（机械电子工程专业论文）基于非占位涂料技术的砂型铸造精确成形技术研究.pdf

山东理工人学硕士学位论文摘要 论文题目：基士韭圭焦淦盘垫垄煎壁型笪堡益叠盛型垫盔盟塞 研究生：歪董 指导教师：堑墨二 ( 签名) ( 签名) 年级：2o0 1 摘要 本研究将f d m 法快速成型技术和非占位涂料技术结合起来，应用到砂型 铸造生产过程中，开发了一种实现砂型铸造精确成形的生产新工艺。利用快速 成型技术制得高精度铸造模样，制作周期短，且可消除由模样造成的铸件表面 粗糙等不良影响，非占位涂料避免了刷痕、堆积等涂料表面缺陷，从而能够有 效地提高铸件的表面质量和内在性能。 论文以制动鼓为例进行砂型铸造精确成形技术研究。按照精确成形的技术 要求进行相应的铸造工艺工装设计，完成了制动鼓铸造工艺方案、工艺参数和 浇注系统的确定。介绍了u g 软件的实体设计功能，利用u g 软件完成了模样 的三维实体建模设计。对比几种快速成型方法，确定了f d m 法模样的快速成 型制造方案。设计正交试验，研制适用于该工艺的非占位涂料配方。提出了涂 料主要性能及工艺参数的检测和评定方法，分析了影响涂料附着强度和涂层强 度的因素，得出提高涂层转移质量的工艺措施，确定晟佳涂料配方。以酚醛树 脂自硬砂为造型材料进行现场转移和浇注试验，涂层在起模时可顺利转移，并 能精确复制出模型的形状。浇注出的制动鼓铸件尺寸精度可达6 7 c t ，表面光 洁度可达3 2 6 3 r a “m 。试验表明将f d m 法快速成型技术和非占位涂料技 术结合起来是实现铸件精确成形的一种有效可行途径。 关键词：快速成型技术，非占位涂料技术，砂型铸造精确成形，u g ，强度 坐童矍三查兰堡圭兰篁鎏耋：! ：坠兰 s u b j e c t ：s 鳃d ! i ! g ! ! 地i q n ! h n q l 鲣l 囟盟山坐盟蛆尘盟邺丑醇王盟地里旦业业垃毂 n a m e ：s i照g s u p e r v i s o r ：堑篮g 近 ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) s p e c i a l t y ：丛曼h 垦! q 坠i 坌垦塾g i 驻星星d 坠g g r a d e ：地咀 a b s tr a c t t h i ss t u d yi s p u r p o s e dt od e v e l o pan e wp r e c i s i o nf o u n d r yp r o c e s so f s a n dc a s t i n gb y c o m b i n i n g t h ef d mr a p i d p r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g a n dt h e n o n 。o c c u p y i n gc o a t i n g t e c h n o l o g y p r o d u c i n gp r e c i s em 0 1 db yu s i n gr p m i s p r o v e dt or e d u c em a n u f a c t u r i n gt i m e a n de l i m i n a t e b l i g h t o fs u r f a c e r o u g h n e s s n o n o c c u p y i n gc o a t i n gt e c h n o l o g y a v o i d s d i s a d v a n t a g e so f b r u s ht r a c e ，c o a t i n gd e p o s i ta n de t c s ot h a ti tc a ni m p r o v ec a s t i n g sq u a i i t y a n dp e r f o r m a n c ee f f c c t i v e l y b r a k ed r u mi st a k e ne x a m p l ef o rs t u d y i n gs a n dc a s t i n gp r e c j s i o nt e c h n o l o g y f o u n d r y p r o c e s s e sa n dt e c h n o l o g i c a le q u i p m e n t sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ep r e c i s i o nt e c h n o l o g y c h a r a c t e r j s t i c u gs o f t w a r es o l l dm o d e l i n gf u n c t i o na n dm o u l ds o l i dm o d e l i n gs c h e m ea r e i n t r o d u c e db yd r a w i n gac o m p a r i s o nb e t w e e nt h ef o u rk i n d so ft y p i c a lr a p i dp r o t o t y p i n g m e t h o d s ，f d mr a p i dp r o t o t y p i n gm o d e l i n gp l a n i s g i v e n b ym a k i n ge x a m i n a t i 。