砂型铸造压工艺及模具设计.doc

设计说明书题 目:砂型铸造压工艺及模具设计 年级、 专业: 姓 名: 学 号: 指 导 教 师: 完 成 时 间: 目 录第一章、简 介41.1.我国铸造技术发展现状41.2.我国铸造未来发展趋势4第二章、铸造工艺方案的确定52.1.产品的生产条件、结构及技术要求52.2.零件铸造工艺性52.3.造型，造芯方法的选择62.4.浇注位置的确定72.5.分型面的确定82.6.砂箱中铸件数量及排列方式确定8第三章、铸造工艺参数及砂芯设计103.1.工艺设计参数确定103.1.1.铸件尺寸公差103.1.2.机械加工余量103.1.3.铸造收缩率113.1.4.起模斜度113.1.5.最小铸出孔和槽113.1.6.铸件在砂型内的冷却时间123.1.7.铸件重量公差123.1.8.工艺补正量123.1.9.分型负数123.2.砂芯设计123.2.1.芯头的设计143.2.2.砂芯的定位结构153.2.3.芯骨设计163.2.4.砂芯的排气16第四章、浇注系统及冒口、出气孔等设计174.1.浇注系统的设计174.1.1.选择浇注系统类型174.1.2.确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向174.1.3.决定直浇道的位置和高度184.1.4计算浇注时间并核算金属上升速度194.1.5.计算阻流截面积194.1.6.计算直浇道截面积194.1.7.浇口窝的设计204.2.冒口的设计214.3.出气孔的设计21第五章、铸造工艺装备设计225.1.模样的设计225.1.1.模样材料的选用225.1.2.金属模样尺寸的确定225.1.3.壁厚与加强筋的设计225.1.4.金属模样的技术要求225.1.5.金属模样的生产方法235.2.模板的设计235.2.1.模底板材料的选用235.2.2.模底板尺寸确定235.2.3.模底板与砂箱的定位235.3.芯盒的设计245.3.1.芯盒的类型和材质245.3.2.芯盒的结构设计245.4.砂箱的设计245.4.1.砂箱的材质及尺寸245.4.2.砂箱型壁尺寸及圆角尺寸245.4.3.砂箱排气孔尺寸25第六章、砂型铸造设备选用266.1.造型工部设备选用266.2.制芯工部设备选用266.3.溶化工部设备选用266.4.砂处理工部设备选用266.5.清理工部设备选用26总 结27参考文献28第一章、简 介1.1.我国铸造技术发展现状尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。第一,专业化程度不高,生产规模小 。我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。第二,技术含量及附加值低。我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。第五,材料损耗及能耗高污染严重。中国铸铁件能耗比美国、日本高70%120%。第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。1.2.我国铸造未来发展趋势自中国加入WTO以来,我国铸造行业面临机遇与挑战。其未来发展将集中在以下几方面。第一,鼓励企业重组发展专业化生产,包括铸件大型化和轻量化生产。第二,加大科技投入切实推动自主创新,实现铸件的精确化生产和数字化铸造。第三,培养专业人才加强职工技术培训。第四,大力降低能耗抓好环境保护,实现清洁化铸造。第二章、铸造工艺方案的确定2.1.产品的生产条件、结构及技术要求l 产品生产性质中批量生产l 零件材质HT20-40l 零件的外型示意图如图2.1所示，外形轮廓尺寸为234178225mm，主要壁厚10-22mm，最大壁厚22mm，为一小型铸件；铸件除满足几何尺寸精度及材质方面的要求外，无其他特殊技术要求。图2.1.零件图 2.2.零件铸造工艺性零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。审查、分析应考虑如下几个方面：1.铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。2.铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角，铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。3.铸件内壁应薄于外壁，铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。4.壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。 5.利于补缩和实现顺序凝固。6.防止铸件翘曲变形。7.避免浇注位置上有水平的大平面结构。