钻机动力头铸造工艺设计(2).docx

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
指导教师姓名： 黄晓徐

所在班级 材料11071 所在专业 材料成型与控制技术
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、钻机动力头的工艺分析 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.钻机动力头的选材 6
3.1 球墨铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求 6
3.1.1．球墨铸铁的金相组织特点 6
3.1.2.球墨铸铁的性能特点 7
3.1.3．球墨铸铁的牌号及技术要求 9
表4 球墨铸铁的牌号及力学性能 9
3.2 灰铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求 10
3.2.1、灰铸铁的金相组织 10
3.2.2．灰铸铁的性能特点 11
3.2.3、灰铸铁的牌号及技术要求 13
表8 灰铸铁件硬度分级（GB9439-88） 13
3.3 钻机动力头材料的确定 13
4.浇注系统的设计 14
4.1 金属液的充型 14
4.1.1、影响充型能力的因素 14
4.2浇注系统各部分的结构形式 15
4.2.1 浇口的结构形式 16
4.2.2 直浇道的结构形式 17
4.2.3 横浇道的结构形式 17
图12 集渣包式横浇道 18
4.2.4 内浇道的结构形式 18
4.2.5 浇注系统的选择 18
4.2.6 球墨铸铁件浇注时间的确定 19
4.2.7 阻流组元截面积的计算几个组元之间的比例关系的确定 19
5、铸件凝固控制与冒口设计 19
5.1 球墨铸铁的凝固特点 19
5.2铸件的收缩及收缩缺陷 20

5.2.1 铸件的收缩 21
5.3 冒口补缩原理及补贴设计 21
6、铸造工艺设计 22
6.1 铸造工艺方案的确定 23
6.1.1、零件结构的铸造工艺性 23
6.1.2 铸件浇注位置的选择 23
6.1.3 铸型分型面的选择 24
6.2 铸造工艺设计参数 24
7、铸件缺陷分析及防止 25
7.1 铸件缺陷 25
7.2 球铁件铸件常见缺陷的分类 25
7.3 球铁件缺陷分析与防止 25
7.3.1.缩孔缩松的特征 25
7.3.2.夹渣的特征 26
7.3.3.石墨漂浮的特征 26
7.3.4.皮下气孔的特征 26
7.3.5.球化不良和球化衰退的特征 27
总结 28
参考文献 29

钻机动力头铸造工艺设计
材料11071 19 李赛龙
摘要本次设计内容为钻机动力头铸造工艺设计。根据零件的使用条件﹑结构特点﹑生产批量，结合工厂的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，凝固原则及浇注位置，分型面，砂箱中的铸件数量，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定了检验要求。
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。尾矿库内的水沿尾矿颗粒间的孔隙向坝体下游方向不断渗透形成渗流，稳定渗流的自由水面线称为浸润线。尾矿坝内浸润线位置越高，坝体的稳定性越差，地震液化的可能性越大。坝内设置排渗设施可有效地降低浸润线，并有利于尾矿泥的排水固结，是增强坝体稳定性的重要措施。
降低尾矿坝浸润线的措施有许多种，在尾矿坝建成后排渗降低浸润线的最主要设计施工方法是水平排渗体及大口径辐射井工艺，这两种排渗形式的排渗效果好，降低浸润线加固坝体的效果明显，在现今国内许多尾矿坝中得到了大量的实践应用。
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的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，孔内下入利于排渗的过滤器及导流管而达到排水的目的。
辐射井排渗工艺是高尾矿坝降低浸润线的一项重工措施。该工艺是由集水井、集渗管、排水管三部分组成。
辐射井工艺已经在我国许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。
目前国内设计施工的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（一般设计为60米～70米），排渗管管长小于120米（一般设计为80～120米），这些参数的确定主要是受国内外水平孔钻机的施工能力影响，我国目前辐射井施工所使用钻机主要是以SPE01型钻机及dg50(DG50)型钻机为代表的施工设备，spe01g(SPE01)型钻机主要性能参数如下：
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型钻机主要技术参数见下表：
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
2000 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
随着国内尾矿库的加高及库容的增加，排渗体及辐射井设计参数随着需进行调整，主要调整参数为集渗管、排水管的加长，集水井深度的增加。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，是目前我国最大规模辐射井。采用国内已有设备不可能完成该项任务。因此研发一种新型的水平孔施机设备已势在必行。

