论文-变速箱体的砂型铸造

1、 变速箱体的砂型铸造设计摘要：在本模、湿型及手工造型条件下，批量生产大型复杂铝合金变速箱体，在工艺设计方面，关键是根据产品结构与合金特性，设计确定造型工艺，计算确定浇注系统、冒口系统与冷铁；在生产方面，则要严格控制生产过程中的型砂性能、造型质量、原材料质量及合金熔炼与浇注工艺参数。这样的变速箱体工艺设计及生产过程控制方法才是合理有效的，才能在批量生产中获得高质量的铸件，以期望铸件工艺出品率达66.7，良品率达100%。关键词：变速箱体；砂型铸造；工艺设计 变速箱体，形状复杂且技术要求高，有气密性要求，铸件几何尺寸复杂，几何尺寸要求高。铸件表面及内在质量要求高；表面光滑、平整 表面粗糙度小。加工

2、基准面无任何缺陷，铸件表面、内腔飞边、毛刺要求高 。铸件不允许有粘砂、裂纹、砂眼、气孔、缩松等铸造缺陷，所以应用砂型铸造并配合一定的工艺设计和控制方法，是加工合理化有效化，获得高质量的铸件。1 铸造 1.1 铸造 铸造生产是机械制造工业中制做机械零件或者零件毛坯的重要方法。铸造是指制造铸型、熔炼金属，并将熔融金属液浇注到具有与零件形状相似的铸型型腔待其冷却凝固后，获得一定形状和性能的金属件（铸件）的方法。大多数铸件毛坯需要再经过切削加工制成机械零件。在一定工艺条件下，铸造也可以生产少削精密零件毛坯或无切削的零件。铸造成形实质上是利用熔融金属的流动性能实现成形的。当然，铸造作为一种方法也可以推广

3、到其它材料上的成形。例如，塑料件的成形等。 在汽车制造过程中，采用铸铁制成毛坯的零件很多，约占全车重量10左右，变速器箱体。制造铸铁件通常采用砂型。砂型的原料以砂子为主，并与粘结剂、水等混合而成。砂型材料必须具有一定的粘合强度，以便被塑成所需的形状并能抵御高温铁水的冲刷而不会崩塌。为了在砂型内塑成与铸件形状相符的空腔，必须先用木材制成模型，称为木模。炽热的铁水冷却后体积会缩小，因此，木模的尺寸需要在铸件原尺寸的基础上按收缩率加大，需要切削加工的表面相应加厚。空心的铸件需要制成砂芯子和相应的芯子木模(芯盒)。有了木模，就可以翻制空腔砂型(铸造也称为“翻砂”)。在制造砂型时，要考虑上下砂箱怎样分开

4、才能把木模取出，还要考虑铁水从什么地方流入，怎样灌满空腔以便得到优质的铸件。砂型制成后，就可以浇注，也就是将铁水灌入砂型的空腔中。浇注时，铁水温度在12501350度，熔炼时温度更高。 1.1.1铸造优缺点优点： 1） 可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯。如各种箱体、床身、机架等。2） 铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。3） 铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。 缺点： 1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性

5、能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2） 铸件质量不够稳定。1.2 砂型铸造 砂型铸造是以型砂为主要材料作为铸型，并依靠液态金属自身重量和流动性，在重力作用下填充铸型，进行铸件生产的工艺方法。砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法，其主要工序包括：制造模样，制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。 1.2.1分类 造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。 手工造型是全部

6、用手工或手动工具完成的造型工序。手工造型操作灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低，但其铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要求高，所以手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件。 根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、组芯造型；根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。 所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺。特种铸造一般能至少实现以下一种性能：提高铸件的尺寸精度和表面质量提高铸件的物理及力学性能，提高金属的利用率(工艺出品率)减少原砂消耗量，适宜高熔点、低流动性、易氧化合

7、金铸造，改善劳动条件，便于实现机械化和自动化 与普通砂型铸造不同的其他铸造方法统称为特种铸造，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、挤压铸造、实型铸造等。 1.2.2缺陷成形缺陷： 冷隔、浇不足、多肉、错移、抬箱、胀箱和变形等表面缺陷： 粘砂、涨砂掉砂、结疤和表面裂纹等内部缺陷： 缩孔、缩松、气孔、夹渣、砂眼、偏析、白口和内应力等。 砂型铸造的特点：操作灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低，但其铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要求高，所以手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件。 1.2 .3型砂 制造砂型的材料称为造型材料，用于制造砂型的材料习贯上称

