箱体结构设计及蜗轮箱体铸造工艺分析

1 箱体结构设计及蜗轮箱体铸造工艺分析 摘要： 大型蜗轮箱体铸件结构复杂，大量使用型芯做出型腔和型体。分析了型芯的设置与装配特点，改进型芯的成分，完善装配与支撑方式，选择合理的工艺参数，保证了铸件的质量和形位公差等要求。 关键词： 蜗轮箱体；型芯；工艺设计 f of of so 轮箱是高效浓缩机上的大型传动结构件，外销产品。蜗轮箱体为铸钢件，形状不完全对称，结构复杂，尺寸大，壁厚不均：蜗杆孔体与主体结合处形成一半“凹”型空腔，型芯设置困难：端面法兰与中间凹平面为过渡连接板体，内部结构形位公差小，铸造过程不好掌握，铸件质量难以保证。通过对蜗轮箱体的结构和铸造工艺进行分析，找出铸件质量的主要影响因素，采用非常规的型芯定位与支撑方法，配合有效的工艺设计，保证了蜗轮箱体铸件的质量和技术要求。 与工艺分析 1 (1)支承并包容各种传动零件，如齿轮、轴、轴承等，使它们能够保持正常的运动关系和运动精度。箱体还可以储存润滑剂，实现各种运动零件的润滑。 (2)安全保护和密封作用，使箱体内的零件不受外界环境的影响，又保护机器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔热和隔音作用。 (3)使机器各部分分别由独立的箱体组成，各成单元，便于加工、装配、调整和修理。 (4)改善机器造型，协调机器各部分比例，使整机造型美观。 1 2箱体的分类 2 按箱体的功能可分为： (1)传动箱体，如减速器、汽车变速箱及 机床 住 轴箱等的箱体，主要功能是包容和支承各传动件及其支承零件，这类箱体要求有密封性、强度和刚度。 (2)泵体和阀体，如齿轮泵的泵体，各种液压阀的阀体，主要功能是改变液体流动方向、流量大小或改变液体压力。这类箱体除有对前 一 类箱体的要求外，还要求能承受箱体内液体的压力。 (3)支架箱体，如机床的支座、立柱等箱体零件，要求有一定的强度、刚度和精度，这类箱体设计时要特别注意刚度和外观造型。 按箱体的制造方法分，主要有： (1)铸造箱体，常用的材料是铸铁，有时也用铸钢、铸铝合金和铸铜等。铸铁箱体的特点是结构形状可以较 复杂，有较好的吸振性和机加工性能，常用于成批生产的中小型箱体。 (2)焊接箱体，由钢板、型钢或铸钢件焊接而成，结构要求较简单，生产周期较短。焊接箱体适用于单件小批量生产，尤其是大件箱体，采用焊接件可人大降低成本。 (3)其它箱体，如冲压和注塑箱体，适用于大批量生产的小型、轻载和结构形状简单的箱体。 1 3设计的主要问题和设计要求 箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系，如车床按两顶尖要求等高，确定箱体的形状和尺寸，此外还应考虑以下问题： (1)满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件，满足 强度是一个重要问题。但对于大多数箱体，评定性能的主要指标是刚度，因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。 (2)散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化，影响其润滑性能：温度升高使箱体产生热变形，尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力，对箱体的精度和强度有很大的影响。 (3)结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。 (4)工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装 3 运输、维护修理等各方面的 工艺性。 (5)造型好、质量小。 设计不同的箱体对以上的要求可能有所侧重。 1 4箱体结构设计 箱体的形状和尺寸常由箱体内部零件及内部零件问的相互关系来决定，决定箱体结构尺寸和外观造型的这一设计方法称为“结构包容法”，当然还应考虑外部有关零件对箱体形状和尺寸的要求。 