铸造工艺设计说明书.doc

南南 昌昌 大大 学学 NanchangNanchang UniversityUniversity 铸造工艺课程设计说明书铸造工艺课程设计说明书 姓姓 名 名 向向 立立 院院 系 系 机机 电电 工工 程程 学学 院院 专专 业 业 材料成型及控制工程材料成型及控制工程 学学 号 号 59012070845901207084 设计题目 设计题目 发发 动动 机机 连连 杆杆 指导教师 指导教师 刘刘 勇勇 目目 录录 一 一 铸件工艺考核铸件工艺考核 1 1 零件生产条件及技术要求零件生产条件及技术要求 1 2 零件结构分析零件结构分析 1 3 技术要求分析技术要求分析 二 二 铸造工艺方案的确定铸造工艺方案的确定 2 1 造型 制芯方法的选择造型 制芯方法的选择 2 2 铸型种类的选择铸型种类的选择 2 3 浇注位置和分型面的确定浇注位置和分型面的确定 2 4 砂箱 型 中铸件的数量及排列情况砂箱 型 中铸件的数量及排列情况 三 三 铸造工艺参数的确定铸造工艺参数的确定 3 1 铸件尺寸公差等级以及机械加工余量铸件尺寸公差等级以及机械加工余量 3 2 铸件重量公差铸件重量公差 3 3 铸造收缩率铸造收缩率 3 4 起模斜度起模斜度 3 5 最小的铸出孔和槽最小的铸出孔和槽 四 四 砂芯设计砂芯设计 4 14 1 芯头设计芯头设计 4 24 2 芯头尺寸芯头尺寸 4 34 3 压环与集砂槽压环与集砂槽 4 44 4 芯骨芯骨 五 五 浇注系统的设计浇注系统的设计 5 1 浇注时间浇注时间 5 2 最小 阻流 截面积计算最小 阻流 截面积计算 5 3 浇注系统的具体结构浇注系统的具体结构 六 六 冒口与冷铁的设计冒口与冷铁的设计 6 16 1 冒口的设计与计算冒口的设计与计算 6 26 2 冒口的设计校核冒口的设计校核 6 36 3 冷铁的设置冷铁的设置 七 七 铸造工艺装备设计铸造工艺装备设计 7 17 1 模样设计模样设计 7 27 2 模板设计模板设计 7 37 3 芯盒设计芯盒设计 八 结束语八 结束语 九 九 参考文献参考文献 1 铸件工艺考核铸件工艺考核 1 1 零件生产条件及技术要求零件生产条件及技术要求 1 零件名称 发动机连杆 2 生产性质 大批量生产 3 材质 ADC12 铝合金 4 结构及使用条件 连杆在发动机运转中需要承受与巨大的冲击力与 交变载荷 连接活塞和曲轴 将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运 动 零件轮廓尺寸为 158mm 78mm 30mm 重约 0 22Kg 铸件主要 壁厚为 8mm 壁厚基本均匀 为长板类结构 具体尺寸及结构见图 1 1 且圆孔端面及内孔面为加工面 图图 1 1 零件结构及尺寸示意图 1 2 零件结构分析零件结构分析 1 2 1 从避免缺陷方面分析铸件结构 1 铸件应有合适的壁厚 1 铸件的最小壁厚 为了避免浇不到 冷隔等缺陷 铸件不应太 薄 铸件的最小允许壁厚与铸造的流动性密切相关 在普通砂型铸造 的条件下 铸件最小允许壁厚见表 1 1 表表 1 1 铸件最小允许壁厚 引 1 表 6 5 铸件轮廓尺寸 mm 合金 种类 5050 100100 200200 400200 600600 800 铝合金334 55 66 88 10 黄铜667788 锡青铜356788 查得铝合金铸件在 100 200mm 的轮廓尺寸下 最小允许壁厚为 4 5mm 2 铸件的临界壁厚 厚壁铸件易于产生锁孔 疏松 晶粒粗大 偏 析等缺陷 从而使铸件的力学性能降低 因此 铸件壁厚不应设计得 太厚 一般可取临界壁厚为最小允许壁厚的 3 倍 即 12 15mm 2 铸件内壁应薄于外壁 因为此铸件不存在内壁 因而不予考虑 3 注意壁厚过渡和圆角 不合理的结构会造成铸件严重的应力集中和收缩阻碍 