对于该产品的铸造工艺性审查、分析如下：产品轮廓尺寸为234178225mm。砂型铸造条件下该轮廓尺寸允许的最小壁厚查铸造工艺学表3-2-1得：最小允许壁厚为68 mm。而本次设计的产品的最小壁厚为10mm。符合要求。产品设计壁厚较为均匀，两壁相连初采用了加强肋，可以有效构成热节，不易产生热烈。2.3.造型，造芯方法的选择产品轮廓尺寸为234178225mm，铸件尺寸较小，属于中型零件，且要大批量生产。采用湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。因此，采用湿型粘土砂机器造型，模样采用金属模是合理的。在造芯用料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料成本较低，但是烘干后容易产生裂纹，容易变形。在大批量生产的条件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及保证铸件质量。选择使用射芯工艺生产砂芯。采用热芯盒制芯工艺热芯盒法制芯，是用液态固性树脂粘结剂和催化剂制成的一种芯砂，填入加热到一定的芯盒内，贴近芯盒表面的砂芯受热，其粘结剂在很短的时间内硬化。而且只要砂芯表层有数毫米的硬壳即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余热可自行硬化。2.4.浇注位置的确定铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量，铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。初步对本次设计产品的浇注位置的确定有：方案如图2.2图2.2 浇注位置确定方案 确定浇注位置应注意以下原则：1.铸件的重要部分应尽量置于下部2.重要加工面应朝下或直立状态3.使铸件的答平面朝下，避免夹砂结疤内缺陷4.应保证铸件能充满5.应有利于铸件的补缩6.避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验综合以上原则，本设计中的方案合理，科学，可行。2.5.分型面的确定分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。初步对产品图进行分型有：方案如图2.3：图2.3 分型面确定方案一 而选择分型面时应注意一下原则：应使铸件全部或大部分置于同一半型内应尽量减少分型面的数目分型面应尽量选用平面便于下芯、合箱和检测不使砂箱过高受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度注意减轻铸件清理和机械加工量2.6.砂箱中铸件数量及排列方式确定产品单件质量约为16.5kg，因此看铸件为中小型简单件。考虑到年产量不是很高，因此采用一箱一件结构，减少模具成本。初步选取砂箱尺寸由铸造实用手册查表1.5-45得：上箱为500400357mm 下箱为500400347mm铸件在砂箱中排列最好放模具中心，这样金属液作用于上砂型的抬芯力均匀，也有利于浇注系统安排，在结合已经确定分型面及浇注位置以及砂箱尺寸，基本确定铸件在砂箱内的位置。第三章、铸造工艺参数及砂芯设计3.1.工艺设计参数确定铸造工艺设计参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些数据，这些工艺数据一般都与模样及芯盒尺寸有关，及与铸件的精度有密切关系，同时也与造型、制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。这些工艺数据主要是指加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔、型芯头尺寸、铸造圆角等。工艺参数选取的准确、合适，才能保证铸件尺寸精确，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生产率，降低成本。3.1.1.铸件尺寸公差铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许的极限尺寸之差。在两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械加工，装配，和使用要求。本次产品为砂型铸造机器造型中批量生产，由铸造工艺设计查表1-10得：尺寸公差为CT812级，取CT9级。轮廓尺寸为234178225mmmm，由铸造工艺设计查表1-9得：尺寸公差数值为2mm。3.1.2.机械加工余量机械加工余量是铸件为了保证其加工面尺寸和零件精度，应有加工余量，即在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度。