铸造毕业设计-离心铸造工艺流程设计.doc

三明职业技术学院毕业设计 作业形式： 毕 业 设 计 作业形式： 离心铸造工艺流程设计姓 名： 王 华 学 号： 090201136 所 在 系： 机 械 电 子 系 专 业： 数控技术 年(班)级： 数控09 学 制： 三 年 制 指导教师： 林陈彪 完成日期： 2012年 4月30 日 目录绪论 4第一章 离心铸造及4G18生产装备 51.1 离心铸造概念51.2 卧式离心铸造机 51.3 卧式螺旋卸料过滤离心机61.4 立式切割机 71.5 离心铸造特点 71.6 熔炼炉 71.7 浇注机的主要参数 81.8 生产过程图 8第二章 生产工艺过程92.1 金属配料熔炼 92.2 孕育技术102.3 合金化处理112.4 对熔炼过程的温度控制122.5 三角试片的控制132.6 涂料配置132.7 主轴预热132.8 主轴内上涂料132.9 离心浇注142.10 冷却及取件 142.11 毛坯切断及检查15第三章 离心铸造原理及工艺163.1 离心力场163.2 离心力场液体自由表面的形状16 3.3 离心铸型转速的选择17 3.4 离心铸造用铸型18第四章 影响材料性能的因素19 4.1 碳当量对材料性能的影响194.2 合金元素对材料性能的影响194.3 炉料配比对材料的影响194.4 微量元素对材料性能的影响20第五章 离心铸造汽车缸套常见缺陷分析225.1 硬度过高225.2 针孔225.3 应用效果22附录A 熔炼工艺规程卡24附录B 浇注工艺规程卡25附录C 铸件后处理工艺26绪论多年来，我国汽车缸套铸造生产工艺始终是传统的砂型铸造生产工艺，该工艺具有产品质量差，废品率较高，制造成本高，劳动强度大且劳动条件差，环境污染重，产品寿命低等致命弱点。以充分的理论根据和丰富的实践经验较全面地分析了大胆采用国内外先进的离心铸造新工艺代替传统的砂型铸造工艺生产汽车缸套。在二十世纪初期，国外开始研究并应用低压铸造工艺。在第二次世界大战爆发后，北美的汽车工业和电机工业又广泛采用金属型低压铸造生产汽缸、电机转子等重要铸件。而我国是从五十年代开始研究低压铸造，但发展一直比较缓慢。随着汽车工业的发展，和大量新技术的采用，在上世纪末和本世纪初，低压铸造在我国得到快速发展，国产低压铸造机的功能和性能，及使用的稳定性和可靠性已经接近或达到国际先进水平，被大量用于汽车轮毂、汽车缸盖等铸件的生产。本设计主要设计高新技术4G18系列的发动机内部的其中缸套，在福建汇华东南汽车缸套有限公司中把其缸套命名为4G18.主要体现缸套4G18的铸造装备，铸造流程，铸造工艺等特点，卧式离心铸造机。第一章 离心铸造及4G18生产装备 1.1离心铸造概念将液态金属浇入高速旋转（通常为2501500R/min）的铸型中，使其在离心力作用下充分填铸型和凝固而形成铸件的液态成形工艺称为离心铸造。按照铸型的旋转轴方向不同，离心铸造机分为卧式立式和倾斜式3种。卧式离心铸造机主要用于浇注各种管状铸件, 立式离心铸造机则主要用以生产各种环形铸件和较小的非圆形铸件。1.2卧式离心铸造机合金液通过浇注槽落入镜型，随即从落点沿轴向流入。 图1.2.1内部机构 图1.2.2外部机构卧式离心铸造机由主机、浇注小车、取件机构、喷涂机构、电气控制系统、管模预热装置、水冷系统、安全防护罩等部分组成。 1、主机是离心铸造机的核心部分，完成管模的旋转动作。主机由大底座、电机底座、调速电机、轴承座、轴、皮带传动、涨闸等部分组成。 