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蜗轮箱砂型铸造工艺设计,蜗轮,砂型,铸造,工艺,设计
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铸造工艺课程设计说明书设计题目蜗轮箱工艺设计学 院年 级专 业学生姓名学 号指导教师铸造工艺课程设计说明书I目目 录录1 1 前前 言言.11.1 本设计的目的、意义.11.1.1 本设计的目的.11.1.2 本设计的意义.11.2 本设计的技术要求.11.3 本课题的发展现状.11.4 本领域存在的问题.21.5 本设计拟解决的关键问题.22 2 设计方案设计方案.32.1 蜗轮箱结构特点及技术要求.32.1.1 零件结构特点.32.2 零件技术与质量要求.42.2.1 技术要求.42.2.2 化学成分.42.2.3 质量要求.52.3 造型方法.52.4 浇注位置的选择.52.5 分型面的选择.63 3 工艺设计参数及砂芯设计工艺设计参数及砂芯设计.83.1 铸造工艺参数的确定.83.1.1 铸件尺寸公差.83.1.2 铸件重量公差.83.1.3 铸造收缩率.83.1.4 机械加工余量.93.1.5 起模斜度.103.1.6 铸造收缩率.103.1.7 最小铸出孔及槽.103.2 砂芯设计.113.2.1 砂芯的确定.113.2.2 砂芯的固定.123.2.3 芯头的设计.124 4 浇注系统设计浇注系统设计.13铸造工艺课程设计说明书II4.1 浇注系统的类型.134.2 浇注时间.144.3 浇注系统尺寸的确定.144.3.1 平均压力头的计算.144.3.2 核算剩余压力头.15MH4.3.3 各浇道口截面积计算.154.4 各浇道口大小.154.4.1 直浇道.154.4.2 横浇道.164.4.3 内浇道.164.5 冒口的设计.164.5.1 冒口模数的计算.174.5.2 冒口尺寸的确定.175 5 模样、芯盒及砂箱设计模样、芯盒及砂箱设计.185.1 模样及模板.185.2 砂箱的选择.195.3 芯盒.196 6 结结 论论.21致致 谢谢.22参参 考考 文文 献献.23铸造工艺课程设计说明书11 前 言1.1 本设计的目的、意义1.1.1 本设计的目的本设计的目的是对灰铸铁件蜗轮箱的铸造生产过程进行铸造工艺设计，并对设计进行优化，通过铸造工艺的设计最终能够获得合格的铸件，让铸件能够有更好的性能，从而提高使用寿命等。1.1.2 本设计的意义通过设计这一实践性教学环节，培养学生独立思考力，熟悉并系统地掌握铸造工艺与工艺设备的设计方法及设计能力；学会并掌握液态成型工艺设计过程；通过所学专业知识，提高运算、设计绘图能力及查阅技术资料的技能；培养学生分析、解决液态成型工艺问题的能力。1.2 本设计的技术要求（1）铸件材质为 HT200。（2）化学成分：符合 GB/T 1173-1995 规定。（3）铸件尺寸公差等级符合 GB/T 6414-1999 CT10 要求。1.3 本课题的发展现状在现代机械制造工业中，铸造是基础工艺之一，因此铸造业的发展是一个国家的生产实力的重要标志。可以说，在“十五”期间，我国的铸造机械行业有了很快的发展。 “十二五”期间，乃至今后一个历史时期，在国际、国内这两个巨大市场需求的刺激下，铸造仍然可以以较高的速度发展1。因为与市场需求相比，铸造机械产品的技术水平仍然存在较大的差距，所以铸造行业仍然存在巨大的发展潜力和发展空间，这也是铸造行业快速增铸造工艺课程设计说明书2长难得的机遇2。