8、为型砂，用于制造砂芯的造型材料称为芯砂。通常型砂是由原砂（山 砂或河砂）、粘土和水按一定比例混合而成，其中粘土约为9，水约为6，其余为原砂。有时还加入少量如煤粉、植物油、木屑等附加物以提高型砂和芯砂的 性能。型砂和芯砂的质量直接影响铸件的质量，型砂质量 不好会使铸件产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷。良好的型砂应具备下列性能：1) 透气性型：高温金属液浇入铸型后，型内充满大量气体，这些气体必须由铸型内顺利 排出去，型砂这种能让气体透过的性能称为透气性。否则将会使铸件产生气孔、浇不足等缺陷。铸型的透气性受砂的粒度、粘土含量、水分含量及砂型紧实度等因素 的影响。砂的粒度越细、粘土及水分含量越高、砂型

9、紧实度越高，透气性则越差2) 强度：型砂抵抗外力破坏的能力称为强度。型砂必须具备足够高的强度才能在造型、搬运、合箱过程中不引起塌陷，浇注时也不会破坏铸型表面。型砂的强度也不宜过高，否则会因透气性、退让性的下降，使铸件产生缺陷。3) 耐火性：高温的金属液体浇进后对铸型产生强烈的热作用，因此型砂要具有抵抗高温热作用的能力即耐火性。如造型材料的耐火性差，铸件易产生粘砂。型砂中SiO2含量越多，型砂颗粒越大，耐火性越好。4) 可塑性：指型砂在外力作用下变形，去除外力后能完整地保持已有形状的能力。造型材料的可塑性好，造型操作方便，制成的砂型形状准确、轮廓清晰。5) 退让性：铸件在冷凝时，体积发生收缩，型

10、砂应具有一定的被压缩的能力，称为退让性。型砂的退让性不好，铸件易产生内应力或开裂。型砂越紧实，退让性越差。在型砂中加入木屑等物可以提高退让性。 1.2.4 砂芯 为了保证铸件的质量，砂型铸造中所用的型芯一般为干态型芯。根据型芯所用的粘结剂不同，型芯分为粘土砂芯、油砂芯和树脂砂芯几种。1）粘土砂芯：用粘土砂制造的简单的型芯。2）油砂芯：用干性油或半干性油作粘结剂的芯砂所制作的型芯，应用较广。油类的粘度低，混好的芯砂流动性好，制芯时很易紧实。但刚制成的型芯强度很低，一般都要用仿形的托芯板承接，然后在200300的烘炉内烘数小时，借空气将油氧化而使其硬化。这种造芯方法的缺点是：型芯在脱模、搬运及烘烤

11、过程中容易变形，导致铸件尺寸精度降低；烘烤时间长，耗能多。3）树脂砂芯：用树脂砂制造的各种型芯。型芯在芯盒内硬化后再将其取出，能保证型芯的形状和尺寸的公差。根据硬化方法不同，树脂砂芯的制造一般分为热芯盒制芯、壳芯和冷芯盒制芯三种方法。热芯盒法制芯：50年代末期出现。通常以呋喃树脂为芯砂粘结剂，其中还加入潜硬化剂(如氯化铵)。制芯时，使芯盒保持在200300，芯砂射入芯盒中后，氯化铵在较高的温度下与树脂中的游离甲醛反应生成酸，从而使型芯很快硬化。建立脱模强度约需10100秒钟。用热芯盒法制芯,型芯的尺寸精度比较高，但工艺装置复杂而昂贵，能耗多，排出有刺激性的气体，工人的劳动条件也很差。壳芯采用覆