2、喷涂机构完成管模的喷涂料动作，主要由气动元件、涂料罐、喷涂移动小车等组成。 3、电气控制系统由调速电机控制器、控制柜、低压电气元件、按钮、指示灯等组成，控制系统具有完善的动作互锁、过流、过载等安全保护措施。 4、安全防护罩、水冷却系统及浇注槽、支架等。1.3 卧式螺旋卸料过滤离心机1.4 立式切割机1.5 离心铸造特点1）铸件在离心力作用下结晶，组织致密，无缩孔，缩松，气孔，夹渣等缺陷，力学性能好。2）铸造圆形中空铸件时，可省去型芯和浇注系统。简化了工艺，节约了金属。3）便于制造双金属铸件，如刚套镶铸铜忖，其结合面牢固，耐磨，可节约铜合金。4）离心铸造内表面粗糙，尺寸不易控制，需要增加加工余量来保证铸件质量，且不适宜生产易偏析的合金。1.6 熔炼炉熔炼炉采用2002500Hz中频电源进行感应加热，功率范围为202500KW。其特点如下：1、炉子周围温度低、烟尘少、作业环境好；3、操作工艺简单、熔炼运行可靠；4、加热温度均匀、烧损少、金属成分均匀；5、铸件质量好、熔化升温快、炉温易控制、生产效高；6、炉子利用率高、更换品种方便等；1.7 浇注机的主要参数1.8生产过程图 A倒铁水 B浇注 C拔管 D清扫 喷涂 样品G去涂料 H切割 I成品第二章 生产工艺过程2.1 金属配料熔炼 ）材料的化学成分选择铸件的化学成分在很大程度上决定了铸件的金相组织，而铸件的金相组织又在很大程度上决定了铸件的力学性能，并且铸件的化学成分、铸件的金相组织和铸件的力学性能这三者均存在着十分紧密的内在联系，因此，铸件的化学成分在很大程度上决定了铸件的力学性能和其他性能。的化学成分：化学成分CSiMnPCrSCuB2.9-3.52.0-2.70.6-1.20.4以下0.4以下0.1以下0.035-0.08）金属炉料一般由新生铁，废铁，回炉料，铁合金组成，增加废钢加入里，可有效地降低铁水含碳量。提高灰铸铁的力学性能，根据铁水成分要求，炉料情况，熔炼过程中元素的变化等确定炉料配比，且得让铸铁化学成分的首要环节。4G18的原材料配料比表如图：配合%种类CSiMnPCrSCuB0生铁（小焦）4.181.080.370.0600.03000生铁（贵州）3.981.390.760.2100.0370025废钢0.20.20.35000000轧辊屑3.41.90.50.150.70.032000轴承钢1.0001.100.700050干屑3.22.70.70.150.250.030.20.05225湿屑3.22.70.70.30.250.030.20.0520回炉料3.22.70.70.30.250.030.20.052规格品名硬度（HRB）C%Si%Mn%P%Cr%S%Cu%B%4G18941042.9-3.52.3-2.90.5-1.00.1-0.40.1-0.40.120.3-0.50.05-0.12目标3.51.80.70.250.150.040.20.0453） 过热熔炼：为净化孕育处理等目的而将铁液加热到正常温度以上，都称为过热熔炼。 A过热温度，铁液的过热温度通常为1500度，超过1550度则铸铁白口倾向大。B过热的作用；1，过热可以去除杂质，净化铁液，主要是降低铁液中的溶氧量。2，抗拉强度随铁液温度升高而增加，铁液温度小于1460度。温度提高硬度HB增加，铁液温度大于1500度温度升高，硬度HB下降。铁液过热温度与铸铁冶金质量指标的关系如下，过热温度升高，或热度RG提高，过热温度大于1460度。