分级
HT145
HT175
HT195
HT215
HT235
HT255
铸件上硬度范围HBS
≤170
150～200
170～200
190～240
210～260
230～280
表9 附铸试棒力学性能
牌号
铸件壁厚/mm
抗拉强度Mpa≥
＞
≤
附铸试棒1
附铸试棒2
铸件（仅供参考）
直径30mm
直径50mm
半径15mm
半径25mm
HT350
20
40
300

（290）

285
40
80
270
（260）
260

255
80
150

240

230
225
150
300

215

210
205

3.3 钻机动力头材料确实定
依据3.1和3.2章节分析显示，钻机动力头使用QT450铸造比较适宜，能够满足它力学性能和使用性能。

4.浇注系统设计
金属液在充型时状态对取得优质铸件有很大影响，部分铸件缺点如气孔、裂纹、冷隔、浇不到、砂眼、夹砂等全部是在充型不利情况下产生。而金属液充型要靠浇注系统来实现。所以浇注系统设计是否合理将直接影响铸件质量。
4.1 金属液充型
4.1.1、影响充型能力原因
液态金属充型能力受金属性质、铸型性质、浇注条件和铸件结构四个方面影响。
1.金属性质方面
影响金属流动性原因有合金成份、结晶潜热、金属比热容、密度和热导率、液态金属粘度和表面张力等。
铸铁结晶温度范围比铸钢宽，但流动性却比铸钢好，这是因为铸钢熔点高，钢液过热度通常全部比铸铁小，保持液态流动时间较短；另外，因为钢液温度高，在铸型中散热速度快，很快就析出一定数量晶粒，使钢液失去流动能力。
2.铸型性质方面
铸型对金属液流动阻力和对金属液热交换强度全部对金属液充型能力相关键影响。
1)铸型蓄热系数表示铸型从其中金属吸收并储存在本身热量能力。蓄热系数越大，铸型激冷能力越强，金属液铸型中保持液态时间就短，充型能力下降。通常情况下，砂型比金属型、干型比湿型、热型比冷型充型能力要好。
2)预热铸型能够降低金属液和铸型温差，使充型能力提升。如金属型在浇注前预热，熔模铸造在浇注前型壳高温焙烧等，全部是为了提升充型能力。
3.浇注条件方面
（1）浇注温度 浇注温度对液态金属充型能力有决定性作用。浇注温度越高，充型能力越好。但浇注温度过高，易吸气且氧化严重。
（2）充型压头 液态金属在流动方向上所受压力越大，充型能力就越好。但压头过大或充型速度过高时，不仅会发生喷射和飞溅现象，使金属氧化而产生缺点，而且会因型中气体来不及排出，反压增加，从而形成浇不到或冷隔等缺点。
（3）浇注系统缺点 浇注系统结构越复杂，流动阻力就越大，充型能力就越低。所以，在确保铸件质量前提下，浇注系统结构越简单越好。
4.铸件结构方面
铸件结构特点原因关键是铸件模数和复杂程度。假如铸件体积相同，在一样浇注条件下，模数大铸件，因为和铸型接触面积相对较小，热量散失较慢，则充型能力很好。铸件壁越薄、模数越小，则充型能力越差。
4.2浇注系统各部分结构形式
经典浇注系统是由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成，以下图所表示：

图6浇注系统
1-浇口杯 2-直浇道 3-横浇道 4-內浇道
浇口杯作用是承接来自浇包金属液，并将其导入直浇道。同时，兼有挡渣和排气功效。直浇道关键是将金属液引入横浇道，并提供足够压头，确保铸型充满并将实现一定补缩功效。横浇道作用关键是挡渣，并向内浇道分配金属液。内浇道关键是将金属液直接引入铸型，控制金属业流速和方向，并利用这一结构上特点，调整铸型各部分温度和铸件凝固次序。
所以，合理浇注系统应满足下列基础要求：
（1）金属液流动速度和方向必需确保液态金属在要求时间内充满型腔。
（2）保持液态金属平稳流动，减轻紊流，从而避免卷入气体使金属过分氧化和冲刷铸型。
（3）浇注系统应含有良好挡渣能力。
（4）使液态金属流入铸型后含有理想温度分布，以利于铸件补缩。
（5）浇注系统所用金属消耗量小，且易清理。
4.2.1 浇口结构形式
（1）水平涡流现象
当浇口杯中 金属流向直浇道时，会使汇流在直浇道上部金属液旋转起来，形成水平涡流，如右图所表示。水平涡流产生，使距离涡流中心越近金属液，其旋转速度越快，压力越低，甚至形成负压，在涡流中心形成喇叭口低压空穴区。从而使周围渣和汽被吸入直浇道中。为避免水平涡流，在浇口设计时，浇口深度（H）和直径（d）满足H＞6d关系。在浇注操作时应采取浇包低位浇注、大流充满。

