行星架铸造工艺设计【版本2】

工学硕士学位论文PAGEIIPAGEI铸造工艺课程设计说明书设计题目行星架学院年级专业学生姓名学号指导教师工学硕士学位论文铸造工艺课程设计说明书PAGEIIPAGEII DATE\@"yy-M-d"21-11-4DATE\@"yy-M-d"21-11-4目录TOC\o\h\z1前言 11.1本设计的目的、意义 11.1.1本设计的目的 11.2本设计的技术要求 11.3本课题的发展现状 21.4本领域存在的问题 21.5本设计的指导思想 21.6本设计拟解决的关键问题 22设计方案 42.1零件的特点与工作环境分析 42.1.1零件结构工艺性特点分析 42.1.2零件用途分析 6零件工作环境分析 6零件结构分析 62.1.3铸件材质特点 72.2造型材料选择 82.2.1造型材料的选择要求 8造型材料的选用 82.3涂料的选择 82.3.1树脂砂铸型产生粘砂缺陷分析 82.3.2树脂砂涂料的选择 92.4造型方案 92.5造芯方案 93设计说明 103.1铸造工艺的选择 103.1.1浇注位置的确定 103.1.2分型面的确定 113.2铸造工艺参数的确定 123.2.1铸件尺寸公差 123.2.2铸件的重量公差 123.2.3机械加工余量 133.2.4铸造收缩率 133.2.5起模斜度 143.2.6铸件最小出孔 143.3砂芯的设计 143.3.1砂芯方案 143.3.2砂芯设计 153.3.3芯骨设计 163.3.4砂芯排气 173.4浇注系统的设计 173.4.1浇注系统类型的选择 173.4.2浇注时间的确定 18包孔直径的选择 18计算浇注时间并核算金属夜上升速度 183.4.3阻流面面积的计算 183.4.4内浇道的确定 193.4.5横浇道的确定 193.4.6直浇道的确定 193.4.7直浇道窝的设计 203.4.8浇注系统的校核 20浇注速度的校核 20最小剩余压头HM校核 203.4.9浇口杯的设计 213.4.10过滤网的设计 213.4.11冒口的设计 22冒口的种类 22冒口的形状 22冒口的计算 233.4.12冷铁的初步设计与计算 23冷铁的选择 23冷铁的位置设计 23冷铁的尺寸计算 233.5铸造工艺装备 253.5.1砂箱设计 25砂箱壁的结构形式和尺寸 25砂箱箱带的布置形式和尺寸 25砂箱吊运部分的结构和尺寸 253.5.2模样 263.5.3芯盒设计 273.5.4下芯顺序及合箱 284结论 29致谢 30参考文献 31前言本设计的目的、意义本次铸造工艺为B件-行星架的铸造工艺。行星架材质为ZG35GrMo，行星架是用于轴承行星轮并使用行星架得到公转的构件，工作原理通过三处立柱把上，下行星孔连接在一起，两处轴承挡定位承重，由低速输入输入扭矩，高速输出端输出扭矩。本设计的目的确定工艺时，首先在零件图基础上确定铸造工艺参数，绘制毛坯图，并在毛坯基础上进行工艺设计。本次工艺采用树脂砂造型，开放式底注式浇注系统，使用中间分型。浇注系统设计了立浇2种方案，使用华铸CAE仿真模拟软件分别对其进行模拟，分析模拟结果的充型过程，缺陷分布及工艺改进等方面，最终浇注系统选择立浇底注式浇注系统，提高铸件质量。在工艺改进中，通过调整冒口与冷铁的位置，使铸件产生有利于最终铸件综合性能的顺序凝固方式，消除铸件中的缺陷，并且保证铸件有较高的工艺出品率，符合工厂生产中经济性的原则。合金熔炼时，采用淬火加回火进行T6热处理获得最终交货铸件。本设计的技术要求1.零件名称:行星架2.材质：ZG35CrMo3.技术要求：(1)铸造尺寸公差和加工余量按照GB/T6414-2007《铸件尺寸公差和机械加工余量t》的要求执行。(2)铸件不允许有气孔、夹砂、夹渣、疏松等影响使用功能的缺陷。