液压阀体铸造工艺及工装设计材料成型及控制工程毕业设计说明书.doc

西华大学本科毕业设计说明书 毕业设计说明书 题 目: 液压阀体铸造工艺及工装设计 学院(直属系) : 材料科学与工程学院_年级、专业: 2011级材料成型及控制工程_学 生 姓 名: _学 号: _指 导 教 师: 刘晓烈_完 成 时 间: 2015 年 5 月 26 日摘 要 首先对零件结构、技术要求和生产条件进行分析，弄清零件的大致形状并利用Pro/E三维绘图软件绘制零件的三维实体图形，在二维图纸的基础上进行铸造工艺设计。根据铸造工艺手册等相关资料，确定加工余量、铸件尺寸公差、拔模斜度、收缩肋、浇注位置、冷铁、分型面、分模面、铸造缩率等相关参数，并确定采用冒口补缩的浇注方案；根据初步的铸造工艺设计，确定型芯结构、大小及位置并画出砂芯。采用华铸CAE，模拟凝固过程中铸件的热节、缩松缩孔倾向、铸件色温及凝固顺序等，设计冷铁的位置和大小以及冒口类型和大小；根据铸造工艺手册，设计铸件的浇注系统，采用竖扁浇口，从铸件的分型面浇注，基于采用漏包浇注和开放浇注系统的设计方法，设计内浇口、横浇道和内浇口的尺寸和布置；最后对铸件的凝固过程和流动过程进行计算分析，可视化观察了铸件的充型过程，验证了浇注系统的设计。最后在工艺完成后进行工装设计，主要为型板设计、芯盒设计及合箱图的设计。用CAD软件分别绘制型板、芯盒、合箱图的零件图，最后根据设计步骤完成报告。【关键词】铸件分析，浇注系统，设计，浇冒口，工装设计Abstract First of all parts structure, technical requirements and production conditions were analyzed, and find out the general form of the parts and use Pro/E 3 d drawing software rendering components of the three-dimensional entity graph, on the basis of 2 d drawings for casting process design. According to casting process manual and other related data, determine the machining allowance, casting size tolerance, draft Angle, rib shrinkage, pouring position, cold iron, parting surface, parting surface, casting shrinkage and other related parameters, and determine the feeding of casting solution; According to the initial casting process design, determine the core structure, size and location and draw the sand core. use casting CAE, are adopted to simulate the solidification process of casting hot section, shrinkage porosity in the tendency, casting temperature and the solidification sequence, design the size and location of the chill and riser type and size;According to the manual casting technology, casting gating system design, the vertical flat gate, parting surface from castings pouring, based on the leakage open pouring and pouring system design methods, design gate, runner and gate size and layout;Finally, the calculation and