2、钻机动力头的工艺分析
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，不同的建筑工程对桩孔深、孔径有着不同的要求，DG50型钻机用于矿洞或漏填等地点进行打孔作业，七钻杆的旋转、推进、起拔以及钻杆倾角的调整、固定等均有液压传动来实现。钻机工作时噪声大，钻机附近粉尘较多，整个工作环境相当恶劣。
动力头需满足的要求如下：
1）动力头的转速和转矩应满足钻进工艺的需要。由于钻进过程中，钻头所需的转速和转矩是根据所钻岩层的性质、钻头直径、钻进方法的规程而变化的。所以，要求动力头的转速和转矩是可调的，而且调节的范围应与钻机所采用的钻进工艺相适应。
2）动力头应具备反转速度，以满足处理事故及特殊辅助工具的需要。
3）动力头转动齿轮及轴承在钻进过程中，应具有良好的润滑。
4）动力头主轴的通孔直径应通过钻机配套钻杆，适应动力头前后均可装卸钻杆的要求。
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与左右履带架相连，当钻机停在倾斜的地面上时，通过油缸伸缩，可以调节上车架与地面之间的角度，使上车架基本水平，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，如果左侧履带和右侧履带所接触的店面在前后方向上有角度差，则2个摆动油缸所受的压力不同，在换向阀开启，摆动油缸运动的过程中，2个油缸会有不同的伸缩量，直至压力持平。摆动式履带底盘通常在后车架上配备一对支腿油缸，工作时伸出，支带地上，使驱动轮下的履带微微离地。一对摆动油缸和一对支腿油缸使上机部分有稳固的支撑。

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
大臂根部与回转力柱铰接。一个油缸在侧面推动大臂摆动。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
传动系统的设计动力头的设计的关键，直接关系到动力头的性能和外观尺寸。动力头设计的主要设计参数为最大输出功率1200N·m、输出转速110～280 r/m in,根据马达输出的转矩和转速, 计算出动力头传动比为3.974, 考虑到传动效率等因素, 确定传动比为411765。煤矿用钻机在动力头设计时, 不仅要达到设计性能参数的要求, 还应尽量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,最终采用一级斜齿轮传动,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。目前国内外生产的旋挖钻机绝大多数应用的是专用底盘，只有少数应用的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陷。
（２）控制技术的智能化。在起钻桅控制、自动垂直调平、回转倒土控制、发动机的监控、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）多功能化。即钻机采用的是多用途模块式设计，国外钻机一般可用于：—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。以上不同工法的施工，只需要选装不同的工作附件，便可做到一机多用，节约使用成本。
（４）安全保护。钻机的设计充分考虑操作人员的安全，并采取了一些措施：—驾驶室前窗配有
ＦＯＰＳ（防坠物保护）；卷扬的高度限位；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、下车独特的水平调节系统。钻机的上车与下车的连接机构采用了独特的设计形式，通过左右特别的两个油缸，可进行上下车倾斜调节，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，此功能既保证了钻孔时的垂直度，又可使操作手在舒适的位置长时间工作而不会感到疲倦。
（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，可减省摆管机的应用，大幅度降低使用成本。