(3)热处理采用淬火加回火。4.零件图中有6各Φ80大于铸钢最小铸出孔直径，而且零件图上的槽也大与铸钢件最小铸出槽的直径，所以应铸出，而且孔壁不得有夹渣等缺陷；本课题的发展现状行星架是用于支承行星轮并使其得到公转的构件，工作原理通过三处立柱把上，下行星孔面连接在一起,两处轴承档定位承重,由低速输入端输入扭矩,高速输出口输出扭矩。本领域存在的问题行星架的装配精度行星架的强度要求行星架的缺陷控制本设计的指导思想本次铸造工艺为B件-行星架的铸造工艺。行星架材质为ZG35GrMo，行星架是用于轴承行星轮并使用行星架得到公转的构件，工作原理通过三处立柱把上，下行星孔连接在一起，两处轴承挡定位承重，由低速输入输入扭矩，高速输出端输出扭矩。确定工艺时，首先在零件图基础上确定铸造工艺参数，绘制毛坯图，并在毛坯基础上进行工艺设计。本次工艺采用树脂砂造型，开放式底注式浇注系统，使用中间分型。浇注系统设计了立浇2种方案，使用华铸CAE仿真模拟软件分别对其进行模拟，分析模拟结果的充型过程，缺陷分布及工艺改进等方面，最终浇注系统选择立浇底注式浇注系统，提高铸件质量。在工艺改进中，通过调整冒口与冷铁的位置，使铸件产生有利于最终铸件综合性能的顺序凝固方式，消除铸件中的缺陷，并且保证铸件有较高的工艺出品率，符合工厂生产中经济性的原则。合金熔炼时，采用淬火加回火进行T6热处理获得最终交货铸件。本设计拟解决的关键问题（1）分型面和浇注位置的确定（2）工艺参数的合理化（3）砂芯的设计（4）芯盒的设计符合生产要求（5）浇注系统的合理优化（6）冒口和冷铁设计和位置的选择设计方案确定工艺时，首先在零件图基础上确定铸造工艺参数，绘制毛坯图，并在毛坯基础上进行工艺设计。本次工艺采用树脂砂造型，开放式底注式浇注系统，使用中间分型。浇注系统设计了立浇2种方案，使用华铸CAE仿真模拟软件分别对其进行模拟，分析模拟结果的充型过程，缺陷分布及工艺改进等方面，最终浇注系统选择立浇底注式浇注系统，提高铸件质量。在工艺改进中，通过调整冒口与冷铁的位置，使铸件产生有利于最终铸件综合性能的顺序凝固方式，消除铸件中的缺陷，并且保证铸件有较高的工艺出品率，符合工厂生产中经济性的原则。零件的特点与工作环境分析零件结构工艺性特点分析1.零件名称:行星架2.材质：ZG35CrMo3.技术要求：(1)铸造尺寸公差和加工余量按照GB/T6414-2007《铸件尺寸公差和机械加工余量t》的要求执行。(2)铸件不允许有气孔、夹砂、夹渣、疏松等影响使用功能的缺陷。(3)热处理采用淬火加回火。4.零件图中有6各Φ80大于铸钢最小铸出孔直径，而且零件图上的槽也大与铸钢件最小铸出槽的直径，所以应铸出，而且孔壁不得有夹渣等缺陷；5.本次设计的零件图和三维图如图2-1，2.2所示图2.1行星架零件图图2.2行星架三维图对零件图纸分析可知上冠铸件最大径上尺寸为1260mm，高度尺寸647mm，质量为1350Kg。材质要求ZG35CrMo低合金钢，化学成分及力学性能如下表2-1所示。表2-1ZG35CrMo化学成分及力学性能CSiMnPSCrMo0.30-0.370.30-0.500.50-0.80<0.035<0.0350.80-1.200.20-0.25(1)铸件应有合适的壁厚每-种铸造合金的铸件，都有其合适的壁厚范围，如果选择得当，即可保证铸件的力学性能要求，又可方便铸造生产:同时还能节约金属，减轻铸件质量。为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件壁不应太薄，由零件图可知铸件最大壁厚为91mm，最小壁厚为44mm，查《铸造工程师手册》表6-6知最大轮廓尺寸在1250mm-2000mm之间的不锈钢铸件的最小壁厚为20mm-25mm，因此行星铸件壁厚满足最小壁厚的要求。