n c r o s s c u t d e s i g n ， at y p i c a ln o n - o c c u p y i n gc o a t i n gc o m p o s i t i o ns u i t a b l e f o rt h i s p r o c e s s h a sb e e n d e v e l o p e d t e s t j n g m e t h o d sa n d c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t e o n o ft h em a i n p r o p e r t i e s a n d t e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r so fn o n o c c u p y i n gc o a t l n gh a v eb e e nw o r k e do u t l n v e s t j g a t ；n gt h e i n f l u e n c e so nt h es t r e n g t ho ft h ec o a t i n gw ei n d i c a t e m e a s u r e so fi m p r o v i n gc o a t i n g t r a n s f e r a b 订i t y a n d d e v e l o p a n o p t i m u mc o m p o s i t i o n t h ec o a t i n gc a nb et r a n s f e r r e d s m o o t h l yd u r i n gs t r i p i n g a n d c o p y t h e s h a p e o fr pm 0 1 d s a c c u r a t e l y w i t hp h e n 0 1 f o r m a l d e h y d er e s i ns a n da tt h ef o u n d r yf i e l d b r a k ed r u mc a s t i n g sa r ep r o d u c e db y t h i s t e c h n o l o g yw i t has u r f a c er o u g h n e s so f r a 3 2 6 3uma n dd i m e n s i o n a la c c u r a c yo fg r a d e c t 6 7 t h i ss t u d vi n d i c a t e st h a ti ti sa ne f f e c t i v em e t h o di m p r o v i n g s a n dc a s t i n gp r e c i s i o ni o r e a l l z ep r e c i s i o nc a s t i n gb yu s i n gs a n dc a s t i n gp r e c s i o nt e c h n 0 1 0 9 y k e yw o r d s ：r 8 p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，n o n 。o c c u p y i n gc o a t i n gt e c h n o l o g y s a n dc a s t i n gp r e c i s i o nt c c h n o l o g y ，u g ( u n i g r a p h i c s ) ，s t r e n g t h 独创性声明 y 9 娜 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研 究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：石，幺 时间： 御争 年占月矸曰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅：学校可以用不同的 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后应遵守 此协议) 研究生签名石堂 导师签名嘲丞一日搁：晰堂月工牛日 山东理_ 】二大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 先进制造技术是为了适应时代要求提高竞争能力，对制造技术不断优化及 推陈出新而形成的。它是制造业不断吸收机械、电子、信息、能源及现代系统 管理方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使 用、服务乃至回收的制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产， 提高对动态多变的产品市场的适应能力和竞争能力的制造技术的总称。 