相对硬度RH明显下降，品质系数Qi随过热温度升高而增加。3，过热为孕育处理创造了必要条件。4，过热可以提高铁液流动性，保证铸件健全，减少废品。5，过热温度过高或保温时间过久，铸铁白口倾向增大，A型石墨减少，D型石墨增加，共晶团减少，故必须孕育处理，且孕育后不宜再长期保温。2.2孕育技术孕育处理目的在于促进石墨化，降低白口倾向，降低端面敏感性。控制石墨形态，消除过冷石墨，适当增加共晶团数和促进细片状珠光体的形成，从而达到改善铸铁的强度和其它性能和其它性能的目的，在实际过程控制中，需要控制的参数如下：孕育处理种类粒度加入里孕育方式孕育温度孕育有效时间75SiFe350.30.6二级孕育14201480C10分钟 液温度对孕育的影响及控制铁液温度对孕育的影响显著，在一定的范围内提高铁液的过热温度并保持一定时间，可以使铁液中残存着丰富的石墨质点，完全融入铁中，液中，以消除生铁的遗位影响，充分发挥孕育剂的孕育作用，提高铁水受孕育能力，过程控制中，对过热温度提高到15001520。对孕育处理温度控制在14201450。 孕育剂的粒度是孕育剂状况的重要指标，对孕育效果有很大影响。粒度过细易于分散或被氧化进入溶渣而失去作用。粒度太大，孕育剂熔化成溶解不尽，不仅不能充分发挥孕育作用，仅而会造成偏拆，硬点，过冷石墨等缺陷。因而对孕育剂的粒度应尽量控制在25MM。保证孕育效果。 过程控制中孕育工艺主要在孕育槽孕育。这样对一包浇注的铸件，基本可以在孕育衰退前浇注结束。但对于比较大的件和双浇包浇注的件，不能满足要求，因而采用了晚期孕育方法。即在浇注铸件之前，在浇包中进行浮硅孕育，这样减少了或不存在孕育衰退，提高了孕育效果。2.3合金化处理 合金化处理向普通铸铁中加入少量的合金元素，提高灰铸铁的力学性能，在熔炼过程控制中，对合金的加入，主要是针对顾客要求 火的件和导轨比较厚的件，主要加入的合金元素及加入量。：常用合金元素及含量：CuSiCr0.40.7%0.050.08%0.10.2%这样在一定程度上保证了由于CE值的提高造成性能的下降，而且对 火件来说提高了火的透性。保证了火深度。2.4 对熔炼过程的温度控制图中，电炉熔炼过程曲线中O-A段是投料熔化过程，这个阶段重点控制的加料顺序，按废钢，机铁，生铁的先后顺序进行加料，为了减少含金元素的烧损。铁合金应在最后加入，当冷料全部化清后升温至1450即A点，如果低于1450时，则有增加碳剂或铁合金不完全溶解的危险，在A-B段，应如下处理：1） 测温 2）扒渣3）取样分析化学成分4）利用热光谱仪对常规元素和微量元素进行分析5）取三角试片测CW值2.5 三角试片的控制根据各种检测结果对铁水进行调整后，继续送电10分钟后重新取样分析，确定所有数据正常后继续升温至1500左右。即C点。在段让铁水静置至分钟后取三角试片测试值，测温后准备出铁。2.6 涂料配置金属型内的涂料对铸件质量有较敏感的影响。主要选用水基石英粉涂料；其绝热性能较好，但涂料烘干后易出现翘壳，局部翘曲处铸件接触金属型，形成莱氏体，硬度高，使铸件局部切割困难，但其附着力强，效果较好。故以此为基础，加入适量硅藻上。合金种类涂料配方%（重量）备注铸铁石英粉 陶土 外加水 20 5表面再涂石墨涂料总厚度23毫米2.7 主轴预热主轴加热对铸件质量影响较大，且对主轴的使用寿命的长短影响也很大。温度偏低，铸件外壁易出现气孔，温度偏高，铁水与主轴内部发生捏合，使得涂料失去了保护作用。让铸件无法拔出。