由铸造工艺设计查表1-13得：加工余量为EG级，取G级。轮廓尺寸为234178225mm，由铸造工艺设计查表1-12得：加工余量数值为2-2.25m，取2mm。但在分型面及浇注系统设置中，不得已将重要加工面底面朝上放置，这样使其容易产生气孔、非金属夹杂物等缺陷，所以将采取适当加大加工余量的方法使其在加工后不出现缺陷。将底面的加工余量调整为0.5mm，可以忽略不计。3.1.3.铸造收缩率铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：=（L1-L2）/L1*100铸造收缩率L1模样长度L2铸件长度产品受阻收缩率由铸造工艺设计查表1-14得：受阻收缩率为0.9-0.95。3.1.4.起模斜度为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。这个斜度，称为起模斜度。起模斜度应在铸件上没有结构斜度的，垂直于分型面的表面上应用。初步设计的起模斜度如下：外型模的边高357mm的起模斜度由铸造工艺设计查表1-15得：粘土砂造型外表面起模斜度为=015,a=1.2mm3.1.5.最小铸出孔和槽零件上的孔、槽、台阶等，究竟是铸出来好还是靠机械加工出来好，这应该从品质及经济角度等方面考虑。一般来说，较大的孔、槽等应该铸出来，以便节约金属和加工工时，同时还可以避免铸件局部过厚所造成热节，提高铸件质量。较小的孔、槽或则铸件壁很厚则不易铸出孔，直接依靠加工反而方便。根据产品轮廓尺寸，由铸造工艺设计查表1-5得：最小铸出孔约为15mm产品的最小孔36，考虑加工余量后直径为40mm，厚度为22mm。该孔直径比较大，高径比也不大，则应该铸出。同样，52，47的孔，都可以直接铸出。而且能保证精度。3.1.6.铸件在砂型内的冷却时间铸件在砂型内的冷却时间短，容易产生变形，裂纹等缺陷。为使铸件在出型时有足够的强度和韧性，铸件在砂型内应有足够的冷却时间。由铸造工艺设计查表1-25得：本次产品铸造冷却时间为5080min。3.1.7.铸件重量公差铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。本次产品的公称重量约为16.5kg，尺寸公差为CT9级。由铸造工艺设计查表1-57得：重量公差为MT14级。3.1.8.工艺补正量在单件小批量生产中，由于选用的缩尺与铸件的实际收缩率不符，或由于铸件产生了变形等原因，使得加工后的铸件某些部分的壁厚小于图样要求尺寸，严重时会因强度太弱而报废。因此工艺需要在铸件相应的非加工壁厚上增加层厚度称为工艺补正量。但本次设计零件在大批量生产前的小批量试产过程中将进行调整，所以设计中不考虑工艺补正量。3.1.9.分型负数干砂型、表面烘干型以及尺寸较大的湿砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接触面很不严。为了防止浇注时炮火，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳、泥条等，这样在分型面处明显增加了铸件的尺寸。为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。而本次设计零件是湿型且是中小型铸件，故不予考虑分型负数。3.2.砂芯设计砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外型不能出砂的部分。砂型局部要求特殊性能的部分有时也用砂芯。砂芯的外型如图3.3所示。图3.3 砂芯外型示意图 3.2.1.芯头的设计砂芯主要靠芯头固定在砂型上。对于垂直芯头为了保证其轴线垂直、牢固地固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸。根据实际设计量取计算砂芯高度：L=70mm芯头长度初步选取由铸造工艺设计查表1-31得：h=2035mm 取h=30mm出于考虑分型面的选取等因素综合芯头选用垂直芯头并且不能做出上芯头，只设计下芯头并且加大下芯头。下芯头长度设计修正为：h=70(1+10%)=77mm芯头间隙初步选取由铸造工艺设计查表1-31得：s=0.3mm但考虑砂芯为垂直的湿型小砂芯且不设置上芯头，所以使用过盈的芯头，过盈量为0.2mm芯头斜度选取由铸造工艺设计查表1-32得：7 取=73.2.2.砂芯的定位结构砂芯要求定位准确，不允许沿芯头轴向移动或绕芯头轴线转动。对于形状不对称的砂芯，为了定位准确，需要做出定位芯头。定位芯头结构如图3.4图3.4 定位芯头结构图 3.2.3.芯骨设计为了保证砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不开裂、不变形、不被金属液冲击折断，生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其刚度和强度。