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內蒙古科技大學畢業(yè)設計（畢業(yè)論文）
箱體結構設計及蝸輪箱體鑄造工藝分析
徐健
（內蒙古科技大學機械工程學院 內蒙古 包頭 014010）
摘要：大型蝸輪箱體鑄件結構復雜，大量使用型芯做出型腔和型體。分析了型芯的設置與裝配特點，改進型芯的成分，完善裝配與支撐方式，選擇合理的工藝參數，保證了鑄件的質量和形位公差等要求。
關鍵詞：蝸輪箱體；型芯；工藝設計
Box Structure Design and Worm Case Casting Process Analysis
Abstract：Worm castings large box complex structure，the extensive use 0f core and cavity—making body．Analysis of the core configuration and assembly features，improved core elements，improve assembly and support，choose reasonable parameters，and ensure the quality of castings and geometrical tolerance requirements，and so on．
Keywords：Worm boxes；Core；Process Design
蝸輪箱是高效濃縮機上的大型傳動結構件，外銷產品。蝸輪箱體為鑄鋼件，形狀不完全對稱，結構復雜，尺寸大，壁厚不均：蝸桿孔體與主體結合處形成一半“凹”型空腔，型芯設置困難：端面法蘭與中間凹平面為過渡連接板體，內部結構形位公差小，鑄造過程不好掌握，鑄件質量難以保證。通過對蝸輪箱體的結構和鑄造工藝進行分析，找出鑄件質量的主要影響因素，采用非常規(guī)的型芯定位與支撐方法，配合有效的工藝設計，保證了蝸輪箱體鑄件的質量和技術要求。
l鑄件的結構特點與工藝分析
1．l箱體的主要功能
(1)支承并包容各種傳動零件，如齒輪、軸、軸承等，使它們能夠保持正常的運動關系和運動精度。箱體還可以儲存潤滑劑，實現各種運動零件的潤滑。
(2)安全保護和密封作用，使箱體內的零件不受外界環(huán)境的影響，又保護機器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。
(3)使機器各部分分別由獨立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調整和修理。
(4)改善機器造型，協(xié)調機器各部分比例，使整機造型美觀。
1．2箱體的分類
按箱體的功能可分為：
(1)傳動箱體，如減速器、汽車變速箱及機床住軸箱等的箱體，主要功能是包容和支承各傳動件及其支承零件，這類箱體要求有密封性、強度和剛度。
(2)泵體和閥體，如齒輪泵的泵體，各種液壓閥的閥體，主要功能是改變液體流動方向、流量大小或改變液體壓力。這類箱體除有對前一類箱體的要求外，還要求能承受箱體內液體的壓力。
(3)支架箱體，如機床的支座、立柱等箱體零件，要求有一定的強度、剛度和精度，這類箱體設計時要特別注意剛度和外觀造型。
按箱體的制造方法分，主要有：
(1)鑄造箱體，常用的材料是鑄鐵，有時也用鑄鋼、鑄鋁合金和鑄銅等。鑄鐵箱體的特點是結構形狀可以較復雜，有較好的吸振性和機加工性能，常用于成批生產的中小型箱體。
(2)焊接箱體，由鋼板、型鋼或鑄鋼件焊接而成，結構要求較簡單，生產周期較短。焊接箱體適用于單件小批量生產，尤其是大件箱體，采用焊接件可人大降低成本。
(3)其它箱體，如沖壓和注塑箱體，適用于大批量生產的小型、輕載和結構形狀簡單的箱體。
1．3設計的主要問題和設計要求
箱體設計首先要考慮箱體內零件的布置及與箱體外部零件的關系，如車床按兩頂尖要求等高，確定箱體的形狀和尺寸，此外還應考慮以下問題：
(1)滿足強度和剛度要求。對受力很大的箱體零件，滿足強度是一個重要問題。但對于大多數箱體，評定性能的主要指標是剛度，因為箱體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。
(2)散熱性能和熱變形問題。箱體內零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓?，影響其潤滑性能：溫度升高使箱體產生熱變形，尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應力，對箱體的精度和強度有很大的影響。
