钩形连杆工艺大赛说明书0406.doc

“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：钩型连杆自编代码：AAJMSDX1方案编号：“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛目录摘要11设计任务21.1技术要求21.1.1生产条件21.1.2铸件材质21.1.3造型材料及造型方法21.2设计的技术要求21.2.1化学成分要求21.2.2结构及使用要求21.2.3铸造缺陷要求22铸造工艺方案确定22.1铸造工艺方案分析与论证22.1.1零件结构分析22.1.2铸造工艺方案分析与选择32.2分型面的确定42.3浇注系统的选择42.3.1浇注时间的确定52.3.2平均压力头的计算52.3.3最小压力头的校核52.3.4最小阻流面积求解52.4冒口的设计62.4.1冒口颈模数的计算62.4.2冒口的尺寸的确定72.4.3冒口合理性分析72.5工艺参数的确定82.5.1铸件的尺寸公差及机械加工余量82.5.2铸造收缩率92.5.3起模斜度92.5.4最小铸出孔92.5.5铸造工艺简图92.5.6砂芯及芯盒设计102.5.7制芯方法确定102.5.8砂芯工艺参数及结构设计102.5.9芯盒选材102.5.10芯盒简图102.6模板设计112.6.1模版类型112.6.2模版选材112.6.3模版的定位装置112.6.4模版简图112.6.5砂箱图122.6.6砂箱选择122.6.7砂箱的定位122.6.8砂箱的其它工艺参数122.6.9合箱图123铸造工艺卡144总 结15参考文献16附图17摘要本设计零件为钩型连杆，是注塑机上与尾板相连的重要零件。根据零件的使用条件、结构特点、生产批量等情况进行铸造工艺分析，确定为树脂砂手工制造型、芯。在进行大量的调研与分析后，完成了砂芯、浇注系统、冒口及相关工艺工装设计。并利用激光快速成型机烧结出尾板模型，可以更加直观的反映出铸件结构，为铸造工艺分析与设计提供了保障。本工艺设计思想是在保证铸件质量前提下，尽量采取合理工艺及先进的分析方法来消除各种缺陷，提高工艺出品率，减少铁液的消耗，为企业创造最大效益。通过对零件的结构及铸造工艺性分析，有两种浇注方式选择：1）采用立式浇注（见图2.2），利用组芯形成铸件型腔，方便造型，同时铸件全部置于下箱，保证了铸件质量。2）采用水平浇注（见附图1），中间难成形部分，用三号四号芯成形，采用先开后闭式浇注系统。综合考虑造型、制芯及铸件质量等方面因素，最后采用方案二。方案二中分型面选在铸件中间大平面位置，采用了直接实用冒口。冒口提供先期液态收缩，适当时间后冒口颈封闭，保证后期的球铁自膨胀发挥作用，这样就可消除缩松缩孔等缺陷。此设计的关键在于冒口颈的适时封闭，对比不同方案的模拟结果，并分析各种方案产生的缺陷，最终确定浇冒口尺寸。经核算后，石墨化净膨胀量远大于液态收缩量。只要球化孕育良好，就可保证铸件质量。图2.10是该方案的模拟图，可以看出铸件上无缩松缩孔等缺陷，工艺出品率为90%以上。感谢中国铸造学会及永冠集团为大学生提供了这个锻炼、展现自我的舞台。在这过程中，我们不仅深层次的学习了铸造知识，掌握了铸造工艺设计流程，而且还提高了分析问题解决问题的能力，使自己的专业素质得到了锻炼和提升。通过这次设计大赛，我们受益匪浅，同时也认识到自己的不足，还有很多知识需要去认真学习，还要感谢指导教师们对我们的谆谆教诲，他们渊博的知识和丰富的经验也值得去认真学习。