新世纪的来临，随着社会经济和科学技术的不断发展，新材料、新设计、 新产品将会不断涌现，人们对物质产品的需求更加多样化，因而对机械制造工 艺技术提出更多、更高要求。作为基础工艺的铸造至今仍是生产中大量采用、 经济适用的技术，其经过优化而形成的优质、高效、低耗、少污染基础制造技 术( 如：精确成形技术、非占位涂料技术等) 是先进制造技术的核心及重要 组成部分之一。 铸造是一个传统产业，在机械制造业中占有非常重要的位置。在铸造成形 工艺中，最普遍的生产方法是砂型铸造，砂型铸造的铸件约占铸件总产量的 9 0 以上。传统的砂型铸造生产中，铸件精度不高，表面质量差，切削加工量 大，不仅浪费了大量金属材料，而且增加了加工费用，工作效率低，经济效果 差 2 ，3 】。长期以来，铸造工作者一直致力于提高砂型铸造的精确度，力图用砂 型铸造这种低成本、高效率的工艺方法实现精密或半精密铸造”】，其目的在于 提高铸件的尺寸精度和表面质量，以减少后续工序中的加工工作量。快速成型 技术和非占位涂料技术的出现使上述问题能从根本上得到解决。作为机械产品 的基础构件，铸造毛坯的生产技术必须应用高新技术来丰富、发展原有的铸造 技术，才能满足新产品开发的需要和行业本身发展的需要。展望2 1 世纪，成 形制造技术正在从制造工件的毛坯、从接近零件形状( n e a r n e ts h a p ep r o c e s s ) 的近净形向直接制成工件即精确成形或称净成形( n e ts h a p ep r o c e s s ) 的方向 发展。少切削、无切削铸造新工艺是铸造工业的主要发展方向之一，而以非占 位涂料为代表的涂层转移法铸造精确成形技术就是在这方面的最新发展【5 】。 快速成型制造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g r p m ) 技术是2 0 世 纪8 0 年代后期掀起并迅速发展起来的一项先进制造技术。该技术源于美国， 很快发展到欧洲和日本等国，堪称2 0 年来制造技术的一次革命性的发展【6 j 。 r p m 是一种基于离散堆积原理的新型成形技术，集成计算机、数控、激光和 山东理工大学硕士学位论文 第一苹鳍论 新材料等新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。它采用材料添加的 方式自动完成由c a d 模型到物理模型的转换，快速的制造出产品零件或原型 【7 ，朴。在砂型铸造精确成形技术中我们可应用快速成型技术制造铸造用模。这 样模样的制造周期短，精度高。应用f d m 3 0 0 0 快速成型机制造的制动鼓铸造 模样正常精度可达士o + 1 2 7 m m ，能较好地消除模样造成的铸件表面粗糙的不良 影响。 非占位涂料1 】又称转移涂料，其工作原理是将涂料直接喷刷到芯盒或模 样表面，然后填砂、紧实，涂料层和型( j 占) 砂在芯盒的约束下同时固化。起模 时涂料能从芯盒或模样表面转移到砂型( 芯) 表面，从而制得带有涂料的精密砂 型( 芯) 。由于这种工艺方法所形成的涂层不占据型腔的有效位置，故称为非占 位涂料法，亦称转移涂料法。采用这种方法不会影响型( 芯) 的尺寸精度，涂层 可完美地复制出模样或芯盒的表面，不存在刷痕、流淌、堆积等涂料表面缺陷， 能获得精密光洁的铸件，可与熔模铸造相媲美，而其成本仪相当于或略高于普 通砂型铸造，生产效率大大提高。这些新的铸造工艺的优点可概括为六个字， 即“精密”、“洁净”、“高效”。具体表现在以下几个方面：可以大量生产同类 型、高质量而且稳定的铸件，且铸件尺寸精度和表面光洁度较高，从而实现少 切削或无切削加工；能进一步简化生产工艺过程，缩短生产周期，便于实现生 产工艺过程的机械化、自动化，提高劳动生产率，改善劳动条件，使铸造1 厂 ( 或车间) 绿色化；可大量减少生产原材料的消耗，降低生产成本，抉得良好 的经济效益和社会效益。 精确砂型铸造是指采用型砂作为铸型，以近净形、零缺陷铸造为目标的各 种铸造方法的总称【幢】。砂型铸造工艺生产成本低、设计柔性好、生产率高、 应用范围极广；而“近净形”指的是铸件的外部精度，“零缺陷”指的是铸件 的内在品质。“近净形、零缺陷铸造”是铸件内、外品质的最高体现。因此， 近年来，精确砂型铸造得到铸造界的普遍关注。以往的工艺方法都只侧重于解 决一个方面的问题真正做到两者的高度统一，同时解决两方面的问题还有一 定的差距。将快速成型技术与非占位涂料技术相结合应用到砂型铸造中实现精 确成形是解决铸件的外部精度和内在品质的统一问题的一条可行途径。目前将 f d 埘快速成型技术与非占位涂料技术相结合应用到砂型铸造中实现精确成形 的技术还罕有报道，未见投入生产。 因此，本课题以砂型铸造为主要研究对象，全面应用c a d c a m 等先进手 段，设计模样。结合快速成型技术快速地制造高质量的铸件，利用非t 位涂 料的涂层转移技术提高铸件精度和表面质量，达到铸件精确成形的目的。 1 2 国内外发展现状 2 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 快速成型技术在国外己得到迅速发展。美国3 ds y s t e m 公司在8 0 年代就 开发出了光敏树脂立体光固化型激光快速成型机，该公司目前在国际市场上占 的份额最大。