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1、閥蓋的鑄造工藝設計及模擬 閥蓋的鑄造工藝設計及模擬 摘 要 本文完成了對鑄鋼件閥蓋的鑄造工藝方案設計,包括澆注位置、分型面的選擇,砂芯和各項鑄造工藝參數(shù)的確定以及澆注系統(tǒng)、砂箱、芯盒、模板的設計。根據(jù)鑄件小的特點,分為一箱四件,并采用封閉-開放式的澆注系統(tǒng)的方法。在利用華鑄CAE模擬的基礎上,通過對凝固過程的溫度場和鑄造缺陷的分析,依據(jù)分析結果對工藝進行改進,最后設計出合理的鑄造工藝方案。 鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實驗,能夠有效地避免可能出現(xiàn)的鑄造缺陷,保證工藝的可靠性,縮短新產(chǎn)品的試制周期。

2、關鍵詞:模擬;鑄造工藝設計;澆注系統(tǒng) Valve Cover Casting Process Design and Simulation Abstract This article completes the cast valve cover casting technology design, including the casting choice of location, a parting surface, sand cores and the casting pouring system for determination of process parameters a

3、nd, sand box, box, template design。 According to the casting characteristics of small, divided into a box of four pieces, and closed-open-cast method of the system。 China casting CAE simulation on the basis of, through the analysis of solidification and temperature field of casting defects, analysis

4、 based on process improvement, and finally devise a reasonable casting technology。 Computer simulation of casting process to reduce or cancel the process of new product, can effectively prevent possible casting defects, ensure process reliability, shorten the development cycle of new products。

5、Key words: valve cover; simulation; casting process design; pouring system 目 錄 第1章 緒論……………………………………………………………………………….11.1 概述…………………………………………………………………………………11.2 鑄造行業(yè)的現(xiàn)狀……………………………………………………………………1 1.3國內鑄造行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢………………………………………………….1 1.4發(fā)達國家鑄造行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢…………………………………………….1 1.5本課題的研究內容………………

6、………………………………………………….2 第2章鑄造工藝方案的設計……………………………………………………………3 2.1零件結構的鑄造工藝性…………………………………………………………….32.2造型和造芯方法的選擇…………………………………………………………….4 2.3 澆注位置的確定……………………………………………………………………4 2.4 分型面的選擇………………………………………………………………………5 2.5砂箱中鑄件的數(shù)量及排列方式……………………………………………………..6 第3章 鑄造工藝參數(shù)及砂芯的設計…………………………………………………

7、….73.1鑄造工藝參數(shù)的確定……………………………………………………………….73.2砂芯的設計…………………………………………………………………………10 第4章 澆注系統(tǒng)的設計…………………………………………………………………154.1澆注系統(tǒng)類型的選擇………………………………………………………………154.2澆注時間……………………………………………………………………………15 4.2直澆道的設計16 4.3橫澆道的設計………………………………………………………………………16 4.4內澆道的設計………………………………………………………………………16 4.

8、5澆口杯的設計………………………………………………………………………16 4.6冒口的設計…………………………………………………………………………17 4.7冷鐵的設計…………………………………………………………………………17 第5章 鑄造工藝裝備設計………………………………………………………………185.1 模樣的設計………………………………………………………………………..185.2 砂箱的設計………………………………………………………………………..185.3 芯盒的設計………………………………………………………………………..215.4 模板的設計……………………………

9、…………………………………………..23 第6章 鑄造過程的凝固模擬…………………………………………………………27 結論與展望……………………………………………………………………………….28 致謝……………………………………………………………………………………….29 參考文獻………………………………………………………………………………….30附錄A: 主要參考文獻摘要 ……………………………………………………………31 附錄B: 英文原文及翻譯 ………………………………………………………………33 附錄C: 鑄造工藝卡 ……………………………………………………………………56

10、 插圖清單 圖2-1澆注位置示意圖……………………………………………………………………4 圖2-2分型面方案一………………………………………………………………………5 圖2-3分型面方案二………………………………………………………………………5 圖3-1鑄件中砂芯的示意圖……………………………………………………………11 圖3-2垂直砂芯芯頭典型結構示意圖…………………………………………………..11 圖3-3垂直芯頭各部分尺寸示意圖……………………………………………………..11 圖3-4擴大下芯頭的垂直芯頭示意圖…………………………………………………..12 圖3-5外砂

11、芯示意圖……………………………………………………………………..14 圖4-1鑄件在砂箱中的排布示意圖……………………………………………………..15 圖4-2各個澆道的截面圖………………………………………………………………..16 圖5-1下模樣示意圖……………………………………………………………………..18 圖5-2砂箱箱壁形狀、定位銷以及銷套示意圖…………………………………………20 圖5-3砂箱手把示意圖…………………………………………………………………..21 圖5-4芯盒示意圖………………………………………………………………………..22 圖5-5定位銷套結構尺寸示

12、意圖………………………………………………………..22 圖5-6定位銷結構尺寸示意圖…………………………………………………………..22 圖5-7芯盒緊固及定位裝置圖…………………………………………………………..23 圖5-8加強肋示意圖……………………………………………………………………..24 圖5-9模板與砂箱的定位方式及定位銷示意圖………………………………………..24 圖5-10定位銷耳示意圖…………………………………………………………………25圖5-11緊固耳示意圖……………………………………………………………………25 圖6-1 模擬結果圖…………………………………

13、…………………………………….27 表格清單 表2-1砂型鑄造時鑄件最小允許壁厚…………………………………………………….3 表2-2按鑄件重量確定的吃沙量…………………………………………………………6 表3-1鑄件的尺寸公差值…………………………………………………………………7 表3-2鑄件質量公差數(shù)值…………………………………………………………………7 表3-3用于成批或大量生產(chǎn)與鑄件尺寸公差配套使用的鑄件機械加工余量等級……8 表3-4與鑄件尺寸公差配套使用的機械加工余量………………………………………8 表3-5砂型鑄造普通合金鑄件的鑄造收縮率……………………………………