3.钻机动力头的选材
3.1 球墨铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求
3.1.1．球墨铸铁的金相组织特点
1.石墨的形态
球墨铸铁中的石墨形态可分为球状石墨，团状石墨和团虫状石墨。在各种石墨形态中，以球状石墨最好，它对金属基体的割裂作用最小；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的力学性能急剧降低。
2.金属基体
球墨铸铁中的金属基体主要有铁素体基体，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。基体中铁素体量的多少直接影响到球墨铸铁的塑性高低，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，铁素体量减少，可以使球墨铸铁的强度提高而伸长率下降。基体中的贝氏体则具有强度和硬度高、塑性及韧性好的综合力学性能。马氏体强度硬度高、，耐磨性能好，但塑性、韧性差。为了保持高的硬度和强度，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的危害远比灰铸铁中大，它使铸铁的硬度提高，而塑性和韧性大幅度降低。因此在球墨铸铁中应降低磷共晶体的数量。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，因此生产中应尽量避免其出现。
3.1.2.球墨铸铁的性能特点
表2 球墨铸铁和其他钢铁材料的性能比较
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 球墨铸铁的强度和塑性随基体而不同，下贝氏体或回火马氏球墨铸铁的强度最高、其次是上贝氏体、索氏体、珠光体基体的球墨铸铁，随铁素体量的增多，强度下降而伸长率提高，因此铁素体球墨铸铁的强度最低。
球墨铸铁的静载荷性能的一个突出特点是屈服点高，超过正火45钢，比强度也高于钢。屈服点是防止零件产生过量塑性变形时选取许用应力的设计依据，而屈服比则进一步反应材料强度的利用系数，因此，球墨铸铁可以代替钢制造静态承力大、材料强度要求较高的零件。
球墨铸铁的硬度比同基体的钢和灰铸铁高，所以耐磨性能好。球墨铸铁的弹性模量在159000～172000Mpa，而且随球化率的降低而降低。
2.动载荷性能 冲击韧度仅对高韧性球墨铸铁而言，而珠光体球墨铸铁的一次性冲击韧度比45钢低。因此，一些要求承受巨大冲击载荷的零件，珠光体球墨铸铁的应用就受到了限制。
从下图可见，当冲击吸收功小于2.4J时珠光体球墨铸铁的小能量多次冲击韧度优于正火45钢。而且实验还证明，珠光体球墨铸铁的小能量多次冲击韧度也优于铁素体球墨铸铁，但常规的大能量一次冲击韧度则相反。

图3 正火球墨铸铁与正火45钢的A-N曲线比较
从下表中还可看出，球墨铸铁对缺口的敏感性比钢小，在用光滑试样试验时，球墨铸铁的弯曲疲劳强度比钢低，但用带孔肩的试样试验时比钢高。故珠光体球墨铸铁适合于制造各种动力机的曲轴、凸轮轴等轴类零件。
表3 珠光体球墨铸铁与45锻钢试样弯曲疲劳强度的比较
材料
弯曲疲劳强度/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
正火的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，球墨铸铁的常温力学性能随温度的升高而下降，伸长率则相反。珠光体球墨铸铁的持久强度高于铁素体球墨铸铁，在650°C珠光体呈粒状后，二者持久强度差别减少。因此，高温时应优先选用珠光体球铁。铁素体球铁的高温性能与25钢相近，持久承载温度可达450°C。
珠光体球墨铸铁随温度的下降，其略有提高，而伸长率降低。它的脆性转变温度接近室温，因此在低温下承受冲击载荷的零件不宜选用珠光体球墨铸铁。铁素体球墨铸铁的脆性转变温度大大低于珠光体球墨铸铁，因此在低温下承受载荷的零件多选用铁素体球墨铸铁。
4.使用性能
（1）耐磨性能 球墨铸铁是良好的耐磨和减磨材料，耐磨性能优于同样基体的灰铸铁、碳钢甚至低合金钢。如贝氏体球墨铸铁，即有很高的强度、抗疲劳性能和硬度，又有良好的冲击性能，可用于制造承受变动载荷耐磨性要求较高的零件；而含钼下贝氏体球墨铸铁可代替18CrMnTi钢制造传动用齿轮等。
（2）耐蚀性能 球墨铸铁的耐蚀性能优于钢，与灰铸铁和可锻铸铁相近。
（3）耐热性能 由于石墨球不像片状石墨那样互相联在一起，因此球墨铸铁的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的。
5.工艺性能
（1）切削性能 由于球墨铸铁含有较多石墨，可以在切削时起润滑作用，使切削的阻力减小，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，贝氏体球墨铸铁的切削性能较差。
（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呈现灰铸铁组织，使力学性能降低。因此，球墨铸铁焊补时所用电焊条及气焊丝可按国家标准GB10044-88规定进行。