美国s t 豫t a s y s 公司开发出了融积成形的f d m 快速成型机，f d m 快速成型系统操作简便，速度快，质量高，能用多种成形材料，是产品设计及 开发的理想工具。美国佛州某大学已利用快速成型技术，结合精密铸造技术成 功地用于模具制造过程中。美国在这方面一直处于领先地位，日本和欧洲一些 发达国家都投入了大量资金进行开发研究f 1 3 】。 非占位涂料技术最早是出现在2 0 世纪7 0 年代是日本小松制作所提出的 小松( k o m a t s u ) 一山西( y a m a n i s h i ) 法，简称k y 法【h 】。然而，此法采用的粉 状涂料和所能制造的型( 芯) 形状都受限制，所以难以推广。8 0 年代初，小松 制作所对原来的k y 法进行了改进，发展成为有机系新k y 法【”】。为了进一 步扩大k y 法的使用范围，1 9 8 7 年日本又开发了无机系的新k y 法f 1 刚。目 前f l 本对k y 法研究较多，已有k y 法的专用涂料和芯盒制作的专利，并已 形成机械化生产线。有机系的新k y 法已被用来制造柴油机汽缸盖、进气道、 排气道芯子及某些建筑零件。无机系的新k y 法也已被用来生产叶轮、导叶、 气缸盖、涡轮机匣、三角刃刀头等铸件，取得了良好的效果。8 0 年代仞，原 苏联也对非占位涂料法进行了研究，并称之为精密涂法【 】。 我国制造技术经建国以来4 0 余年的发展己形成较完整的技术体系，为国 民经济发展所需各类机械产品的制造提供基本的工艺技术，并取得了重要成 就。然而与国外工业发达国家相比，仍存在着阶段性的差距。同时在8 0 年代 受到“第三次浪潮”的影响，一度认为制造业进入了夕阳阶段，影响到制造技 术的发展。近年来对制造技术的发展豁达了重新认识，我国政府对先进制造技 术的发展给予了高度的关注。 产品的加工制造是先进制造技术的基础，进入9 0 年代以来，加工制造技 术有以下的发展趋势。 ( 1 ) 精确成形技术：精密铸造、精密锻造以及精密超精密机加工。 ( 2 ) 特种加工技术：激光、高压水束、电化学及电火花加工技术。 ( 3 ) 快速成型制造技术r p m 。 ( 4 ) c a d c a e c a m p d m 集成的制造系统等。 铸造在我国可以追溯到6 0 0 0 年前。随赘工业技术的发展，铸造技术的发 展也很迅速，特别是1 9 世纪末和2 0 世纪上半叶，出现了很多的新的铸造方法， 如低压铸造、陶瓷铸造等，在2 0 世纪下半叶得到完善和实用化。出于现今对 铸造质量、铸造精度、铸造成本和铸造自动化等要求的提高，铸造技术向着精 密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展。国内在精密铸造方面已 取得了较大进展。近几年重点发展了熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造等技术。 山东珲工人学硕士学位论文第一章绪论 国内对r p m 技术的研究始于9 0 年代。自9 0 年代初在国家科委、国家自然科 学基金委员会及部分地方政府与科委的支持下，首先在西安交通大学、清华大 学、华中理工大学等一些高校和商新技术开发公司开展了成形理论、r p 工艺 原理、设备、c a d 数据处理软件、r p 成形材料等配套技术的研究。在r p m 的应用方面，国内一些大型企业如海尔、小鸭、科龙、春兰等纷纷购买了快速 成型机，用于开展产品设计和模具制造方面的服务，取得了很好的效果。在基 于快速成型制造的快速模具制造方面：北京隆源自动成型公司已用几种方法为 企业制作了精密铸模：上海交通大学开发了涂层转移精密铸造技术并为汽车行 业制作了多类模具l “2 ”。我校精密模具重点实验室于2 0 叭年购买了s t r a t a s v s 公司的f d m 3 0 0 0 快速成型机一台，该机是目前国际上最先进的机型之，为 我校科研人员开展这方面的研究奠定了基础。目前国内在这方面的研究和应用 还不够深入、广泛，尤其是在铸造用模制造方面的研究应用，只限于很窄的领 域尚有许多t 作要做1 2 “。 我国是从9 0 年代初开始研究非占位涂料技术的l z “。袁寿民研究了加热硬 化的转移涂料工艺。华中理工大学进行了可以在常温下白硬的转移涂料1 ：艺的 研究。上海交通大学对自硬转移涂料法进行了改进，发明了液固相变精密铸造 法。南昌航空学院对微波硬化水玻璃覆膜砂转移涂料法进行了研究。国内外对 非占位涂料技术( 即转移涂料技术) 已经进行了不少研究，各种方法各具特色， 归纳起来可简述如下：自硬转移涂料法不需专用设备，芯盒制作简单、迅速， 芯盒成本也较热芯盒低，对于单件、小批量生产精密度要求较高的铸件，如铸 造芯盒、余属型、模具等有很好的应用前景。进一步研究的重点应放在减少或 避免溶剂迁移对界面附近的芯砂固化过程及强度的影响。微波硬化的转移涂 料法有许多独特的优点，如芯盒制作成本低、工艺简单、芯盒本身不发热、砂 芯及涂料能用微波选择性加热固化，便于实现工业化批量生产，高效地制作高 强度精密砂芯。随着微波技术的不断发展，微波炉的性能不断提高，设备成本 不断降低，这一技术将有很好的应用前景。非占位涂料技术与覆膜砂技术的 结合亦有很高的研究价值和应用前景。这两种技术的结合，使加热固化时可避 免自硬转移涂料法中的溶剂迁移，且固化快，涂料及砂芯的强度高，易于实现 工业化生产。另外，我国的壳型设备比较普及，壳型工艺比较成熟，覆膜砂已 实现了商品化、专业化生产供应，覆膜砂的性能也有了很大的提高，为实现两 种技术的结合奠定了基础。