常导致裂纹缺 陷 因此 铸件薄 厚壁的相接 拐弯都应采取过渡和转变的形式 并应使用较大的圆角相连接 避免应力集中系数过大 在所给零件图 中 需设置圆角过渡 见图 1 2 图图 1 2 壁厚的圆角过渡 经查表 1 2 得 其中 50 a 8mm b 4mm 则 a b 2 6 8 因是铝合金铸件 可同选 R 4mm 表表 1 2 铸造内圆角过渡尺寸 引 2 表 1 5 R 值 mm 内圆角 a 50 51 75 76 105 106 135 a b 2 钢铁钢铁钢铁钢铁 8 44446486 9 12444466108 4 壁厚力求均匀 减少肥厚部分 防止壁的接头形成过大热节 因上述结构不存在不必要的肥厚部分 因此不予考虑 5 利于补缩和实现顺序凝固 凝固体收缩大 易产生缩孔的合金 要注意实现顺序凝固的可能 可 通过冒口 冷铁的设计来实现 6 防止铸件翘曲变形 某些壁厚均匀的细长形铸件以及平板形铸件 会产生翘曲变形 可在 进行热处理时予以矫正 7 避免浇注位置上有水平的大平面结构 同样 因为铸件属平板类结构 且高度较低 暂不予考虑 1 2 2 从简化铸造工艺方面改进铸件结构 可从改进凸台 凸缘结构 简化模具制造方面改进 因为零件结构较 为简单 且具有一定对称性 因此暂不予以改变 1 3 技术要求分析技术要求分析 1 按零件结构特征 加工面处在粗加工之前 需留有加工余量 2 按照零件使用条件 发动机连杆需具备一定的抗拉强度 需进行热 处理 热处理代号为 GB T1173 1995 T6 即固溶处理 淬火 加完 全人工时效 并在热处理时予以矫正变形 这样可使合金的抗拉强度 最高而塑性稍低 3 铸件应保证壁厚均匀 无气孔 砂眼 夹渣 粘砂等缺陷 铸件成 形后应进行清理 保证表面平整 并在非加工面涂以铜色保护漆 2 铸造工艺方案的确定铸造工艺方案的确定 2 1 造型 制芯方法的选择造型 制芯方法的选择 1 造型方法 该零件需批量生产 为中小型铸件 应创造条件采用技 术先进的机器造型 暂选取水平分型脱箱射压造型机 型号为 AMF H 05 2 制芯方法 同样应和生产批量与铸件砂芯特点相适应 因此选用机 器制芯 暂选 Z236A 震实制芯机 2 2 铸型种类的选择铸型种类的选择 优先选用粘土湿砂型 简称湿型 铸件为扁平的小铸件 适合湿型铸造法 其基本特点是砂型 芯 无 需烘干 不存在硬化过程 且生产灵活 生产率高 2 3 浇注位置和分型面的确定浇注位置和分型面的确定 2 3 1 浇注位置选择原则 1 浇注位置应有利于所确定的凝固顺序 而且要有利于铸件的补缩以 及冒口的安放 2 铸件的重要部分应尽量置于下部 3 重要加工面应朝下或呈直立状态 4 应使铸件的大平面朝下 5 应保证铸件能充满 6 应使合型位置 浇注位置和铸件冷却位置相一致 2 3 2 分型面选择原则 1 应使铸件全部或大部置于同一半型内 2 应尽量减少分型面的的数目 3 分型面应尽量选用平面 4 分型面通常选在铸件的最大截面处 尽量不使砂箱过高 2 3 3 确定方案 方案一 如图 2 1 将铸件大部分 重要部分 置于下部 且分型面 为最大截面 孔为重要加工面 呈直立状态 此方案容易保证浇注质 量 使其金相组织均匀 减少不必要的缺陷 图图 2 1 分型面为最大截面 方案二 如图 2 2 上下砂箱对称分布 圆柱两端面为重要加工面 呈竖直状态 减少气孔与非金属夹杂物等缺陷 使其表面光洁 出现 缺陷的可能性较小 但此方案不便于起模 图图 2 2 上下砂箱对称分布的分型面 综合以上 选取方案一 2 4 砂箱 型 中铸件的数量及排列情况砂箱 型 中铸件的数量及排列情况 2 4 1 吃砂量的确定 由于之前确定造型方法为机器高压造型 因此选取的吃砂量要比其他 造型方法大一些 表 2 1 为高压造型模样的吃砂量 表表 2 1 模样的吃砂量确定 引 1 表 6 