因为砂芯尺寸中等，而且采用树脂砂，故砂芯强度较好，砂芯内不用放置芯骨。3.2.4.砂芯的排气砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中的有机物要燃烧（氧化反应）放出气体，砂芯中的残余水分受热蒸发放出气体，如果这些气体排不出型外，则要引起铸件产生气孔。本次设计产品的砂芯采用热芯盒造芯，故不用有意设置排气道、排气孔等排气。第四章、浇注系统及冒口、出气孔等设计4.1.浇注系统的设计浇注系统是铸型中引导液体金属进入型腔的通道，它由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道组成。4.1.1.选择浇注系统类型浇注系统分为封闭式浇注系统，开放式浇注系统，半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。因为封闭式浇注系统控流截面积在内浇道，浇注开始后，金属液容易充满浇注系统，呈有压流动状态。挡渣能力强，但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。适用于湿型铸件小件。本次设计的产品是采用湿型的铸件，所以选择封闭式浇注系统。4.1.2.确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向零件结构较为简单且是中等型件，铸造时采取一箱一件，故只需要一个浇道。为了方便造型，浇道开设在分型面上。因为铸件采用底座朝上且铸件全部位于下箱的方式进行铸造，这样铸件凝固顺序为由下至上凝固，这样有利于产品的重要部分先凝固并得到补缩，如此内浇道则设置在底部侧面引入金属液，如图4.1所示。图4.1 内浇道位置示意图 4.1.3.决定直浇道的位置和高度实践证明，直浇道过低使充型及液态补缩压力不足，容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到上表面缩凹等缺陷。初步设计直浇道高度等于上沙箱高度357mm。但应检验该高度是否足够。检验依据为，剩余压力头应满足压力角的要求，如下式所列：HMLtg式中 HM最小剩余压力头 L直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离压力角由铸造工艺学查表3-4-11得：为910 取10Ltg=90tg1015.87mm因为铸件全部位于下箱，所以剩余压力头HM等于上箱高度100mm经过验证剩余压力头满足压力角的要求。4.1.4计算浇注时间并核算金属上升速度根据铸件图计算单个铸件的体积V2.10212cm儒墨铸铁密度由铸造实用手册查表1.1-90得：7.57.9取密度为7.85一箱一件质量为m=2.102127.85=16501.642g16.5kg零件大批量生产的工艺出品率约为85%，可估计铸型中铁水总重量GG=16.5/85%19.412kg初步计算浇注时间由铸造实用手册查表1.4-61得：T=SG=2.519.4112.8s计算铁水液面上升速度 v=C/t=2.10/12.8=16.4mm/s校核铁水上升速度，一般允许铁水的最小上升速度范围由铸造实用手册查表1.4-62得：上升速度v=1030s通过比对16.4mm/s的上升速度符合实际，不必调整经验系数。4.1.5.计算阻流截面积根据水力学近似计算公式：F内= m/t(2gHp)0.5 cm式中 m流经阻流的金属质量 kgt充满行腔总时间 s金属液密度 kg/cm 浇注系统阻流截面的流量系数Hp充填型腔时的平均计算压力头 cmF内=19.41/0.00785*11*0.5*(2*1000*20)0.5 2.5cm4.1.6.计算直浇道截面积直浇道的功用是从浇口杯引导金属液向下，进入横浇道、内浇道或直接进入型腔。并提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服各种流动阻力充型。由于设计直浇口有一个，因此S直=3*2.8=8.4cm直浇道形状取圆形截面形状如图4.4图4.4 直浇道截面示意图 圆形断面大小由铸造实用手册查表1.4-75得：D=10mm 为了方便取模直浇道做成上小下大的倒圆锥形，（通常锥度取1/10）。因此直浇道上端是直径约为：D1=10-（1/10）50=5mm4.1.7.浇口窝的设计浇口窝对于来自直浇道的金属有缓冲作用，能缩短直横浇道拐弯处的紊流区，改善横浇道内的压力分布，并能浮出金属液中的气泡。浇口窝直径为直浇道下端直径两倍，因此D=25=10mm4.2.冒口的设计冒口是铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。本次零件的灰口铸铁在凝固时其体积变化情况与一些工业上常用的金属及合金不同，其特点是在液态冷却时发生收缩，冷却至共晶温度时停止收缩，由于析出石墨而发生膨胀，在接近凝固终了时余下的液态金属凝固时又开始收缩，直至凝固结束。