12、模砂热法制芯，砂芯强度高，质量好；冷芯盒法制芯：60年代末出现。用尿烷树脂作为芯砂粘结剂。用此法制芯时,芯盒不加热,向其中吹入胺蒸汽几秒钟就可使型芯硬化。这种方法在能源、环境、生产效率等方面均优于热芯盒法。70年代中期又出现吹二氧化硫硬化的呋喃树脂冷芯盒法。其硬化机理完全不同于尿烷冷芯盒法，但工艺方面的特点，如硬化快、型芯强度高等，则与尿烷冷芯盒法大致相同。4）水玻璃砂芯：用水玻璃做黏结剂 做的砂芯可分成以下几种：水玻璃CO2法、酯硬化水玻璃自硬法、水玻璃甲酸甲酯冷芯盒法。 1.2.4优势 砂型铸造的破碎机耐磨件在国内还是非常普遍的，像颚板、高铬板锤、破碎壁、轧臼壁等等，因为在破碎机设备中，作

13、为一种比较大的耐磨铸件，相对来说精确度不是很高，特别如颚板，出来的成品几乎不用车床打磨，破碎壁、轧臼壁、辊皮之类的也只是铸件的部分地方需要车床打磨，所以特别适合用砂型铸造，因为砂型铸造的颚板、高铬板锤、破碎壁、轧臼壁、辊皮等等这些破碎设备的耐磨件比其他如消失模铸造工艺的产品耐用20%以上。但是消失模铸造具有尺寸精度高，加工余量小，干砂落砂方便，清理打磨工作量减少50%以上，节约劳动成本，因此消失模铸造的价格相对较低。 砂型铸造是铸造工艺中的一种，砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，

14、一直是铸造生产中的基本工艺。目前，国际上，在全部铸件生产中，6070%的铸件是用砂型生产的，而且其中70%左右是用粘土砂型生产的。 主要原因在于：砂型铸造较之其它铸造方法成本低、生产工艺简单、生产周期短。所以像汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件都是用粘土湿型砂工艺生产的。当湿型不能满足要求时再考虑使用粘土砂表干砂型、干砂型或其它砂型。粘土湿型砂铸造的铸件重量可从几公斤直到几十公斤，而粘土干型生产的铸件可重达几十吨。因砂型铸造具有以上的优势，所以，其在铸造产业中应用越来越广泛。未来，其将会在铸造业中扮演着越来越重要的角色。 1.2.5 工艺过程 砂型铸造用的是最流行和最简单类型的铸件已延用几

15、个世纪.砂型铸造是用来制造大型部件，如灰铸铁，球墨铸铁,不锈钢和其它类型钢材等工序的砂型铸造。其中主要步骤包括绘画，模具，制芯，造型，熔化及浇注，清洁等。1制图 传统方法是取得铸造图纸然后把图纸送往铸造厂。这一过程可以在报价中完成。如今，越来越多的客户及铸造厂商使用电脑辅助设计以代替。2模具 在砂型铸造中模具是使用木头或者其他金属材料制成。在这个过程中，我们要求我们的工程师，使模具尺寸略大于成品，其中的差额称为收缩余量。其中目的是熔化金属向模具作用以确保熔融金属凝固和收缩，从而防止在铸造过程中的空洞。3制芯 制芯只要通过把树脂砂粒置于模具中，以形成内部表面的铸件。因此芯与模具之间的空隙最终成为

16、铸造。4成型 在熔炼成型过程中需要准备一付模具。成型通常涉及模具的支承构架，拉出模具使其在浇铸过程中分离，在先前放置的芯在模具中融化然后关闭模具口。5清洁 清洁的目的是去除砂粒, 打磨以及铸件中过剩的金属。焊接, 除砂能够改善铸件表面外观被烧毁的砂土和规模都拆除，以改善表面外观的铸造。过量金属及其他冒口被清楚。再近一步焊接打磨等步骤。最后检查其缺陷及综合质量。6整理 发运前，再加工。根据不同客户的要求可以为其再做热处理，表面处理，额外的检查等。 图一、砂型铸造基本工艺过程2 变速箱体 2.1 某变速箱体条件 尺寸：铸件外形尺寸为887 mm868 mm490 mm，主要壁厚为10 mm，材质为

