1、铸造工艺方案毕业设计铸造工艺方案毕业设计摘要 IAbstract II绪论 11 零件材料性能分析 22 零件结构的铸造工艺性分析 33 铸造工艺方案的确定 63.1 分型的分析比较与选择 63.1.1方案一 63.1.2方案二 73.1.3方案三 83.2 造型方案 83.3 造型（芯）方法的选择 93.4 铸型种类的选择 93.5 浇注位置的确定 103.6 砂箱中铸件数目的确定 103.7 砂芯的设计 103.7.1砂芯尺寸 103.7.2下芯顺序 114 铸造工艺参数的选择 124.1 铸件线收缩率 124.2 机械加工余量 124.3 起模斜度的选取 135 铸件体积的计算 145.
2、1 实体部分体积 145.2 去除部分体积 165.3 铸件与铸型的体积 176 冒口的设计 186.1 热节分析及热节圆的计算 186.2 冒口的设计 186.2.1初步方案 186.2.2改进方案a 196.2.3改进方案b 196.2.4改进方案c 206.6 冒口的验算 217 浇注系统的设计 227.1 浇包的选择 227.2 浇注系统的设计 237.3 工艺出品率的验算 248 补缩距离的计算与冷铁的安放 258.1 圆筒的补缩核算 258.2 圆筒的支撑壁的补缩核算 259 铸造工艺装备设计 269.1 模板的设计 269.2 芯盒的设计 2610 总结 27致谢 28参考文献
3、29绪论铸造工艺设计就是根据铸造零件的结构特点，技术要求，生产批量和生产条件等，确定铸造工艺方案和工艺参数，绘制铸造工艺图，编制工艺卡等技术文件的过程。在进行铸造工艺前，设计者应掌握生产任务和要求，熟悉工厂和车间的生产条件。此外要求设计者有一定的生产经验和设计经验，并应对铸造先进技术有所了解，具有经济观点和发展观点。因为现代科学技术的发展，拓展了铸造技术的应用领域，同时也提高了对金属铸件的要求。不仅要求铸件具有高的力学性能，尺寸精度和低的表面粗糙度值；要求具有某些特殊性能，如耐热，耐蚀，耐磨等，同时还要求生产周期短，成本低。铸造工艺设计人员在设计的过程中应时刻关心铸件成本，节约能量和环境保护问
4、题。从零件结构的铸造工艺性的改进，铸造，造型，造芯方法的选择，铸造方案的确定，浇注系统和冒口的设计，直至铸件清理方法等，每到工序都与上述问题有关。采用不同的工艺，对铸造车间或工厂的金属成本，熔炼金属量，能源消耗，铸件工艺出品率和成品率，工时费用，铸件成本和利润率等都有显著的影响。铸造工艺设计应是追求以最少的成本和损耗生产出质量最好，竞争品质最强的铸件产品。此次毕业设计的目的是通过自主设计，在设计的过程中梳理大学四年中学到的专业知识，学会发现问题并运用所学的知识来解决实际问题。通过毕业设计巩固和拓展自己的专业知识，熟悉铸造工艺设计的流程，领略铸造工艺设计的要领，体验铸造工艺设计工作的涵，为即将步
5、入社会，走向工作岗位做最后的准备。1 零件材料性能分析机座原材料为ZG310-570。由铸造合金及其熔炼表6-1及铸造实用数据速查手册表4-6可知在800-820退火后的其力学性能如下：屈服强度s310MPa； 抗拉强度b570MPa；伸长率15%； 断面收缩率21%；冲击韧性Akv15J，ak20J/cm3；硬度156-217HBW。 由铸造合金及其熔炼表6-2 可知ZG310-570化学成分的上限值（%）如下：C0.50； Si0.60； Mn0.90； S0.01； P0.01； Ni0.30； Cr0.35； Cu0.3； Mo0.2； V0.05。ZG310-570为中碳钢。零件对材