14、………9 表3-6起模斜度……………………………………………………………………………9 表3-7鑄件的最小鑄出孔………………………………………………………………10 表3-8垂直芯頭的高度…………………………………………………………………..12 表3-9垂直芯頭斜度……………………………………………………………………..13 表3-10垂直芯頭與芯座之間的間隙……………………………………………………13 表3-11壓環(huán)、防壓環(huán)和積砂槽…………………………………………………………13 表4-1鑄鋼件內澆道截面積……………………………………………………………..15 表4-2內澆

15、道、橫澆道截面積尺寸………………………………………………………16 表4-3普通漏斗形澆口杯尺寸…………………………………………………………..16 表5-1砂箱及其附件的材料……………………………………………………………..19 表5-2最小吃砂量………………………………………………………………………..19 表5-3普通砂箱的規(guī)格…………………………………………………………………..19 表5-4簡易砂箱轉角部分結構及尺寸…………………………………………………..20 表5-5普通小型砂箱箱把部分的尺寸…………………………………………………..21 表5-6加強肋間距…………

16、……………………………………………………………..24 表5-7模底板上定位銷耳的尺寸………………………………………………………..25 表5-8緊固耳的尺寸……………………………………………………………………..26 引 言 隨著科技的進步與鑄造業(yè)的蓬勃發(fā)展,不同的鑄造方法有不同的鑄型準備內容。以應用最廣泛的砂型鑄造為例,鑄型準備包括造型材料準備和造型、造芯兩大項工作。砂型鑄造中用來造型、造芯的各種原材料,如鑄造原砂、型砂粘結劑和其他輔料,以及由它們配制成的型砂、芯砂、涂料等統(tǒng)稱為造型材料,造型材料準備的任務是按照鑄件的要求、金屬的性質,選擇合適的原砂、粘結劑和輔料,然后按一定

17、的比例把它們混合成具有一定性能的型砂和芯砂。常用的混砂設備有碾輪式混砂機、逆流式混砂機和連續(xù)式混砂機。后者是專為混合化學自硬砂設計的,連續(xù)混合,混砂速度快。 鑄造工藝可分為三個基本部分,即鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理。鑄造金屬是指鑄造生產(chǎn)中用于澆注鑄件的金屬材料,它是以一種金屬元素為主要成分,并加入其他金屬或非金屬元素而組成的合金,習慣上稱為鑄造合金,主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。 造型、造芯是根據(jù)鑄造工藝要求,在確定好造型方法,準備好造型材料的基礎上進行的。鑄件的精度和全部生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效果,主要取決于這道工序。在很多現(xiàn)代化的鑄造車間里,造型、造芯都實現(xiàn)了機械化或自動化

18、。常用的砂型造型造芯設備有高、中、低壓造型機、氣沖造型機、無箱射壓造型機、冷芯盒制芯機和熱芯盒制芯機、覆膜砂制芯機等。 造型造芯是根據(jù)鑄造工藝要求,在確定好造型方法,準備好造型材料的基礎上進行的。鑄件的精度和全部生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效果,主要取決于這道工序。在很多現(xiàn)代化的鑄造車間里,造型造芯都實現(xiàn)了機械化或自動化。常用的砂型造型造芯設備有高、中、低壓造型機、拋砂機、無箱射壓造型機、射芯機、冷和熱芯盒機等。 鑄件自澆注冷卻的鑄型中取出后,有澆口、冒口及金屬毛刺披縫,砂型鑄造的鑄件還粘附著砂子,因此必須經(jīng)過清理工序。進行這種工作的設備有拋丸機、澆口冒口切割機等。有些鑄件因特殊要求,還要

19、經(jīng)鑄件后處理,如熱處理、整形、防銹處理、粗加工等。 鑄造的零件尺寸和重量的適應范圍很寬,金屬種類幾乎不受限制;零件在具有一般機械性能的同時,還具有耐磨、耐腐蝕、吸震等綜合性能,是其他金屬成形方法如鍛、軋、焊、沖等所做不到的。 鑄造產(chǎn)品發(fā)展的趨勢是要求鑄件有更好的綜合性能,更高的精度,更少的余量和更光潔的表面。此外,節(jié)能的要求和社會對恢復自然環(huán)境的呼聲也越來越高。為適應這些要求,新的鑄造合金將得到開發(fā),冶煉新工藝和新設備將相應出現(xiàn)。 鑄造生產(chǎn)的機械化自動化程度在不斷提高的同時,將更多地向柔性生產(chǎn)方面發(fā)展,以擴大對不同批量和多品種生產(chǎn)的適應性。節(jié)約能源和原材料的新技術將會得

20、到優(yōu)先發(fā)展,少產(chǎn)生或不產(chǎn)生污染的新工藝新設備將首先受到重視。質量控制技術在各道工序的檢測和無損探傷、應力測定方面,將有新的發(fā)展。 第1章 緒 論 1.1概述 鑄造生產(chǎn)是用液態(tài)合金形成產(chǎn)品的方法,將液態(tài)合金注入鑄型中使之冷卻、凝固,這種制造金屬制品的過程稱為鑄造生產(chǎn),簡稱鑄造,所鑄出的金屬制品稱為鑄件。絕大多數(shù)鑄件用作毛坯,需要經(jīng)過機械加工后才能成為各種機器零件;少數(shù)鑄件當達到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求時,可作為成品或零件而直接應用。 1.2鑄造行業(yè)的現(xiàn)狀 鑄造毛坯因近乎成形,而達到免機械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了制作時間.鑄造是現(xiàn)代裝置制造工