(3)結構設計合理。如支點的安排、筋的布置、開孔位置和連接結構的設計等均要有利于提高箱體的強度和剛度。
(4)工藝性好。包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。
(5)造型好、質量小。
設計不同的箱體對以上的要求可能有所側重。
1．4箱體結構設計
箱體的形狀和尺寸常由箱體內部零件及內部零件問的相互關系來決定，決定箱體結構尺寸和外觀造型的這一設計方法稱為“結構包容法”，當然還應考慮外部有關零件對箱體形狀和尺寸的要求。
箱體壁厚的設計多采用類比法，對同類產品進行比較，參照設計者的經驗或設計手冊等資料提供的經驗數據，確定壁厚、筋板和凸臺等的布置和結構參數。對于重要的箱體，可用計算機的有限元法計算箱體的剛度和強度，或用模型和實物進行應力或應變的測定，直接取得數掘或作為計算結果的校核手段。
箱體的毛坯、材料及熱處理
(1)箱體的毛坯：選用鑄造毛坯或焊接毛坯，應根據具體條件進行全面分析決定。鑄造容易鑄造出結構復雜的箱體毛坯，焊接箱體允許有薄壁和大平面，而鑄造卻較困難實現薄壁和大平面。
焊接箱體一般比鑄造箱體輕，鑄造箱體的熱影響變形小，吸振能力較強，也
容易獲得較好的結構剛度。
(2)箱體的材料和熱處理
鑄鐵
多數箱體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動性好，收縮較小，容易獲得形狀和結構復雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強，動態(tài)剛性和機加工性能好，價格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。具體牌號查閱有關手冊。
鑄造鋁合金
用于要求減小質量且載荷不太大的箱體。多數可通過熱處理進行強化，有足夠的強度和較好的塑性。
鋼材
鑄鋼有一定的強度，良好的塑性和韌性，較好的導熱性和焊接性，機加工性能也較好，但鑄造時容易氧化與熱裂。箱體也可以用低碳鋼板和型鋼焊接而成。
箱體的熱處理：
鑄造或箱體毛坯中的剩余應力使箱體產生變形，為了保證箱體加工后精度的穩(wěn)定性，對箱體毛坯或粗加工后要用熱處理方法消除剩余應力，減少變形。常用的熱處理措施有以下三類：
A)熱時效。鑄件在500～600度下退火，可以大幅度地降低或消除鑄造箱體中的剩余應力。
B)熱沖擊時效。將鑄件快速加熱，利用其產生的熱應力與鑄造剩余應力疊加，使原有剩余應力松弛。
c)自然時效。自然時效和振動時效可以提高鑄件的松弛剛性，使鑄件的尺寸精度穩(wěn)定。
1．5箱體結構參數的選擇
(1)壁厚
鑄鐵、鑄鋼和其它材料箱體的壁厚可以從手冊中選取，公式為：N=(2L+B+H)／3000(mm)
式中L——鑄件長度(mm)，L、 B、H中，L為最大值；B鑄件寬度(m)； H——鑄件高度(mm)；
(2)加強筋
為改善箱體的剛度，尤其是箱體壁厚的剛度，常在箱壁上增設加強筋，若箱體中有中問短軸或中間支承時，常設置橫向筋板。筋板的高度H不應超過壁厚t的(3 ~4) 倍，超過此值對提高剛度無明顯效果。
(3)孔和凸臺
箱體內壁和外壁上位于同一軸線t的孔，從機加工角度要求，單件小批量生產時，應盡可能使孔的質量相等；成批大量生產時，外壁上的孔應大于內壁上的孔徑，這有利于刀具進入和退出。箱體壁上的開孔會降低箱體的剛度，實驗證明，剛度的降低程度與孔的面積大小成正比。
在箱壁上與孔中心線垂直的端面處附加凸臺，可以增加箱體局部的剛度；同時可以減少加工面。當凸臺直徑D與孔徑d的比值D／d≤2和凸臺高度h與壁厚t的比值L／h≤2時，剛度增加較大；比值大于2以后，效果不明顯。如因設計需要，凸臺高度加大時，為了改善凸臺的局部剛度，可在適當位置增設局部加強筋。如下圖
(4)連接和周定
箱體連接處的剛度主要是結合面的變形和位移，它包括結合面的接觸變形，連接螺釘的變形和連接部位的局部變形。為了保證連接剛度，成注意以下幾個方向的問題：
1) 重要結合面表面粗糙度值Ra應不大于3．2um，接觸表面粗糙度值越小，接觸剛度越好。
2)合理選擇聯結螺釘的直徑和數量，保證結合面的預緊力。為了保證結合面之間的壓強，又不使螺釘直徑太大，結合面的實際接觸面積在允許范圍內盡可能減小。
3)合理設計聯結部位的結構
1．6蝸輪箱體鑄件的結構特點與工藝分析
蝸輪箱體的外形尺寸中心部分為，最大寬度為2 462 mm ，凈重約2100kg，材質為ZG310 ~570，蝸桿孔對中心線的尺寸公差為±0.130m，蝸桿孔中心線對蝸輪孔的中心線垂直度要求為0.10mm。配合表面的粗糙度為Ra6．3，要求鑄件不得有裂紋、氣孔、砂眼等缺陷。