图7 浇口杯中水平涡流
（2）浇口常见结构形式
浇口形状可分为漏斗形和盆形两大类。漏斗形浇口结构简单，消耗金属量少但挡渣效果差。盆形浇口挡渣效果好，但消耗金属量较多。常见盆形浇口浇口以下图所表示：
图8多个常见浇口盆结构形式
1-底坎 2-滤网 3-闸门 4-拔塞
4.2.2 直浇道结构形式
1)直浇道结构类型
直浇道截面形状多呈圆形，常见直浇道类型以下图所表示。其中（a）是斜度为1%～2%上大下小圆锥形直浇道，它起模方便，浇注时充型快，金属液在直浇道中呈正压状态流动，从而能够预防吸气和杂质进入型腔，是应用最广泛一个直浇道。

图9 直浇道类型 图10 直浇道和其它浇道连接 图11直浇道窝
直浇道底部要设置直浇道窝，它能够减轻金属液紊流和对铸型冲蚀作用，有利于渣、汽上浮。
4.2.3 横浇道结构形式
钻机动力头横浇道采取集渣包式横浇道，它通常做成离心式，能使金属液在集渣包内做旋转运动，使集渣聚集在集渣包中心，液流出口方向应和旋转方向相反，集渣包入口截面应大于出口截面，以满足“封闭”条件，若下图所表示，当集渣包尺寸足够大时，能够起到暗冒口补缩作用。

图12 集渣包式横浇道
4.2.4 内浇道结构形式
内浇道截面形状选择方梯形，内浇道和横浇道部署方法选择以下图，这种设置可使内浇道底面和横浇道底面处于同一平面内。

图13 方梯形内浇道截面 图14 内浇道截面
4.2.5 浇注系统选择
因钻机动力头使用球墨铸铁铸造出来，球墨铸铁碳当量较高，其流动性应比灰铸铁好些，但经过球化孕育处理后铁液，因为温度下降很多，且易氧化而产生氧化渣，所以要求铁液快速、平稳充型。故浇注系统截面积通常比灰铸铁大，所以采取开放式浇注系统。因为球墨铸铁含有糊状凝固特点和含有较大膨胀压力，在铸型刚度不够大时，采取冒口补缩液态和凝固早期收缩。
4.2.6 球墨铸铁件浇注时间确实定
浇注时间按公式计算，

式中 G——是浇重视量（kg），可取逐步重量1.2～1.4倍。
已知铸件重量为950kg，所以G=950×1.3=1235（kg），式中（2.5～3.5）取3，所以，浇注时间
=32.2（s）
4.2.7 阻流组元截面积计算多个组元之间百分比关系确实定
依据流量方程和伯努利方程可推导出铸铁件内浇道截面积计算公式：

式中——内浇道截面积（）；——型内金属液总重量（kg）；
——流量系数；——作用于内浇道金属液静压头（cm）。
依据计算和查表得 =1235kg, =0.5,t=32.2s =30cm 故：
=45.2
5、铸件凝固控制和冒口设计
5.1 球墨铸铁凝固特点
球墨铸铁在凝固过程中是因析出石墨而发生体积膨胀，使它缩孔和缩松形成比通常合金复杂。球墨铸铁凝固时初生奥氏体枝晶快速充满铸件整个断面，使铸件长久处于凝固状态，而且奥氏体枝晶含有很大连成骨架能力，使补缩难于进行。所以有产生缩松可能性。
球铁在凝固中后期，石墨球长大到一定程度后，四面形成奥氏体外壳，碳原子是透过奥氏体
外壳扩散到共晶团中，使石墨球深入长大，当共晶团长大到相互接触后，石墨化膨胀所产生膨胀力，只有一小部分作用在晶间液体上，而大部分作用在相邻共晶团上或奥氏体枝晶上，趋向于把它们挤开。所以，球铁缩前膨胀比灰铸铁大很多，以下图所表示：

图15 糊状凝固
因为铸件表面在凝固过程后期不含有坚硬外壳，假如铸型刚度不够，膨胀力将迫使型壁外移。伴随石墨球长大，共晶团之间间隙逐步扩大，并使逐步普遍膨胀。共晶团之间间隙就是球铁显微缩松，不满铸件整个断面。铸件普遍膨胀也使铸件产生宏观缩松，这种缩松通常是由共晶团之间间隙组成，在铸件断面上能够直接观察到。所以，球铁件产生缩松倾向性很大。

图16 灰铸铁和球墨铸铁共晶石墨长大示意图 图17 湿砂型中灰铸铁和球铁件膨胀系数
球墨铸铁碳当量大于3.9%时，充足孕育，增加铸型刚度，发明同时凝固条件，即可实现无冒口铸造，取得健全铸件。对缩孔和缩松容积影响较大是残留镁量，镁阻碍石墨化。所以，对于球铁，应尽可能降低残留镁量。
5.2铸件收缩及收缩缺点
5.2.1 铸件收缩
（1）实际上，铸件在铸型中收缩时，要受到多种阻碍而使收缩不能自由进行，这时产生收缩称为受阻收缩。受阻收缩总小于自由收缩率。
铸件不一样部位因为结构、壁厚差异，和所处铸型环境不一样，其收缩进程不会完全一致，即使同一部位，其表面和中心情况也不一样，这么就造成各处收缩受到相互牵制。另外，因为铸件和铸型接触，铸件收缩时还会受到型腔表面及型芯等阻碍。
（2）铸件收缩缺点关键有尺寸超差、缩孔、缩松、应力、变形、裂纹。
（3）球墨铸铁铸件利用凝固时石墨化膨胀力实现自补缩时应选择同时凝固标准。