1.4 本领域存在的问题面对全球，信息、技术飞速发展，机械制造业尤其是装备制造业的现代化水平高速提升，中国铸造业当清醒认识自己的历史重任和与发达国家的现实差距，大胆利用现代科学技术及管理的最新成果，认清“只有实现高新技术化才能跟上时代步伐”的道理2，把握现代铸造技术的发展趋势，采用先进适用技术，实施可持续发展战略，立足现实又高瞻远瞩，以振兴和发展中国铸造业的累累硕果来奠定中国现代工业文明进程的坚实基础。1.5 本设计拟解决的关键问题（1）通过读图，进行蜗轮箱的结构分析（2）确定蜗轮箱的浇注位置和分型面的选择（3）进行铸件的砂芯设计（4）蜗轮箱的铸造工艺装备设计铸造工艺课程设计说明书32 设计方案2.1 蜗轮箱结构特点及技术要求2.1.1 零件结构特点蜗轮箱属于中小型铸件，结构较简单，左右结构对称。因为蜗轮箱的壁厚非均匀常，铸造工艺比较简单，质量要求较高。由于铸件的内部为中空结构，所以在铸造的过程中很容易出现夹砂、气孔等缺陷，因此在确定铸造工艺的时候，我们需要综合考虑铸件的结构和技术要求等各方面的因素。该铸件所选用的材料为 HT200，铸铁材料容易制造出含有内腔、外形复杂的毛坯，其在铸件生产过程中具有很高的灵活性，适用性广泛，铸铁材料在液态成型铸件的尺寸大小方面限制比较大。对于塑性比较低的铸件，液态成型是生产其毛坯或零件的一种方法。(1) 零件名称：蜗轮箱(2) 材料：HT200(3) 零件尺寸：504mm549mm520.5mm(4) 生产批量：大批量生产三维模型及零件图如下图所示。图 2-1 蜗轮箱三维图铸造工艺课程设计说明书4图 2-2 蜗轮箱零件图2.2 零件技术与质量要求2.2.1 技术要求（1）铸件材质为 HT200。（2）化学成分：符合 GB/T 1173-1995 规定。（3）铸件尺寸公差等级符合 GB/T 6414-1999 CT10 要求。2.2.2 化学成分表 2-1 HT200 化学成分SiMgSZnMnCu7.5%0.35%0.5%0.3%0.35%0.2%铸造工艺课程设计说明书52.2.3 质量要求（1）铸件不允许存在裂纹。铸件液态成型不允许存在气孔、砂眼、缩松、缩孔等缺陷。（2）铸件表面应平整，浇口、毛刺、粘砂等应清除干净。（3）铸件上的型砂、芯砂、粘沙等应铲磨平整，清理干净。（4）非加工表面上的浇冒口残留量要铲平、磨光，达到表面质量要求。2.3 造型方法因为蜗轮箱是一中小型铸铁件，结构相对简单，成批量生产，所以采用机器造型的方法。机器造型有以下优点，铸件的尺寸精度相对较高，其加工表面光洁，而且生产效率高，劳动条件好，易实现自动化，可以节约生产成本。在造型材料方面用的是树脂砂。2.4 浇注位置的选择铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。由于蜗轮箱是中小型铸铁件，充型金属液 HT200，浇注温度较低冷却较快，而且浇注位置要设置到零件的加工面上，易于清理，保证铸件的表面质量与美观。选定的浇注位置如下：图 2-3 浇注位置示意图铸造工艺课程设计说明书62.5 分型面的选择铸造分型面是指两半铸型相互接触的表面。充分分析零件的结构从而选择出最佳的分型面，可以极大的简化铸造工艺、节约劳动成本，增强生产的效率，在提升铸件质量方面起到关键作用。选择分型面需要符合以下要求： （1）尽可能使铸件全部或大部置于同一箱内，以减少错型带来的尺寸偏差保证铸件尺寸精度，便于造型和合型操作。（2）在合理的情况下，尽可能的的降低分型面的数目，最好只有一个分型面，可以方便造型、合型等工艺。