同时也感谢铸造各界人士对我国铸造业的关心和奉献，衷心的希望我国的铸造业能够越来越好，工业越来越强，国家更加繁荣昌盛。1 设计任务1.1 技术要求1.1.1 生产条件指定零件为注塑机钩型连杆，生产性质为小批量或中等批量生产。1.1.2 铸件材质零件材质为QT450，密度为7.3g/cm3。根据零件尺寸，经三维软件分析此件的体积为3.75104cm3，质量为274kg。1.1.3 造型材料及造型方法根据材质及使用要求，为保证铸件质量，选择树脂砂手工造型。由于球铁凝固时具有自膨胀作用，可利用树脂砂型高刚度来防止胀箱，利用铸件的自膨胀来减少缩孔及缩松等缺陷，减少冒口，提高工艺出品率。1.2 设计的技术要求1.2.1 化学成分要求根据相关资料1查得QT450成分含量，根据此含量对化学成分进行控制。具体含量如表1.1所示。表1.1 QT450化学成分质量分数CSiMnPSCr3.6%-3.9%2.5%-2.8%0.4%0.07%0.03%0.06%1.2.2 结构及使用要求本设计零件为注塑机连杆件，连接与其配合的尾板和长钩，所以要求具有良好的力学性能和耐疲劳性。1.2.3 铸造缺陷要求铸件要求不能出现缩孔、缩松，内外无气孔、砂眼、夹砂、渣孔、粘砂等缺陷。2 铸造工艺方案确定2.1 铸造工艺方案分析与论证2.1.1 零件结构分析零件具体结构如图2.1所示，此零件为中等复杂结构，顶部凸环、孔及五个杆间三角连接部分增加了出型难度。为此分型面选择时要综合考虑零件的结构及其工艺性。图2.1 零件三维图该件的主要壁厚为7090mm，最小壁厚为40mm。整个铸件壁厚较均匀，外轮廓尺寸为：660mm660mm283mm。铸件1处为难成形部位，此处型腔需用砂芯成型，并且铸件最大热节也在1位置，因此冒口及冒口颈设在此处，并通过改变冒口颈的大小、尺寸、形状来达到控制冒口凝固时间的目的。铸件1处直径为40mm的孔要求精加工，并且此孔不容易成形，需再设置垂直砂芯，增加了工作量，并且孔不易定位，铸出后精加工过程困难，所以此孔不铸出。2.1.2 铸造工艺方案分析与选择方案一铸造工艺简图如图2.2所示。此方案中，采用立式浇注，分型面位于铸件侧面，铸件全部置于下箱，浇注系统采用顶注式，并直接利用浇注系统为铸件提供补缩。此件不需要冷铁及补贴。铸件不易于造型的部分，采用组芯形成。图2. 2 方案一铸造工艺简图方案二 铸造工艺图如图2. 3所示。此方案中，分型面选择在五个连杆的轴心线上，采用中间注入式浇入系统，内浇道设在铸件中间部分。不易成型部分采用砂芯。图2.3 方案二铸造工艺图方案论证方案一优缺点优点：1.铸件全部置于下半箱，不会产生错箱；2.利用浇注系统补缩，节省金属液；3.利用组芯来形成铸件型腔方便造型。缺点：1.由于浇口位于铸件的顶部、浇注高度过高，容易造成金属液对铸型的冲击，还可能造成金属液飞溅而形成铁豆；2.浇注系统位于上部不利于排渣阻渣，影响铸件的质量；3.此件采用组芯方法增加了砂芯及芯盒设计难度，组芯时增加了工时，使用工成本增加，同时组芯定位容易造成铸件尺寸偏差。方案二优缺点优点：1.分型面位于最大平面，易于分型；2.利用砂芯形成不易成型的部分及孔；3.中间式浇注系统开在铸件侧面，可利用浇注系统及暗冒口实现补缩和排渣，既保证质量又提高经济性。缺点：1.此件中间分型面可能产生错箱，需采用定位；2.两半箱都有不易成型部分必须采用砂芯。综上所述，方案一所受限制条件不利于工艺的合理设计；方案二中的错箱问题可以通过合理定位解决，不会造成对铸件的质量影响，方案二的砂芯比方案一的砂芯更容易设计，且砂芯数量相对减少。