analysis of casting solidification process and flow process, visual observe the filling process of castings, verify the design of gating system. Finally the process after the completion of the tooling design, mainly for the plate design, core box design and the design of closed box figure.Drawing plate separately with the CAD software, the core box, box figure drawing, according to the design step to complete the report.【Key words】Cast analysis, gating system design, riser design, tooling design目 录摘 要IAbstractII前 言1一 铸造工艺拟定21.1 液压阀体铸件的铸造工艺性分析21.1.1 设计任务21.1.2 铸造工艺方案的确定41.1.3工艺参数71.1.4冒口设计71.1.5浇注系统设计81.1.6冷铁设计121.1.7砂芯设计121.2 模拟分析131.2.1 分析系统13二 铸造工艺图与铸件图152.1工艺图152.2 铸件图16三 选用造型设备173.1 造型机17四 工艺装备设计184. 1芯盒184.1.1芯盒材料的选择184.1.2芯盒内腔尺寸的计算184.1.3芯盒及零件的结构设计184.1.4 芯盒零件图214.2模样设计214.2.1模样材料的选择214.2.2模样尺寸的计算224.2.3模样壁厚224.2.4模样图234.3模板设计234.3.1模底板的材料234.3.2确定模底板的尺寸234.3.3加强肋的设置244.3.4模底板与砂箱的定位装置244.3.5模底板吊轴254.3.6模板零件图254.3.7模板装配图264.4合箱图27五 总结与体会28六 致谢词29参考文献30附件31前 言随着科技突飞猛进的发展，无论在生产中还是生活中机械产品都占有举足轻重的地位， 那么，由于经济发展的如此迅猛，要跟上时代的进步就必须得有自己头脑，毕业以后作为技术人员，就必须对生活中的一切机械产品有一定的认识，那么才不会被社会所抛弃，总而言之，这个社会需要的就是会一定技术、有一定头脑的人才，那样才不会被淘汰，由于国际经济和科技的竞争越来越围绕人才和知识的竞争展开，工程技术作为科学技术和实际应用之间的桥梁，无论科学技术如何发展、如何更新，但对技术的实践性始终都不会改变，在工程技术人才中，具有丰富的实践性的技术人员是这个机械领域里不可或缺的重要部分，就当今社会就业形式来看，理工科的的就业率明显高于文科的同学，而理工科的同学毕业后主要集中于车间的一线技术人员，从这方面来看足以说明这个社会对技术人员的需求是多么渴望，这也是教育部针对社会需求而做出的抉择增设适用于技术方面所学的专业。在铸造技术领域中，铸件被广泛应用于飞机、汽车、轮船;应用于机床、内燃机、导轨；应用于风机、压缩机、动力机械；应用于农业机械等，它覆盖了 海陆空三个领域，任何机器、任何产品都离不开铸造行业，这也是铸造业一直昌盛不衰，一片繁荣的主要原因，初步估测，我国目前的铸件产量为1000多万吨，从事铸造领域的人员达100多万人，自从2001年我国加入世界贸易组织以来，正在逐步成为世界制造业的中心，虽然我国作为铸造大国，但是对于铸件的质量，工艺出品率，经济效益来说，与其他国家相比还有着一定的差距，因此，今后我们铸造发展铸造生产的重点不数量上，而是在质量和效益上下功夫，要全面提高铸造生产的技术经济指标，增加高端铸件产品的比例，最大限度的提高效益，降低资源消耗和环境污染，完成由铸造大国向铸造强国的过度。一 铸造工艺拟定1.1 液压阀体铸件的铸造工艺性分析1.1.1 设计任务本次毕业设计为对液压阀体进行铸造工艺设计，铸件材质为QT400。技术要求： 1）铸造圆角为R2-R8。 2）铸件不允许有冷隔、裂纹、缩孔和穿透性缺陷及严重的残缺类缺陷。 3）3.18公差为0-0.018，和阀芯配合间隙0.007-0.012。 4）螺纹孔与其结合端面垂直度允差0.04。