21、業(yè)的基礎工藝之一。鑄造產(chǎn)品發(fā)展的趨勢是要求鑄件有更好的綜合性能,更高的精度,更少的加工余量和更光潔的表面。此外,節(jié)能的要求和社會對恢復自然環(huán)境的呼聲也越來越高。為適應這些要求,新的鑄造合金將得到開發(fā),冶煉新工藝和新設備將相應出現(xiàn)。 1.3國內鑄造行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 鑄造工藝是機械制造工業(yè)的基礎工藝之一,因此鑄造業(yè)的發(fā)展標志著一個國家的生產(chǎn)實力。有資料表明[1],我國鑄造生產(chǎn)中。材料和能源的投人之比可占到產(chǎn)值的55%到70%。我國目前已經(jīng)成為世界鑄造機械大國之一,在鑄造機械制造行業(yè)近年來取得了很大的成績。我國是鑄造大國,在十五期間,隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展.我國鑄件年產(chǎn)量一直居世界鑄件

22、生產(chǎn)大國榜首。從數(shù)量上來看.整個形勢是喜人的.但鑄造生產(chǎn)的粗放特征沒有得到根本改變。我國的鑄件質量與國外先進水平相比有較大差距。鑄件尺寸精度普遍低1~2級,表面粗糙度差1~2級,鑄件壁厚也厚得多。中國的鑄件材料仍以灰鑄鐵為主,約占鑄件總產(chǎn)量的61.9%其中HT250以下牌號約占70%,球墨鑄鐵占16.7%,比世界平均值20%低,遠低于日本30.8%、美國29.6%。合金鋼在鑄鋼件中的比例,中國為25%,國外先進水平為42%~60%。有色金屬鑄件.中國為7.9%,國外先進水平為11%~ 20%[2]。此外,材料成分、組織和性能的一致性、穩(wěn)定性與發(fā)達國家相比也有差距[3]。 1.4發(fā)達國家鑄造業(yè)

23、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 發(fā)達國家總體上鑄造技術先進、產(chǎn)品質量好、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染少、原輔材料已形成商品化系列化供應,如在歐洲已建立跨國服務系統(tǒng)。 生產(chǎn)普遍實現(xiàn)機械化、自動化、智能化(計算機控制、機器人操作)。鑄鐵熔煉使用大型、高效、除塵、微機測控、外熱送風無爐襯水冷連續(xù)作業(yè)沖天爐,普遍使用鑄造焦,沖天爐或電爐與沖天爐雙聯(lián)熔煉,采用氮氣連續(xù)脫硫或搖包脫硫使鐵液中硫含量達0。01%以下;熔煉合金鋼精煉多用AOD、VOD等設備,使鋼液中H、O、N達到幾個或幾十個10-6的水平。 在重要鑄件生產(chǎn)中,對材質要求高,采用先進的無損檢測技術有效控制鑄件質量。普遍采用液態(tài)金屬過濾技術,過濾器可適應

24、高溫諸如鈷基、鎳基合金及不銹鋼液的過濾。過濾后的鋼鑄件射線探傷A級合格率提高13個百分點,鋁鎂合金經(jīng)過濾,抗拉強度提高50%、伸長率提高100%以上[4]。廣泛應用合金包芯線處理技術,使球鐵、蠕鐵和孕育鑄鐵工藝穩(wěn)定、合金元素收得率高、處理過程無污染,實現(xiàn)了微機自動化控制。 鋁基復合材料以其優(yōu)越性能被廣泛重視并日益轉向工業(yè)規(guī)模應用,如汽車驅動桿、缸體、缸套、活塞、連桿等各種重要部件都可用鋁基復合材料制作,并已在高級賽車上應用;在汽車向輕量化發(fā)展的進程中,用鎂合金材料制作各種重要汽車部件的量已僅次于鋁合金。 在大批量中小鑄件的生產(chǎn)中[5],大多采用微機控制的高密度靜壓、射壓或氣沖造型機械化、自

25、動化高效流水線濕型砂造型工藝, 砂處理采用高效連續(xù)混砂機、人工智能型砂在線控制專家系統(tǒng), 制芯工藝普遍采用樹脂砂熱、溫芯盒法和冷芯盒法。熔模鑄造普遍用硅溶膠和硅酸乙酯做粘結劑的制殼工藝。 用自動化壓鑄機生產(chǎn)鑄鋁缸體[6]、缸蓋;已經(jīng)建成多條鐵基合金低壓鑄造生產(chǎn)線。用差壓鑄造生產(chǎn)特種鑄鋼件。所生產(chǎn)的各種口徑的離心球墨鑄鐵管占鑄鐵管總量95%以上,球鐵管占球鐵年產(chǎn)量30%-50%。鑄造生產(chǎn)全過程主動、從嚴執(zhí)行技術標準,鑄件廢品率僅2%-5%;標準更新快(標齡4-5年);普遍進行ISO9000、ISO14000等認證。 重視開發(fā)使用互聯(lián)網(wǎng)技術,紛紛建立自己的主頁、站點。鑄造業(yè)的電子商務、遠程設計

26、與制造、虛擬鑄造工廠通過使用身臨其境的虛擬環(huán)境系統(tǒng),可以學習通過多媒體先進的產(chǎn)品技術和體驗的技巧和訣竅通過虛擬技術實現(xiàn),這些新元素都在飛速發(fā)展。 很明顯[7],中國現(xiàn)有的資源和能源已無法滿足傳統(tǒng)經(jīng)濟模式下高速發(fā)展的要求,大力發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟,使中國經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展,是中國經(jīng)濟發(fā)展模式的必然選擇。我們應加大鑄造業(yè)中循環(huán)經(jīng)濟的新技術、新工藝、新材料、新設備的研究和應用,以科學的發(fā)展觀來發(fā)展中國的鑄造業(yè)。 1.5本課題的研究內容 本次畢業(yè)設計的題目是:閥蓋的鑄造工藝設計及模擬。我查閱了相關資料和書籍后,主要進行了鑄造工藝性分析、鑄造工藝設計及鑄造工藝裝備設計。這個過程看似一目了然,