使得主轴失去工作能力。因此，主轴加热温度应控制适易。控制主轴温度在230290（主轴温度调整时间=冷却水时间调整+冷却水阀手柄位置） 2.8主轴内上涂料为减少铸件的表面渣孔等废品及承口的安装尺寸，对管模的承口及内壁需要进行清理，以保证管子的安装和喷涂工序要求。涂料在管模内壁起到保护管模和稳定铸件金相组织的作用，把配制好的涂料经过喷涂管喷到管模内壁，等到其靠管模本身温度烘干后再进行铁水浇注。喷涂参数：运行名称目标值喷涂泵进气压力0.30.6MPa空气压力0.10.3MPa10秒涂料喷出量260300/10S(双向)喷涂转速490510涂料粘度4555s2.9离心浇注将承口芯安装到离心机上，球化合格的铁水倒入定量包内，按照工艺规定要求，设定孕育剂加入量、管模粉加入量，离心机的旋转速度，铁水随着定量包的翻转浇注在旋转的管模内壁，并凝固成管子。浇注参数：名称目标值浇注转速730750浇注旋转时间130150秒小车行走速度110孕育量180220g浇注重量19.219.8kg2.10 冷却及取件当管模内的铸件温度降到800左右时，按下取件按键，取件钳将铸件从管模内取出，并送至接料架上。自然冷却 扒管阶段2.11 毛坯切断及检查送入螺旋卸料过滤离心机中进行铸件脱模，时效处理。最后铸件清理，送入切割机中切割成长度为180mm的缸套。 切割 成品第三章 离心铸造原理及工艺3.1离心力场重度： r=pg 有效重度： r=pw2r重力系数： G=w2r/g3.2 离心力场液体自由表面的形状卧式离心铸造时液态金属自内由表面的形状。当不考虑重力场的影响时：mw2xdx+mw2ydy=0对此式积分得：X2+y2=r2由此可推卧式离心铸造时，如果不考虑重力场的影响，液态金属的自由表面应为以旋转轴为轴线的圆柱面。由于重力场的影响：VaVb根据水力学的液态流动的连续性原理：VaFa=VbFbFa和Fb为A，B两处的断面面积因为VaFb从而出现圆柱形内表面向下偏移的现象。3.3 离心铸型转速的选择选择离心铸造的转速时，主要应考虑两个问题：1） 离心铸型的转速应保证液体金属在进入铸型后立刻能形成圆 筒形，绕轴线旋转；2） 充分利用离心力的作用，保证得到良好的铸件内部质量，避免铸件内部产生缩孔、缩松、夹杂和气孔。卧式离心铸造时，为保证液体金属在型壁上的成形，应使液体金属自由表面上最高点处的金属质点所产生的离心力大于或等于重力，即：Mw2r=mg若不能保证此条件，则在出注时会出现如下图所示雨淋现象。铸件中将出现夹渣等缺陷。3.4 离心铸造用铸型卧式悬臂离心铸造机上的金属铸型按其主体的结构特点可以分为单层金属型和双层金属型两种。第四章 影响材料性能的因素 4.1 碳当量对材料性能的影响决定灰铸铁性能的主要因素为石墨形态和金属基体的性能。当碳当量（CE=C+1/3Si）较高时，石墨的数量增加，在孕育条件不好或有微量有害元素时，石墨形状恶化。这样的石墨使金属基体能够承受负荷的有效面积减少，而且在承受负荷时产生应力集中现象，使金属基体的强度不能正常发挥，从而降低铸铁的强度。在材料中珠光体具有好的强度、硬度，而铁素体则质底较软而且强度较低。当随着C、Si的量提高，会使珠光体量减少，铁素体量增加。因此，碳当量的提高将在石墨形状和基体组织两方面影响铸铁铸件的抗拉强度和铸件实体的硬度。在熔炼过程控制中，碳当量的控制是解决材料性能的一个很重要的因素。