蝸輪箱體的中心部分是回轉體結構，蝸桿裝配孔體與箱體中心軸線垂直并對稱配置在兩邊，中心回轉體的環(huán)壁結構壁厚不均勻。蝸桿孔體在箱體厚度方向上靠上部布置，孔體與箱體的交接處形成銳角狀結構，易產生澆不足、沖砂等缺陷。蝸桿裝配體、箱體內腔與外部肋板結構的形成都需要用砂芯做出：尤其是蝸桿孔體與主體結合處形成一懸支的半“凹”型空腔，型芯按照常規(guī)裝配就需要支撐在砂芯上，其定位就會受到砂芯的定位精度影響，位置精度難以保證。型芯的裝配精度也影響著蝸輪箱體的壁厚均勻以及與中心軸線的公差要求。對箱體的分析還可以看出，箱體是復雜的薄壁殼體結構，壁厚不均，容易產生裂紋、澆不足等缺陷：而在箱體中心部位的結合面處厚度大，也容易產生縮孔、縮松。
2鑄造工藝設計與改進
2．1澆注系統(tǒng)
蝸輪箱體是大型薄壁殼體零件，為了減少澆不足、冷隔等鑄造缺陷，需要提高澆注溫度、加大冒口補縮。提高澆注溫度又增加縮孔、縮松、氣孔、夾渣、裂紋等缺陷的產生。通常是采用大冒口補縮，在箱體底部結合面上設置4個暗冒口和2個明冒口，對稱分布。外澆口設在砂型中心部位，用管通流鋼磚將外澆口的金屬液引入型腔。按開放式澆注系統(tǒng)設計，金屬液在澆注系統(tǒng)中的流動呈正壓、充滿狀態(tài)，保證澆注時的液流小而平穩(wěn)。
2．1．l澆道設置
蝸輪箱體基本是對稱回轉體結構，外澆口設在中心部位，采用中間注入和頂部注入復合方式。在中問凹平面處采用中間注入方式，內澆道用鑄管磚做出；直澆道底部用一塊四通流鋼磚將金屬液向四個方向分配：在箱體上平面法蘭處采用頂部注入方式，設置兩個內澆道，用三通流鋼磚連接。這樣的布置方式，有利于順序凝固與同時凝固相結合，使鑄件的厚大部分得到充分補縮，避免產生縮孔、縮松，減小鑄造應力與變形。為了使金屬液能迅速、均勻地充滿型腔，澆道斷面之比值采用F值：F內=l：2。而按照階梯澆注方式分層設置上下內澆道的截面不同，取其比值F（上）：F（下）=1：1.5。根據手冊[1]給出的計算方法，鑄鋼液面的上升速度
式中：h(c)為鑄件在澆注位置的高度,mm;G(L)為鑄件質量，kg。由于澆包個數N和包孔數n都取1，計算出液向上升速度為21．2 mm／s，符合手冊中給出的鋼液在犁腔中最小允許上升速度規(guī)定值。包孔直徑取，計算出澆注時間為35．3 s；參照鑄鋼件有效澆注時間計算公式[2]，計算出的澆注時間為39．5 s，計算值與實際澆注時間相吻合，澆注系統(tǒng)設計合理。
2．1．2冒口設計
綜合分析箱體鑄件的結構特點和澆注要求，該箱體冒口的主要作用就是充分補縮，防止鑄件的縮孔、縮松及裂紋等缺陷。按照冒口設計的基本原則和冒口位置的選擇原則，根據有關圖表可查出冒口補縮距離。采用冒口延續(xù)度法(冒口延續(xù)度=)，取冒口延續(xù)度為35％，按設置6個等距離冒口計尊，求出冒口區(qū)與末端區(qū)長度之和為150mm，與查表得出的數值相一致。經過分析，確定在中間凹平面位置設置4個大氣壓力腰形暗冒口，冒口尺寸長×寬×高為200 mm×120 mm×260mm，冒口出氣孔直徑，氣眼直徑。當鑄件和冒口表層結殼以后，空氣通過氣眼進入冒口，防止冒口處于負壓狀念，增加冒口剩余壓力。
在對稱垂直中心線的上法蘭面上設置2個腰形明冒口，冒口尺寸長×寬×高為200mm×120mm×300 mm，使法蘭部分能得到充分補縮;同時在上法蘭向上設置了8個出氣冒口，改善澆注時的透氣能力。
2．2造型工藝
采用三箱造型，以上下底面為分型面。中間凹平面處采用挖砂造型，在上箱中用砂胎形成下凹平面，并用流鋼磚、鑄管磚做出澆注系統(tǒng)。貼近分型面的流鋼磚要用鐵絲綁扎固定。蝸輪箱體使用了較多的型芯做出復雜內腔、加強肋板等結構。綜合考慮多種方案后，將型芯的定化和支撐用焊接的方法固定在砂箱上，落砂清理時用氣割切斷取出。芯砂的組成與配比應該能夠保證型芯具有良好的退讓性、足夠的強度，并滿足透氣性要求。使用有機酯鈉水玻璃砂加適量的焦炭、鋸末配制芯砂，石英砂95．6％～97．O％(質量分數，下同)，鈉水玻璃3．o％～4．4％，混合有機酯為鈉水玻璃的8％、12％，焦炭、鋸未加入量為石英砂的3％、5％。實踐證明，制成的型芯強度高，透氣性和退讓性符合要求，鑄件無裂紋、氣孔等缺陷。計算出冒口質量計503．8kg，鑄件工藝出品率為80．65％。
結束語
對于大型蝸輪箱體鑄件，采用分層設置澆道，改進芯砂配比，將不易定化和支撐的型芯固定在砂箱上，合理設計冒口的布置化置和數量，掌握好澆注時問，是能夠保證箱體的鑄造質量和公差要求的，工藝出品率達到80．65％。利用該工藝方法共生產了150套蝸輪箱體鑄件，全部達到產品技術要求。該工藝對同類大型鑄件的工藝設計和生產有實際應用價值。
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