该零件主要壁厚为12mm，最大壁厚22mm，最小壁厚12mm，整个铸件壁厚相对较均匀，零件外轮廓尺寸为132mm78mm80mm，由于该零件高度对称，所以对底部形成热节的地方无法安放冒口，故需安放冷铁在凝固的时候进行激冷，整个零件不铸出的地方有直径为6mm的孔1个，直径为2mm的孔一个，底部尺寸为8071的平台上有直径为8mm的螺纹孔4个。 二维零件图和三维零件图分别见图2-1和图2-2。（a）（b）图2-1 零件二维图图2-2 零件三维图1.1.2 铸造工艺方案的确定（1） 造型、制芯方法的选择 在选择造型、制芯方法时，优先考虑湿型。在考虑湿型时应当注意考虑铸件高度、夹砂缺陷等方面，同时，造型时间长或者浇注等待时间长不适合湿型。在型内放置的冷铁较多时，也应当避免用湿型。综合考虑，本次铸件选用干型浇注，使用水玻璃CO2自硬砂。（2）分型面、浇注位置的选择分型面的选择 根据分型面的选择原则此次设计共对该零件的分型面考虑了两种方案方案方案 在选择分型面时，优先考虑将分型面放置在铸件的最大平面上，对比两种分型面的选择，在方案一中，砂芯在整个金属液中处于悬空状态，且不容易固定，而在方案二中，芯子的上下均有支撑点，使芯子在金属液中固定。因此，选择方案二的分型面作为该铸件的分型面。浇注位置的选择方案方案 比较两种浇口位置发现，浇口位置1在砂芯周围，会对砂芯进行长期的烘烤，故暂不考虑。而浇口位置2处于整个零件的最大壁厚处，金属液进入后不会对砂芯产生长期的冲蚀。因此，浇口位置2比浇口位置1好，优先考虑浇口位置2。（3） 砂箱中铸件的数量 由于是批量生产，手工造型且是小件，在设计中考虑到工艺出品率的问题，选择了一箱两件。1.1.3工艺参数（1）加工余量及拔模斜度 查铸造手册第五卷 铸造工艺可知，加工余量为2mm，由于铸件的外轮廓大部分为圆柱曲面，且平面不大，因此可不用考虑拔模斜度。（2）铸出孔与槽 查铸造手册第五卷 铸造工艺可知，球墨铸铁件的最小铸出孔为8mm。因此，零件中的两个小孔可不用铸出，由后期机加工方法得出。如图（3）铸造收缩率 查铸造手册第五卷 铸造工艺可知，球墨铸铁件的收缩率为0.8%1.2%，此处取中间值，选择的收缩率为1%，即1mm，加上加工余量2mm，铸件应当放大3mm。1.1.4冒口设计（1） 模数计算在零件图中使用proe软件对零件进行测量，由工具菜单中的分析测量面积功能查得面积，周长，扇形面积故圆弧形面积 扇热面积 体积铸件模数 冒口模数（2） 确定冒口尺寸根据铸件结构形状，冒口选用明冒口，h=1.5d、得。冒口安放位置处于整个铸件最高处，且处于靠近最大壁厚的方向。（3） 确定冒口个数 设计方案为一箱两件，每个铸件一个冒口，故冒口个数为2个。（4） 校核冒口补缩量查资料得 球铁件收缩率取1% 补缩效率 故该冒口尺寸设计基本合理（5）冒口位置的确定 冒口安放位置在铸件的热节处，及铸件最大壁厚处，该铸件最大壁厚为，其余部分壁厚在间，因此冒口安放位置为顶部圆形凸台边处。1.1.5浇注系统设计（1） 浇注位置的确定根据铸件的尺寸及形状，选择浇注系统的形式为中注式，内浇道开设在铸件中部的肋板出，从分型面注入，该种设计适用于壁厚角均匀、高度不大的各类小铸件。（2） 浇注系统结构及尺寸确定 浇注系统为将液态金属引入铸型型腔而在铸型肋开设的通道，作用是控制金属液充填铸型的速度及充满铸型所需的时间，使金属液平稳的进入铸型避免紊流和对铸型的冲刷，阻止熔渣及其它夹渣物进入型腔，浇注时不卷入气体，并尽可能使铸件冷却时符合顺序凝固的原则。1）浇注系统的结构包括直浇道、横浇道、内浇道。根据铸件的结构及形状，内浇道安放在下砂箱中，直浇道放在上砂箱中，2）尺寸的确定箱体的最大轮廓尺寸为132mm78mm80mm，为小型铸件，主要壁厚在12mm-22mm，在浇注系统设计过程中采取以下两种方案根据铸件图测得单个铸件体积为382,查得球铁件密度为7.8kg/，故单个铸件质量为2.9kg方案一：一箱两件 每个铸件一个内浇道，两件质量为5.8kg，冒口选择为明冒口，目测加工面所占比例 50% ,故工艺出品率为65%-75%，选择为70%所以铸型中铁水重量浇注时间的设定 铸件相对密度 查表可知C=0.9 浇注比速 故型内钢液上升速度根据表4-12型内铁液上升最小速度可知此结果符合要求。