河科大铸造专业课程设计说明书剖析

河南科技大学课程设计说明书课程名称 专业课程设计题 目 油缸的铸造工艺设计院 系 材料科学与工程学院班 级 铸造111班学生姓名指导教师日 期材料科学与工程学院目 录.... ...0...11QT500-721.121.2...22...22.132.2...32.3...33 . ..53.1...53.1.1.......53.1.2.......63.1.3.......73.1.4.......73.2...73.2.1.......73.2.2.......94 . ..104.1...104.2...104.3...104.3.1.......114.3.2.......114.3.3.......114.3.4.......124.3.5.......124.4...135 . ..145.1...145.2...165.3...176 . ..176.1...176.2...176.3...186.4...20..21..22......220项 目 设计计算与说明 主要结果摘 要 摘 要QT500-7油缸铸件，其重量为 686.5kg。铸件外形尺寸为830mm*680mm*500mm，主要壁厚为 100mm，最大壁厚为 120mm。本铸件采用手工造型， 选择酚醛树脂砂造型和制芯， 采用顶注式开放浇注系统，浇口比为 A内：A横：A直 1.5：2.0：1。设有4个内浇道，呈均匀对称分布。铸件为大厚壁缸筒类铸件且结构较复杂，故将铸件的最大平面设为分型面，增加盖芯便于定位。设置对称2个冒口进行补缩，工艺出品率为65%。采用三维绘图软件UG绘制出零件的三维实体图，将其导入到华铸CAE80中剖分网格，最后在华铸CAE中模拟充型和凝固过程，观察模拟结果。通过对结果的分析可知，零件成形质量良好，未出现浇不足等缺陷，基本符合零件的技术要求。同时，可以补加冷铁等措施，对整个铸造工艺进行优化。关键词：油缸 出品率 模拟 华铸1项 目 设计计算与说明 主要结果正 文 1QT500-7铸铁化学成分及性能1.1化学成分QT500-7的化学成分见表 1.1。表1.1QT500-7 的化学成分1.2铸造性能流动性：铁液经球化处理后，由于脱硫、去气和去除部分金属夹杂物，使铁液净化对提高流动性有利，但由于铁液经球华、孕育处理后，温度降低很多，使其实际浇注温度偏低，再加之铁液中含有一定量的Mg，使铁液的表面张力增加，因此在实际生产中往往会感觉到流动性比灰铸铁差。所以为改善其充填铸型的能力，应适当提高其浇注温度。收缩特性：球墨铸铁与其他合金不同，其收缩倾向的大小不但和合金本身的特性有关，而且还取决于铸型的刚度。内应力：由于球墨铸铁的弹性模量较灰铸铁的大，加之其导热率较灰铸铁低， 开裂倾向均高于灰铸铁，故应在铸件结构设计和工艺上采取相应的预防措施。QT500-7为铁素体型球墨铸铁， 强度与韧性中等， 被切削性尚好。低温时，韧性向脆性转变，但低温冲击值较高，且有一定抗温度急变性和耐蚀性。这种铸铁有较好的强度和韧性的配合，多用于汽车、农业机械、冶金设备及柴油机中的一些部件。铸造工艺方案的选择根据合金特性、铸件结构、产品质量要求和生产质量，合理选择铸造工艺方法，不仅确保产品质量，还能提高生产效率，降低成本，提高经济效益。砂型铸造工艺方案通常包括下列内容：审查零件结构，造型、造芯方法的选择，浇注位置的确定，分型面的选择。2项 目 设计计算与说明 主要结果2.1零件结构的铸造工艺性技术要求：1.树脂砂造型，一模一件；2.未注圆角 R10；加工表面不得有夹渣，缩孔和疏松缺陷，油缸不得渗油；4.非加工面不得有明显凹陷，缩孔，不允许焊补处理；5.尺寸公差依据 DINISO8062中CT12级；油缸铸件材料为QT500-7球铁，零件的质量为686.5kg。属于中型铸件，大批量生产。外形相对复杂，左右对称，壁厚不均匀。铸件外形尺寸为830mm*680mm*500mm，主要壁厚为100mm，最大壁厚为120mm。零件的三维形状如图2.1所示。图2.1 油缸2.2造型、制芯方法的选择该铸件为大批量生产，由于机器造型需要庞大的机器设备，成本昂贵，故采用手工造型和制芯。而且手工造型能适应各种复杂的要求，能够灵活的适应工厂的生产条件。为了简化操作，减少铸造缺陷，提高铸件的尺寸精度和表面质量，改善砂型（芯）的溃散性，采用酚醛树脂砂造型和制芯。2.3工艺方案的确定在考虑了铸造合金的种类、零件的结构与技术要求、生产批量的大小和生产条件等因素后，设计了三种方案。