中国大学生铸造工艺设计大赛-十字头铸造设计说明书.doc

“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛参赛作品铸件名称：B件-十字头自编代码：ABSDJZ01方案编号： 目录摘要1一、零件特点及工艺分析21.1零件整体分析21.2零件结构分析21.3技术要求2二、生产方式及条件32.1造型制芯方法选择32.2造型制芯设备32.3型芯砂配方32.4混砂工艺4三、确定铸造工艺方案4浇注位置和分型面的选择4四、工艺参数选择54.1铸件尺寸公差54.2起模斜度64.3最小铸出孔64.4机械加工余量64.5收缩率64.6分型负数6五、砂芯设计65.1 1#和2#砂芯75.2 3#和4#砂芯85.3 5#和6#砂芯95.4下芯顺序95.5砂芯通气方式10六、浇注系统的设计计算106.1选择浇注系统设计类别106.2确定内浇道的位置、数量106.3确定直浇道的位置和高度116.4计算浇注时间并核算金属液上升速度126.5计算阻流截面积A阻126.6确定浇口比并计算各组元截面积136.7浇口杯选择14七、冒口的设计计算157.1确定铸件关键模数MS157.2计算补缩液量167.3冒口颈的计算177.4核算工艺出品率18八、模板设计计算198.1上模板198.2下模板22九、砂箱设计249.1砂箱尺寸249.2砂箱具体设计249.3砂箱箱带24十、合型过程25十一、总结27参考书目28摘要根据给定零件的结构特点及工艺要求，本次设计对工艺方案、造型制芯、砂芯、浇冒系统和砂箱进行了分析设计。此设计方案努力作到理论联系实际，尽量作到操作简单，成本低廉，适宜批量化生产，符合现在铸造的发展趋势绿色铸造。通过此次设计，对铸造工艺有更深入的了解，为以后工作积累的一部分经验。虽然此次设计有些不足，请评委提出宝贵意见。设计内容说明十字头工艺工装设计一、零件特点及工艺分析图 1 十字头零件图1.1零件整体分析该十字头零件长1140mm，宽605mm，高250mm，壁厚40mm；对称分布；可以看做是半封闭的箱体，背面有4个空腔，两端各有一个115mm的工艺孔；两翼翘起，且各有70mm的工艺孔，同轴度要求高。1.2零件结构分析1) 零件结构设计合理，没有不能铸出部位。2) 两翼为关键部位，是关键受力部位，需要放于下箱。3) 零件有一大平面要放在下箱。1.3技术要求1) 材质：QT450。2) 未铸圆角R8。3) 铸型采用树脂砂。4) 尺寸公差为CT12。5) 铸件加工后的面不得有任何铸造缺陷，非加工表面不得有明显的夹渣、凹陷。6) 上下型错模不得大于1mm。二、生产方式及条件2.1造型制芯方法选择1) 造型采用自硬树脂砂，采用该工艺的优点是：2) 尺寸精度高，表面粗糙度低3) 型、芯砂能常温自硬化成形，节能节材，改善工人的作业条件。4) 型、芯砂在可使用时间内流动性好，能在较小紧实力作用下，较好地充填型、芯腔各个部位，明显减轻工人的劳动强度。5) 芯砂的溃散性好，铸件落砂、清理容易。6) 能明显提高车间的单位面积产量，降低车间里空气中的粉末含量。制芯也采用自硬树脂砂。主要从下面几方面考虑：1) 采用同种砂造型制芯，可以减少不同种砂的混合。若采用热芯盒或冷芯盒制芯，旧芯砂无法与旧型砂分开。型芯砂将混在一起，降低型砂质量及性能，进而影响铸件质量；2) 制芯与造型可用单一新砂，便于组织生产，提高生产效率，降低成本。2.2造型制芯设备1) 混砂设备：型砂采用采用双臂水平连续混砂机混制，型号S2530，生产率25 30t/h。制芯采用单臂连续混砂机，型号TYHD-05，生产率3 6t/h。