27、但具體工作卻十分繁瑣,首先,我們要確定這個零件是否適合鑄造工藝性的要求;其次,我們還要確定澆注位置,分型面以及造型、造芯的方法;然后,開始鑄造工藝參數(shù)的選擇以及砂芯的設計;再然后,我們要進行澆注系統(tǒng)的設計;最后,要對鑄造工藝裝備進行選擇和設計。當這一切完成后,我們還要在華鑄CAE上進行模擬,利用計算機模擬的幫助,修改工藝參數(shù)并選擇較為合理的方案。 第2章 鑄造工藝方案的設計 2.1零件結構的鑄造工藝性 砂型鑄造工藝方案通

28、常包括下列內容:造型、造芯方法和鑄型種類的選擇,澆注位置及分型面的確定等。要想定出最佳工藝方案,首先應對零件的結構有詳細的鑄造工藝性分析。 零件結構的鑄造工藝性指的是零件的結構應符合鑄造生產(chǎn)的要求,易于保證鑄件品質,簡化鑄造工藝過程,降低生產(chǎn)成本。為了保證零件具有良好的鑄造工藝性,在設計零件時應考慮以下幾個方面的問題: 鑄件應有合適的壁厚 為了避免澆不到、冷隔等缺陷,鑄件不應太薄。本次設計的閥蓋使用的材料是ZG230-450,為碳素鋼。密度為7830kg/m3,屈服強度為230Mpa,抗拉強度為450Mpa。此類鑄鋼件壁厚的選擇參考表2-1[8]。 表2-1 砂型鑄造時鑄件

29、最小允許壁厚 由于本次設計的零件整體最大輪廓尺寸小于200mm,而且為鑄鋼件。根據(jù)表1-1得,鑄造允許最小壁厚為8mm。由零件圖知,本次設計閥蓋的最小壁厚為6mm。貌似不合理,其實還需要把加工余量計算在內,這樣鑄件的最小壁厚就大于8mm,所以是合理的。 (2)鑄造結構不應造成嚴重的收縮障礙,注意壁厚和圓角; (3)鑄件內壁應薄于外壁; (4)壁厚力求均勻,減少肥厚部分,防止形成熱節(jié); (5)利于實現(xiàn)補縮和順序凝固; (6)防止鑄件翹曲變形; (7)避免澆注位置上有水平的大平面結構 本次設計閥蓋采用圓角過渡,避免了因應力集中導致的裂紋缺陷。

30、 2.2造型和造芯方法的選擇 造型和造芯方法的選擇可參照以下原則: 優(yōu)先采用濕型; 造型和造芯方法與生產(chǎn)批量相適應; 造型方法應適合工廠條件 本次設計的鑄鋼件閥蓋為小型鑄件,大批量生產(chǎn),鑄件不高,無需長時間等待,也無需放置冷鐵,故選用濕型砂。由于是小型、大批量生產(chǎn),則選用機器造型、造芯、金屬模、砂箱造型。雖然成本高,但由于是大批量生產(chǎn),故合理。 2.3澆注位置的確定 鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在型內所處的狀態(tài)和位置。根據(jù)對合金凝固理論的研究和生產(chǎn)經(jīng)驗,確定澆注位置時,應考慮以下原則: 鑄件的重要部位應盡量置于下部; 重要加工面應朝下

31、或呈直立狀; 鑄件大平面朝下,避免夾砂結疤類缺陷; 應保證鑄件能充滿; 應有利于鑄件的補縮; 避免吊砂、吊芯或懸臂式砂; 應使合箱位置、澆注位置和鑄件冷卻位置相一致 綜合考慮以上原則,本次設計的閥蓋的澆注位置應選在如圖2-1所示法蘭盤朝上的大平面位置上。 圖2-1 澆注位置示意圖 2.4分型面的選擇 分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。生產(chǎn)中,澆注位置和分型面有時是同時確定的。分型面的優(yōu)劣,在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、成本和生產(chǎn)率。分型面的選擇應盡量與澆注位置一致,以避免合型后翻轉砂箱。在選擇時,應注意以下原則: (1)盡量將鑄件的全部或大部分放在同一箱

32、內,以減少錯型和不便驗型造成的尺寸偏差; (2)盡量將加工定位面和主要加工面放在同一箱內,以減少加工定位的尺寸偏差; (3)盡量減少分型面數(shù)量,在機器造型中一般采用一個分型面; (4)盡量減少砂芯數(shù)量; (5)盡量使分型面為平面; (6)為了方便起模,分型面應在鑄件的最大截面積處; (7)注意減輕鑄件清理和機械加工; 綜合上述原則,現(xiàn)有以下兩種方案: 圖2-2 分型面方案一 圖2-3 分型面方案二 方案一:如圖1-2所示,分型面選在閥蓋法蘭盤的大平面上,這樣就保證了鑄件的大部分都在同一個半型內,而且是重要部位盡量置于下箱,

33、這樣的話,下部金屬液就會在上部金屬液的靜壓力下形成致密的組織,保證了重要部位的質量。這種分型方法,貌似起模不方便,而且大平面的精度不易保證。但是這都可以通過一些措施補救,大平面是要留有加工余量的,所以不用擔心精度問題。而且不易起模的部分,我們可以不鑄出,用機加工把它加工出來。這樣以上問題就解決了。這樣分型很明顯的一點優(yōu)勢就是可以保證圓柱表面的粗糙度和圓柱的垂直度。 方案二:如圖1-3,分型面選在對稱的面上,起模相當方便。但圓柱內壁的精度不能保證,而且澆注位置也不易確定。圓柱必須垂直澆注,方能保證精度,若水平放置,澆注時圓柱壁易遭沖刷,造成缺陷,圓柱的垂直度也不易保證。而圓柱內壁的加工又