3.1.3．球墨铸铁的牌号及技术要求
表4 球墨铸铁的牌号及力学性能
牌号
抗拉强度
屈服强度
伸长率（%）
备注
最小值
硬度/HBS
主要金相组织
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
主要金相组织
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型缺口试样的冲击值
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
个别值
三个试样平均值
个别值
QT400-18A
＞30～60
14
11
—
—
＞60～200
12
9
—
—
QT400-18L
＞30～60
—
—
12
9
＞60～200
—
—
10
7

3.2 灰铸铁的金相组织、性能特点、牌号及技术要求
3.2.1、灰铸铁的金相组织
灰铸铁的金相组织由片状石墨和金属基体两部分组成。此外，还有少量的夹杂物，如硫化物、磷化物、碳化物、氧化物等。
1.石墨及其对性能的影响
石墨本身有两个显著特点：一是密度小（约2.25g/，仅为铁的1/3），在铸铁组织中占的体积较大，质量分数大约3%的石墨在铸铁中占到10%左右的体积；二是石墨本身软而脆，力学性能较差，且强度低（）.因此，石墨在铸铁组织中就相当于存在许多切口一样，对金属基体起着破坏作用。这种破坏作用一方面表现为减少了铸铁基体组织的有效承载断面积；另一方面，引起应力集中，致使金属基体的力学性能得不到充分的发挥，从而使灰铸铁的抗拉强度降低，塑性几乎等于零。由此可见，石墨对灰铸铁性能的影响起着决定性的作用。
在灰铸铁中由于石墨呈片状对基体的割裂作用最为严重。当铸件组织中存在有这种类似缺口的片状石墨而承受载荷时，就会在石墨的边缘出现严重的应力集中，使片状石墨尖端的实际应力可能超过基体的抗拉强度而产生裂纹，导致整个铸件发生脆性破坏。
2.金属基体对性能的影响
灰铸铁的金属基体主要分为三种：即铁素体基体、铁素体基体和珠光体基体、珠光体基体，如下图所示：

图4 灰铸铁的三种基本组织
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）基体中珠光体的数量多少，直接影响着灰铸铁的性能。同样条件下，珠光体的量愈多，其强度和硬度就愈高，耐磨性能就愈好。
2）珠光体的细化程度不同，其强度和硬度差别也不同。细化程度愈高，其强度、硬度也愈高，耐磨性能就愈好。
3）碳化物是碳与一种或多种元素间形成的化合物。因碳化物的出现，不仅降低铸铁的力学性能，而且也使切削加工性能恶化。因此，一般铸铁中不允许有自由碳化物存在。
4）磷共晶在灰铸铁中常出现。磷共晶一般都分布在晶粒边界上，磷共晶本身硬而脆，使铸铁的冲击韧度降低，脆性增加。
3.2.2．灰铸铁的性能特点
1.灰铸铁的力学性能
（1）灰铸铁的抗拉强度较低，一般为100～250Mpa，仅有碳钢的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到400Mpa。
（2）抗弯强度通常是在铸出后不需要加工的直径为30mm试棒上测定，普通灰铸铁的抗弯强度在300～500Mpa。
（3）灰铸铁的抗压强度值比较高，为600～1000Mpa，约为其抗拉强度的3～4倍。
（4）灰铸铁的硬度值在基体和石墨两者之间，受石墨的影响而主要取决与基体。一般灰铸铁的布氏硬度在170～300HBS就能满足生产中的要求。
（5）灰铸铁的伸长率仅为0.3%～0.8%，冲击韧度约2～5J/，它们的值均很低，故灰铸铁属于脆性材料。
2.灰铸铁的使用性能
（1）灰铸铁的减震性能 在灰铸铁中大量片状石墨的存在，割裂基体，从而加速震动的衰减，并将其转化为热能而消失，所以灰铸铁具有良好的减震性。而且在灰铸铁中片状石墨愈粗大，数量愈多，对基体的破坏愈严重，它的减振性能就愈好，但其强度也愈低。
（2）灰铸铁的耐磨性能 在承受磨损时，基体中的石墨被磨掉的地方就形成了微小的沟槽，可以储存润滑油，有利于使零件的摩擦面间保持连续的油膜，再加上石墨本身又是一种良好的固体润滑剂，所以灰铸铁在润滑条件下的耐磨性能好。实验证明，灰铸铁具有均匀分布的A型石墨和珠光体基体，其耐磨性能会更好。
（3）灰铸铁的性能敏感性 灰铸铁由于内部片状石墨的存在，实际上就相当于有许多缺口，若再有缺口时，则对其性能的影响不大，其缺口敏感系数为1。因此，灰铸铁具有对缺口的敏感性小的特点。但是，随着石墨的细化或形状的改善，对缺口的敏感性就会提高。