从经济成本、生产周期、工艺复杂程度等方面综合考虑，优先选用方案二。2.2 分型面的确定铸件选择顶部向下水平放置，分型面在五个连杆的轴心线上，此方法方便造型，减少劳动强度，便于下芯，造芯时工装简单，砂箱高度低，节省用砂量，降低生产成本。2.3 浇注系统的选择因球铁易氧化、易产生夹渣和皮下气孔等缺陷，所以浇注系统应保证铁液充型平稳畅通又具有撇渣能力，为此可以设计成先封闭后开放的半开放式浇注系统，同时由于充型过程中，直浇道设置了浇口窝，铁水通过横浇道进入冒口，冒口颈作为内浇道，所以整套浇注系统具有阻渣作用，可不选择过滤网。虽然球铁具有自膨胀作用，树脂砂砂型刚度足够，可利用球铁本身自膨胀来防止缩孔缩松，但是液态收缩产生空隙无法靠自膨胀全部补充，所以选择浇注系统与暗冒口相连。这种方式利用冒口为铸件进行液态补缩，在适当时间冒口颈进行封闭，剩余液态金属产生的液态收缩可由先凝固部分的自膨胀进行补缩。时间控制得当完全可消除缩孔、缩松，而且还可以提高工艺出品率。此浇注系统中以横浇道为最小阻流面，直浇道连接冒口，冒口颈连接铸件，形式如图2.4。图2. 4 浇注系统示意图2.3.1 浇注时间的确定根据查阅资料2参考经验公式可求浇注时间： （2-1）式中 浇注时间；m 铸件或浇注金属质量，按浇注系统10%金属重得m=317kg；A 系数，取球墨铸铁A=2.53.5；n 系数，取n=0.33。计算得 =16.7323.43s，跟据实际情况选择浇注时间为20s。由公式根据浇注时间确定金属液在铸型中的上升速度：V型=C/ （2-1）式中 V型 金属液在铸型中上升速度；C 铸件高度，铸件高为293mm。计算得V型=14.65mms-1。 根据型内铁液最小上升速度810 mms，浇注时间满足金属液充满型腔要求。2.3.2 平均压力头的计算根据平均压力头计算公式计算平均压力头：H=H-/2C （2-2）式中Hp 平均压力头；H 阻流截面以上的金属压力头，取H=20cm ；C 铸件（型腔）总高度，取C=29.3cm ；P 阻流以上的型腔高度，取P=9.5cm 。计算得平均压力头Hp=18.46cm。2.3.3 最小压力头的校核根据剩余压力头应满足压力角的要求，如公式所示：HLtan (2-4)式中 HM最小剩余压力头；L 直浇道中心到铸件最高点的水平投影距离； 压力角。经测量L=890mm =7 HM=125mm ；HMLtan=109mm 完全满足最小压力头。2.3.4 最小阻流面积求解根据Osann公式计算最小阻流面积： (2-5)式中 m 浇注金属液质量，m=317kg； 金属液密度，=7.3g/cm3； 浇注时间 =20s； 流量系数，经过查表及修正取=0.74；g 重力加速度9.8m/s；Hp 阻流截面的平均计算压力头Hp =18.46cm。计算得最小阻流面积S阻=15.67cm2。 根据求得最小阻流面积S阻=15.67 cm2，横浇道应具有阻渣作用，截面形状设计为梯形，具体尺寸为a=40mm，b=40mm，c=45mm，长度为150mm。横浇道尺寸形状如图2.5所示。根据横浇道尺寸确定直浇道尺寸，如图2.6所示。 图2. 5 横浇道截面图 图2. 6 直浇道截面图2.4 冒口的设计根据球铁的性质及此件结构采用直接实用冒口，冒口颈作为内浇道，冒口只为铸件提供液态收缩时所需金属液，当铸件凝固进行到一定阶段时使冒口颈封闭，利用球铁石墨化过程中产生的膨胀对铸件最后凝固部分进行补缩。2.4.1 冒口颈模数的计算此件整体模数为1.99cm。