4.2 合金元素对材料性能的影响在灰铸铁中的合金元素主要是指Mn、Cr、Cu、Sn、Mo等促进珠光体生成元素，这些元素含量会直接影响珠光体的含量，同时由于合金元素的加入，在一定程度上细化了石墨，使基体中铁素体的量减少甚至消失，珠光体则在一定的程度上得到细化，而且其中的铁素体由于有一定量的合金元素而得到固溶强化，使铸铁总有较高的强度性能。在熔炼过程控制中，对合金的控制同样是重要的手段。4.3 炉料配比对材料的影响过去我们一直坚持只要化学成分符合规范要求就应该能够获得符合标准机械性能材料的观点，而实际上这种观点所看到的只是常规化学成分，而忽略了一些合金元素和有害元素在其中所起的作用。如生铁是Ti的主要来源，因此生铁使用量的多少会直接影响材料中Ti的含量，对材料机械性能产生很大的影响。同样废钢是许多合金元素的来源，因此废钢用量对铸铁的机械性能的影响是非常直接的。在电炉投入使用的初期，我们一直沿用了冲天炉的炉料配比（生铁：2535%，废钢：3035%）结果材料的机械性能（抗拉强度）很低，当我们意识到废钢的使用量会对铸铁的性能有影响时及时调整了废钢的用量之后，问题很快得到了解决，因此废钢在熔化控制过程中是一项非常重要的控制数。因此炉料的配比对铸铁材料的机械性能有着直接的影响，是熔炼控制的重点。4.4 微量元素对材料性能的影响以往我们在熔炼过程中只注意常规五大元素对铸铁材质的影响，而对其它一些微量元素的作用仅仅只是一个定性的认识，却很少对他们进行定量的分析讨论，近年来，由于铸造技术的进步，熔炼设备也在不断的更新，冲天炉已逐渐被电炉所代替。电炉熔炼固然有其冲天炉不可比拟的优点，但电炉熔炼也丧失了冲天炉熔炼的一些优点，这样一些微量元素对铸铁的影响也就反映出来。由于冲天炉内的冶金反应非常强烈，炉料是处于氧化性很强的气氛中，绝大部分都被氧化，随炉渣一起排出，只有一少部分会残留在铁水中，因此一些对铸件有不利影响的微量元素通过冲天炉的冶金过程，一般不会对铸铁形成不利影响。在冲天炉的熔炼过程中，焦炭中的氮和空气中的氮气（N2）在高温下，一部分分解会以原子的形式溶铁水中，使得铁水中的氮含量相对很高。据统计自电炉投产以来，由于铅含量高造成的废品和因含铅量太高无法调整而报废的铁水不下百吨，而因含氮量不足造成的不合格品数量也相当高，给公司造成很大的经济损失。 第五章 离心铸造汽车缸套常见缺陷分析 离心铸造汽车缸套，生产效率高，铸件质量好。但是由于工艺参数或铸件化学成分控制不严格，操作部当，也易出现各种缺陷。5.1 硬度过高硬度350HBS，使铸件外表面加工困难，是金属型离心铸造汽车缸套常见的缺陷。这种缺陷常因材料选择不当，过多添加含合金元素或涂料层提起前崩溃所致。为防止硬度过高，在适量合金元素和过冷度条件下，加强孕育处理，使之形核多，而且生长快，合理选择涂料并保证涂料层厚度完整性，铸件硬度可稳定在212280HBS范围内。5.2 针孔汽车缸套工件面经研磨，在镜面光面上如出现多量孔径大于0.3mm的孔洞，则为针孔缺陷。缺陷的成因是由于离心铸造时，发生双面结晶，凝固被前沿自外向里推进的同时，表面凝固也自里向外延伸，后凝固层较薄，使得两个凝固被前汇合区产生疏松所致。这一疏松区恰好位于加工后气缸套的内表面，通常在浇入端铸件后壁处较多。研磨后用灯光照射，仔细观察方可发现。防止这种缺陷的方法是调整浇注速度及化学成分，并在铸件壁厚处采用吹风的方法进行消除。5.3 应用效果离心铸造比砂型铸造有显著地经济效果。主要有一下几点：1,控制了铸造缺陷，提高了产品质量。采用离心铸造，铸件中的气孔，熔渣等夹杂物因密度小均集中在内表面