图5 抗弯强度与抗拉强度的关系
3.灰铸铁的工艺性能
（1）切削加工性能 由于灰铸铁中片状石墨的存在（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的润滑和断屑，所以具有良好的切削加工性能。
（2）焊接性能 由于石墨的存在，加上本身是脆性材料，不论采用气焊还是电弧焊，局部易出现裂纹。因此，灰铸铁的焊接性能较差，一般不进行焊接。
3.2.3、灰铸铁的牌号及技术要求
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
铸件上的硬度范围HBS
≤170
150～200
170～200
190～240
210～260
230～280
表9 附铸试棒的力学性能
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 钻机动力头材料的确定
根据3.1和3.2章节的分析显示，钻机动力头使用QT450铸造比较合适，可以满足它的力学性能和使用性能。

4.浇注系统的设计
金属液在充型时的状态对获得优质铸件有很大影响，一些铸件缺陷如气孔、裂纹、冷隔、浇不到、砂眼、夹砂等都是在充型不利的情况下产生的。而金属液的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的质量。
4.1 金属液的充型
4.1.1、影响充型能力的因素
液态金属的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的影响。
1.金属性质方面
影响金属流动性的因素有合金成分、结晶潜热、金属的比热容、密度和热导率、液态金属的粘度和表面张力等。
铸铁结晶温度范围比铸钢宽，但流动性却比铸钢好，这是由于铸钢的熔点高，钢液过热度一般都比铸铁的小，保持液态流动的时间较短；另外，由于钢液的温度高，在铸型中的散热速度快，很快就析出一定数量的晶粒，使钢液失去流动能力。
2.铸型性质方面
铸型对金属液的流动阻力和对金属液热交换的强度都对金属液的充型能力有重要影响。
1)铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸收并储存在本身的热量的能力。蓄热系数越大，铸型的激冷能力越强，金属液铸型中保持的液态时间就短，充型能力下降。一般情况下，砂型比金属型、干型比湿型、热型比冷型的充型能力要好。
2)预热铸型可以减少金属液与铸型的温差，使充型能力提高。如金属型在浇注前预热，熔模铸造在浇注前型壳的高温焙烧等，都是为了提高充型能力。
3.浇注条件方面
（1）浇注温度 浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的作用。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的压力越大，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陷，而且会因型中的气体来不及排出，反压增加，从而形成浇不到或冷隔等缺陷。
（3）浇注系统缺陷 浇注系统的结构越复杂，流动阻力就越大，充型能力就越低。所以，在保证铸件质量的前提下，浇注系统的结构越简单越好。
4.铸件结构方面
铸件结构特点的因素主要是铸件的模数和复杂程度。如果铸件的体积相同，在同样的浇注条件下，模数大的铸件，由于与铸型的接触面积相对较小，热量散失较慢，则充型能力较好。铸件的壁越薄、模数越小，则充型能力越差。
4.2浇注系统各部分的结构形式
典型浇注系统是由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成的，如下图所示：