6、料性能的要求：机座主要作用是支撑设备的运转，定位装配各种机构，使其具备特定的机械功能。由于是设备与地面的接触部分，承受着设备运转的载荷，为了能使设备有较好的工况，运转平稳，要求机座具有一定的减震性。一般的机座的尺寸都比较大，属于长久性构件，必须具有足够长的使用寿命。因此机座应该具备一定的耐磨性。 2 零件结构的铸造工艺性分析图2-1 零件主视图由零件图图2-1， 图2-2，图2-3分析零件结构的铸造工艺性。零件重要的部分是零件两端圆筒，也就是注有加工粗糙度的部分 。由零件结构分析，该机座是用来支撑回转轴运转工作的，由于该部分几乎是枝端结构，直接承受载荷，并且有装备要求，所以对于圆筒的部组织结构
7、要求很高.在设计铸造工艺时，应重点分析考虑。铸件壁厚比较大，最小壁厚处是机座两端的圆筒。其尺寸超过了ZG310-570铸件的最小壁厚，浇注成型没有问题。而最大热节处在零件的中间部位，两端圆筒则是通过支撑壁由中间部分补缩的。有利于补缩和实现顺序凝固。圆筒自身的补缩通道，以及上端支撑壁的补缩通道不够，应该设计补贴或冷铁。图2-2 零件左视图零件多枝杈结构，铸件成型时的收缩会受到一定的阻碍，枝端结构的形位很容易受到影响。而这是零件结构的最大忌讳，将会直接影响零件的性能，决定着铸件的质量。由于零件的结构性能需要，改进零件结构的操作性不是很大，采用工艺手段避免是主要的方法。枝端处及背面的斜槽会对零件的造
8、型方案的选择有影响，并且会给工艺方案的设计带来很大的麻烦。如果在不影响零件性能的前提下，可以对零件的结构做出相应的改进。背面的3个斜槽可以开得浅一些，通过模样就可以造型，不需要下芯。而枝端处的斜槽可以适量开得下一些，通过模样造型和机加工一部分的方法就可以成型。图2-3 零件背视图零件的结构特点局限了零件造型方案的选择，进而局限了浇注位置的选择。由于砂芯的数目较多，浇注位置上有大平面结构，可能会对铸件的质量有影响。零件上的所有螺孔及圆筒端面的浅槽，由于尺寸较小且需要加工，不易铸出，由机加工成形。3 铸造工艺方案的确定3.1 分型的分析比较与选择 3.1.1方案一图3-1 分型示意图图3-2 分型
9、示意图见图3-1，图3-2，将几乎整个铸件置于下箱，上箱相当于一个盖箱，只成型铸件表面的工垫凸台。由于零件两端的200mm和240mm的圆孔有很高的形位要求，将其用一个模板在同一个砂箱中造型，形位公差容易保证，合箱操作简单。但由于铸件两端为断续圆柱面，不可能用模板直接造型，只有通过下芯成型，而且零件结构中如圆孔 ，凹槽等部分也不能通过模样造型成型或完全成型。于是，这种方案分型将会增加了下芯的数目，提高了砂型芯定位的难度，同时也增加了工序，延长了工时，为浇注系统的设计，及浇注位置的选择制造了难度。由于不是半箱造型，上箱不是盖箱，仍需要为简单的凸台成型，实在不划算。即使凸台不靠上箱成型，也必须通过
10、下芯成型，在表面设计下芯是很复杂的。所以这样分型效果很不理想，不予选择。3.1.2方案二图3-3 分型示意图见图3-3，采用两个模样成型型腔，零件两端的圆柱面被一分为二，可以直接通过模样成型，从而减少了下芯的数目。但是即使通过两箱造型，零件结构中的凹槽部分，仍是不能被完全成型。450mm135mm的3个凹槽下面有部分是无法成型的，而由于形状的原因，显然不易加工成形，于是必须下芯。而下芯也存在问题，如果是整个凹模通下芯成型，则砂芯不好固定。因为凹模四周除上面外，都是实体，且离下面的型砂很远，靠芯撑固定很不理想。唯一的办法是吊芯，但吊芯是造型最避讳的，不到万不得已，尽量不采用。而且吊芯超出了上箱很