2) 紧实：造型紧实采用震实台，型号Z294。2.3型芯砂配方1) 原砂要求：SiO297%；pH值7；含泥量0.2%；原砂含水量 0.2；粒度50/100；原砂粒形系数1.3；耗酸值5；微粉含量0.5%2) 再生砂的性能要求：含泥量0.2%；耗酸值5；微粉含量0.5%3) 型砂配方：采用90%的再生砂和10%的新砂。采用呋喃型树脂，加入量占原砂质量的1.0%。固化剂采用对甲苯磺酸，加入量随季节变动。春秋季加入量占树脂的40%；夏季加入量占树脂的35%；冬季加入量占树脂的45%。偶联剂采用KH550，加入量占树脂的0.2%。4) 芯砂配方：全部采用新砂。采用呋喃型树脂，加入量占原砂质量的1.2%。固化剂采用对甲苯磺酸，加入量随季节变动。春秋季加入量占树脂的40%；夏季加入量占树脂的35%；冬季加入量占树脂的45%。偶联剂采用KH550，加入量占树脂的0.2%。2.4混砂工艺树脂砂在树脂砂混砂机上进行混制，砂+催化剂+偶联剂 混制15s加入树脂 混制4045s 出砂。型芯砂性能要求1) 型砂抗拉强度为0.81.0MPa2) 芯砂抗拉强度为1.01.2MPa三、确定铸造工艺方案浇注位置和分型面的选择铸件尺寸较大，采用一箱一件浇注方案。该铸件采用QY450材料，可以利用铸件凝固阶段的共晶体积膨胀来消除收缩缺陷，因此可不遵循顺序凝固条件获得健全铸件。根据对零件结构的工艺性分析，应将两翼部分和大平面置于下箱。主要有两种分型方案，方案一曲面分型，方案二平直面分型。如下图2：图 2 浇注位置和分型方案图1) 曲面分型 方案一曲面分型优点：1）利用曲面分型，减少砂芯数量；2）关键部位位于下箱，确保铸件质量；3）下芯操作简单；4）降低砂箱高度。缺点：1）合型时为要保证精度，操作稍显复杂；2）中间空腔的下芯定位比较困难，需采用吊芯。2) 平面分型 方案二平面分型优点：1）铸件大部分位于下箱，铸件质量容易保证； 2）合箱精度易于保证。缺点：1）砂芯数量多，且芯头定位困难；2）砂芯的芯盒较复杂；3）上模样只有四个分散的凸台，上模板的定位困难；4）两翼需要通过下砂型和砂芯共同组合铸出，保证精度困难。综上考虑，采用曲面分型较为优越。同时结合平面分型的定位优点，将分型面设计为铸件部分为曲面分型，曲面分型的四周为平面。四、工艺参数选择4.1铸件尺寸公差 CT12（给定要求）查阅铸造手册117页表3-60，球墨铸铁批量生产，公差范围为CT18-CT12，生产能达到要求。4.2起模斜度查阅铸造手册126页表3-70，上模样的高度为130mm，起模斜度取035；下模样的高度为20mm，起模斜度取150。4.3最小铸出孔查阅铸造手册130页表3-77，铸件壁厚约40mm，最小铸出孔为35mm，但考虑到分型面将50mm孔分为两部分，由于定位合型困难，故不铸出。4.4机械加工余量查阅铸造手册122页表3-66，机械加工余量等级为EG，铸件最大尺寸为1140mm，查阅铸造手册122页表3-65，均采用RMA=5mm4.5收缩率查阅铸造手册123页表3-67，铁素体球墨铸铁线收缩率为0.81.2%， (自由收缩)暂取为1.0%，经过试生产以后，测试确定出收缩率。4.6分型负数查阅铸造手册136页表3-85，砂箱低于1000mm，干型，分型负数为2mm；模样不对称分布，取在上模样上。五、砂芯设计对铸件分析，需要砂芯的地方有6处，对称相同，可分为3组，具体如图3：1、2号砂芯相同，3、4号砂芯相同，5、6号砂芯相同。图 3 砂芯布置图5.1 1#和2#砂芯1#和2#砂芯为垂直砂芯。