34、不方便,費工費時。 綜上兩種方案,還是選擇方案一,雖免不了有些不合理的地方,但總體來講還是要優(yōu)于方案二,故選擇方案一。 2.5 砂箱中鑄件的數(shù)量及排列方式 鑄件輪廓尺寸為75mm75mm48mm,單件質量約為0.74kg,屬于小型鑄件,由于是大批量生產(chǎn),采用的是機器造型、造芯,因此選擇一箱四件。查表2-2[9]得:鑄件與箱壁的距離為c40mm,鑄件與砂箱底部的距離為b40mm,澆注系統(tǒng)內澆道的長度為f30mm。 表2-2 按鑄件重量確定的吃沙量(單位:mm) 但這些數(shù)據(jù)也要根據(jù)實際情況來具體修改,以上數(shù)據(jù)在選擇砂箱的時候

35、可能會有所變動。因為在選擇砂箱時,砂箱的尺寸是有規(guī)格的,所以會有相應的調整。 鑄造工藝參數(shù)及砂芯的設計 3.1 鑄造工藝參數(shù)的確定 鑄造工藝設計參數(shù)通常是指鑄型工藝設計時需要確定的某些數(shù)據(jù), 它包括了鑄造收縮率(縮尺)、機械加工余量、起模斜度、最小鑄出孔的尺寸、工藝補正量、分型負數(shù)、反變形量、非加工壁厚的負裕量、砂芯負數(shù)(砂芯減量)及分芯負數(shù)。這些工藝數(shù)據(jù)一般都與模樣和芯盒尺寸有關,即與鑄件的精度有密切關系,同時

36、也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過程有關。 3.1.1 鑄件尺寸公差 鑄件尺寸公差是指鑄件各部分尺寸允許的極限偏差,它取決于鑄造工藝方法等多種因素。在本次設計中,零件的鑄造工藝為砂型鑄造,大批量生產(chǎn)的鑄鋼件,查得[8]:鑄件的尺寸公差等級為CT8-CT12,取CT10 。零件基本尺寸為75mm,查表3-1[9]得,允許最大偏差為3.2mm。 表3-1 鑄件的尺寸公差值 (單位:mm) 3.1.2 鑄件重量公差 鑄件質量公差定義為以占鑄件公稱質量的百分率為單位的鑄件質量變動的允許值。按照規(guī)定,質量公差應與尺寸公差同級,所以,鑄件重量公差等級為MT10,查表3-2[10]得,本次設

37、計的鑄件的質量公差數(shù)值為18%。 表3-2鑄件質量公差數(shù)值 3.1.3 機械加工余量 機械加工余量是鑄件為了保證其加工面尺寸和精度,應有加工余量,即在鑄造工藝設計時預先增加的,而在機械加工時又被切除的金屬層厚度。 在本次設計中,尺寸公差等級為CT10,查表3-3[8]得,鑄鋼件成批大量生產(chǎn)的機器造型的加工余量等級為H級。 表3-3 用于成批或大量生產(chǎn)與鑄件尺寸公差配套使用的鑄件機械加工余量等級 但在實際零件當中,還有些特殊要求,由于本次設計零件尺寸為75mm,屬于小于100mm的范疇,查表3-4[8]得,本次設計的單側加工余量為4.0mm,雙側為3.0mm。 表3-4 與鑄

38、件尺寸公差配套使用的機械加工余量 3.1.4 鑄造收縮率 查表3-5[8]可知:鑄鋼件的受阻收縮率選為2%。 表3-5 砂型鑄造普通合金鑄件的鑄造收縮率 3.1.5 起模斜度 為了方便起模,在模樣、芯盒的出模方向留有一定斜度,以免損壞砂型或砂芯。這個斜度,稱為起模斜度。 查表3-6[10]得:對于外側非加工表面,由于壁厚小于10mm因此選用增加鑄件壁厚的方法,另外,同一鑄件應盡量選用同一起模斜度,以免加工模樣時頻繁更換刀具,所以選用同一起模斜度α110′,a0.8mm ;對于外側的加工表面,起模斜度也選擇α110′,a0.8mm ;對于內表面的起模斜度,由于是加工

39、表面。因此,選擇增加壁厚的方法,起模斜度仍選α110′,a0.8mm。 表3-6 起模斜度 3.1.6 最小鑄出孔及槽 在本次設計中,鑄件的法蘭盤上有四個直徑為14mm的通孔,中心處也有一個直徑為20mm的通孔。大批量生產(chǎn)的鑄鋼件,其最小鑄出孔直徑查表3-7[9]得[30,50]。于是法蘭盤上的四個直徑為14mm的通孔可以不鑄出。中心通孔雖然也可以不鑄出,但是考慮到機械加工不易,故鑄出。 表3-7鑄件的最小鑄出孔 3.1.7 工藝補正量 工藝補正量可按照以下公式進行計算: 1 在本次的設計中,由于鑄件的尺寸較小,可不考慮工藝補正量的影響。 3.1.8 分型負數(shù)

40、 本次設計屬于尺寸較小的濕型,分型負數(shù)較小,可不考慮。 3.1.9 其它工藝參數(shù)的設計 在本次設計中可不考慮其它如“反變形量”、“砂芯負數(shù)”、“非加工壁厚的負余量”、“分芯負數(shù)”的影響。 3.2砂芯的設計 砂芯的功能是形成鑄件的內腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的部分,有時也用砂芯。 選用砂芯的總原則是:使制芯到下芯的整個過程方便,鑄件內腔尺寸精確,不致造成氣孔等缺陷,使芯盒結構簡單。 具體原則如下: 保證鑄件內腔尺寸精度; 保證操作方便; 保證壁厚均勻; 應盡量減少砂芯數(shù)目; 填砂面應寬敞,烘干支撐面是平面; 砂芯形狀適應造型、制