11、大一部分，给合箱制造了很大麻烦。还有一种方法是将能成型的部分用模样成型，凹槽不能通过模样成型的那一部分可以通过下芯成型 ，然后用粘结剂将砂芯固定在上箱成型部分上。然而通过粘结剂固定砂芯需要一定的时间，并且是在造完型的上箱上粘结芯砂，会影响到整个铸造生产过程。由于是手工操作，会影响这部分结构的形状精度。同样也有下芯的麻烦，好像也不可行。这种分型方案还存在一个问题，枝端圆筒旁边的凹槽同样也有一部分不能成型。由于该部分体积有点大，且形位特别，机械加工成形不理想，唯一可行的办法也只有下芯。两端的圆孔也是采用下芯成型。由于两箱造型会影响圆孔的形位公差，所以对合箱操作要求很高 。3.1.3方案三图3-4
12、分型示意图见图3-4，同样采用两箱造型，方案二中未能通过模样成型的部分仍然不能成型，也需要下芯。但由于将450mm135mm凹槽调换了位置，将其大部分置于下箱，也就解决了方案二中存在的问题，可以用垂直芯头定位沙芯，下芯就变得容易了 。而枝端圆筒旁边的不能完全成型的凹槽，上箱部分可以直接通过模样成型。未能成型的部分下芯。由于这样分型，使得这个砂芯成为了悬臂芯。为了牢固定位沙芯，确保铸件精度，必须扩大芯头尺寸。而砂芯必须得有30-50mm的厚度才能保证其具有一定的强度。对于这部分不能成型的部位，可以采用下芯和机加工结合的方法成型。而两端间隔的圆孔，为了保证其形状公差，通过采用两个圆柱芯分别成形两端
13、。这样分型使得零件重要部件（有装配要求）的分开造型，对其形状公差有影响，合箱时要注意操作，但它们的位置仍然有所保证。由于砂芯数目较多，且排布较密集，对于浇注位置的选择有很大的局限性。3.2 造型方案综合比较上述三种方案，第三种方案最为理想，两箱造型。零件两端的圆柱面由模样造型，三个450mm135mm凹槽分别下芯，为了确保两端间隔圆孔的形状和位置，分别由两个整体圆柱砂芯成型。孔240mm旁的凹槽可以由模样成型（h/b10），而孔200mm旁的凹槽上部也由模样造型，而四个凹槽下部分分别下芯。由于这样的分型，使得这个砂芯成为了悬臂芯。为了牢固定位沙芯，确保铸件精度，必须扩大芯头尺寸。而砂芯必须得有
14、30-50mm的厚度才能保证其具有一定的强度。对于这部分不能成型的部位，可以采用下芯和机加工结合的方法成型。3.3 造型（芯）方法的选择机座时设备产品的生产批量不会很大，而形状有点复杂。造型材料采用自硬砂，手工造型具有工艺装备简单，灵活方便，适应强的特点。砂芯由于结构简单，形状特点的原因，采用手工造芯比较适宜。而机座的尺寸有点偏大，采用机器造型对设备的要求比较高，一般工厂的生产条件可能达不到，同样也采用手工造型，可以在造型平台上造型。3.4 铸型种类的选择由于机座材料为ZG310-570，而铸钢件很少采用湿型，高锰钢除外。因为1540-1600浇注钢水时Fe首先被氧化，H2O被还原为H。H在液
15、态钢中的溶解量大，而在固态钢中量小，几乎为0，易产生皮下气孔。铸钢多采用漏包底注式，浇注系统为开放式，金属液快速充型，对砂芯砂型的冲刷较大。于是要求砂芯和砂型必须具备很高的强度才不至于产生冲砂，夹砂等缺陷，保证铸件的质量。由于砂芯形状简单，生产批量不是很大。由铸造手册表2-19冷芯盒用树脂的主要技术指标及适用围选用：粘结剂：碱性酚醛树脂；硬化气体：CO2；氮气的质量分数0.5%；黏度1000mPas；游离酚质量分数1%；游离醛质量分数0.5%；由铸造手册表2-41可知，芯盒砂的组成为：碱性酚醛树脂原沙的质量分数2.5-3.5%；促硬剂占树脂的30-40%；（促硬剂为硼酸盐，锡酸盐或铝酸盐）。混