（3）分型面的选择一般情况下应该选择平面，分型面选择平面可以极大地简化造型总作以及模底板的制作，可以确保铸件的精度。铸件结构特殊的情况下，为了方便工艺设计可以选择曲面。（4）应尽量把铸件加工定位面和主要加工面放在同一箱内，减少加工定位尺寸的偏差。（5）尽可能使铸件浇筑后的清理工作能够方便容易。根据蜗轮箱的结构特点确定了以下两种分型面分型方法。图 2-4 分型面的选择方案一方案一：如图 2-4 所示，蜗轮箱从图中可以看到没有尽可能使铸件全部或大部置于同铸造工艺课程设计说明书7一箱内，不便于造型和合型操作。图 2-5 分型面的选择方案二方案二：如图 2-5 所示，有以下几个优点：（1）分型面位于同一个平面且在铸件最大断面处，造型时更加的简单方便；（2）在同一平面可以方便起模，保证铸件质量；综合上述二种方案的优缺点比较，可以确定分型面依据上述方案二。铸造工艺课程设计说明书83 工艺设计参数及砂芯设计3.1 铸造工艺参数的确定3.1.1 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，蜗轮箱是大批量生产砂型铸造、机器造型，根据铸件尺寸大小，铸件尺寸公差等级取 GB/T 6414-1999 CT10，尺寸公差数值为 5mm。铸件尺寸公差数值参照如表 3-1 所示。表 3-1 铸件尺寸公差数值（mm）铸件基本尺寸公差等级大于到567891011121001600.620.881.21.82.53.65.07.01602500.701.01.42.02.84.05.68.02504000.781.11.62.23.24.46.29.04006300.901.21.82.63.65.07.0103.1.2 铸件重量公差铸件重量公差是以占铸件公称质量的百分率为单位的铸件质量变动的允许值。蜗轮箱质量为 95Kg，查铸造工艺学表 6-4 得到蜗轮箱的重量公差等级为 10 级，重量公差数值为 10%。3.1.3 铸造收缩率为了保证铸件尺寸精度，需要通过对铸件的结构分析来选择适合铸件的收缩率。金属液在凝固之后的冷却过程中的收缩介于“自由收缩”和“受阻收缩” ，铸造收缩率计算公式如 3-1 所示。%100JJMLLLK（3-1）式中 K铸造收缩率；铸造工艺课程设计说明书9 LM 模样主要工作面的尺寸；LJ 铸件尺寸。查铸造工艺学表 6-10 得自由收缩率为 0.91.1%，受阻收缩率为 0.81.0%。蜗轮箱为 HT200 的材料，计算出收缩率为 1.0%。3.1.4 机械加工余量蜗轮箱为中小型铸铁件，因为采用机器造型。根据铸造工艺学表 6-7 查得，蜗轮箱的机械加工余量等级为 G，表 3-2 为铸件机械加工余量等级表，根据铸件尺寸得机械加工余量为 6mm。 。表 3-2 铸件的机加工余量列表图 3-1 铸件加工余量简图序号基本尺寸/mm加工余量等级加工余量数值/mm说明1204J7.5上表面降一级双侧加工2450G6.0侧面、双侧加工397.5J4.5孔、降一级双侧加工4390G5.0底面双侧加工5180J7.5孔、降一级双侧加工铸造工艺课程设计说明书103.1.5 起模斜度铸件成型后，为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定的出模斜度。根据铸造工艺学表 6-11 得铸件起模斜度为 2。3.1.6 铸造收缩率铸造工艺设计时铸造收缩率 K 可以决定模样和芯盒的尺寸，所以要正确的选择铸件收缩率，铸造收缩率 K 的定义如公式 3-1 所示： （3-1）%100JJMLLLK式中 K铸造收缩率； LM模样主要工作面的尺寸； LJ铸件的尺寸。