第一种方案如图2.2所示。3项 目 设计计算与说明 主要结果图2.2 方案一示意图优点：（1）对称面为分型面，方便取模。（2）减少了砂芯的数量。缺点：（1）砂芯需要悬臂芯，定位不可靠，下芯困难。2）需分为上下箱造型，不利于合箱定位，即无法保证铸件质量。3）重要表面位于侧面，无法保证铸件质量均一。第二种方案如图 2.3所示。图2.3 方案二示意图优点：1）铸件的厚大部位位于上部，有利于铸件的补缩。2）铸件全部位于下箱，有利于保证铸件精度。3）砂芯定位可靠。4）方便安放冒口，有利于铸件的自下而上的凝固。缺点：1）砂芯数量增加。2）制芯的成本和难度增加。4项 目 设计计算与说明 主要结果第三种方案如图 2.4所示图2.4 方案三示意图优点：1）减少砂芯的数量，便于下芯。2）充型平稳，可避免金属液激溅、氧化，且有利于阻渣。缺点：1）不利于安放冒口。2）不利于铸件自下而上的顺序凝固。分型面的优劣，在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。分型面确定的是否合理，对于能否简化铸造工艺、降低成本、提高铸件质量等都有直接关系。通常砂型分型面的选择应与浇注位置尽量一致，以避免合型后还要翻转。为了保证铸件的尺寸精度和表面质量等，采取第2种方案。铸造工艺参数及砂芯设计选择3.1铸造工艺参数3.1.1 铸件尺寸公差铸件的尺寸精度取决于工艺设计及工艺过程控制的严格程度，其主要考虑因素有：铸件结构复杂程度；铸件设计及铸造工艺设计水平；造型、制芯设备及工装设备的精度和质量；造型、制芯材料的性能和质量；铸造合金种类等。该铸件为大型铸铁件，采用树脂砂手工造型，按照GB641486《铸件尺寸公差制》，查表最终选取公差等级为CT12。5项 目 设计计算与说明 主要结果3.1.2 机械加工余量为保证铸件的加工面尺寸和零件精度，应留有加工余量，即在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度。加工余量过大浪费金属和加工工时；过小，不能完全去除铸件表面缺陷，甚至达不到设计要求。该铸件按 GB/T11350 89《铸件机械加工余量》 规定的加工余量的数值和确定方法，与 GB6414《铸件尺寸公差》配合最终选取 10。加工余量位置如图3.1所示，加H工余量数值见表 3.1.a ） b ）如图3.1 所示表3.1加工余量基本尺寸加工数值说明序号余量（mm）（mm）等级1290H9.5单侧加工2480H8.5双侧加工3830J13双侧加工4Φ140H5双侧加工5Φ60H3.5双侧加工6Φ150H5双侧加工7Φ300H7.5双侧加工8Φ81/ΦJ4.5双侧加工859Φ70J4.5双侧加工10Φ332H7.5双侧加工11400H7.5双侧加工6项 目 设计计算与说明 主要结果3.1.3 铸造线收缩率铸造收缩率 K 定义为K (LM LJ)/LJ 100%LM—模样工作面尺寸；LJ—铸件尺寸；查《铸造工艺课程设计手册》表2-15，球墨铸铁铸造收缩率为0.6%。3.1.4 起模斜度由《铸造手册》表3-70可知，起模斜度取0.3°，a=3.6mm。3.2砂芯的设计3.2.1 砂芯的设计根据铸件的浇注位置、 分型面以及内腔的形状， 确定此铸件的砂芯。根据《铸造工艺课程设计手册》表3-1、表3-2、表3-3得出砂芯的尺寸形状如图所示：图3.2 1#砂芯 图3.3 2#砂芯1#、2#砂芯外部形状基本一致，2#砂芯一侧多出凹槽。其尾部均设计为燕尾形状，便于定位。能够提高铸件的尺寸精度。一件各需一个芯子。7项 目 设计计算与说明 主要结果a）实体 b）尺寸图3.43#砂芯3#砂芯为棒状芯子， 有上下芯头定位，制作简便易得。一件需四个芯子。a）实体 b）主视图c）俯视图图3.54#砂芯4#砂芯为形状不规则芯子， 体积较小，设计方便。一件需两个芯子。8项 目 设计计算与说明 主要结果a）实体 b）尺寸图3.65#砂芯5#砂芯为盖芯，其便于提高铸件的尺寸精度。3.2.2砂芯的安装a）b）图3.7 砂芯的位置砂芯的位置如图3.7所示，1#、2#、4#砂芯均设计有燕尾定位，3#砂芯对称均布于5#盖芯处。9项 目 设计计算与说明 主要结果浇注系统及冒口设计4.1浇注系统的类型本件为球铁件。球墨铸铁件浇注系统的特点：铁液经过球化、孕育处理后温度下降很多，且易产生氧化。