(2)铸件结构不应造成严重的收缩阻碍注意壁厚过度和圆角，两壁交接若成直角易形成热节，铸件收缩时阻力较大，在此处经常出现热裂。铸件薄厚壁相接拐弯，等厚度的壁与壁的各种交接,都应采用逐渐过渡和转变的形式，使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致出现裂纹缺陷。由零件图可知，铸件中成直角相接的两壁薄厚壁相接都用圆角过度，且圆角半径均满足设计要求。零件用途分析零件工作环境分析行星架是用于支承行星轮并使其得到公转的构件，图2.3为行星架安装位置示意图：图2-3行星架安装位置示意图工作原理通过三处立柱把上，下行星孔面连接在一起,两处轴承档定位承重,由低速输入端输入扭矩,高速输出口输出扭矩。零件结构分析行星轮系主要由行星轮g、中心轮k及行星架H组成共同配合组成。其中行星轮的个数通常为2～6个。但在计算传动比时，只考虑1个行星轮的转速，其余的行星轮计算时不用考虑，称为虚约束。它们的作用是均匀地分布在中心轮的四周，既可使几个行星轮共同承担载荷，以减小齿轮尺寸；同时又可使各啮合处的径向分力和行星轮公转所产生的离心力得以平衡，以减小主轴承内的作用力，增加运转平稳性。行星架是用于支承行星轮并使其得到公转的构件。中心轮中，将外齿中心轮称为太阳轮，用符号a表示，将内齿中心轮称为内齿圈，用符号b表示。二、行星轮系的分类根据行星轮系基本构件的组成情况，可分为三种类型：2K-H型、3K型、K-H-V型。2K-H型具有构件数量少，传动功率和传动比变化范围大，设计容易等优点，因此应用最广泛。3K型具有三个中心轮，其行星架不传递转矩，只起支承行星轮的作用。行星轮系按啮合方式命名有NGW、NW、NN型等。N表示内啮合，W表示外啮合，G表示公用的行星轮g。其中，本次行星架铸件的主要部分位置如图2.4与表2.2所示。图2-4铸件主要部位表2-2铸件主要部位位置名称数量1高速输出12行星孔33轴承挡14低速输入端15连接立柱3铸件材质特点材质为ZG35CrMo，零件重量为1350kg。ZG35CrMo力学性能较高，往铬钢中加入钼，可以减轻钢中回火脆性倾向，提高了钢的淬透性。。其物理性能和化学成分分别如表2-3和表2-4所示。在钢中加入适量第三种合金元素，可以使钢的强度和韧性进一步提高，经过淬火和回火热处理工艺，得到高性能的低合金铸件，ZG35CrMo在淬火和回火处理后力学性能如表2-5所示。表2-3物理性能合金牌号密度/g.cm3液相线和固相线ZG35CrMo7.81520-1670表2-4化学成分CSiMnPSCrMo0.30-0.370.30-0.500.50-0.80<0.035<0.0350.80-1.200.20-0.25表2-5在淬火和回火处理后的力学性能σbσs（MPa）δ5（%）HBS6905403.9—造型材料选择造型材料的选择要求铸件本身为低碳不锈钢，铸件的收缩率大，易氧化，对型砂性能要求较高。在综合考虑表面质量，尺寸精度，生产实践和经济性等因素决定造型材料的选用面砂采用呋喃树脂铬铁矿砂、背砂采用水玻璃石英砂、而芯砂也采用呋喃树脂铬铁矿砂。造型用面砂、芯砂必须全用新砂，不得选用回用砂。新砂选用擦洗砂，Si02含量不低于98%，角形系数不大于1.2，树脂选用无氮呋喃树脂，加入量为型砂的1.0%，固化剂选用对甲苯磺酸类固化剂加入量为树脂的45%,型砂背砂可选用部分回用砂。呋喃树脂铬铁矿砂常温强度高，树脂加入量少，耗砂量少:高温强度高，型砂耐热性好:树脂粘度小便于混砂:树脂稳定性好，可存放1-2年:树脂砂硬透性好:硬化性能好，在较低温度下可固化:生产的铸件具有毛坯尺寸精度高，铸件表面粗糙度低，铸造缺陷少等优点。