非占位涂料技术与壳型技术的结合对提高我国汽 车、拖拉机、柴油机的缸体、缸盖等重要铸件的内腔表面质量及尺寸精度有非 常重要的意义。此外，这种结合可望解决目前铸钢件壳型铸造中存在的粘砂、 表面粗糙等问题。总之，非占位涂料之所以能制作精密的铸件在于涂料不占据 型腔有效空间位置，突破了传统铸造先制芯后刷涂料的模式。 山东理t 大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 本研究的主要任务和研究方法 1 3 1 研究的主要任务 ( 1 ) 研究快速成型技术在砂型铸造领域的应用，针对快速成型技术的特 点进行铸造模样的设计制造。利用u g 软件进行模样的三维实体造型设计，并 转化成s t l 格式，用f d m 3 0 0 0 快速成型机直接制造a b s 模样，并对其进行 打磨、修整。用快速成型技术进行制模，获得高精度铸造模样，模样的加工尺 寸精度高，表面质量好，制作周期短，成本降低，模样的重复性和互换性好。 非占位涂料技术突破了传统的铸造生产工艺，按照精确成形的技术要求进行相 应的铸造工艺设计，为解决非占位涂料技术起模难的问题，自行设计专用起模 机构。实现快速成型技术和非占位涂料技术有机地结合，形成一套新的铸造生 产过程，从而能够有效地提高铸件的表面质量和内在性能。 ( 2 ) 根据非占位涂料的工艺性能特点及要求，研制合理的涂料配方，对 涂料性能进行测试，分析影响涂料附着强度和涂层强度的因素，从理论上作简 明解释。设计试验装置，研究确定出涂层强度( o 。) 、涂模结合强度( o 。一。) 、 涂砂结合强度( o 。) 、涂敷性、涂料抗粘砂性及综合工艺性能等非占位涂料性 能检测及综合评定方法。 ( 3 ) 设计正交试验方案，进行铸造工艺试验，确定最佳工艺方案。在模 样表面涂覆涂料，在涂层的表面迅速填砂造型，使得起模后涂层可以很好地转 移到砂型、砂芯的表面，并精确复制出模型的外形和内腔的形状，可明显提高 零件的尺寸精度。制造获得砂型后，浇注高温金属液，凝固后经表面处理，制 造具有精确尺寸( 小的尺寸公差和低的表面粗糙度) 的铸件。 ( 4 ) 分析各工艺因素对涂层转移过程的影响，其中包括模样质量、涂料 性能、型砂性能和操作方式等，确定提高涂层转移质量的工艺措施。 1 3 2 研究方法 在查阅有关资料和调研的前提下，分析该项目的新颖性、先进性和实用性， 形成系统的理论基础。充分利用我校实验室现有设备条件，以现场试验为研究 主要内容，以灰铸铁件砂型手工铸造工艺为试验研究对象，首先利用u g 软件 完成铸造用模的计算机设计造型工作，在f d m 3 0 0 0 快速成型机上生成实体模 型。自行配制涂料，使其具有优良的性能，并探索合理的喷刷工艺，利用酚醛 树脂自硬砂作为造型材料，制造砂型，用中频炉熔炼铁水。进行浇注，得到铸 件，将其与普通砂型铸造的毛坯相比，分析其工艺、性能优劣。 山东理t 大学硕士学位论文 第一章绪论 砂型铸造精确成形工艺的技术路线如图1 1 所示。 甲匝匦虹匝矗圈l - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ ji - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ 一 i 涂料配制 图卜1砂型铸造精确成形工艺的技术路线 我们以制动鼓为研究对象，对其砂型铸造的精确成型工艺进行研究。制动 鼓的结构如图1 2 所示，铸件毛坯外形如图l 。3 所示。 团 图卜2 制动鼓结构图 6 图卜3 制动鼓铸造毛坯外形 生查堡三查兰堡圭兰堡兰三矍三兰篁耋三堇查童墼堡塞垒堑童三堇董鱼丝兰 第二章铸造工艺方案的确定及铸造工艺装备设计 2 1 铸造工艺分析 制动鼓是车辆制动系统的一个零件，品 质出现问题就有可能酿成严重的事故。除了 材料必须符合规定的要求外，铸件内部不允 许有缩松、缩孔、砂眼等降低力学性能的铸 造缺陷。制动鼓结构图如第一章中图1 2 所 示，制动鼓铸件简图如图2 1 所示。铸件的内 腔和外部形状比较简单，起模容易，下芯方 便，且砂芯在砂型中的稳定性好。为减少制 ce 图2 1 制动鼓铸件图 芯过程，也可采用砂胎来代替砂芯。浇注位置比较难选择。从铸件图来看，铸件 有外凸台，凸台外沿不加工，可以从这里浇注。如果浇注采用小孔出流理论设计， 导致浇注时间偏长。而因凸台处凝固时间长，从而形成接触热节，产生缩松等铸 造缺陷。因铸件底部( 如图b 处) 比铸件直壁处厚，会因凝固时间不同而浇不 足。因而除了保证铸件有足够的吃砂量外，尽可能保证有足够大的静压头。此处 采用底注方案；但底注不利于补缩，所以浇注时间强调短时间、大流量。 铸件属于薄壁均匀轮盘类件，最薄处1 0 m m ，轮廓尺寸m 2 9 3 m m 1 0 3 m m ， 铸件质量9 5 k g 。 铸件外轮廓部分和内轮廓全部加工，加工后不得有任何缩松、缩孑l 、砂眼等 缺陷，铸件表面不允许有裂纹。 机械性能：抗拉强度a b 2 5 0 m p a ，硬度h b 2 2 0 + 2 5 ，楔压强度盯k 1 7 5 m p a 。 鉴于制动鼓工作条件，制动鼓材料一般要求具体有：良好的热传导性：良好 的抵抗磨损和擦伤的能力：足够的强度：无相变和表面体积变化。 为满足上述要求，灰铸铁是最合适的材料，但是制动鼓与其他磨损件不同的 是处于干摩擦状态下，据有关资料，建议采用高碳低合金灰铸铁以改善导热性能。 