L=170mm，D0=115mm查阅铸造手册148表3-91D=（D02RMACT/2）(11S0 （115256/2）(111 104mm上芯头：h1=25mm，=10，a=7mm，s=1.0mm下芯头：h=40mm，=5，a=3.5，S/2=0.5如图4： 5.2 3#和4#砂芯3#和4#砂芯为水平砂芯。L=390mm，D0=70mm，查阅铸造手册148表3-92，D=（D02RMACT/2）(11S0 （70255.6/2）(111 58.8mmL=50mm，S1=1.5 mm，S2=2.0mm，S3=3.0mm具体如图5。由于砂芯长度490mm，砂芯较长，需要在砂芯中心处设置芯骨，采用钻有孔眼的铁管，以利于排气，参照铸造手册180页图3-160，见图6。查阅铸造手册179页表3-135和181页表3-137，芯骨数据如下：芯骨直径为18mm，开5孔。芯头承压面积的校核参照课本铸造工艺学第236页公式3-31SkF芯/压式中S芯头的承压表面积(cm2) F芯作用在芯座上实际压力(N)， k安全系数，k=1.4； 压芯座允许的抗压强度，干型可取0.7MPa。 1) 上芯头砂芯靠自重不会浮起。2) 下芯头砂芯实际承压面积为，设计合理。综上可知，3#和4#砂芯设计合理。5.3 5#和6#砂芯5#和6#砂芯为垂直芯子A=190mm,B=90mm,L=130mm由于此二芯位置特殊性，定位困难，采用吊芯。吊芯需要采用芯骨，芯骨采用3#和4#砂芯所用的钻有孔眼的铁管，以利于排气。查阅铸造手册179页表3-135和181页表3-137，芯骨数据如下：芯骨直径为15mm，开5孔芯子简图如7：图中虚线部分为芯骨5.4下芯顺序 由于1#6#芯子均不相互影响制约，故无先后顺序。但是5#、6#芯子需要吊芯，所以先下3#、4#砂芯，再下1#、2#砂芯，再将5#、6#砂芯用铁丝吊在上砂型中，再合箱。5.5砂芯通气方式1) 1#、2#砂芯通过扎气孔排气2) 3#、4#砂芯通过轴心处的芯骨排气3) 5#、6#通过中心的芯骨排气六、浇注系统的设计计算6.1选择浇注系统设计类别铸件为球墨铸铁，查阅教材铸造工艺学第276页表3-4-12和铸造手册212页，选择先封闭后开放的浇注系统。阻流截面设在直浇道下端，阻流截面之前封闭， 其后开放， 故既有利于挡渣， 又使充型平稳， 兼有封闭式与开放式的优点。6.2确定内浇道的位置、数量由于铸件较长，采用两套浇注系统同时浇注，每套浇注系统有2个横浇道和4个内浇道。参照铸造手册212页铸件浇口比为。本设计采用两套浇注系统同时浇注，每套浇注系统的浇口比为浇注系统设计如图8：图 8浇注系统布置图图8中中1、2、3、4、5、6均为砂芯， 7为横浇道，8为直浇道，9为内浇道6.3确定直浇道的位置和高度直浇道的高度与上沙箱的高度一致，直浇道高度为400mm。具体位置如图9：图 9 直浇道位置图检验直浇道的高度，查阅教材铸造工艺学第275页公式3-4-31，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，HM=400160=240mm，参照教材铸造工艺学第275页表3-4-11，L=546.7mm，铸件壁厚=40mm，压力角为67。该直浇道高度合适6.4计算浇注时间并核算金属液上升速度查表法：参照铸造手册203页表3-156：铸件总质量430kg，=27s，参照铸造手册212页需减少1/31/2:取=27（11/3）=18s由于铸件采用两套浇注系统同时浇注，浇注时间应该减半，即=182=9s综上，浇筑时间应取平均值金属液上升的速度为查阅铸造手册第197页表3-147铸铁件壁厚40mm，型内铸铁液最小上升速度应该为1020mm/s。