41、芯方法 本次設計要鑄出一個孔,故需一個砂芯。綜合考慮,選用垂直砂芯,為了制芯和下芯的方便,零件的一些部分改成機械加工。根據(jù)本次設計中所選取的分型面及澆注位置,為了能夠順利取出模樣,應該在鑄件無法取出的部位設置一個外芯。最終的砂芯在零件中的模樣就如圖2-1所示。 圖3-1 鑄件中砂芯的示意圖 3.2.1 芯頭的設計 芯頭:伸出鑄件以外不與金屬接觸的砂芯部分。 對芯頭的要求: (1)定位和固定砂芯,使砂芯在鑄造中有準確的位置,并能承受砂芯重力及澆(2)注時液體金屬對砂芯的浮力,使之不被破壞; (3)芯頭應能及時排出澆注后砂芯所產(chǎn)生的氣體至鑄型外; (4)上下芯

42、頭及芯號容易識別,不致下錯方向或芯號; (5)下芯、合型方便,芯頭應有適當斜度和間隙。 第一種砂芯:本次設計的第一個是垂直砂芯,其芯頭典型的結構見圖3- 2。 圖3-2 垂直砂芯芯頭典型結構示意圖 包括:芯頭長度、斜 度、間隙、壓環(huán)、防 壓環(huán)和積砂槽等結構。 3.2.2芯頭長度 砂芯伸入鑄型部分的長度(露出鑄件外部的長度),垂直芯頭的長度稱為芯頭高度。如圖3-3(a)中的h(下芯頭高度)、h1(上芯頭高度)。 圖3-3 垂直芯頭各部分尺寸示意圖 垂直芯頭的高度查表3-8[11],得芯頭高度為20~25mm,具體是上芯頭高度h1為20mm,下芯頭高度為25mm。

43、 表3-8 垂直芯頭的高度 (單位:mm) 對于垂直芯頭,由于L:D2大于2.5,所以下芯頭要加大直徑。取D11.5D2,D214mm,則D121mm。如圖3-4 所示。 圖3-4 擴大下芯頭的垂直芯頭示意圖 3.2.3 芯頭斜度 對垂直芯頭,上、下芯頭都應設有斜度。查表3-9[11]知,上芯頭斜度10o,下芯頭斜度5o。 表3-9 垂直芯頭斜度(單位:mm) 3.2.4 芯頭間隙 查表3-10[11]得,垂直芯頭間隙s0.5mm。 表3-10 垂直芯頭與芯座之間的間隙 (單位:mm) 3.2.

44、5壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽 壓環(huán)的作用:合箱后它能把砂芯 壓緊,避免金屬液沿間隙 鉆入芯頭 防壓環(huán)的作用:下芯、合箱時,它 可防止此處砂型被壓塌, 因而可以防止掉砂。集砂槽的作用:用來存放個別的散 落砂粒,這樣就可以加快 下芯速度。 查表3-11[11]知,垂直芯頭e1.5mm,f3mm,r1.5mm。 表3-11壓環(huán)、防壓環(huán)和積砂槽 (單位:mm) 第二種砂芯:為方便起模,增設的外芯。如圖3-5所示。 圖3-5外砂芯示意圖 3.2.6 芯骨的設計 為了保證砂芯的制造、搬運、配型和澆注中不開裂、不變形、不被金屬液沖擊折斷,生產(chǎn)中常在砂芯中埋置芯骨,以提高

45、其強度和剛度。 在本次設計中,由于砂芯尺寸較小,而且采用樹脂砂,砂芯強度較好,因此砂芯內不用放置芯骨。 第4章澆注系統(tǒng)的設計 4.1 澆注系統(tǒng)類型的選擇 澆注系統(tǒng)分為開放式、封閉式、半封閉式和封閉-開放式。本次設計的閥蓋為小型鑄鋼件,宜選用封閉-開放式澆注系統(tǒng)。而且鑄件高度不高,結構比較簡單,因此采用頂注式澆注。又根據(jù)鑄件形狀,采用頂注式澆注系統(tǒng)中的搭邊

46、式澆注系統(tǒng)。 封閉-開放式澆注系統(tǒng):以轉包澆注的小鑄件,其內澆道面積可查表3-1,表中d的計算式:dGL/V(kg/dm3),GL是鑄件澆注重量,V是鑄件輪廓體積,是鑄件三維最大尺寸的乘積?？梢詮谋?-2選取Ag和Aru的截面尺寸。 澆注系統(tǒng)各組元的截面積比為 內澆道:橫澆道:直澆道1:(0.8~0.9):(1.1~1.2),取為1:0.9:1.1。 鑄件澆注重量GL為0.74kg,計算得d2.74kg/dm3。 查表4-1[9]得內澆道(Ag)截面積尺寸為1.8cm2,則橫澆道截面積為1.6cm2,直澆道截面積為2.0cm2。 表4-1 鑄鋼件

47、內澆道截面積 本次設計采用一箱四件,排布如圖4-1所示,因此要設計4個內澆道,1個橫澆道和1個直澆道。 圖4-1 鑄件在砂箱中的排布示意圖 4.2 澆注時間 鑄鋼件的澆注時間,可用經(jīng)驗數(shù)據(jù)決定澆注時間,本次設計的鑄鋼件由于太小,所以澆注時間暫取t3s。 4.3直澆道的設計 本次設計采用最普通的圓柱形直澆道,如圖4-2所示。前面已經(jīng)得出直澆道截面積為2.0cm2。則通過計算得直徑d16mm,長度視砂箱尺寸而定,取100mm。直澆道窩長度取5mm。 圖4-2 各個澆道的截面圖 (mm) 4.4 橫澆道的設計 本次設計采用截面是梯形的橫