铸造材料化学成分如表2 1 所示。 表2 1铸造材料化学成分 山东理工大学硕士学位论文第二章铸造工艺方案的确定及铸造工艺装备设计 2 2 工艺方案的确定 2 2 1 造型方法的选择 制动鼓尺寸较小，此本仅为试验，所以采用一般手工砂型铸造如果要适应 大批量生产，可以采用水平分型或垂直分型的无箱高压造型生产线，实型造型线， 生产效率又高，占地面积也少。 2 2 2 浇注位置的确定 浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。浇注位置的确定关系到 铸件的内在质量、铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易，因此由以下方案进行 分析、对比，择优选用，来确定浇注位置【2 6 1 。 ( 1 ) 铸件的重要加工面、主要工作面和受力面应尽量放在底部或侧面，以 防止这些表面上产生砂眼、气孔、夹渣等铸造缺陷。铸件下部金属在上部金属的 静压力作用下凝固并得到补缩，组织致密。 ( 2 ) 浇注位置应有利于所确定的凝固顺序，对于体收缩较大的合金，浇注 位置应尽量满足定向凝固的原则，铸件厚实部分一般应置于浇注位置上方，以利 于设置冒口补缩。 ( 3 ) 浇注位置应有利于砂芯的定位和稳固支撑，使排气通常，尽量避免吊 芯、悬臂砂芯，便于下芯、合箱及检验。 ( 4 ) 铸件上的大平面应置于下部或倾斜位置，以防止夹砂等缺陷。有时为 了方便造型，采用“横做立浇”、“平做斜浇”的方法。 ( 5 ) 应保证铸件能充满。对具有薄壁部分的铸件。薄壁部位应置于浇注位 置的下部或侧面，以防止浇不足、冷隔等缺陷。 制动鼓设计为单件小批量生产，但因铸件尺寸小，只要浇注时压力头足够， 不需冒口等，可采用卧浇、卧冷方案。这样造型、合箱、浇注和冷却位置相一致。 浇注位置方案有： 方案i ：将零件全部放在下箱，底部容易浇到。零件a 面为工作表面，不允 许有缩松，渣孔，砂眼等缺陷。好的浇注位置应为a 面呈竖直状态。但零件内 腔需进行造芯。在砂芯的定位上很难保证内腔的均匀、准确。因此次为精确成形， 产品铸出后要求少加工，所以型腔的准确对称很重要，而靠一般的芯头定位难以 保证，此方案在砂芯制造上不利。 方案i i ，零件全部位于上箱。这样可以通过砂胎代替砂芯。型腔的形成通过 模校与砂箱之间的定位来分别形成内腔外形与内廓，从而使之有较好的配合，形 8 山东理工大学硕士学位论文第二章铸造工艺方案的确定及铸造工艺装备设计 成均匀精确的内腔。浇注位置与凸台位置相同。a 面还是竖直向下。但这样易浇 不足。顶面质量不易保证。 经过分析对比，确定选择方案i i ，可以加大压力头来进行补缩和增加浇注压 力，以便保证质量。 2 2 3 分型面的确定 铸造分型面是指铸型组元之间的接合面。合理地选择分型面，对于简化铸造 工艺，提高生产率，降低成本，提高铸件质量等都有直接关系。 在选择分型面时，要遵循以下原则： ( 1 ) 尽可能将铸件的全部或大部分放在同一箱内，以减少因错型造成的尺 寸偏差。尽量把铸件的加工定位面和主要加工面放在同一箱内，以减少加工定位 的尺寸偏差。 ( 2 ) 要尽量减少分型面的数量，在机械造型中一般采用一个分型面。分犁 面少，铸件精度容易保证，且砂箱数目少。 ( 3 ) 应尽量使分型面为平面，必要时也可不做成平面。平直分型面可简化 造型过程，易于保证铸件精度。 ( 4 ) 为方便起模，分型面通常应选在铸件最大截面处，对于较高的铸件， 尽量不使铸件在一箱内过商，以免砂箱过高。 以上简要介绍了选择分型面的原则，这些分型面有的相互矛盾和制约。一个 铸件应以那几项原则为主来选择分型面，这需要进行多个方案的对比，根据实际 生产条件，并结合经验来做出正确的判断，最后选出最佳方案付诸实施。 制动鼓的分型面选择方案有： 方案i ：从铸件c 面处分型，此方案可使砂芯在安放稳定性好，但起模困难， 铸型两边需用砂芯或活块，这样起模时使其不受阻碍。不过这样将增加造型工时， 因外凸台部分厚实，在浇注凝固时因顺序凝固而导致离内浇口近的薄壁部分先凝 固而使得凸台处浇不足。而且c 面处为一平面，处在热节处易出现缩松，缩孔 等缺陷。 方案i i ：分型面在铸d 面处。此方案可减少砂芯数目，使得造型方便，起 模时不受凸台等因素的影响。浇注是从凸台处浇注，可以避免凸台厚实部分因浇 不足而凝固成形不到位。在此方案中，可以用砂胎代替砂芯，从而减少制芯设备 的投入。不足处是浇注时因底部平面处位于浇注末端，而制动鼓壁薄，易形成浇 不足。只有通过增大压力头或增大冒口进行补缩。还有其他措施，如在浇注时， 缩短时间、大流量浇注，在底部增加冷铁等方法。 方案i i i ，在外凸台与薄壁倒角过渡处分型，此方案需分别造芯。在造型起 山东理工大学硕士学位论文第二章铸造工艺方案的确定及铸造工艺装备设计 模时较好，但增加了造芯工时与设备。并且在合型时放芯时较难定位。使得型腔 内部尺寸精确难确定。在浇注时，若内浇道在分型面处，浇注时因内腔小，易形 成冲砂等缺陷。 对以上方案进行比较，采用手工造型，可选用方案i i 。 每箱铸件数量的确定：因本次试验，用的是普通连铸式砂箱，尺寸为 4 0 0 m m 4 0 0 m m 2 0 0 m m ( 上砂箱) 1 0 0 m m ( 下砂箱) 。按浇注方式与制动鼓铸 件结构，其砂箱高度以2 0 0 2 5 0 m m 为宜，若由于砂箱过高可能引起的铸造缺陷， 只能采用加强排气等工艺措施来避免。 