方案二：一箱四件 每个铸件一个内浇道，四件质量为16.6kg，工艺出品率仍为70%所以铸型中铁水重量 C=0.9 因为铁液熔点低，易氧化，故充型时要求快而平稳，综合考虑选择方案一计算阻流截面积： 由大批量生产小型球铁件多采用漏包浇注和开放式浇注系统，由铸造技术应用手册知浇注系统的横截面积之比确定内浇道的面积：由于是一箱两件，故内浇道有两个 由铸造工艺设计选择内浇道形状为梯形，查表可知内浇道尺寸为 确定横浇道的截面积 由铸造工艺设计选择横浇道形状也为梯形，查表可知横浇道尺寸为 确定直浇道的截面积 直浇道截面形状为圆形直径D=23mm铸件在水平方向的吃砂量由铸造技术应用手册查得 即内浇道长度为40在竖直方向的吃砂量 横浇道末端长度： 直浇道中心到第一个内浇道中心的距离末端延长段为，取107mm直浇道的位置和高度直浇道的高一般等于上砂箱高度，但必须验证高度是否足够，即剩余压力头应满足压力角要求由于上箱铸件高40，吃砂量为70故选择上砂箱高度为150，根据铸造技术应用手册，当时，铸件主要壁厚在取参照最大压力角故上砂箱高150满足条件直浇道高直浇道上端直径浇口杯的设计选择浇口杯形状为普通漏斗形，各尺寸为 内浇道、横浇道、直浇道、浇口杯尺寸见图2-3 内浇道 横浇道 直浇道 浇口杯图2-3 浇注系统各个截面尺寸1.1.6冷铁设计（1） 冷铁的作用 为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的急冷块称为冷铁。其作用为 1）在冒口难于补缩部位防止缩孔、缩松。 2）防止壁厚交叉部位及急剧变化部位产生裂纹。 3）与冒口配合使用，能加强铸件的顺序凝固条件，扩大冒口补缩距离，减少冒口数目或体积。 4）用冷铁加速个别热节的冷却，使整个铸件接近于同时凝固，即可防止或减轻铸件变形，又可提高工艺出品率。 5）改善铸件局部的金相组织和力学性能，如细化基体组织，提高铸件表面硬度和耐磨性。 6）减轻或防止厚壁铸件中的偏析。（2） 冷铁尺寸的确定查铸造工艺设计，在生产实践中，通常取冷铁厚度当冷铁的厚度等于被激冷铸件厚度时，对于消除浇注温度偶然高于的影响是有利的。冷铁：对底部凸台设置冷铁，查铸造技术应用手册，冷铁形状为方形，厚度 取0.5T 其中T为铸件热节圆直径，T=52mm，故；1.1.7砂芯设计（1）制芯方法 根据生产需要，选择机器制芯中的冷芯盒制芯，其优点为芯盒无需加热，节约能源;砂芯尺寸精确，稳定；固化速度快，生产效率高；塑料、木材都可制造芯盒，节约工装铸造费用；芯砂可使用时间长，砂芯可存放时间长等。（2）芯头尺寸和间隙根据分型面的选择，芯头设计时采用水平芯头，由铸造工艺设计查得直径为43的圆柱芯头长，取，与芯座间隙为1，芯头斜度 、 、；直径为20的圆柱芯头长，取，与芯座间隙为1，芯头斜度，。整个铸件只有一个砂芯，定位时由两侧芯头横于砂型上，为防止砂芯旋转在芯子一端设置一防转结构。1.2 模拟分析1.2.1 分析系统三维零件图在proe中分别保存为stl格式采用华铸CAE进行模拟，第一次模拟结果如图2-4所示图 2-4 第一次华铸CAE模拟结果对第一次模拟结果进行分析，距离浇注入口较远的区域出现了大量的缩孔，冒口根部也有缩松，因此，需对工艺进行改善，其过程为对暗冒口增设一个冒口套，使冒口最后凝固，以便金属液补充铸型型腔，以防止出现缩孔、缩松。 对缩松出现较多区域下方设置冷铁，将冷铁设于铸件底部进行第二次模拟，其结果如图2-5所示 图2-5 第二次华铸CAE模拟结果由上图可知，经过加冒口设置冷铁等改进后，缩孔、缩松明显减少，但此改进未考虑到补缩通道的问题，导致缩孔、缩松得不到解决，需再次对模拟方案进行改进，这次的改进方案需对补缩通道进行考虑，最后模拟结果如图2-5所示图2-5 最终的华铸CAE模拟结果二 铸造工艺图与铸件图2.1工艺图2.2 铸件图三 选用造型设备3.1 造型机根据铸造设备选用手册，铸件重量在时，砂箱尺寸在范围内造型机选用Z14系列震压造型机，因铸件重量为8.3kg，因此选用Z147D型号造型机。四 工艺装备设计4. 1芯盒4.1.1芯盒材料的选择 查铸造手册 第5卷 铸造工艺芯盒材料选择铝合金芯盒4.1.2芯盒内腔尺寸的计算 根据公式 零件材料为铝合金，收缩率可按1.2%计算 砂芯长度 砂芯直径 砂芯直径 砂芯直径 两侧芯头长度各为20mm和30mm4.1.3芯盒及零件的结构设计（1） 芯盒壁厚 芯盒平均轮廓尺寸，故芯盒壁厚在6-8mm选取，取8mm，芯盒外壁斜率与芯盒内腔起模斜度一致，为（2） 芯盒加强筋 加强肋高度，厚度，斜度在间选取，取（3）芯盒的凸缘及耐磨护板 为提高芯盒的强度和刚度，便于合盒、刮砂和起芯等操作。