48、澆道,如圖4-2所示。已知截面積為1.6cm2。查表4-2知,取a13.5mm,b10.5mm,h13.5,長度視砂箱尺寸而定,取220mm。 4.5 內澆道的設計 本次設計的內澆道截面同樣采用梯形,如圖4-2所示。已知截面積為1.8cm2。查表4-2[9]知,取a31mm,b28mm,h6.0mm,長度視砂箱尺寸而定,取92mm。 表4-2 內澆道、橫澆道截面積尺寸 (單位:mm) 4.6 澆口杯的設計 本次設計選用普通漏斗形澆口杯,已知直澆道下端直徑d16mm。查表4-3[9]知,D158mm,D254mm,h42mm。由于是一箱四件,所以要加大澆口杯尺寸,其體積要

49、乘以4,最終尺寸得出D189mm,D282mm,h63mm。 表4-3 普通漏斗形澆口杯尺寸 4.7 冒口的設計 冒口是鑄型內用以儲存金屬液的空腔,在逐漸形成時補給金屬,有防止縮孔、縮松、排氣和集渣的作用。本次設計的鑄鋼件為小型鑄鋼件,尺寸為75mmX75mmX48mm,由于鑄件太小,無需補縮,所以不設置冒口。 4.8 冷鐵的設計 為了增加鑄件局部冷卻速度,在型腔內部及工作表面安放的金屬塊稱為冷鐵。本次設計鑄鋼件,結構簡單,壁厚很小,無需設置冷鐵。 第5章 鑄造工藝裝備設計 5.1 模樣的設計 5.1.1 金屬模樣的材料 本次設計的模樣為大批量生產(chǎn)的鑄鋼

50、件,為小鑄件,故宜選用鋁合金模樣。機器造型使用壽命達90000~130000次。它質輕,易加工,加工后表面光滑,具有良好的耐蝕表面。 5.1.2 模樣類型 本次設計選用分開模樣,造型簡便,沿分型面分為上下模樣。 5.1.3 模樣尺寸的計算 A模(A件+A藝)(1+K) 2 式中 A模?模樣的工作尺寸; A件?產(chǎn)品零件尺寸; A藝?零件鑄造工藝附加尺寸(加工余量+起模斜度+其它工藝與量); K?鑄造的收縮率 5.1.4 壁厚及加強肋 本次設計為小型鑄鋼件,上下模樣尺寸很小,可制成實心模樣,故不必選擇壁厚和加強肋。 5.1.5 模樣的形狀

51、 由于外芯的存在,遂將外芯與下模樣本體造成一個整體,如圖5-1所示。 圖4-1 下模樣示意圖 5.2 砂箱的設計 設計和選用砂箱的基本原則: 滿足鑄造工藝要求。如砂箱和模樣間應有足夠的吃砂量,箱帶不妨礙澆冒口的安放、不嚴重阻礙鑄件收縮等; 尺寸和結構應符合造型機、起重設備、烘干設備的要求; 有足夠的強度和剛度,使用中保證不斷裂或發(fā)生大變形; 對砂型有足夠的附著力,使用中不掉砂或塌箱,但又要便于落砂。為此,只有在大的砂箱中才設置箱帶; 經(jīng)久耐用,便于制造; 應盡可能的標準化,系列化和通用化 本次設計選用通用砂箱?整鑄式?機器造型用砂箱。 5.2.1 砂箱材

52、質和名義尺寸 查表5-1[12]知:砂箱的材料選擇HT200,進行自然實效或退火處理。 表5-1 砂箱及其附件的材料 砂箱名義尺寸是指分型面上砂箱內框尺寸(長度X寬度)乘以砂箱高度。確定砂箱尺寸時要考慮一箱內放置鑄件的個數(shù)和吃砂量。吃砂量的選擇參照表5-2[8],得出最小吃砂量為35mm。 表5-2 最小吃砂量(單位:mm) 初步估算砂箱長度為270mm,寬度為270mm,高度為86mm。由于所設計的砂箱長度和寬度應是50或100mm的倍數(shù),高度應是20或50mm的倍數(shù)。所以根據(jù)表5-3[13]得出,砂箱的長度

53、為350mm,寬度為300mm,高度為100mm。最終砂箱的尺寸確定為350mmX300mmX100mm。 表5-3 普通砂箱的規(guī)格(單位:mm) 5.2.2 箱壁 本次設計選用機器造型沙箱。如圖5-1(a)所示,底部設置突緣,防止塌箱,保證剛性,便于落砂。本次設計箱壁壁厚取10mm。 5.2.3 圓角尺寸 簡易砂箱的轉角一般不作圓弧過渡,而是做成直角或內壁轉角加厚,以增加轉角的強度。查表5-4[13]知, b20mm~25mm, 取b=22mm。 表5-4 簡易砂箱轉角部分結構及尺寸 (單位:mm) (a) (b)(c) 圖5-1 砂箱箱壁形狀、定位

54、銷以及銷套示意圖 (mm) 5.2.4 砂箱定位 本次設計采用機器造型,采用定位銷定位,需要銷套。本次設計選用插銷定位砂箱。如圖5-1(b)所示,選用M20的定位銷。銷套如圖5-1(c)所示。新砂箱用標準套(外徑D);第一次更換采用銷套I,外徑為D+0.2mm;第二次更換用銷套II,外徑為D+0.4mm。 5.2.5 箱帶 箱帶用于中、大型砂箱內,平均內框小于500mm的可不設箱帶。本次設計砂箱內框尺寸為350mmX300mmX100mm,故無需設置箱帶。 5.2.6 砂箱外壁加強肋的布置和尺寸 對于內框尺寸小于750mm的鑄鐵件,可以不設計加強肋。 5.2.7