根据铸件的轮廓尺寸，砂箱只放一件。布局由浇注系统来配合放置。 2 3 工艺参数的确定 铸造工艺设计参数( 简称工艺参数) 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，即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。工艺参数选取得准确、 合适、才能保证铸件尺寸( 形状) 精确，使造型、制芯、下芯、合箱方便，提高 生产率，降低成本。工艺参数选取不准确，则铸件精度降低，甚至因尺寸超过公 差要求而报废。所以正确选取工艺参数非常重要。以下为各参数的确定。 2 3 1 铸件收缩率的确定 铸件收缩率又称铸件线收缩率，是铸件从线收缩开始温度( 从液相中析出枝 晶搭成的骨架开始具有固态性质时的温度) 冷却至室温时的相对线收缩率，以模 样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示： ，一r s = 生l j 韭1 0 0 厶 式中：厶一模样长度；三：一铸件长度 铸件收缩率随铸件结构、合金种类、浇注温度及型芯的阻力不同而变化。对 一个简单模样的不同尺寸也必须使用几种不同的铸造收缩率。 制动鼓的材料为高碳低合金灰铸铁，重量9 5 k g ，收缩时将受到阻碍。铸造 工艺学砂型铸造普通合金铸件的收缩率表3 3 7 ：长度方向收缩率为o 9 ，直 径方向收缩率0 7 。 在确定收缩率时应注意以下几点： ( 1 ) 通常简单的厚实铸件可视为自由收缩，其余均视为受阻收缩。视其受 阻程度，选用适宜的铸件收缩率。 1 0 山东理：i ：大学硕上学位论文第二章铸造工艺方案的确定及铸造工艺装备设计 ( 2 ) 同一铸件由于结构上的原因，其局部与整体，长、宽、高三个方向的 收缩率可能不一致，对重要铸件应给予不同铸造收缩率。 ( 3 ) 湿型、水玻璃砂型的铸件，其铸造收缩率应比干砂大。 ( 4 ) 应用砂型铸造精确成形技术后，提高了铸件质量，可减少后续加工量， 因此，为了能够更好地实现少切削，应准确选取各个方向的铸造收缩率。 2 3 2 铸件尺寸公差 铸件尺寸公差是指铸件各部分尺寸允许的极限偏差，它取决于铸造工艺方法 等多种因素。 铸造公差等级的决定，除应考虑铸件的生产批量和生产方式外，还应考虑铸 件的设计要求，机械加工要求，铸造金属和合金种类，采用的铸造设备、工艺设 备和工艺方法。 制动鼓公差等级取6 级，铸造公差为1 1 m m 。 2 3 3 机械加工余量 铸件为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 须去增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度，称为机械加工余量，简 称加工余量。 加工余量与铸件尺寸公差之间的关系：最小加工量等于加工余量减去铸件尺 寸的下偏差。因此，铸件尺寸公差越小( 精度高) ，加工余量可越小。影响加工 余量大小的主要因素有：铸造合金种类、铸造工艺方法、生产批量、设备及工装 的水平等于铸件尺寸精度有关的因素；加工表面所处的浇注位置( 顶、底、侧面) ； 铸件基本尺寸的大小和结构等。 制动鼓加工余量取f 级，加工余量为1 5 ( 双边) 。 2 3 4 起模斜度 为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向有一定斜度，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。其大小应根据模样的起模高度、表面粗糙度以及造型( 芯) 方法 而定。关于起模斜度的大小的具体数值详见j b t 5 0 1 5 9 1 中的规定。使用时还应 注意： 起模斜度应小于或等于产品图纸上所规定的起模斜度值，以防止零件在装配 山东理工人学硕士学位论文第二章铸造工艺方案的确定及铸造工艺装备设计 或工作中与其他零件相妨碍。尽量使铸件内、外壁的模样和芯盒斜度取值相同， 方向一致，从而使得铸件壁厚均匀。在非加工面上留起模斜度时，要注意与相配 零件的外形一致，保持整台机器的美观。同一铸件的起模斜度应尽可能只选用一 种或两种斜度，以免加工金属模时频繁地更换刀具。非加工的装配面上留斜度时， 最好用减少厚度法，以免安装困难。 原则上，在铸件上加放起模斜度不应超出铸件的壁厚公差。 制动鼓的起模斜度，查铸造手册第五卷铸造工艺表3 5 3 ，取a 面为a = 2 0 ， b 面为口= 1o ，e 面为口= 5 0 。 2 4 浇注系统设计 2 4 1 浇注系统类型的选择 浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称。铸铁件浇注系统由浇口 杯( 外浇口) 、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道等部分组成。 浇注系统设计得正确与否对铸件品质影响很大，铸件废品中约有3 0 是因 浇注系统不当而引起的。浇注系统应满足以下要求： ( 1 ) 控制金属液流动的速度和方向，并保证充满型腔： ( 2 ) 有利于铸件温度的合理分布： ( 3 ) 金属液在型腔中流动应平稳、均匀，以避免夹带空气，产生金属氧化 物及冲刷砂型； ( 4 ) 浇注系统应具有除渣功能。 