在芯盒的填砂面和分合面处应设置加宽加厚的凸缘，为防止铝合金芯盒凸缘的磨损，应在凸缘上加耐磨护板，护板常用材质钢制造，厚度，用沉头螺钉固定在芯盒上。由于芯盒壁厚为8mm，故各参数尺寸为螺钉。耐磨护板如图4-1所示。 图4-1耐磨护板示意图 图4-2芯盒定位装置示意图（4）芯盒的定位装置 对于对开分盒面，必须设置定位装置，常用的芯盒定位装置是定位销和定位销套，如图5-2所示。（5）芯盒的夹紧装置在手工制芯中，芯盒的加紧装置我们常采用蝶形螺母,查得各尺寸参数为 活节螺柱蝶形螺母垫片圆柱销沉头螺钉如图5-3所示图4-3蝶形螺母结构图(6) 芯盒手柄为便于芯盒的搬运、翻转、提取、起芯，小型芯盒必须设置手柄，其形状和各尺寸参数如图4-4所示图4-4 芯盒手柄示意图4.1.4 芯盒零件图4.2模样设计4.2.1模样材料的选择 根据铸造手册 第5卷 铸造工艺第2版模样的分类机应用范围选择铝合 金模样，缩尺取1.8%。4.2.2模样尺寸的计算 长： 宽： 高： 模样在模地底板上定位常采用定位销定位，以防止模样因螺钉松动而错位，因，故各参数尺寸选择为 因导向销的顶端应高出模样，并且的数值尾数应为0或5，应模样高，所以取，查机械制图螺母的选择，选用六角螺母C级，则M16的螺纹对应的螺母参数为 4.2.3模样壁厚 模样平均轮廓尺寸，根据铸造手册 第5卷 铸造工艺学，除了小模样（小于或高度低于30mm）以外，都应做成空心结构，平均轮廓尺寸大于150mm的模样，内部应设加强肋，壁厚8mm，加强肋厚度肋距 取200mm。4.2.4模样图4.3模板设计4.3.1模底板的材料 模板采用铸铁装配式模板，材料为HT1504.3.2确定模底板的尺寸（1） 根据铸件的尺寸大小及最小吃砂量，确定砂箱的内框尺寸为 根据设计方案为一箱两件及最小吃砂量，可确定砂箱尺寸 长： 宽： 高： 由于设计砂箱长、宽为50或100mm的倍数，高位20或50mm的倍数，又根据铸造设备选用手册，铸件重量在510kg时，砂箱尺寸在400范围内，造型机选用Z14系列震压造型机，因铸件重量为8.3kg，故选用Z147D型号造型机，因此，砂箱尺寸为，即 （2）模底板的高度 由铸造设备选用手册知 取H=100mm（3）模底板的厚度和加强筋 根据铸造手册 第5卷 铸造工艺查得 取 4.3.3加强肋的设置 加强肋的设置为矩形正交。4.3.4模底板与砂箱的定位装置模底板在砂箱上的定位用定位销和定位销套，其形状和尺寸参数如图5.7所示.图4-5定位销结构图4.3.5模底板吊轴 选择整铸式吊轴，吊轴与定位销耳分开铸，因为两铸件重39.6kg，加上模板重量，因此选用吊轴上允许负荷为5KN,各参数尺寸分别为 L取50mm图4-11 吊轴结构4.3.6模板零件图4.3.7模板装配图4.4合箱图五 总结与体会该铸件采用半封闭的中注式浇注系统，浇注系统中，内浇道、横浇道、直浇道的横截面面积比为4：8：3，采用一箱两件，工艺出品率初步估计约为70%。同时设计了冒口进行补缩，设计了冷铁使其急冷，从而产生顺序凝固，使铸件整体质量提高。造型方法采用的是机器造型，造型材料是树脂砂。具体方案确定好后，利用proe软件对零件、砂芯及浇注系统等进行了三维造型，并转换为stl格式文件，导入模拟软件华铸CAE进行模拟分析。根据模拟结果修改冒口位置，采用压边冒口，以此来对铸件内部进行补缩。同时在零件最下面设置一个大冷铁，防止产生缩孔等缺陷。我在本次液压阀体铸造工艺与工装设计过程中，系统的了解了铸造工艺与工装设计的基本步骤与思想，掌握了铸造工艺参数的选取、浇注系统的设计原则以及冒口的计算与设计；利用华铸CAE系统对铸造工艺的模拟，了解了其基本操作，掌握了对分析数据的后置处理。通过数值模拟，加强了对球铁件顺序凝固的重要性理解以及通过设置冷铁来控制凝固顺序的基本方法。设计过程中，进一步熟悉了AUTO CAD、PROENGINEER等计算机辅助设计软件的操作运用。毕业设计是大学课堂的最后一堂课，是对大学四年学习的最终检阅，同时也是我们大学四年学习生涯中最大的挑战。在这几个月里，认识了自己的很多优点和不足之处。这几月的时间里，让我真正明白了，有些东西看似简单，当我们真正沉下心去研究，我们会发现很多我们曾经只是浮在表面。马上就要参加工作了，我们必须抛弃眼高手低毛病，踏踏实实干好自己的工作。六 致谢词经过三个多月的努力，毕业设计已经接近尾声，四年的大学生活亦将结束。这次毕业设计，是对自己大学期间学习成效的一次综合检测。本论文的