55、 砂箱壁排氣孔的形式和尺寸 由于砂箱的尺寸較小,僅靠插砂排氣即可滿足要求,因此砂箱壁不需設排氣孔。 5.2.8 搬運、翻箱結構 本次設計為小型砂箱,采用手把作為搬運、翻箱結構。一般采用鑄接法同砂箱相連。手把如圖5-2所示,查表5-5[13]可知各部分尺寸。 圖5-2 砂箱手把示意圖 d40mm, D60mm, D175mm, L110mm, H10mm, r16mm,r15mm 表5-5 普通小型砂箱箱把部分的尺寸(單位:mm) 5.2.9 砂箱的緊固 為防止脹箱、跑火等缺陷,上下砂箱應緊固。本次設計為小型鑄件,采用壓鐵法緊固即可。 5

56、.3 芯盒的設計 芯盒是制芯工藝過程中所必需的工藝設備,為了提高砂芯精度和芯盒的耐用性,采用金屬芯盒。鋁質,ZL104。 5.3.1 分盒面的設計 由于砂芯是圓柱回轉體,所以采用水平分盒面。 5.3.2 芯盒內腔尺寸的確定 芯盒內腔尺寸(零件尺寸+/-工藝尺寸)X(1+零件的鑄造收縮率),通過計算得砂芯直徑為14.24mm,取14.3mm;砂芯長度57.12mm,取57.2mm。 5.3.3 芯盒主體結構的設計 芯盒主體結構如圖5-3所示。 圖5-3芯盒示意圖 根據(jù)芯盒的平均輪廓尺寸(A+B)/2及芯盒材質來確定壁厚。本次設計的芯壁較小,小于2

57、00,鋁質,所以取壁厚7mm。定位采用定位銷和定位銷套,在芯盒的兩端各設置一個。定位銷套的尺寸如圖5-4[13]所示。定位銷的結構尺寸如圖5-5[13]所示,與定位銷套的裝配示意圖如圖5-6(c)[13]所示。 圖5-4 定位銷套結構尺寸示意圖 圖5-5 定位銷結構尺寸示意圖 5.3.4芯盒的夾緊裝置 采用快速螺桿。其下螺母用來調整松緊程度,上螺母用來?緊下螺母。此裝置結構簡單,緊湊,夾緊效果好,磨損后便于調節(jié)、操作方便。常用于小芯盒上,是工廠中使用較多的一種。其結構尺寸如圖5-6(a)所示,與其配合的墊片如圖5-6(b)所示。 (a) (b) (c)

58、 圖5-6 芯盒緊固及定位裝置圖 5.3.5芯盒與耐磨護板的確定 為了增加芯盒邊緣的強度和剛度,芯盒邊緣要加寬加厚,并且為了增加芯盒刮砂面的耐磨性,特在刮砂面上設置防磨片芯盒邊緣及耐磨片。耐磨片用30鋼制成,用沉頭螺釘固定在盒體邊緣上,耐磨片的厚度為3mm。 5.4模板的設計 5.4.1模板的類型 本次設計的模板采用裝配式單面模板。單面模板采取的是頂桿式,模底板材料決定為灰鑄鐵(HT150)。 5.4.2 造型機的選用 本次設計選用的Z145A造型機為可調節(jié)頂桿式起模的鎮(zhèn)壓式造型機,頂桿起模行程為150mm。 Z145A造型機砂箱最大內形尺寸為500 X

59、 400mm 。砂箱最大尺寸適合,且其內放四個模樣,造型選用的砂箱尺寸350 X 300 X 100mm。材料為鑄鐵。 5.4.3確定模板尺寸 模板尺寸 A0A+2b 3 B0B+2b 4 式中A0?模板的長度; B0?模板的寬度; 砂箱內框長度; 砂箱內框寬度; 砂箱平均尺寸500mm,高度200mm,查表得b18mm。其配合的模底板尺寸:A0A+2b386mm,B0B+2b336mm。模底板的材料為鑄鐵,高度在80~150mm,取80mm,小于頂桿的起模行程。模底板定位銷孔中心距應根據(jù)所配用砂箱銷套的中心距C來確

60、定,用同一鉆模鉆出。已知砂箱銷套的中心距為430mm,故C430mm。 5.4.4 加強肋壁厚與間距 本次設計的模板,加強肋如圖5-7所示,其中t12mm,t210mm。加強肋間距參考表5-6[13]。圖5-7 加強肋示意圖 表5-6 加強肋間距 (單位:mm) 由于模底板尺寸,現(xiàn)將K,K1適當調整。其中K163mm;K1138mm。 5.4.5 模板與砂箱的定位 本次設計中,模板與砂箱的定位采用直接定位法,如圖5-8(a)。模底板與砂箱之間常常用定位銷和銷套定位,此處只設計定位銷。在造型過程中為使砂箱不被卡死常將兩個定位銷分別做成圓形的和帶有平面的,分別為定位

61、銷和導向銷。本設計中選用M20的定位銷,其配套螺母選用M16。模底板上的定位銷安放在銷耳上,設在沿中心線長度方向的兩端,樣式如圖5-8(b)所示。(a) b 圖5-8 模板與砂箱的定位方式及定位銷示意圖 定位銷耳的結構如圖5-9所示,其尺寸參考表5-7[13]。圖5-9 定位銷耳示意圖 表5-7 模底板上定位銷耳的尺寸(單位:mm) 5.4.6 模板的緊固裝置 模板用螺栓固定在造型機工作臺上,這時應設置緊固耳。其位置要和造型機工作臺上臺面上的T型槽相對應,緊固耳數(shù)為4。其結構如圖5-10所示。模底板平均輪廓尺寸小于500mm。尺寸參考表5-8[13],緊固螺釘?shù)囊?guī)格為M12。 圖5-10 緊固耳示意圖 表5-8 緊固耳的尺寸 (單位:mm) 5.4.7模樣在底面上的裝配 1模樣在模底板上的放置形式 以簡單方便節(jié)約成本考慮,采取平放式將模板平放在模底板上,模底板不必挖槽。 2模樣在模底板上的定位和緊固 模樣在模底板上常用定位銷來定位,定位銷采取的是圓柱銷,定位銷將模樣裝配在模底板