所确定的浇注时间合格。6.5计算阻流截面积A阻阻流截面积计算公式，查阅铸造手册第212页公式3-33 式中 A阻 浇注系统最小截面积（cm2）m 流经阻流截面的金属液的总质量（kg） 流量损耗系数 浇注时间（s）Hp平均静压力头高度（cm）m=1.3330430kg，铸件的质量为330kg。中型件干型砂：=0.48浇筑时间=9s，由于采用中间注入式，H0=400+150=550 P =160 C=250HP=H0-(P2/2C)=450-51.2500mm将以上数据代入: 6.6确定浇口比并计算各组元截面积铸件为球墨铸铁，查阅教材铸造工艺学第276页表3-4-12和铸造手册212页，选择先封闭后开放的浇注系统，阻流截面设在直浇道下端。浇注系统的浇口比为 得： A内=72.6cm2A横=72.6cm2A直=45.4cm2确定浇道截面形状：参照铸造手册214页表3-1671 内浇道共8个 单个内浇道的截面积修正为A内=7.5cm2， a=52mm，b=48mm，c=15mm形状如图10：相对应：修正后=60cm22 横浇道有4个 ，单个横浇道的截面积修正为A横=16.2cm2. a=40mm，b=30mm，c=46mm形状如图11: 相对应：修正后=64.8cm2横浇道末端区为发挥集渣作用，末端区长为75mm150mm，取为80mm3 直浇道有2个，单个直浇道的截面积修正为A直=19cm2。d=50mm形状如图12：相对应：修正后=38cm2直浇道上端截面直径：D1=55mm直浇道长L=400mm6.7浇口杯选择选用池形浇口杯参照铸造手册295页表3-236由铸件质量在200600kg范围内，但考虑实际操作和工艺出品率，选用29kg浇口杯。具体尺寸如图13：图 13 浇口杯尺寸图七、冒口的设计计算7.1确定铸件关键模数MS对铸件分析，分割铸件，如图14。利用对称原理可以确定铸件具有相同模数部分的体积分数，根据模数-体积份额图（图15）可以确定关键模数。图 14 各断面的模数为：图 15 模数-体积份额图根据模数-体积份额可得知MS=2.0cm参照铸造手册382页公式3-114得冒口模数式中 ：冒口平衡系数，取1.2：冒口压力系数，查铸造手册382页表3-301，取1.2：取补缩模数最大的断面，=2.0cm计算得，7.2计算补缩液量查阅教材铸造工艺学308页冒口计算公式3-5-15，式中V件为铸件被补缩部位的体积，cm3;V冒为冒口体积, cm3;为单位重量铸铁需要补缩的体积， cm3/kg；TP为浇注温度，1350；为球铁密度，取6.8g/cm3。7.3冒口颈的计算查教材铸造工艺学309页公式3-5-21，式中： Mn为冒口颈模数Ms为关键模数，2.0cm;为铁液密度，取6.8g/cm3;c为铁液比热容，0.835J/(g);L为铸铁结晶潜热，209J/g；tP为浇注温度，1350。带入数据计算得，冒口颈的直径D=4Mn=3.56cm，取D=35mm。共设置8个冒口，每个冒口的质量为6287.8kg具体如图16：图 16 冒口布置图图16中18为冒口，9、10内浇道可以补缩其附近的收缩。查阅铸造手册401页表3-323，冒口尺寸如图：图 17 冒口尺寸图7.4核算工艺出品率铸件质量约330kg 冒口质量： 63kg浇口杯质量： 52=10kg浇注系统质量：(1.5+4.5)*2=12kg铸造手册第198页表3-149，铸件质量为330kg，批量生产，工艺出品率为80%85%，因此本方案工艺出品率合理。