涂料的选择树脂砂铸型产生粘砂缺陷分析树脂砂铸型上产生粘砂缺陷与其他砂型产生的烧结型粘砂不同，是由于液态金属浸入砂粒间隙而引起的。根据《现在涂料及应用》[2]中试验可知，在空气中600℃能够完全燃烧的树脂，在非氧化气氛中（氮气）即使加热到900℃也不会完全燃烧，由于树脂砂回收率高，故再生砂含有较多的残留树脂，所以再生砂的铸型比用新砂的铸型加热时失重更多，浇注时产生更大的孔隙，造成了金属容易渗透的条件。可以看出的粘砂等缺陷是由于随着加热铸型膨胀而扩大砂粒间隙，并使铸型产生了裂纹，以及由于粘合剂燃烧使砂粒间隙进一步扩大而引起的。树脂砂涂料的选择铸件材质为ZG06Cr13Ni4Mo，浇注温度较高，且对表面质量要求较高，须在接触金属液的部位全部刷涂涂料。根据有关资料结合生产实践，涂料的耐火骨料选用刚玉粉、载体选用醇。施涂方法采用喷涂或刷涂，涂层厚度0.05-1.0之间。锆英粉的耐火度很高，树脂不宜过烧，能有效的防止铸件表面粘砂，气孔、脉纹等缺陷。造型方案行星架铸件体积和质量都较大，属于中大型铸钢件，结合树脂砂流动性好，硬化时间短，硬化方法简单，不需捣固机紧实，模样强度高，表面稳定性好，铸件尺寸精度较高等铸造生产实践:经本组人员分析确定造型方法选用手工造型，且型砂应现混现用，不能一次性混制过多的型砂。造芯方案根据行星架铸件的结构特征，其内部空腔部分需用砂芯形成。造芯材料选用树脂砂。为适应造芯也选用手工木盒造芯设计说明铸造工艺的选择浇注位置的确定方案一:将铸件正放进行浇注，法兰盘朝平放，采用雨淋式中间式注浇注系统，4个内浇道，如图3-1所示图3-1分型面示意方案二：将铸件正放进行浇注，法兰盘朝平放，采用雨淋式中间浇注系统，4个内浇道，如图3.2所示。图3-2分型面示意浇注位置是指浇注时未来铸件在型内所处的状态（姿态）和位置。浇注位置在很大程度上着眼于控制铸件的凝固。实现顺序凝固的铸件，内应力小，变形小，金相组织比较均匀一致，不用或很少采用冒口，节约金属。减小热裂倾向。根据合金凝固理论和实际经验，综合本次铸件材料为低合金材料，浇注时易产生氧化膜夹层，从而形成针孔类缺陷，因此浇注时力求金属液流平稳，故本次浇注采用底注式浇注系统，水平方式，故选择方案二比较合适。分型面的确定各个分型面分析如表3-1所示。表3-1分型面的确定位置选择方案优缺点1优点：方便起模，浇道位置开设容易，下芯方便，铸件尺寸精度提高缺点：铸件整体在上箱，不方便造型2优点：铸件整体在下箱方便造型，方便起模，浇道位置开设容易，下芯方便，铸件尺寸精度提高3缺点：浇道位置不好开设，取模不放便，砂箱太高容易错箱根据箱体设计的基本三个要求以及对于相关厂家的了解，本次铸件箱体装配要求为恒温室中，且精度达到了0.1mm，最终我们选择了方案一和方案二的分型方式，减少砂芯数量方便下芯，降低工艺难度，但在工艺中应考虑避免错箱。箱体设计的基本三个要求：1.主要平面的形状精度和表面粗糙度；2.孔的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度；3.主要孔和平面相对位置精度。为了配合浇铸位置选择方案一铸造工艺参数的确定铸件尺寸公差铸件尺寸公差是指允许的铸件尺寸变动量。公差就是最大极限尺寸与最小极限尺寸代数和的绝对值。铸件尺寸保持在两个允许的极限尺寸之内，就可以满足加工、装配和使用的要求。行星架的最大轮廓尺寸直径为1260mm根据铸件的技术和要求与机械加工余量选取相对应，铸件尺寸公差应符合GB/T6414的CT11-13级规定，查询手册[3]得，如图表3-2所示。表3-2铸件尺寸公差（mm)零件尺寸(mm)公差等级（CT）13141260mm1823根据零件的尺寸，铸造等级选择CT13，铸件尺寸公差取18mm铸件的重量公差铸件的重量公差定义为以占铸件公称重量的百分率为单位的铸件重量变动的允许值。