23 模样高度 mm模样间距 mm模样与砂箱壁距离 mm备注 25 25 3040 50 25 5025 5045 60 5051 7050 70 薄壁件取下限值 厚实件取上限值 因此 模样高度在 25 50mm 范围内 选取模样间距为 50mm 模样 与砂箱壁的距离为 60mm 而直浇道据铸件的距离 因为重量小于 5Kg 查 铸造工程师手册 表 6 20 取 60mm 2 4 2 砂箱内铸件数量与排列 为使得浇注系统便于安排 充分利用砂箱面积 铸件在砂箱内做对称 排列 已知铸件的轮廓尺寸约为 160mm 80mm 而初始确定造型方 法时 选取的 AMF H 05 水平分型脱箱射压造型机的最大砂型 尺寸为 500mm 400mm 因此经过计算得出 一个砂箱 型 内布置 4 个铸件 做对称排列 如图 2 3 图图 2 3 铸件在砂箱内的数量与排列 3 铸造工艺参数的确定铸造工艺参数的确定 3 1 铸件尺寸公差等级以及机械加工余量铸件尺寸公差等级以及机械加工余量 1 尺寸公差等级 查表 3 1 铸件材料为铝合金 因此选取轻金属合金以及砂型机器造 型 取定成批量和大量生产铸件的尺寸公差等级为 7 9 取中为 8 表表 3 1 铸件的公差等级 引 1 表 6 25 公差等级 铸造工艺方法 铸钢 灰铸 铁 球墨铸 铁 可锻铸 铁 铜合 金 锌合 金 轻金属合 金 砂型手工造型 11 13 11 1311 1311 1310 129 11 砂型机器造型及 壳型 8 108 108 108 108 107 9 金属型7 97 97 97 97 96 8 2 机械加工余量等级 查表 3 2 得 铸件材料为铝合金 选取轻金属合金以及砂型机器造型 取定机械加 工余量等级为 E G 取中为 F 表表 3 2 铸件的机械加工余量等级 引 1 表 6 33 要求的机械加工余量等级 铸件材料 方法 钢 灰铸 铁 球墨铸 铁 可锻铸 铁 铜合 金 锌合 金 轻金属合 金 砂型手工造型G KF HF HF HF HF HF H 砂型机器造型及 壳型 F HE GE GE GE GE GE G 3 机械加工余量 查表 3 3 得 铸件最大尺寸为 160mm 在 160 250mm 之间 选取等级为 F 的机械 加工余量为 2mm 表表 3 3 铸件的机械加工余量 引 1 表 6 32 最大尺寸要求的机械加工余量等级 大于至ABCDEFGHJK 40 63 100 160 250 40 63 100 160 250 400 0 1 0 1 0 2 0 3 0 3 0 4 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 7 0 2 0 3 0 4 0 5 0 7 0 9 0 3 0 3 0 5 0 8 1 0 1 3 0 4 0 4 0 7 1 1 1 4 1 4 0 5 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 0 5 0 7 1 4 2 2 2 8 3 5 0 7 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 1 0 1 4 2 8 4 0 5 5 7 0 1 4 2 0 4 0 6 0 8 0 10 0 4 铸件尺寸公差数值 查表 3 4 得 毛坯铸件孔的高度的基本尺寸为 30 2 2 34mm 在 25 40mm 之间 因此在 CT 8 中选取尺寸公差数值为 1 3 并对称分布 毛坯铸件孔径大小的基本尺寸为 22 2 2 18mm 在 16 25mm 之间 因此在 CT 8 中选取尺寸公差数值为 1 2mm 并对称分布 表表 3 4 铸件的尺寸公差 引 1 表 6 30 铸件基本尺 寸 mm 铸件尺寸公差等级 CT 大于至123456789101112 