制动鼓浇注系统的选择有以下几种方案： 方案i ；雨淋顶注式浇注。横浇道是截面最大组元，金属液由铸件顶部许多 小孔( 内浇道) 流入型腔。 金属液分成多股细流连续注入型腔，对型腔冲击力小，液面活跃，排气方便， 挡渣效果好，又能防止型腔内夹杂物因上浮而粘附在型( 芯) 壁上。 能形成自上而下的定向凝固和良好的收缩能力有利于获得组织致密的铸件。 在浇注系统设置上比较困难。横浇道阻渣条件差。总体说对制动鼓来说是一 个较合适的浇注系统。 方案i i ：半封闭底注式浇注。内浇道位于铸件底部，金属液进入型腔平稳， 对型腔( 芯) 冲击力小，金属氧化小，有利于型腔内气体排出，也有利于由浇注 系统及金属液带来的气体的消除。缺点是由于铸件下部温度高，不利于补缩，且 金属液消耗多，若充型时间过长，金属液在型腔上升中长时间与空气接触，表面 易生氧化皮。 1 2 山东理工大学硕十学位论文第二章铸造工艺方案的确定及铸造t 艺装备设计 半封闭式浇注系统阻流截面在内浇道，横浇道截面为最大。浇注中，浇注系 统能充满，具有一定的挡渣能力。充型平稳，对型腔冲刷力小。 方案i i i ：底雨淋底注式浇注充型均匀平稳，可减少金属液氧化，会属液 在型腔中不旋转，可避免熔渣粘附在型( 芯) 壁上缺点是造型较麻烦，不利于 补缩。 综合以上方案分析，此处选用方案i i 。在浇注时，浇注时间应强调采取短时 间，大流量。此外，平均静压力头高度适当加大。 2 4 2 浇注系统各组元结构及尺寸 2 4 2 1 浇注系统的形式 ( 1 ) 内浇道：内浇道的功用是控制充型速度和方向，调节铸件各部位的温 度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过内浇道对铸件有一定补缩作用。在设计内 浇道时还应避免流入型腔式喷射现象和飞溅，使充型平稳。 内浇道开设在凸缘处，沿切线方向引入。内浇道应尽量薄，这样可以降低内 浇道的吸动区，有利于横浇道阻渣：内浇道薄于铸件的壁厚在去除浇道时不易损 害铸件；对铸铁件，薄的内浇道能充分利用铸件本身的石墨化膨胀获得紧实的铸 件。因制动鼓壁薄，可开设两道，形状为扁梯形。 ( 2 ) 横浇道：横浇道的功用有：向内浇道分散洁净的金属液：储留最初浇 入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣滓；使金属液流平稳和减少产生氧化夹渣 物。 横浇道选择高梯形截面，挡渣作用较好。横浇道环有利于降低金属液流速。 当确定了浇注系统的类型，形成及布置之后，需要计算浇注系统各组元的尺 寸。一般先确定浇注系统的最小截面( 阻流截面) 尺寸( 对于封闭式浇注系统， 最小截面在内浇道；对于开放式浇注系统，最小截面则是内浇道前的某个阻流截 面) ，然后以最小截面为基数，按经验比例关系确定其他组元的截面。 2 4 2 2 浇注系统计算 内浇道截面按水力学计算公式计算 肝疵 当奎塞三查兰至圭兰竺篁兰 芝三兰篁鎏三兰窒量墼塑塞垒堡童三堇! ! 墼婆! 式中彳n 一浇注系统最小截面总面积( c m 2 ) 一铸件中铁液总重量，即铸件和浇冒口重量之和( k g ) “一流速系数 f 一浇注时间( s ) 日。一平均静压力头( c m 2 ) ( 1 ) 用的确定：按铸造手册第五卷铸造工艺表3 1 3 8 ：铸铁件工艺出 品率( ) 表，取铸件工艺出品率为7 0 ，研2 。素云。1 0 0 1 3 5 堙 ( 2 ) “值的确定：由铸造手册第五卷铸造工艺表3 - 1 2 7 ：铸铁件的值 表查得“= o 6 5 ( 3 ) f 值的确定：计算浇注时间是为了使金属液的预定时间内充满型腔。因 制动鼓铸件重量只有9 5 k g ，浇注时间按下公式计算： ，= s 磊( s ) 式中f 一浇注时问( s ) 州型内金属总重量，包括浇冒口系统( k g ) 5 一系数，取决于铸件壁厚，由铸造手册第五卷铸造工艺表3 1 2 9 虿出s = 2 2 所以f = 2 | 2 、丽“8 ( s ) ( 4 ) 平均静压力头( h p ) 值的确定： 平均静压力头如图2 2 所示。 日，：日。一导- ( 2 0 一半) - 1 4 8 5 ( c m ) 山= 面丽豢丽。2 2 ( c m 2 ) 图2 2 平均静压力头 取4 + = 2 5 ( c m 2 ) ，设两个内浇道，每个内浇道面积4 2 1 2 5 c m 2 其截面尺寸为2 5 m m 2 3 m m 5 m m a 浇注系统各部分比例选择为： 么；么横：么直= 1 ：1 4 ：1 2 ，横浇道截面积为3 5 c m 2 ，其截面尺寸为 1 6 m m x l 3 m m 2 4 m m 。爿日- l 。2 x 2 l ，2 5 c m 2 = 3 c m 2 ，直浇道底部最小直径d 2 2 0 m m 。 确定的浇注系统方案在试验和实际生产中必然存在着许多不足之处。如内浇 道进入时可能引起型内金属的回转运动，会造成铸件外表面存在一定粗糙度。在 山东埋工大学硕士学位论文第二章铸造工艺方案的确定及铸造工艺装备设计 实际生产中应避免金属液回转，以免夹渣物聚集在铸件的内表面；可另外设计浇 口杯，加大平均压力头，使浇注时增大浇道补缩作用。 制动鼓铸造工艺示意图如图2 3 所示，考虑到砂型铸造精确成形的技术特 点，为了防止破坏涂料层，便于起模，我们设计了两个模样，分别形成型腔外壁 尺寸和型腔内壁尺寸。因此，与普通的铸造工艺图不同，圈中所示不是表示模样