因此，其浇注系统有两个特点，既大流量地输送铁液；且具有比灰铸铁更好的挡渣作用。由于油缸的质量要求较严格，并且该油缸的壁厚较大。查《铸造手册》可知，采用顶注式开放浇注系统。4.2浇注时间的确定计算浇注时间，根据经验公式 Amn，查表3-4-4 公式中的系数，A=3.0 n=0.33 m=749.5Kg3.0 749.50.33 26.65s查铸造手册，取30s。4.3确定浇口比及各组元的截面积油缸为厚壁球铁铸件，查铸造手册推荐浇口比为：A内：A横：A直 （1.2-2.0）：（1.2-2.0）：1；本铸件取 A内：A横：A直 1.5：2.0：1；该球铁铸件以直浇道下口为阻流，浇注系统可充满，阻渣效果较好，充型较平稳。由奥赞公式可得：所以，S直S阻29.9cm2；S横2.0S直59.6cm2；S内1.5S直44.8cm2；10项 目 设计计算与说明 主要结果4.3.1 直浇道的设计2由于S直 29.9cm；查《铸造手册》表3-167常用球墨铸铁浇注系统尺寸，取直浇道， d 64mm，S直 32.2cm2；h 300mm图4.1直浇道4.3.2 直浇道窝的设计为了减轻对直浇道底部的冲刷，减少金属氧化和气体卷入，提高阻渣效果，浇注系统采用半球形直浇道窝。D 64mm4.3.3 横浇道的设计2根据S横 59.6cm，查《铸造手册》表 3-167常用球墨铸铁浇注系统尺寸， 球墨铸铁的梯形横浇道截面尺寸如图所示。取a80mm；b60mm；c80mm；A横56.5cm2；图4.2 横浇道11项 目 设计计算与说明 主要结果4.3.4 内浇道的设计根据S内 44.8cm2，查《铸造手册》表3-167常用球墨铸铁浇注系统尺寸，内浇道设四个，均匀分布，内浇道截面尺寸如图所示。取a 63mm ； b 58mm ；c 18mm ； A内 10.8cm2 ；图4.3内浇道4.3.2 浇口杯的设计图4.4 浇口杯12项 目 设计计算与说明 主要结果4.4 冒口设计用模数法设计冒口，用作图法求出热节圆直径Dr123mm,近似看作管与法兰相交，由公式M（Drb）[1]，得2Drb-cMDrb12315139.6mm（）（）2Drb-c212351-80由铸造工艺课程设计手册，可知冒口直径Dm 4.6M B 39.6 4.6 3.0 185.5mm；冒口颈模数；冒口颈长度；故设计明冒口2个，对称分布如图所示。根据经验， 取Dm 200mm；L 100mm；13项 目 设计计算与说明 主要结果图4.5冒口铸造工艺的数值模拟本次模拟使用华铸 CAE软件，对设计工艺进行数值模拟分析，看该工艺设计的是否合理，并判断缩松缩孔位置，热节位置，观察其充型，凝固过程，对铸造工艺过程进行分析和改进。模拟过程包括建立三维实体模型，网格划分，确定材料热物理性能、初始条件和边界条件，物理场数值计算及结果显示等步骤。5.1充型过程的模拟表5.1浇注过程的体积充型14项 目 设计计算与说明 主要结果表5.1浇注过程的体积充型浇注时间t 0.10087SS 浇注时间t 0.280076SS浇注时间t 0.410084S 浇注时间t 3.500082S浇注时间浇注时间t6.000103St7.39003S注：黄色为已充型，绿色为未充型；从结果看，浇注过程充型平稳，充型过程未出现明显缺陷。15项 目 设计计算与说明 主要结果5.2 凝固过程的模拟表5.2铸件凝固过程的液相分布凝固经历时间t 0.017358S凝固经历

时间

凝固经历t 281.224121S凝固经历时间t 545.462463S 时间

t 1311.752197S凝固经历凝固经历 时间t 2381.937012S时间t 2112.031494S注：红色为液相，绿色为固相从凝固过程液相分布的结果可知，冒口起到了部分补缩作用，铸件的中间部位最后凝固，会出现缩孔、缩松。16项 目 设计计算与说明 主要结果5.3优化工艺方案因为铸件中部最后凝固，冒口不能进行有效的补缩，所以对工艺方案加以优化处理，增加冒口数量来提高冒口的补缩作用。图5.1 优化方案通过对优化后的方案模拟，冒口的补缩作用明显增强，缩孔、缩松区域明显减小。优化后方案可行。铸造工艺装备的设计6.1模样的设计油缸是单件大批量生产，根据铸件所要求的尺寸进度、生产成本、制模周期和使用寿命等考虑，采用生产效率高、耐用耐磨的金属模样。6.2模板的设计把模样的厚大部分做成中空，以减轻模样的重量。模样与模板之间用销钉连接。17项 目 设计计算与说明 主要结果