10 16 10 16 25 0 09 0 1 0 11 0 13 0 14 0 15 0 18 0 2 0 22 0 26 0 28 0 30 0 36 0 38 0 42 0 52 0 54 0 8 0 74 0 78 0 82 1 1 1 1 2 1 5 1 6 1 7 2 2 2 2 4 2 8 3 0 3 2 4 2 4 4 4 6 25 40 40 63 0 12 0 13 0 17 0 18 0 24 0 26 0 32 0 36 0 46 0 50 0 64 0 70 0 9 1 1 3 1 4 1 8 2 2 6 2 8 3 6 4 5 5 6 3 2 铸件重量公差铸件重量公差 1 铸件重量公差等级 查表 3 5 得 铸件属于轻金属合金 且为机器造型 故选取成批和大量生产铸件的 重量公差等级为 7 9 取中为 8 表表 3 5 铸件的重量公差等级 引 1 表 6 30 重量公差等级 MT 工艺方法 铸钢 灰铸 铁 球墨铸 铁 可锻铸 铁 铜合 金 锌合 金 轻金属合 金 砂型手工造 型 11 1 3 11 1311 1311 1310 129 11 砂型机器造 型 8 108 108 108 108 107 9 2 铸件重量公差数值 查表 3 6 得 铸件重量为 0 22Kg 小于 0 4Kg 在重量公差等级 MT8 中选取铸件重 量公差数值为 16 表表 3 6 铸件的重量公差数值 引 1 表 6 29 12345678910 0 4 568101214161820 0 4 1 45681012141618 3 3 铸造收缩率铸造收缩率 查表 3 7 得 ADC12 铝合金属于铝 硅合金 自由收缩率为 1 0 1 2 受阻收缩率 为 0 8 1 0 而通常简单的厚实铸件可视为自由收缩 因此选取铸造收 缩率为 1 0 表表 3 7 铸件收缩率 引 1 6 34 铸件收缩率 合金种类 自由收缩受阻收缩 无锡青铜2 0 2 21 6 1 8 硅黄铜1 7 1 81 6 1 7 铝硅合金1 0 1 20 8 1 0 3 4 起模斜度起模斜度 根据铸件的分型特点 起模斜度取法如 图 3 1 由于选用金属模样 查表 3 8 及 3 9 得 选择外表面起模斜度 a 值为 0 6 mm 内表面 a 值为 0 4mm 图 3 1 起模斜度取法示意 重 量 公 差 等 级 MT 重 量 公 差 数 值 公 称 重 量 K g 表表 3 8 外表面起模斜度 引 1 表 6 35 起模斜度 金属模样 塑料模样木模样 测量面高度 H mm aa mmaa mm 102 20 0 4 2 55 0 6 10 40 1 10 0 8 1 25 1 0 表表 3 9 内表面起模斜度 引 1 表 6 35 起模斜度 金属模样 塑料模样木模样 测量面高度 H mm aa mmaa mm 104 35 0 8 5 45 1 0 10 40 2 20 1 6 2 50 2 0 3 5 最小的铸出孔和槽最小的铸出孔和槽 在大批量生产时 灰铸铁件的最小铸出孔直径为 12 30mm 而铝合金的最小铸出孔直径要比灰铸铁的最小铸孔直径要小 在此铸件中 孔的直径为 18mm 因此选择铸出 4 砂芯设计砂芯设计 根据铸件浇注位置 分型面以及内腔的形状 确定在此铸件中只需设计一个砂芯就可达到 铸造工艺要求 具体结构见图 4 1 4 14 1 芯头设计芯头设计 选择垂直芯头 并设置压环以及集砂槽 图图 4 1 芯头结构与尺寸 4 24 2 芯头尺寸芯头尺寸 1 垂直芯头的尺寸包括其长度 斜度以及芯头与芯座之间的间隙 根据铸型种类为湿型 芯头直径小于 50mm 查 铸造工程师手册 表 6 50 垂直芯头与芯座之间的间隙 S 取 0 5 2 查表 6 52 砂芯长度取 34mm 在 31 50mm 之间 因此下芯头 高度 h 选取 20 25mm 