图6浇注系统
1-浇口杯 2-直浇道 3-横浇道 4-內浇道
浇口杯的作用是承接来自浇包的金属液，并将其导入直浇道。同时，兼有挡渣和排气的功能。直浇道主要是将金属液引入横浇道，并提供足够的压头，保证铸型充满并将实现一定的补缩功能。横浇道的作用主要是挡渣，并向内浇道分配金属液。内浇道主要是将金属液直接引入铸型，控制金属业的流速和方向，并利用这一结构上的特点，调节铸型各部分的温度和铸件的凝固顺序。
因此，合理的浇注系统应满足下列基本要求：
（1）金属液流动的速度和方向必须保证液态金属在规定的时间内充满型腔。
（2）保持液态金属的平稳流动，减轻紊流，从而避免卷入气体使金属过分氧化以及冲刷铸型。
（3）浇注系统应具有良好的挡渣能力。
（4）使液态金属流入铸型后具有理想的温度分布，以利于铸件的补缩。
（5）浇注系统所用的金属消耗量小，且易清理。
4.2.1 浇口的结构形式
（1）水平涡流现象
当浇口杯中的 金属流向直浇道时，会使汇流在直浇道上部的金属液旋转起来，形成水平涡流，如右图所示。水平涡流的产生，使距离涡流中心越近的金属液，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的低压空穴区。从而使附近的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）与直径（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 浇口杯中的水平涡流
（2）浇口的常用结构形式
浇口的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，但消耗的金属量较多。常见的盆形浇口浇口如下图所示：
图8几种常见浇口盆的结构形式
1-底坎 2-滤网 3-闸门 4-拔塞
4.2.2 直浇道的结构形式
1)直浇道的结构类型
直浇道截面形状多呈圆形，常见的直浇道类型如下图所示。其中（a）是斜度为1%～2%上大下小的圆锥形直浇道，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，从而可以防止吸气和杂质进入型腔，是应用最广泛的一种直浇道。

图9 直浇道的类型 图10 直浇道与其它浇道的连接 图11直浇道窝
直浇道底部要设置直浇道窝，它可以减轻金属液的紊流和对铸型的冲蚀作用，有利于渣、汽上浮。
4.2.3 横浇道的结构形式
钻机动力头的横浇道采用集渣包式横浇道，它一般做成离心式，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，液流出口方向应与旋转方向相反，集渣包入口截面应大于出口截面，以满足“封闭”条件，若下图所示，当集渣包尺寸足够大时，可以起到暗冒口补缩作用。

图12 集渣包式横浇道
4.2.4 内浇道的结构形式
内浇道的截面形状选用方梯形，内浇道与横浇道的布置方式选用如下图，这种设置可使内浇道的底面与横浇道的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 浇注系统的选择
因钻机动力头使用球墨铸铁铸造出来，球墨铸铁的碳当量较高，其流动性应比灰铸铁好些，但经过球化孕育处理后的铁液，由于温度下降很多，且易氧化而产生氧化渣，所以要求铁液迅速、平稳充型。故浇注系统截面积通常比灰铸铁的大，所以采用开放式浇注系统。由于球墨铸铁具有糊状凝固特点和具有较大的膨胀压力，在铸型刚度不够大时，采用冒口补缩液态和凝固初期的收缩。
4.2.6 球墨铸铁件浇注时间的确定
浇注时间按公式计算，

式中 G——是浇注重量（kg），可取逐渐重量的1.2～1.4倍。
已知铸件的重量为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 阻流组元截面积的计算几个组元之间的比例关系的确定
根据流量方程和伯努利方程可推导出铸铁件内浇道截面积的计算公式：

式中——内浇道的截面积（）；——型内金属液的总重量（kg）；
——流量系数；——作用于内浇道的金属液静压头（cm）。
根据计算和查表得 =1235kg, =0.5,t=32.2s =30cm 故：
=45.2
5、铸件凝固控制与冒口设计
5.1 球墨铸铁的凝固特点
球墨铸铁在凝固过程中是因析出石墨而发生体积膨胀，使它的缩孔和缩松的形成比一般合金复杂。球墨铸铁凝固时初生奥氏体枝晶迅速布满铸件整个断面，使铸件长期处于凝固状态，而且奥氏体枝晶具有很大的连成骨架的能力，使补缩难于进行。所以有产生缩松的可能性。
球铁在凝固中后期，石墨球长大到一定程度后，四周形成奥氏体外壳，碳原子是透过奥氏体
外壳扩散到共晶团中，使石墨球进一步长大，当共晶团长大到相互接触后，石墨化膨胀所产生的膨胀力，只有一小部分作用在晶间液体上，而大部分作用在相邻的共晶团上或奥氏体枝晶上，趋向于把它们挤开。因此，球铁的缩前膨胀比灰铸铁大许多，如下图所示：