根据此件结构分析得知中间肋板处热节最大，根据热节圆法计算得关键模数M=2.6cm，冒口开在此位置。根据公式计算冒口颈模数2 ； (2-6)式中Mn铸件的关键模数；Ms冒口颈模数；L铸铁的熔化热(或结晶潜热)，209g/J；c铁液的比热容，0.835J (g)；tp浇注温度tp =1350。计算得M=1.15cm 。根据直接实用冒口颈模数和Ms的关系查出M=1.35cm。冒口颈尺寸的确定：根据查表计算初步确定冒口颈初步尺寸，再根据实际浇注条件及球铁凝固特点分析，利用计算机模拟浇注凝固过程，经多次修改冒口颈尺寸，最后确定冒口颈为梯形杆，尺寸分别为：a=50mm ，b=60mm ，h=35mm。为保证冒口颈适时封闭且无缩松出现，选择冒口颈长度为40mm。冒口颈具体形状如图2. 7所示。图2. 7 冒口颈截面2.4.2 冒口的尺寸的确定为了方便造型以及节省金属液，所以选择圆柱形的冒口。选择冒口模数M=2.5cm，根据圆柱形模数的计算公式：M=D/6 (2- 7)所以有D=6M=15cm。为了保证有足够的补缩通道，冒口底端直径设计为D=15cm，冒口窝高度为5cm。当浇注温度取1350、过热度200时，液态收缩为3.2%-3.6%，铸件体积为4.042103cm3。为了有足够的金属液来补充液态收缩，根据冒口尺寸校核有效高度应为H=8.5cm。最后分型面至冒口顶端距离为18 cm。冒口具体形状如图2. 8所示。图2.8 冒口示意图2.4.3 冒口合理性分析因为铸件为球铁，并且采用直接实用冒口，所以需考虑冒口有效补缩体积是否满足铸件的液态收缩。铸件浇注温度为1350，固相线温度为1148。过热度每增加100，液态收缩增加1.6%1.8%3，所以总液态收缩为3.23.6%。经液态收缩后，球铁凝固过程体积变化为（先共晶）膨胀收缩（共晶）膨胀持续收缩，最后具有净膨胀0.8%1%。根据计算机模拟显示冒口颈封闭时铸件未凝固区域占铸件体积的25%，此区域平均过热度按100计算，液态收缩率取1.8%。而先凝固部分可能已发生膨胀，则总体膨胀率选为0.6%，则当冒口颈封闭最后凝固部分收缩体积：V收缩=1.07881041.8%=194.18cm3冒口颈封闭后铸件总膨胀体积：V凝固=V件0.65%=4.0421040.65%=242.52cm4图2.9所示为冒口颈封闭时计算机模拟凝固图，根据图中显示其中剩余液相体积为10788cm3，中心液相温度为1155。所以计算的液态收缩量大于实际收缩量，而实际膨胀量要大于计算膨胀量，故凝固后可完全实现自补缩，消除缩松、缩孔等缺陷。图2. 9 冒口颈封闭时计算机模拟凝固图根据图2.10所示计算机模拟，Niyama值定为354时，采用直接实用冒口完全可以消除缩孔缩松缺陷达到设计要求，使工艺出品率达到90%以上。图2. 10 方案二niyama缩松图 2.5 工艺参数的确定2.5.1 铸件的尺寸公差及机械加工余量根据GB/T64141999铸件尺寸公差与机械加工余量4，铸件的尺寸公差等级为CT12，查得尺寸公差为11mm；根据铸型选择机械加工余量等级为RMAH，由零件的基本轮廓尺寸查得机械加工余量为7mm。考虑铸件因错箱和收缩率的选取存在误差，使铸出孔尺寸产生偏差，可通过采用工艺补正量和扩大机械加工余量等级方法消除。当采用工艺补正量方法时，铸出孔由圆孔变成椭圆孔，且制芯盒时椭圆不易机加工，所以不宜采用此方法。采用扩大加工余量等级，即孔的机械加工余量等级为RMAJ，加工余量为10mm。2.5.2 铸造收缩率此件属于受阻收缩，所以铸造收缩率选择0.9%。