这里取 h 为 20mm 由下芯头高度 h 查得上芯 头高度 h1为 15mm 但在成批大量生产时 一般选取和下芯头相同的 高度 因此这里也选取 h1为 20mm 3 查表 6 51 由 h 选取上 下芯头的 a 值分别为 3mm 1 5mm 4 34 3 压环与集砂槽压环与集砂槽 为了快速下芯 合型及保证铸件质量 在 芯头的模样上常常做出压环和集砂槽 查 表 6 55 得出 e 1 5mm f 3mm r 1 5mm 具体结构示意如图 4 2 图图 4 24 2 压环与集砂槽尺寸 4 44 4 芯骨芯骨 对于小砂芯或砂芯的细薄部分 通常采用易弯曲成形 回弹性小的退 火铁丝制作芯骨 可防止砂芯在烘干过程中变形或干裂 5 浇注系统的设计浇注系统的设计 铸件为铝合金铸件 属于轻金属合金 为保证充型过程平稳 不发生 涡流 飞溅和冲击现象 最好能以近乎层流的方式充型 而且要尽可 能缩短充型时间 撇渣能力要强 并有利于补缩 因此 根据铸件结 构以及性质 采用开放式浇注系统 选用中间注入式浇注系统 5 1 浇注时间浇注时间 因铸件为轻金属合金 因此采用 铸造工程师手册 中经验公式计算 AGn 其中 为浇注时间 G 为浇注金属质量 A 与 n 为系数 经查表 6 68 铝合金的 n 与 A 分别取 0 387 与 2 4 浇注金属质量约 为 1 3 4 0 22 1 144kg 代入经验公式得 浇注时间 为 2 53s 5 2 最小 阻流 截面积计算最小 阻流 截面积计算 因为是轻金属合金 因此选取直浇道下端为阻流 按 计算 式中 G 浇注金属液重量 G 1 144 kg 由浇口杯液面到阻流截面间的流量系数 取 0 5 铝合金液密度 2 67 g cm3 g 重力加速度 980 cm s2 H 浇口杯内液面到阻流截面的高度 H H0 P2 2C H 的计算公式中 H0为阻流截面以上的金属压力头 这里由于选用砂 箱高度为 150mm P 为阻流以上的型腔高度 为 11mm C 为铸件的总 高度 为 34mm 经计算得 H 为 148 22mm 代入以上数据 得 最小截面积为 FA 1 98 10 4m2 这里取为 2cm2 5 3 浇注系统的具体结构浇注系统的具体结构 开放式浇注系统的浇口比为 F直 F横 F内 1 2 4 直浇道下端直径查 铸造工程师手册 6 88B 取 d 16mm S 2cm2 横浇道按照铸造方案 横浇道为 2 条分流 则每 一条横浇道横截面积为 2cm2 同样查表 6 89 选取横浇道截面为梯形 截面 上底为 12mm 下底为 15mm 高度为 15mm 内浇道按铸造方案 暂选取为 4 条 则每一条横截面积也为 2cm2 同样查表 6 91 选取内浇道截面为扁平梯形截面 上底为 30mm 下底 为 33mm 高度为 6 5mm 如图 5 1 为具体尺寸标注 图图 5 15 1 浇口截面与尺寸示意 其中 内浇道四条 全部布置在分型面以下 且重迭在横浇道上方 横浇道两条 全部布置在分型面以下 并用横浇道的顶面以及末端延 长段粘附和储留渣滓 直浇道一条 不设分直浇道 采用圆锥形结构 6 6 冒口与冷铁的设计冒口与冷铁的设计 6 16 1 冒口的设计与计算冒口的设计与计算 现采用模数法进行冒口的设计与计算 需满足以下原则 顺序凝固 1 冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间 2 有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩 补偿浇注后 型腔扩大的体积 3 在凝固期间 冒口和被补缩部位之间存在补缩通道 扩张角向 着冒口 为满足此条件 有 VC VR VS VR 式中 VC VR VS 铸件体积 冒口体积和因型壁移动而扩大的体积 VC 值对舂砂紧实的干型近似为零 