所谓公称重量是包括加工余量和其他工艺余量，作为衡量被检验铸件轻重的标准。根据铸件的技术要求，重量公差按GB/T6414-86的同等级规定执行，查询手册[3]得，如表3-3所示。表3-3铸件重量公差值铸件的公称质量/Kg质量公差等级MT为下列值大于至121000-400034选择的重量重量公差为4。机械加工余量机械加工余量由精到粗分为十个等级：A、B、C、D、E、F、G、H、J和K，如表3.4所示为毛坯铸件在不同铸造方法时，采用的机械加工余量等级。由零件图上显示，需要加工的部位加工余量为：表3-4加工余量尺寸（mm)铸件图样尺寸（mm）加工余量5206.33383.21603.22006.32106.33906.3铸造收缩率铸造收缩率的定义为：式中LM-模样（或芯盒）工作面的尺寸，LJ-铸件尺寸;铸造收缩率与铸造合金种类、浇冒口系统结构、铸件结构、铸型种类（含砂型和砂芯的退让性）等因素有关。铸造合金从凝固状态转变为固态会产生收缩；合金的成分与其含量不同，其收缩率同样会产生变化，这是铸造合金的特性。浇冒口结构阻碍收缩铸件结构的复杂性，砂型和砂芯的退让性差，都会阻碍到铸件由液态变为固态的收缩。由《铸造工程师手册》表6-24查得该铸件的自由收缩率为1.3%~1.7%，但是联系实际，工厂一般所用的缩尺型号，从而确定铸造收缩率为2%。起模斜度为了方便起模，在模样和砂芯的出模方向留有一定的斜度，以免损坏砂型或砂芯。这个斜度称为起模斜度。起模斜度应在铸件上没有结构斜度的垂直于分型面的表面上使用，其大小以模样的起模高度表面粗糙度以及造型方法而定。由于铸件在上下凸起的地方已经有一定的斜度，为中间法兰盘出留有斜度即可。查阅手册[3]得，由于制芯所用的芯盒采用垂直对开式木制芯盒，芯盒由左右两片组成，砂芯无需设置起模斜度。查得数据如表3-5所示。表3-5起模斜度自硬砂造型时，模样外表面的起模斜度测量面高度h/mmαa/mm3370°35′4.2铸件最小出孔件上的孔和槽，究竟是直接注出还是由机械加工而出，应从铸钢金液的充型能力，件的轮廓尺寸、铸钢金液态时的流动性和铸造工艺等所决定。为了尽量避免冷隔、缩松、缩孔等缺陷，必须要求铸件的孔直径不能小于最小铸出孔。铸钢铸件在砂型铸造下的最小铸孔如表3-6所示。表3-6铸钢铸件在砂型铸造中的最小铸出孔直径生产批量最小铸出孔直径d/mm铸钢件单件，小批量生产50根据箱体的材质，轮廓尺寸查阅相关资料可知，最小铸出孔直径为50mm。而从零件图中可以知道最小铸出孔直径为80mm,应铸出。砂芯的设计砂芯的功能是形成铸件内腔、孔和铸件外形不能铸出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的部分，优势是也用砂芯。对砂芯的要求主要是：（1）砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置均应保证铸件的形状和尺寸符合要求。（2）具有足够的强度和刚度。（3）在铸件形成过程中砂型所产生的气体能及时排出型外。（4）铸件收缩时的阻力小，容易清砂。砂芯方案对于B-件行星架，主要采用树脂自硬砂制芯，采用两种芯，1#和2#都用来形成内内腔，如图3.4所示，其中2#芯较大且不好取芯采用组芯设计，放便取芯。砂芯位置图如图表3-3所示。图3-3砂芯位置图砂芯设计根据上述分析，设置砂芯形状如表所示。为了下芯合箱准确，根据每块砂芯的结构，在主要砂芯上设有芯头。查工艺手册得，芯头尺寸如表3-7，38所示。砂芯形状如图3-4所示。表3-71#芯的芯头上芯头下芯头芯头高度/h（mm）3540芯头斜度/a（。）63.5 表3-82#芯的芯头砂芯高度/（mm）芯头高度/h（mm）芯头斜度/a（。）