本次设计蜗轮箱材料为 HT200，属于中小型铸件，查下表 3-3 可得蜗轮箱的自由收缩率为 0.91.1%，受阻收缩率为 0.81.0%。收缩率均取平均值，即自由收缩率为 1%，受阻收缩率为 0.9%。表 3-3 灰铸铁收缩率（%）收缩率（%）铸件种类自由收缩受阻收缩中小型铸件0.91.10.81.0大中型铸件0.81.00.70.93.1.7 最小铸出孔及槽最小铸出孔或槽的尺寸与铸件的生产产量、合金种类、铸件大小、孔或槽处铸件的壁厚、孔的长度及直径等有关。查下表 3-4 铸件的最小铸出孔尺寸，本设计铸件侧边孔直径为 24mm，比较小，选择不铸出。表 3-4 铸件的最小铸出孔尺寸（mm）铸件材质壁厚最小铸出孔直径8106102025101525351520铸铁40501530铸造工艺课程设计说明书113.2 砂芯设计砂芯的工用是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。在制作砂芯时要认真分析铸件的内腔结构，在设计时一般要符合以下几个基本要求：砂芯的形状和尺寸要根据铸件内腔结构符合铸件地一些技术要求，砂芯在沙箱中的放置也需要根据铸件的技术要求，砂芯还需要有足够的强度和刚度。要确保铸件形成过程中由于砂芯产生的气体可以及时排出型外。3.2.1 砂芯的确定在对砂芯设计时需要符合下面几个原则：（1）尽量减少砂芯的数量；（2）复杂的砂芯分块设计；（3）设计砂芯时要根据铸件型腔选择合适的形状，铸型时方便填砂、排气、安置芯骨等措施。（4）砂芯的分盒面应尽量与砂型的分型面一致；（5）便于下芯和合型；（6）多个砂芯相连需要有良好的固定。对于本次设计的零件蜗轮箱，采用树脂自硬砂制芯，涉及不到砂芯的烘干。砂芯可以帮助铸件成型、确保铸件精度的关键因素。分析铸件的结构，铸件的尺寸较大，需要做一个砂芯，如图 3-2 所示。图 3-2 砂芯图铸造工艺课程设计说明书123.2.2 砂芯的固定砂芯放置在沙箱中需要固定在合理的位置，保证砂芯在金属液的冲击下不可以发生偏移和损坏，而且砂芯在金属液体的浮力作用下不可以发生浮动。由于蜗轮箱的砂芯使用树脂自硬砂，所以制出的砂芯会有很高的强度，不容易发生损坏。砂芯在沙箱中发生偏移或者浮动，铸件将会容易产生一些损坏、缺失甚至发生较严重的变形从而导致铸件作废，因此，必须保证铸件的砂芯在砂型之中的位置足够的牢固。砂芯有一个垂直芯头可以确保砂芯在型砂中牢牢固定，不发生移动。因为铸件的内腔较简单，在整个砂芯的固定中无需采用芯撑等结构。3.2.3 芯头的设计芯头是伸出铸件型腔以外的砂芯一部分，它可以起到定位砂芯的作用。根据蜗轮箱的型腔结构，设置一个垂直芯头和两个水平芯头。因为 L=520.5mm，D=126mm，根据铸造工艺学表 6-17 可得到取间隙 S=0.5，H=45mm。铸造工艺课程设计说明书134 浇注系统设计浇注系统是引导金属液进入铸型型腔的通道，如果浇注系统设计的不合理，可能造成铸件夹砂、冷隔、浇不到等多种缺陷，从而使铸件的质量大大降低。所以浇注系统对铸件的质量影响非常大，容易引起各类铸造缺陷。所以合理的浇注系统应满足金属液流动均匀平稳，尽量消除紊流，在金属中形成理想的温度分布，分离金属液中的非金属夹杂或渣滓。浇注系统是包括四个基本组成部分，分别是浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道。根据铸件的结构和铸件材料的特点，在设计时也可以适当地增加或减少组员。浇注系统的设计包括对浇注系统类型的选择，内浇道在铸件位置上的选择，对阻流截面、直浇道、横浇道、内浇道的截面积计算，和通过各组员的界面剂对各组员大小的选择。