对受热后易软化的铸型或 松软的 湿型 应根据实际情况确定 金属从浇完到凝固完毕的体收缩率 取 6 冒口的补缩效率 补缩体积 冒口体积 100 取 13 代入数据计算得 VR 60 57cm3 暂取 VR 为 65cm3 而其密度为 2 7g cm3 那么冒口重量为 175g 参考铸钢件冒口模数和重量的设计计算 查表 6 1 表表 6 16 1 铸钢件冒口模数和重量的设计计算 选用普通圆柱形明冒口 取 H D 2 斜度 1 20 则 K1 0 2175 K2 13 68 由上表公式得 D 24 4mm M 5 26mm 6 26 2 冒口的设计校核冒口的设计校核 现采用补缩液量法对冒口进行校核 Dr 冒口直径 T 铸件壁厚 d0 冒口中缩孔球直径 直径为 d0的球体积应等于铸件的总体积收缩 即有 d03 6 VC VC 30 56 15 25200mm3 那么 d0 14 24mm Dr 14 24 10 24 24mm 所以上述冒口设计合理 并只采用一个冒口 6 36 3 冷铁的设置冷铁的设置 冷铁起增加铸件局部冷却速度的作用 因铸件较小 而且铝合金冷却 速度较快 不需要额外设置冷铁以增加局部冷却速度 7 7 铸造工艺装备设计铸造工艺装备设计 7 17 1 模样设计模样设计 7 1 17 1 1 模样材质的选择 在大量 成批生产中 选择金属模样 材料为铝合金 ZL202 7 1 27 1 2 模样的结构设计 因铸件存在分模面 所以采用以分型面为分模面的分开式模样 又因 为 其高度在 30mm 左右 因此采用实心模样 7 1 37 1 3 模样的尺寸 按自由收缩率 1 的缩尺进行计算 Lm L 1 K 具体见模板装配图 7 27 2 模板设计模板设计 7 2 17 2 1 模板类型的确定 根据铸件模样结构 小型铸件 与造型机选用 选择 ZL101 铸铝单面 模板 7 2 27 2 2 模板尺寸的确定 根据造型机砂型最大尺寸 500mm 400mm 模底板的尺寸大小定为 550mm 450mm 两边各加两倍的砂箱边宽 模底板高度因为是铸铝 模板 因此取为 30 到 90mm 这里取 70mm 壁厚取 20mm 模底板厚度 亦取为 20mm 模底板下设加强肋 厚度则为壁厚的 80 到 100 即 16 到 20mm 根部厚度为 20mm 底部厚度为 16mm 为 2 2 矩形交错 结构布置 高度一般取为 50mm 7 2 37 2 3 模板装配的要求 详见模板装配图 采用销 螺钉 螺栓等定位和紧固 且上下模样必须定为准确 模板需设置吊轴以及与砂箱定位的紧固耳 其中直浇道模样与模板的不采取紧固 起模前从砂型上方拔出 7 37 3 芯盒设计芯盒设计 7 3 17 3 1 芯盒类型的确定 在大批量生产机械装备时 大多采用金 属芯盒造芯 在此选用水平对开式 材 料为 ZL102 芯盒结构大体见图 7 1 7 3 27 3 2 芯盒结构与尺寸的确定 1 壁厚与加强肋 图图 7 17 1 水平对开式芯盒结构 根据铸件特点及制芯机工作台尺寸 500mm 800mm 采取一盒四芯 制芯 砂芯在芯盒内两边对称分布 内腔尺寸取 1 0 缩尺 芯盒平均尺寸大约为 120mm 80mm 小于 300mm 查 砂型工艺装备 设计手册 表 4 6 得 芯盒本体壁厚取 t 为 6mm 加强肋根部厚度 K 取为 5mm 芯盒壁圆角 R 取 5mm 加强肋高度由于不得低于壁厚的 3 倍 因此取加强肋高度为 20mm 查表 4 7 得 取加强肋斜度为 1 30 2 凸缘及耐磨护板 1 为了提高芯盒本体的强度和高度 便于合 盒 起芯等操作 设置加厚的凸缘 现采用如图 7 2 形式的凸缘 查表 4 8 得 暂取 E 为 20mm 取 r 为 5mm H 则取 20mm 图图 7 27 2 凸缘尺寸 2 为了防止磨损 延长芯盒使用寿命 在铝质芯盒的凸缘面上还应假设耐