箱体壁厚的设计多采用类比法，对同类产品进行比较，参照设计者的经验或设计手册等资料提供的经验数据，确定 壁厚、 筋板和 凸台 等的布置和结构参数。对于重要的箱体，可用计算机的有限元法计算箱体的刚度和强度，或用模型和实物进行应力或应变的测定，直接取得数掘或 作为计算结果的校核手段。 箱体的毛坯、材料及热处理 (1)箱体的毛坯：选用铸造毛坯或焊接毛坯 ，应根据具体条件进行全面分析决定。铸造容易铸造出结构复杂的箱体毛坯，焊接箱体允许有薄壁和大平面，而铸造却较 困难实现 薄壁和大平面。 焊接箱体一般比铸造箱体轻，铸造箱体的热影响变形小，吸振能力较强，也 容易获得较好的结构刚度。 (2)箱体的材料和热处理 铸铁 多数箱体的材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩较小，容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强，动态刚性和机加工性能好，价格适度。加入合金元素还可以提 高耐磨性。具体牌号查阅有关手册。 铸造铝合金 用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 钢材 铸钢有一定的强度，良好的塑性和韧性，较好的导热性和焊接性，机加工性能也较好，但铸造时容易氧化与热裂。箱体也可以用低碳钢板和型钢焊接而成。 箱体的热处理： 4 铸造或箱体毛坯中的剩余应力使箱体产生变形，为了保证箱体加工后精度的稳定性，对箱体毛坯或粗加工后要用热处理方法消除剩余应力，减少变形。常用的热处理措施有以下三类： A)热时效。铸件在 500 600 度下退火，可以大幅度地降低或消除铸造箱体中的剩余应力。 B)热冲击时效。将铸件快速加热，利用其产生的热应力与铸造剩余应力叠加，使原有剩余应力松弛。 c)自然时效。自然时效和振动时效可以提高铸件的松弛刚性，使铸件的尺寸精度稳定。 1 5箱体结构参数的选择 (1)壁厚 铸铁、铸钢和其它材料箱体的 壁 厚可以从手册中选取，公式为： N=(2L+B+H) 3000(式中 L 铸件长度 ( L、 B、 m)； H 铸件高度 ( (2)加强筋 为改善箱体的 刚度，尤其是箱体壁厚的刚度，常在箱壁上增设加强筋，若箱体中有中问短轴或中间支承时， 常设置 横向筋板。 筋板的 高度 超过壁厚 3 4) 倍，超过此值 对 提高刚度无明显效果。 (3)孔和凸台 箱体内壁和外壁上位于同一轴线 机加工角度要求，单件小批量生产时，应尽可能使孔的质量相等；成批大量生产时，外壁上的孔应大于内壁 上的孔径，这有利于刀具 进入和退出。箱体壁上的开孔会降低箱体的刚度，实验证明，刚度的降低程度与孔的面积大小成正比。 在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台，可以增加箱体局部的刚度；同时可以减少加工面。当凸台直径 D 与孔径 d 的比值 D d 2 和凸台高度 h 与壁厚 h 2时，刚度增加较大；比值大于 2以后，效果不明显。如因设计需要，凸台高度加大时，为了改善凸台的局部刚度，可在适当位置增设局部加强筋。 如下图 5 (4)连接和周定 箱体连接处的刚度主要是结合面的变形和位移，它包括结合面的接触变形，连接螺钉的变形和连接部位的局部变形。为了保证连接刚度，成注意以下 几个方向的问题： 1) 重要结合面表面粗糙度值 2触表面粗糙度值越小， 接触刚度越好。 2)合理选择联结螺钉的直径和数量，保证结合面的预紧力。为了保证结合面之间的压强，又不使螺钉直径太大，结合面的实际接触面积在允许范围内尽可能减小。 3)合理设计联结部位的结构 1 6蜗轮箱体铸件的结构特点与工艺分析 蜗轮箱体的外形尺寸中心部分为 f ，最大宽度为 2 462 净重约 2100质为 570，蜗杆孔对中心线的尺寸公差为 杆孔中心线对蜗轮孔的中心线垂直度要求为 合表面的粗糙度为 3 m ，要 求铸件不得有裂纹、气孔、砂眼等缺陷。 