17、ZL104，质量为120kg；铸件尺寸公差等级CT9. 工作条件：变速器齿轮经常在高转速、高负荷、转速和负荷不断交变的情况下工作，若同步器环损坏，会造成打齿；变速箱的负载重；换挡冲击力大，且档位操纵多。 性能要求：足够的强度，耐压性好，热脆性小，热裂性，耐腐蚀，封闭结构能防尘防来保护各零件的精度。 变速箱的材料：灰铸铁，铸造铝合金，系合金 2.2 结构 图二、变速箱体工艺简图3 铸造工艺 3.1 工艺设计铸造工艺设计包括： 1选择铸造方法或造型方法； 2铸件的浇注位置和分型面位置，型芯和芯头结构； 3加工余量、收缩率和拔模斜度等工艺参数； 4浇注系统、冒口和冷铁的布置等；所确定的工艺方案用文字

18、和铸造工艺符号在零件图上表示出来，绘制铸造工艺图 变速箱体铸件结构及工艺性分析认为，该件工艺性较差：铸件外形尺寸较大，呈s形结构；内部由4个腔室构成，其中之一贯通整个铸件，该件在现有生产条件下须由外模及多个型芯组合才能形成其内外结构，型芯制造质量及其组合精度是保证铸件形状及尺寸准确性的关键；铸件内外多处设有油道、轴孔、螺孔等，局部厚度达大，并且互不相连成片，采用顺序凝固方式，个别部位采用同时凝固方式，设置冒口与冷铁避免热节部位产生缩孔(松)缺陷，是保证铸件气密性的关键。因此，确定工艺方案如下。 3.2浇注位置、分型面的选择 如图二，浇注位置为零件的台箱面向下，造型工艺采用3箱造型，铸件全部置于

19、中箱，7个主要型芯组合形成铸件内外形状复杂部位，其中2号芯与4号芯由机加成形的钢质芯头(兼作冷铁)定位，以保证定位精度；7号芯的作用主要是方便中箱合箱操作。所有芯头与芯座之间的间隙为0.5mm. 3.3 浇注系统 铸件的造型位置由分型面决定，而铸件的浇注位置与造型位置通常是一致的。浇注位置和分型面对铸件质量及铸造工艺都有很大影响。 选择原则：着眼于控制铸件的凝固顺序；估计到铸件发生缺陷的可能 两组浇注系统对称布置在铸件两侧，避免局部过热，浇注系统为底注、开放式，并采用双向、搭接式结构，阻流断面直浇道计算如下。 图三、 变速箱体工艺简图 式中 F直直浇道最狭处总断面积，cm2 G通过直浇道最狭处

20、的浇洼质量，kg t浇注时间， s系数，依铸件壁厚确定，取s=3，6 H平均压头，cm， H0内浇道以上的直浇道高度，cm h0内浇道以上的铸件高度，cm h铸件高度，cm n一系数，通常取0.04-0.07，取n=0.06 代人相应的物理参数，即可求得 F自=183 cm2 经计算，直浇道断面尺寸约为直径34mm，为防止涡流现象，浇注系统其它组元应有较强的稳流、缓冲和撇渣能力。根据生产经验，浇注系统各组元断面比为 F直：F横：F内=1：3.4：2.9由此计算得出横浇道以及内浇道总面积为62.2cm2和53.1cm2，浇注系统见图四。 图四、浇注系统 3.4 冒口系统与冷铁 铸件材质为属共晶合

21、金，易形成集中性缩孔。在铸件顶部热节处，按顺序凝固原则，使用冒口或冒口加冷铁的方法控制铸件的凝固顺序及提高冒口的补缩能力以防止铸件缩孔、缩松缺陷。铸件顶部热节直径为30 rm，计算求得顶冒口尺寸为45 mm140mm160mm。 铸件内腔油道、螺孔等局部厚大且难以设置冒口的部位，使用冷铁加大其冷却速度，促成同时凝固条件防止缩孔、缩松。冷铁材质为铸铝或钢板，其厚度为被激冷处铸件壁厚的0.8l倍。 3.5 其它工艺参数铸造收缩率为1，机加余量为56 mm，工艺补正量为15mm。4 生产过程 4.1模板与芯盒模板与芯盒皆为优质柏木制作，一级品质标准。模底板为钢质。模样与模底板用螺栓联接与柱销定位，模样及芯盒表面刷聚氨脂清漆。 4.2型(芯)砂配制型、芯砂采用粘