5.3 冒口补缩原理及补助设计
液态金属浇入铸型后，在凝固和冷却过程中产生体收缩。体收缩可能造成铸件最终凝固部分产生缩孔和缩松。生产中，预防缩孔和缩松缺点有效方法就是设置冒口。冒口关键作用是贮存金属液，对铸件进行补缩，另外还有出气和集渣作用。为实现这么目标，要满足以下要求：
（1）冒口凝固时间应大于铸件被补缩部位凝固时间；（2）冒口能提供足够金属补缩液量；（3）在整个补缩过程中，冒口和铸件被补缩部位存在补缩通道；4）有足够补缩压力，使金属液能够流到被补缩区域。
表10 球墨铸铁件冒口补缩距离
铸件厚度或热节圆直径/mm
水平补缩距离/mm
垂直补缩距离
湿型
湿型
湿型
壳型
6.35
—
31.75
—
—
12.75
101.6～114.3
101.6
88.9
88.9
15.86
—
—
127
—
19.05
—
—
—
133.4
25.4
101.6～127
104.3
127
165.1
38.10
139.7～152.4
—
—
228.6
50.8
—
228.6
—
—
此次设计逐步壁厚为25.4mm，选择湿型水平补缩距离为104.3mm，垂直补缩距离为165.1mm。依据铸件模数应采取控制压力冒口。冒口模数关键和设置冒口部分铸件模数金属液冶金质量相关，以下图所表示：

图18 和关系 图19 液态体积收缩率和关系
依据金相试样上石墨球数量确定冶金质量。从25.4mm厚（=0.79cm）Y形试样上截取金相试样，以1面积上石墨球数作为评定标准，见下表：

表11冶金质量评定标准
冶金质量等级
好
中
差
石墨球数（个/）
>150
90～150
<90

6、铸造工艺设计
6.1 铸造工艺方案确实定
6.1.1、零件结构铸造工艺性
（1）铸件应有适宜壁厚，此次设计铸件为球墨铸铁查表后知最小壁厚在10～12mm之间，这么设计能够避免浇不到、冷隔等缺点，同时也方便铸造还可充足发挥材料力学性能。
（2）铸件内、外壁厚度也不应太大。因为铸件内、外壁冷却条件不一样，铸件内壁比外壁冷却慢，所以将内壁厚度设计得比外壁薄，来实现内外壁冷却均匀，降低内应力和预防裂纹。
（3）铸件壁连接应该逐步过渡，壁厚应均匀。壁相互连接处往往形成热节，轻易出现缩孔、缩松等缺点。所以，为使铸件壁厚尽可能靠近一致，以达成较均匀冷却，应使铸件壁厚发生改变地方逐步过渡，而且交叉肋要尽可能交错部署，以避免或减小热节，还要避免出现“尖角砂”，因为它散热慢，也轻易引发铸造缺点。
（4）适宜铸造圆角。通常情况下，铸件转角处全部应设计成适宜圆角，能够降低该处产生缩孔、缩松及裂纹等缺点。

6.1.2 铸件浇注位置选择
确定浇注位置标准关键由以下几点：
（1）关键加工面应朝下或呈直立状态 铸件在浇注时，朝下或垂直安放部位质量比朝上安放高。经验表明，气孔、非金属夹杂物等缺点多出现在朝上表面上，而朝下表面或侧立面通常比较光洁，出现缺点可能性小。
（2）铸件大平面应朝下 铸件大平面朝下既能够避免气孔和夹渣，又能够预防在大平面上形成砂眼缺点。
（3）应有利于铸件补缩
（4）应确保铸件有良好金属液导入位置，确保铸件能充满
（5）应使合型、浇注和补缩相一致
（6）应尽可能少用或不用砂芯 经验表明，吊砂在合型、浇注时轻易塌箱，在上半型上安放吊箱很不方便。悬臂砂芯不稳定，在金属液浮力作用下轻易偏斜，故应尽可能避免悬臂砂芯。箱体铸件浇注位置以下图所表示：

图20 箱体浇注位置
6.1.3 铸型分型面选择
分型面选择遵照以下几点要求：
（1）应使铸件全部或大部分置于同二分之一型内；
（2）应尽可能降低分型面数目；
（3）要尽可能选择平直分型面；
（4）分型面应选择在铸件最大投影面处。

6.2 铸造工艺设计参数
（1）球墨铸铁件尺寸公差等级为CT14；
（2）加工余量3mm；