16、砂工艺：原砂加树脂混合1-2min，再加促硬剂混合1-2min后卸砂。由于呋喃树脂粘结强度高，黏度小，毒性小，旧砂再生利用率高，所以型砂选用呋喃树脂砂。由铸造手册表2-20选用呋喃树脂自硬砂的主要技术指标：固化剂：中强酸氮的质量分数1-2%；黏度15mPas； 游离醛0.3%；比强度1.0MPa；适用一般铸钢。由铸造手册表2-42可知味喃树脂自硬砂的主要组成：低氮味喃树脂质量分数0.8-1.5%；固化剂：磷酸，加入量占树脂重25-50%。混砂工艺：砂加固化剂混合均匀，加树脂混合均匀后卸砂。3.5 浇注位置的确定零件结构的独特性使得铸件的造型方案没有多的选择。分型面的确定，且由于下芯数目较多，不
17、可能采用倾斜浇注，浇注位置没有多的选择方案。分型面选择确定浇注位置。合箱，浇注，冷却位置一致。3.6 砂箱中铸件数目的确定由于零件的尺寸为1233mm1021mm，尺寸规格较大， 通常车间现存砂箱尺寸规格也只能是一箱一件。即使是扩大砂箱尺寸，能够一箱多件生产，但对生产设备的要求提高了，操作起来也不是很方便。还是一箱一件生产比较合适。3.7砂芯的设计3.7.1砂芯尺寸由分型方案可知，机座铸件的造型需要下4种砂芯。由于机座两端间断的圆孔有很高的形状要求，圆柱度公差为0.012，而且这样的结构是用来装备支撑回转轴运转。因此，这两部分直接通过两个整体圆柱砂芯成型最为理想，结构的形状很容易保证。（1）对
18、于240mm孔，为1号芯。由于砂芯较长，将圆柱芯对分为二个半圆柱砂芯造型，下芯前将两个半圆柱芯组装成圆柱芯。砂芯的尺寸直径为230mm，长度为L=1021+6.52=1034mm，由于圆孔旁边的凹槽通过造型成形，成型凹槽的型砂，会对砂芯有支撑作用，因此，计算砂芯芯头尺寸时，取砂芯的长度尺寸当量L=145+6.52=158mm，就能满足要求。参考铸造手册表1-16水平芯头长度取l=60mm.参考铸造工艺学P235，手工造型，制芯，且是自硬型芯头间隙应较大，取S1=2mm， S=4mm。 （2）对于200圆孔，为2号芯。由于砂芯较长，也将圆柱芯对分为二个半圆柱砂芯造型，下芯前将两个半圆柱芯组装成圆
19、柱芯。砂芯尺寸：D=190mm，L=1246mm，由于圆孔旁边的凹槽需要下芯成型，同样也会对砂芯有分支支撑作用，同理，取砂芯当量长度L=118mm，设计砂芯长度就能满足生产要求，取l=60mm，S1=2mm，S=4mm。（3）对于三个450mm135mm的凹槽，为4号芯。砂芯形状为三棱柱，为垂直砂芯。底部尺寸为450mm135mm，（A+B）/2=（135+450）/2=292.5mm，砂芯高度L=270mm。参考铸造手册表1-13选取砂芯垂直芯头的高度h=40mm。由表1-14取垂直芯头的斜度为1：10。由于上芯不接触砂芯，不用放间隙，下芯头间隙取S=2mm。（4）对于四个200mm圆孔旁边
20、的凹槽，为3号芯。下部分未能成型，砂芯有一部分悬臂。为了能准确定位，就必须扩大砂芯，基于结构特点，整个凹槽下部分，都由下芯成型，下4个垂直砂芯。（A+B）/2=（147-13+285+172.5）/2=296mm，L=172.5mm。同理取h=40mm， 斜度为 1：10，S=2mm。由于上芯处与砂型有接触，取间隙S1=2mm。3.7.2下芯顺序先下3号芯和4号芯，接着分别组装1号芯和2号芯，将两个半圆柱芯用定位销组装成一个圆柱芯。组装完成下芯。4 铸造工艺参数的选择4.1 铸件线收缩率机座为中型铸件，有很多枝端，下芯数目较多，收缩受阻。参考铸造手册表1-1常用铸造合金的铸造收缩率，铸造手册表