蜗轮箱体的中心部分是回转体结构，蜗 杆 装配孔体与箱体中心轴线垂直并对称配置在两边，中心回转体的环壁结构壁厚不均匀。 蜗杆孔体在箱体厚度方向上靠上部布置，孔体 与 箱体的交接处形成锐角状结构，易产生浇不足、冲砂等缺陷。蜗 杆装配 体、箱体内腔与外部肋板结构的形成都需要用砂芯做出：尤其 是 蜗杆孔 6 体与主体结合处形成一悬支的半“凹”型空腔，型芯 按照常规装配就需要支撑在砂芯上，其定位就会受到砂芯的定位精度影响，位置精度难以保证。型芯的装配精度也影响着蜗轮箱体的 壁 厚均匀以及与中心轴线的公差要求。 对 箱体的分析还可 以看出，箱体是复杂的薄壁壳体结构，壁厚不均，容易产生裂 纹、浇不足等缺陷：而在箱体中心部位的结合面处厚度大，也容易产生缩孔、缩松。 2铸造工艺设计与改进 2 1浇注系统 蜗轮箱体是大型薄壁壳体零件，为了减少浇不足、冷隔等铸造缺陷，需要提高浇注温度、加大冒口补缩。提高浇注温度 又增加缩孔、缩松、气孔、夹 渣、裂纹等缺陷的产生。通常是采用 大 冒口补 缩，在箱体底部结合面上设置 4个暗冒口和 2个明冒口，对称分布。外浇口设在砂型中心部位，用管通流钢砖将外浇口的金 属液引入 型 腔。按开放式浇注系统设计，金属液在浇注系统中的流动呈正压、充满状态，保证浇注时的液流小而平稳。 2 1 蜗轮箱体基本是对称 回 转体结构，外浇口设在中心部位，采用中间注入和顶部 注 入复合方式。在中问凹平面处采用中 间注入方式，内浇道用铸管砖做出； 直浇道底部用一块四通流钢砖将金属液向四个方向分配：在箱体上平面法兰处采用顶部注入方式，设置两个内浇道，用三通流钢砖连接。这样的 布 置方式，有 利于顺序凝固与同时凝固相结合，使铸件的厚大部分得到充分补缩，避免产生缩孔、缩松，减小铸造应力与变形。为了使金属液能迅速、均匀地充满型腔，浇道断面之比值采用 F 值 ： F 内 =l： 2。而按照阶梯浇注方式分层设置上 下 内浇道的截面不同，取其比值 F（上） ： F（下） =1： 根据手册 1给出的计算方法，铸钢液面的上升速度 v N 包 式中： h(c)为铸件在浇注位置的高度 ,(L)为铸件质量， 于浇包个数 ，计算出液向上升速度为 21 2 s，符 合手册中给出的钢液在犁腔中最小允许 上 升速度规定值。包 孔 直径取 55，计算出浇注时 间 为35 3 s； 参照铸 钢 件有效浇注时 间 计算公式 2，计算出的浇 注时间 为 39 5 s， 7 计算值 与 实 际浇注时间 相吻合，浇注系统设计合理。 2 1 2冒口设计 综合分析箱体铸件的结构特点和浇注要求，该箱体冒 口 的主要作用就是充分补缩，防止铸件的缩孔、缩松及裂纹等缺陷。按照冒口设计的基本原则和冒口位置的选择原则，根据 有关图表可查出冒口补缩距离。采用冒口延续度法 (冒口延续度 = 2 0 /# 1 0 0 %)，取冒 口 延续度为 35，按设置 6个等距离冒口计尊，求出冒口区与末端区长度之和为 150查表得出的数值相一致。经过分析，确定在中间凹平面位置设置 4 个 大气 压力腰形暗冒口，冒口尺寸长宽高为200 120 260口出气孔直径 20，气眼直径 3。当铸件和冒口表层结壳以后，空气通过气眼进入冒口，防止冒 口 处于负压状念，增加冒口剩余压力。 在对称垂直中心线的上法兰面上设置 2个腰形明冒口，冒口尺寸长宽高为 200120300 法兰部分能得到充分补缩 ;同时在 上 法兰向上设置了 8个出气冒口， 改善浇注时的透气能力。 2 2造型工艺 采用三箱造型，以上下底面为分型面。中间凹平面处采用挖砂造型，在上箱中用砂胎形成下凹 平 面， 并用 流钢砖、铸管砖做出浇注系统。贴近分型面的流钢砖要用铁丝绑扎 固 定。蜗轮箱体使用了较多的型芯做出复杂内腔、加强肋板等结构。综合考虑多种方案后，将型芯的定化和支撑用焊接的方法固定在砂箱上，落砂清理时用气割切断取出。芯砂 的组成与配比应该能够保证型芯具有良好的退让性、足够的强度，并满足透气性要求。使用有机酯钠水玻璃砂加适量的焦炭、锯末配制芯砂，石英砂 95 6 97 O (质量分数，下同 )，钠水玻璃 3 o 4 4，混合有机酯为钠水玻璃的 8、 12，焦