所以其凝固时的膨胀和液态收缩趋于互相补偿。故补缩时需要的铁水量少，而且本次设计零件壁厚不均匀，但相差也不是很多，所以可利用浇注系统进行补缩不设置冒口。4.3.出气孔的设计出气孔用于排出型腔内的气体，改善金属液充填能力、排除先冲到型腔中的过冷金属液与浮渣，还可作为观察金属液充满型腔的标志。出气孔设置位置详见工艺图。防止出气孔过大导致铸件形成热节，以至产生缩孔，出气孔根部直径，不应大于设置处铸件壁厚的0.5倍。即出气孔直径应小于6mm(0.512mm)。防止出气孔过小导致型内气压过份增大，出气孔根部总截面接应大于内浇口总截面积3cm。因此设计出气孔根部直径为5mm，一箱1件共2个出气孔。为方便取模采用上小下大的锥形，斜度为起模斜度=110第五章、铸造工艺装备设计铸造工艺装备是造型、造芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。5.1.模样的设计5.1.1.模样材料的选用模样是造型工艺过程必须的工艺装备，用来形成铸型的型腔，因此直接关系着铸件的形状和尺寸精确度。铸件为大批量生产，所以用金属模样，该金属模样的材料选用如下：模样：铝合金（质轻、不生锈，加工性能好，加工后表面光滑，并有一定的耐磨性，但耐磨性较差）上，下模座：HT200镶块，紧固件：45号钢5.1.2.金属模样尺寸的确定模样尺寸铸件尺寸（1K），（模样尺寸精确到小数点后两位） 注：K 铸件线收缩率收缩率K=0.05-0.08%，基本按零件图尺寸设计模具。5.1.3.壁厚与加强筋的设计模样壁厚由铸造实用手册查表1.52得：模型壁厚10-22mm。内部不用设置加强筋。5.1.4.金属模样的技术要求模样的尺寸精度、表面光洁度是影响铸件质量的一个重要因素，因此对其表面光洁度和尺寸偏差应严格控制。由铸造实用手册查表1.55得：模样表面的粗糙度为3.2，模样与模板接触面的粗糙度为6.3 。5.1.5.金属模样的生产方法为增加材料浇注后的致密度，现将材料制作成与该模样形状类似的腔体，然后进行热处理，以增加其硬度，增加抗磨损能力，然后在用机器按模样的尺寸加工成模样的形状。5.2.模板的设计模板也称型板，是由摸底板和模样、浇口系统及定位销等装配而成。模底板用来连接与支承模样、浇注系统、定位销等。本设计采用单面模底板，其工作面是平面。5.2.1.模底板材料的选用对模底板材料的要求是有足够的强度，有良好的耐磨性，抗震耐压，铸造和加工性。根据模样的结构及生产要求，选用铸铁作为模底板的材料。5.2.2.模底板尺寸确定模底板长砂箱长2砂箱分型面出边缘厚度 244250=344mm模底板宽砂箱宽2砂箱分型面出边缘厚度 178250278mm由铸造实用手册查表1.534得：模底板的壁厚取为50mm 5.2.3.模底板与砂箱的定位模底板与砂箱之间采用定位销与销套定位。5.3.芯盒的设计5.3.1.芯盒的类型和材质采用热芯盒，芯盒材料为铝合金。5.3.2.芯盒的结构设计芯盒的壁厚由铸造实用手册查表1.511得：68mm，取7mm5.4.砂箱的设计砂箱的设计内容有：选择类型和材质，确定砂箱尺寸。结构设计，定位及紧固等。5.4.1.砂箱的材质及尺寸铸件机械造型用砂箱可选用的材料牌号由铸造工艺课程设计手册查得有：HT15-33,HT20-40,QT45-5,QT60-2,QT40-10,ZG15ZG45。选择HT250为砂箱材料，需进行人工时效或退火处理。根据通用砂箱的规格尺寸选砂箱的尺寸：上箱为500400*357mm 下箱为500400357mm5.4.2.砂箱型壁尺寸及圆角尺寸普通机械造型砂箱常用向下扩大的倾斜壁，底部设突缘，防止塌箱，保证刚性，便于落砂，箱壁上流出气孔。砂箱过渡圆角示意图如图5.2。其中R=5mm,R1=10mm图5.2 砂箱过渡圆角示意图 5.4.3.砂箱排气孔尺寸由铸造实用手册表1.5-49查得：C=40 mm,c1=50mm,c2=20mm,d=10 mm上箱通气孔共2排，下箱通气孔共2排第六章、砂型铸造设备选用6.1.造型工部设备选用工艺分析确定采用砂箱内尺寸为9801000400/500mm的微振压实造型线生产本次设计的铸件。选择这种造型线组织造型生产，在技术上是先进的，经济上是合理的。选用半自动气动微震压实造型机（型号 ZB148B）进行造型。6.2.制芯工部设备选用为了提供造型用的强度高、尺寸精确的砂芯，采用热芯盒射砂生产树脂砂芯，此零件的砂芯属于小砂芯，根据所需型芯形状及生产效率，选用2ZZ8612热芯盒射芯机。6.3.溶化工部设备选用根据车间的生产纲领、设备资源情况、投资等因素，确定采用冲天炉融化铸铁。6.4.砂处理工部设备选用混砂装备选用碾轮式混砂机，该型混砂机的混砂质量较好。制备型（芯）砂所需要的各种原材料、如新砂、煤粉、粘土等一般都经过烘干后使用，在批量较大的铸造车间多采用卧式