21、3-37砂型铸造普通合金铸件的铸造收缩率。取机座铸造线收缩率=1.8%。4.2 机械加工余量由铸造手册表1-9，普通碳素钢和低合金铸件最小铸出孔（槽）尺寸及铸造工艺表3-3-8，可知铸件的最小铸出径d=3060mm，于是机座上面的2-M5-6H深12；4-M16-16H深25；2-M20-6H深40； 4-M5-6H深10； 4-RC1/8深7.5 ； 2-M5-6H深15等孔 以及圆筒端面的20mm45mm的浅槽都选择不铸出，由机加工成形。由铸造手册表1-2，选取机座的机械加工余量等级为H（手工造型），选取尺寸公差为CT10级由铸造工艺学表3-3-3选取铸件的加工余量如下表。表4-1 机座各
22、部分加工余量序号基本尺寸/mm加工余量等级加工余量数值/mm说明1345H6.5双侧加工2200H5.0双侧加工3240H5.0双侧加工496105H5.0单侧加工545105H5.0单侧加工4.3 起模斜度的选取由铸造手册表1-6自硬砂造型模样外表面的起模斜度（JB/T5105-1991）可知手工造型，模样采用木模样，测量面高度H上=172.5mm，H下=212.5mm。取模样斜度=035,a=2.6mm。 5 铸件体积的计算图5-1 铸件主视图5.1 实体部分体积由图5-1，图5-2，图5-3计算如下各实体部分体积。上下两端的圆柱 (145+13) 73452/4=103338695.3m
23、m3(105+13) 23452/4=22050571.5 mm3正反两面的凸台 9610510=100800 mm3 10545410=189000 mm3上端圆筒支撑壁 (345585-3452/8) (1353+952)=(201825-46717.3125) 595=92289074.06 mm3上端圆筒支撑壁间隙实体(75+345-120)(585-285) 41571/2=180000157=28260000 mm3624015741/2=778720 mm3图5-2 铸件左视图中间实体从上到下分三部分345(1233-10) (675-585)=37974150 mm3 (795
24、-675) 345(1233+1021-20)/2=46243800 mm3(1021-10) 345(1100-795-253)=18137340 mm3下端圆筒支撑壁 (345253-3452/8) 1354=(87285-46717.3125) 1354=21906551.25 mm35.2 去除部分体积由图5-1，图5-2，图5-3计算如下各孔槽部分体积。图5-3 铸件背视图上端圆孔 （200-52）2/4（1052+1453+135）=20120335 mm3下端圆孔 （240-52）2/41584=26244748 mm3背面斜槽（45+270）/24501353=28704375
25、 mm35.3 铸件与铸型的体积实体部分体积 V+=371268702.3 mm3去掉部分体积 V-=7506945.8 mm3铸件体积V铸=V+-V-=296199244.3 mm3由铸造手册查得常温下2G310-570的密度约为=7.8cm3/g。铸件质量m铸=V铸=231035410610-3g=2310.35kg由于铸件的缩尺(线收缩率)为=1.8%。铸型的体积V型=(1+1.8%)3*V铸=312483636.6mm36 冒口的设计6.1 热节分析及热节圆的计算零件的结构特点是多分支部分，两端的分支结构固定生根于机座的中部。所以中间部分近似于一个实体，虽然间或性的开了些槽，但仍是机座