八、模板设计计算8.1上模板 8.1.1上模样简图图 18 上模样简图图18中1、2、3、4为螺栓孔，其中1、2用于固定上模样与模底板，3、4用于固定上模样与凸台。且均为从模底板或凸台往上紧固。5、6为定位销，用于上模样与凸台的定位。7、8处的圆凸台内部为部分镂空；9处为凸台，内部部分镂空。视图中心处凸台9，凸台两侧部分为空腔即空腔11、12。10为定位销孔，用于冒口的定位。模样外轮廓尺寸收缩率为1.0%，砂芯位置的部分不变。模样材料为ZL102，壁厚为轮廓尺寸500mm1000mm时取=10mm，但考虑模样结构的合理性，取=40mm 8.1.2上模底板 1) 材料定为 铸铁 板高h1=150mm 2）定模底板定位销中心距 L=A+200=1600mm 3）模底板尺寸 A0=A+2b=1530mm B0=B+2b=1130mm 模底板尺寸： =18mm，1=20mm，2=16mm，r=4mm如图19： 4）加强肋间距 长度方向k=350mm，宽度方向k1=300mm 5）定位销耳 d=30mm，d1=24mm,h=30mm,F=100mm,t=20mm,e=60mm,e1=45mm 6) 模底板加强肋分布 根据模样上螺钉孔及销孔位置，避开这些位置，布置如下图19：图 19 上摸底板图8.1.3凸台 1）作用：用于填补曲面分型中上模样的凹陷处，起到固定作用。具体尺寸如下：长1280mm,高45.5mm加强肋的尺寸采用模底板的加强肋的尺寸。2）加强肋分布 根据模样上螺钉孔及销孔位置，避开这些位置，布置如下图20：图 20 图20中1、2、3、4为定位销，1、2用于上模样与凸台的定位，3、4用于凸台与模底板的定位。8.1.4上模板的装配简图上模样先与凸台固定一起，然后通过凸台固定到模底板上。示意图21如图21：图 21上模板装配简图8.2下模板8.2.1下模样简图图 22 下模样简图图22中1、2、3、4为螺栓，用于紧固上模样与模底板，且全为从模底板向上紧固。5、6为定位销，用于模样与模底板的定位。模样外轮廓尺寸均为原尺寸的1.01倍，砂芯位置的部分不变。模样材料为ZL102，考虑到上模样比较薄，厚度基本为20mm，所以上模样壁厚=20mm。8.2.2下模底板1）下模底板是在上模底板的基础上，在中心位置上开出一个凹槽，使模样全部放入上模样中。凹槽大小与上模板所用的凸台相同，且恰好能将上模样放入其中。2）模底板加强肋分布根据模样上螺钉孔及销孔位置，避开这些位置，布置如下图：图23 下模底板图 8.2.3下模板装配简图示意图如下：图 24 下模板装配简图九、砂箱设计9.1砂箱尺寸参照铸造设备手册101页表3-4得吃砂量图：砂箱尺寸定为：上箱：1400mm1000mm400mm 下箱：1400mm1000mm250mm材料为灰铸铁9.2砂箱具体设计参照铸造手册634页，定为型最后一种。截面尺寸由铸造手册633页表4-101得：h=250mm，=25mm，b=65mm，b3=90mm，b4=45mm。h1=25mm，h2=30mm，h3=35mm，h4=40mm由于下箱高h=250mm，不需要加强筋 上砂箱高h=400mm，需加强筋，如图25和图26：9.3砂箱箱带 参照铸造手册641页表4-107a=200mm250mm，b=200mm300mm十、合型过程10.1 造好上下砂型10.2 下3、4号垂直砂芯10.3 下1、2号水平砂芯10.4 将5、6号吊芯吊到上砂型上10.5 上下箱合型 10.6 将浇口杯放到直浇道上方，等待浇注，在浇注之前，用纸等盖住冒口浇口，防止砂等掉入砂型空腔。十一、总结 在本次工艺设计大赛中