在对浇注系统的设计时需要遵循以下原则：（1）所确定的内浇道的位置、方向和个数应符合铸件的凝固原则或补缩方法；（2）在所计算出的时间内确保金属液进入型腔到充型完毕；（3）具有良好的阻渣能力；（4）浇注系统设计时要保证适当地缓冲力，确保金属液流入铸型内的线速度不能够太快了，防止产生飞溅、冲刷型壁或砂芯的不良后果；（5）在浇注系统设计时要确保冷铁和芯撑不被毁坏；（6）保证在浇注时最大限度减少对金属液的消耗，并且在浇注完毕后方便进行清理。（7）尽可能地缩中型腔体积，使造型变得更加简单，方便制出模样。4.1 浇注系统的类型浇注系统有不同的分类方式：按阻元截面积分类，可分为封闭式浇注系统、开放式浇注系统、半封闭半开放式浇注系统；由于蜗轮箱是铸铁件，根据铸造工艺学表 7-3和 7-4 各类型浇注系统的特点和应用,可以知道封闭式浇注系统适用于非铁合金等易氧化铸造工艺课程设计说明书14金属件，蜗轮箱属于铸铁件，选择封闭式浇注系统。 浇注系统根据内浇道在铸件上的位置，可以将浇注系统分成顶注式、中注式、底注式和阶梯注入式。本次蜗轮箱设计采用中注式浇注。 综合上面几点的分析可以确定蜗轮箱应该采用封闭式中注式浇注系统，封闭式浇注系统具备以下几点优点：封闭式浇注系统具有充型相对平稳，而且对型腔冲刷能力小，发生卷气可能性小，不容易发生氧化。中注式浇注系统的优点：有助于进行自下而上的凝固，金属液流入型腔比较平稳并且帮助排除型腔内的空气。4.2 浇注时间合适的绕注时间与铸件结构、铸型工艺条件、合金种类及选用的浇注系统类型等有关。每种铸件，在已确定的铸造工艺条件下，都对应有适宜的浇注时间范围。由于近年来普遍认识到快速浇注对铸件的益处，因此浇注时间比过去普遍缩短，特别是灰铸铁和球墨铸铁件更是如此。依据公式： (4-1)nAm式中 浇注时间；m铸件或浇注金属质量，算上浇注系统后和加工余量等；A系数；n系数；和铸造工艺学表 7-5 铸铁、铸钢件的浇注时间，结合铸件尺寸，计算浇注时间为12s。4.3 浇注系统尺寸的确定4.3.1 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， 依据公式4-2：Hp=H0 (4-2)式中 Hp平均压力头；H0阻流截面以上的金属压力头， 铸件平均压力头H0=150mm铸造工艺课程设计说明书15则平均压力头Hp为15cm。4.3.2 核算剩余压力头MH计算核算剩余压力头用到（4-3）公式： (4-3)LtgHM式中 最小剩余压力头；MHL直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离，L 取 700.5mm；压力角的大小按照铸造工艺学表 3-4-11 中的要求选择，取12。则最小剩余压力头=60mmLtgHM由于HP=150mm，所以直浇道高度大于 60mm 即可。MH4.3.3 各浇道口截面积计算因为是蜗轮箱是铸铁件，选择的是封闭式中注式浇注系统。根据铸造工艺手册表 3-178 选取： (4-2)(7 . 45 .14981281. 34 . 0107 . 228. 3223cmgHtGAPLL阻计算得：A阻：A横浇道：A直浇道=1:1.11:1.154.4 各浇道口大小4.4.1 直浇道本次设计选取圆锥形直浇道，直浇道直径为 60mm 因为圆锥形直浇道模制造容易、造型方便，适用于中、小型铸件。图 4-1 直浇道截面铸造工艺课程设计说明书164.4.2 横浇道根据铸造工艺手册表 3-178，确定 A横=5.2cm2。