26、最厚实的部分。最大热节应该在这个区域，平面分析最大热节应为中间分支部分根源处。但由于其局部区域被挖去，纵向厚度减少，远不及横尺寸，我认为最大的热节是中间区域两个边上的实体部分。作图求出其半径r0=105mm，见图6-1。图6-1 热节示意图6.2 冒口的设计6.2.1初步方案由于零件的分支部分很多，分支部分都得依靠中间支撑部分来补缩。而将两个冒口安放在中间边缘区域上，补缩距离似乎不够，计划在正中间还安放一个冒口。铸件模数Mc=r0=105mm，取冒口安全系数f=1.2。冒口模数Mr=fMc=1051.2=126mm，冒口的高径比取H/D=1.25，H=1.25D=2.5r。选用圆柱沙冒口，顶部
27、撒保温剂体积Vr=r2h=2.5r3散热面积Sr=2r2.5r=5r2Mr=Vr/Sr=2.5r3/5r2=r/2r=2Mr=252mm由于冒口的尺寸较大，安不下3个冒口，还是在两个热节处安放共2个冒口。其总体积V冒=2Vr=22.52523=251247225.6 mm3V总=V冒+V型=563770862.2 mm3查阅资料取2G310-570的凝固收缩率0=5%，两个冒口缩孔总体积V缩=V总0=28186543.11 mm3估算冒口补缩效率=V缩/V冒100%=11.22%，而砂冒口的补缩率=12-15%最为合理，显然补缩率偏低，设计不合理。6.2.2改进方案a取冒口高径比H/D=1，
28、H=D=2r，则Vr=2r3V冒=2Vr=22r3=260997780.5 mm3V总=V冒+V型=513481417.1 mm3V缩=V总0=25674070.85 mm3冒口补缩效率=V缩/V冒100%=12.8%冒口的补缩率基本达到要求，试算工艺出品率 查阅资料可知高温2G310-570的密度0约为7.0cm3/g，则工艺出品率=2310354106/(513481417.17.0)100%=64.2%,砂冒口的合理工艺出品率为55-65%,此种方案的工艺出品率还比较理想，但两个冒口处在边缘，中间枝端需要更多的补缩液量，而其补缩通道不堪理想。6.2.3改进方案b选用腰圆砂冒口，取高径比为
29、1：25，长度为L=1.25D=2.5D，H=1.25D=2.5r冒口体积Vr=（r2+2r2）2.5r由于顶部撒保温剂，其散热面积Sr=（2r+2r）2.5rMr=Vr/Sr=(+2)r/(2+2)=126mmr=(2+2)/(+2)=203mm同样设置2个冒口，冒口总体积V冒=2(2.5+5)r3 =(5+10)r3=214991473.9 mm3V总=V冒+V型=527475110.5 mm3V缩=V总0=26373755.53 mm3=V缩/V冒100%=12.3%由于采用顶部绝热，补缩效率有点偏低。6.2.4改进方案c在b方案的基础上将高径比改为1。H=D=2rVr=(r2+2r2)
30、2rV冒=2Vr=2(2+4)r3 =2.56+2033=17199379.1 mm3V总=V冒+V型=484476815.7 mm3V缩=V总0=24223840.79 mm3=V缩/V冒100%=14.1%补缩率比较理想。估算工艺出品率工艺出品率=m铸/(V总0)100%=2310354106/(474476815.77)100%=68.1%由于是冒口顶部绝热，且未算上浇注系统和补贴，出品率比较理想。因为是腰圆冒口，增大了冒口的补缩距离，正中部分的补缩通道有明显的改善，总体效果最好。最终确定冒口的设计方案为方案c。 6.6 冒口的验算因为是砂冒口，所以冒口要放斜度，取其斜度为1：50。根据图6-2计算斜度部分体积V斜：图6-2 冒口示意图圆柱部分V1=1/32112（406+23050）-1/3203223050-22033 =491895314.2-437790679.7-52534881.56=1569752.94 mm3长方体部分V2=840620321/2 =659344 mm3V斜=2(V1+V2)=4458193.88