2.5.3 起模斜度根据JB 50151991铸件起模斜度5标准，金属模样高度，选取起模斜度为 1，选择增加铸件尺寸a=1mm。2.5.4 最小铸出孔为了方便造型和铸件机械加工的定位，零件上直径为40mm孔选择不铸出。2.5.5 铸造工艺简图铸造工艺简图如图2.11所示。(a)主视图 （b）俯视图 图2. 11 铸造工艺简图2.5.6 砂芯及芯盒设计2.5.7 制芯方法确定此件一共需要四种砂芯，利用砂芯可以形成孔及难成型部分。制芯选择树脂砂，手工冷芯盒法制芯6。2.5.8 砂芯工艺参数及结构设计此件一共需要五个型芯。具体位置关系如图2.12所示。1号芯可以形成凸环及内孔，两侧芯头可以对砂芯进行定位，利用2号芯压紧1号芯，防止其在浇注时漂芯；其余砂芯通过砂型压紧。 图2. 12 砂芯位置示意图2.5.9 芯盒选材 芯盒选用金属芯盒，由于采用手工制芯，砂芯尺寸不大，所以芯盒材质选用ZL103。其特点不生锈，光洁度好，易加工，重量轻，便于人工操作。2.5.10 芯盒简图1号芯盒简图如图2.13所示。图2. 13 1号芯盒简图2.6 模板设计2.6.1 模版类型根据砂箱尺寸，选用中等尺寸模板，为手工造型方便，模版选用装配式6。按结构选用单面模板中的坐标模板，其模底板上有许多坐标孔，模样带有定位销，并用螺钉紧固。此模样拆装方便，一块模底板可用于多种模样，大量节约模底板，从而降低成本。2.6.2 模版选材模底板材料应具有足够的强度，良好的耐磨性，抗震耐压，铸造和加工性能，所以模底板的材料选为QT501.5。为了使铸件表面光滑，模样材质选为ZL103。2.6.3 模版的定位装置模底板与砂箱之间采用直接定位，这种定位方式是模底板的定位销与砂箱的销套直接起定位作用，定位结构简单，误差小。定位销的材料选用钢45。销套的固定螺钉孔做成椭圆形，以便销套磨损后调整位置，其材料选用可锻铸铁。2.6.4 模版简图上模板简图如图2.14所示。 图2. 14 上模板图2.6.5 砂箱图2.6.6 砂箱选择根据铸造工艺课程设计手册7，毛胚铸件质量321.6kg，为了生产的方便，所以在砂箱尺寸的选择时，尽量选择常用砂箱。造型时采用树脂砂，上吃砂量取125mm，下吃砂量62mm，左右吃砂量为127.5mm，前后吃砂量为59mm，所以砂箱尺寸确定为1000mm1000 mm500mm，壁厚为15mm。根据以上尺寸确定，砂箱的材料选用球铁，因为球铁砂箱制造方便强度高，耐用。2.6.7 砂箱的定位砂箱采用定位销的方式来定位，造型时需与模板配合使用，且定位销尺寸相同，根据砂箱尺寸确定定位销直径为30mm。利用定位销对砂箱进行定位，如图2. 15所示。图2. 15 砂箱定位组合示意图2.6.8 砂箱的其它工艺参数通气孔均匀分布在砂箱周围，可以及时将铸型内气体排出。箱带、加强筋、箱耳、箱把、紧固方式及其他辅助设计如合箱图所示。为防止浇注时抬箱力过大，采用箱卡在砂箱四周对其进行夹紧。浇注时铁液产生升抬箱力为21.6kg。砂型与砂箱重力完全足够，不必采用压铁。2.6.9 合箱图合箱图如图2.16所示。（a）下箱图 （b）剖面图图2.16 合箱图零件名称钩型连杆材质QT450材料铸件重量（kg）铸件材质炉料每个毛坯可切零件数净重毛重浇注系统重27429532.6QT450铁锭、废钢1造型砂型名称砂型类型造型方法砂箱编号砂箱内部尺寸（mm）备注长宽高上箱树脂砂手工0110001000220下箱树脂砂手工0210001000280砂型树脂砂填砂干燥前干燥后芯撑编号次数编号次数浇注系统内浇道