图15 糊状凝固
由于铸件表面在凝固过程后期不具备坚硬的外壳，如果铸型刚度不够，膨胀力将迫使型壁外移。随着石墨球的长大，共晶团之间的间隙逐步扩大，并使逐渐普遍膨胀。共晶团之间的间隙就是球铁的显微缩松，不满铸件的整个断面。铸件的普遍膨胀也使铸件产生宏观缩松，这种缩松一般是由共晶团之间的间隙构成的，在铸件断面上可以直接观察到。所以，球铁件产生缩松的倾向性很大。

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的膨胀系数
球墨铸铁的碳当量大于3.9%时，充分孕育，增加铸型的刚度，创造同时凝固条件，即可实现无冒口铸造，获得健全的铸件。对缩孔和缩松容积影响较大的是残留镁量，镁阻碍石墨化。因此，对于球铁，应尽可能降低残留镁量。
5.2铸件的收缩及收缩缺陷
5.2.1 铸件的收缩
（1）实际上，铸件在铸型中收缩时，要受到各种阻碍而使收缩不能自由进行，这时产生的收缩称为受阻收缩。受阻收缩总小于自由收缩率。
铸件的不同部位由于结构、壁厚的差异，以及所处铸型环境的不同，其收缩进程不会完全一致，即使同一部位，其表面与中心的情况也不同，这样就造成各处收缩受到互相牵制。此外，由于铸件与铸型接触，铸件收缩时还会受到型腔表面及型芯等阻碍。
（2）铸件的收缩缺陷主要有尺寸超差、缩孔、缩松、应力、变形、裂纹。
（3）球墨铸铁铸件利用凝固时的石墨化膨胀力实现自补缩时应选择同时凝固原则。

5.3 冒口补缩原理及补贴设计
液态金属浇入铸型后，在凝固和冷却过程中产生体收缩。体收缩可能导致铸件最后凝固部分产生缩孔和缩松。生产中，防止缩孔和缩松缺陷的有效措施就是设置冒口。冒口的主要作用是贮存金属液，对铸件进行补缩，此外还有出气和集渣的作用。为实现这样的目的，要满足以下要求：
（1）冒口的凝固时间应大于铸件被补缩部位的凝固时间；（2）冒口能提供足够的金属补缩液量；（3）在整个补缩过程中，冒口与铸件被补缩部位存在补缩通道；4）有足够的补缩压力，使金属液能够流到被补缩的区域。
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
—
—
本次设计的逐渐壁厚为25.4mm，选取湿型水平补缩距离为104.3mm，垂直补缩距离为165.1mm。根据铸件的模数应采用控制压力冒口。冒口模数主要与设置冒口部分的铸件模数金属液的冶金质量有关，如下图所示：

图18 与的关系 图19 液态体积收缩率与的关系
根据金相试样上的石墨球数量确定冶金质量。从25.4mm厚（=0.79cm）的Y形试样上截取金相试样，以1面积上的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 铸造工艺方案的确定
6.1.1、零件结构的铸造工艺性
（1）铸件应有合适的壁厚，本次设计的铸件为球墨铸铁查表后知最小壁厚在10～12mm之间，这样的设计可以避免浇不到、冷隔等缺陷，同时也方便铸造还可充分发挥材料的力学性能。
（2）铸件的内、外壁厚度也不应太大。因为铸件内、外壁冷却条件不同，铸件的内壁比外壁冷却慢，所以将内壁厚度设计得比外壁薄，来实现内外壁冷却均匀，减少内应力和防止裂纹。
（3）铸件壁的连接应当逐渐过渡，壁厚应均匀。壁的相互连接处往往形成热节，容易出现缩孔、缩松等缺陷。因此，为使铸件壁厚尽可能接近一致，以达到较均匀冷却，应使铸件壁厚发生变化的地方逐渐过渡，而且交叉肋要尽可能交错布置，以避免或减小热节，还要避免出现“尖角砂”，因为它散热慢，也容易引起铸造缺陷。
（4）合适的铸造圆角。一般情况下，铸件转角处都应设计成合适的圆角，可以减少该处产生缩孔、缩松及裂纹等缺陷。

6.1.2 铸件浇注位置的选择
确定浇注位置的原则主要由以下几点：
（1）重要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的质量比朝上安放的高。经验表明，气孔、非金属夹杂物等缺