查铸造工艺手册表 3-187，得 a=54mm,h=54mm,b=45mm。图 4-2 横浇道截面4.4.3 内浇道通过上面计算可以知道整个浇注系统内浇道的截面积是 4.7cm2，由于整个浇注系统有两个内浇道，所以得到内浇道截面积为 2.35 cm2。中型铸铁件一般选择截面为扁平平面的内浇道。因为扁平内浇道可以有效地防止金属液吸渣而进入型腔内，扁平内浇道还能够通过分散分布、增减其数目的少来有效地调节温差和凝固顺序，内浇道的入口处需要进行适当的倒圆，向型腔口型腔方向逐渐加宽的扩张式引入方法。根据铸造工艺手册表 3-189，a=36mm，b=27mm，h=30mm。图 4-3 内浇道截面4.5 冒口的设计冒口作为铸型中设计者所设计的用以储存金属液的型腔，具有很强的补缩效果，可以避免铸件产生缩松、缩孔，并兼有排气、集渣、引导充型的作用。本设计采用暗冒口，控制压力暗冒口的体积为铸件体积的 5%，冒口模数要大于（1.2 倍）铸件厚实部分的模数。铸造工艺课程设计说明书174.5.1 冒口模数的计算冒口被补缩部位的体积与散热表面积的比值称为模数。不管铸件的形状如何，只要铸件的模数相等，其凝固时间就相等或接近。冒口模数为铸件模数的 1.2 倍，由下列铸件模数计算公式： Mr=1.2 (4-3)cm(/ AVM 式中 Mr冒口模数M铸件模数；V铸件体积；A铸件表面积；计算得到冒口模数Mr为1.14。4.5.2 冒口尺寸的确定确定冒口尺寸的方法有模数法、三次方程法、补缩液量法、比例法、形状因素法、热节圆法及缩管法等。选择模数法进行计算。已知冒口模数 Mr=1.14，根据圆柱形模数的计算公式，Mr=D/6，所以有 D=6Mr=5.8cm。得到的冒口如图 4-4 所示。图 4-4 冒口示意图铸造工艺课程设计说明书185 模样、芯盒及砂箱设计5.1 模样及模板模样分为上模和下模，由于蜗轮箱为大批量生产，根据铸造工艺学表 9-1（模样的分类）和表 9-2（常用金属模材料、特点及应用范围）选择金属模。金属模具有表面光洁，尺寸精确，强度高，刚度大和使用寿命长等特点。适用于大量、成批生产的各种铸件。模板由模底板、模样、浇胃口系统模、加热元件、定位元件等组成。在组合快换模板系统中，还包括有模板框及其定位、固定元件。模板尺寸应符合造型机的要求。模底板和砂箱、各模样之间应有雅确的定位，模板应有足够的强度、刚度和耐磨性，制作容易，使用方便，尽量标准化。图 5-1 为造型模板示意图。图 5-1 造型模板示意图铸造工艺课程设计说明书195.2 砂箱的选择按砂箱尺寸大小和重量不同分类，分为小型砂箱（内框尺寸 300mm250mm-500mm400mm，质量不超过 25kg)、中型砂箱（内框尺寸 500mm350mm1200mm900mm，质量不超过 65kg）和大型砂箱（内框尺寸大于 1200mm900mm）三类，各类砂箱各有特点和使用范围，蜗轮箱单件重量为 95Kg，大批量生产，采用一箱四件的方式生产，单件尺寸为 504mm549mm520.5mm，上下箱高度一致，收缩率为 1%。结合实际数据，此蜗轮箱选用大型砂箱 1800mm900mm900mm。其结构示意图如图 5-2 所示：图 5-2 砂型示意图5.3 芯盒制作砂芯过程中必须用到芯盒，芯盒设计的合理与否对砂芯的质量具有关键作用，也会直接影响到铸件的质量。在对芯盒的设计制作过程中必须符合下面几点要求：（1）在设计芯盒结构时需要根据生产的批量进行相配；（2）制作出的芯盒必须具有一
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