上芯头下芯头上芯头下芯头6476070116106253042.56520-3-50-25-21#砂芯2#砂芯图3-4砂芯示意图芯骨设计为了保证砂芯在制造、运输、装配和浇注过程中不变形、不开裂或折断，砂芯应具有足够的刚度与强度。生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其强度和刚度。根据零件的结构特点，在铸件凝固后方便取出芯骨，所以本铸件芯骨材料白口铁，芯骨各部分尺寸如表3-9，3-10，3-11，3-12所示，芯骨形状如图3-5所示。表3-9表芯骨吃砂量（mm）芯骨材料芯骨尺寸芯骨吃砂量铁丝<300×30010-20白口铸铁>1500×1500-2000×200040-60>2500×2500-2500×250050-703-10表芯骨框架截面尺寸(c×（a+b）/2）)（mm）芯骨长和宽砂芯高度下列各值时>100-200>200-500>500-1500>500×500-1000×100030×2530×2545×35>1000×10001500×1500-45×3545×3545×35表3-11表芯骨插齿直径（mm）砂芯高度<300300-500500-800800-1200插齿直径10-1515-2020-2525-30表3-12表芯骨吊环直径砂芯长和宽砂芯高度>200-500>500-1500>1000×1000-1500×15001212>1500×1500-2500×25001215图3-5芯骨根据零件的结构特点，在铸件凝固后方便取出芯骨，所以本铸件芯骨材料白口铸铁铁，芯骨尺寸在>2500×2500-2500×2500mm之间，所以芯骨吃砂量选择55mm。因为砂芯的长和宽在>1000×1000-1500×1500中，砂芯高度在500-800mm之间，所以，芯骨框架截面尺寸为45×35，芯骨插齿直径为22mm。因为砂芯长和宽在>1500×1500-2500×2500mm之间，砂芯高度在500-1500mm之间，所以吊环直径选择15mm。砂芯排气本铸件采用树脂自硬砂制芯，在浇注过程中，高温金属液使砂芯中的水分汽化，有机物挥发、分解和燃烧，短时间内产生大量气体。这些气体一旦进入金属液中，就可能使铸件产生气孔。因此，在设计、制造砂芯及下芯、合箱的整个过程中，要注意砂芯的排气，使砂芯中产生的气体能够及时的从芯头排出。为保证砂芯排气，制芯时在砂芯中开设排气道，是一个很重要的措施，通常采用蜡线或尼龙管开设砂芯排气道。下芯时应注意不要堵塞芯头出气孔，在铸型中与芯头出气孔对应的位置应开设排气通道，以便将砂芯中的气体引出型外。浇注系统的设计浇注系统类型的选择铸钢具有熔点高，流动性差，收缩大，易氧化，而且夹杂物对铸件力学性能影响严重因而要求其浇注系统结构简单截面积大，使充型快而平稳，金属流不宜分散，有利于铸件的顺序凝固和冒口的补缩，不应阻碍铸件的收缩。浇注系统的分类方式基本为两种：一种是按照各组元的断面积比例关系不同大致分为封闭式和开放式等浇注系统。其开放式浇注系统由于金属液在浇注系统中呈无压流动状态，充型平稳，对型腔冲刷力小，金属氧化轻，能够减少铸钢低合金铸件浇注时金属液的氧化；然而其开放比例大时，金属液不易充满浇注系统，但铸钢件流动性能差，确定合适的浇注压力即可避免。故本次浇注方案采用开放式浇注系统。另一种是按照内浇道在铸件上的相对位置不同，分为顶注式、底注式、中间注入式和分层注入式等几种浇注系统。顶注式由于内浇道开在铸件顶部，浇注时液流对铸型底部的冲击力较大，流股与空气接触面积大，金属液会产生激溅、氧化，易造成砂眼、气孔氧化夹渣等缺陷。底注式浇注系统充型时内浇道基本在淹没状态下工作，充型平稳，可避免金属液发生激溅、氧化及由此形成的铸造缺陷；且横浇道基本处于充满的状态下，有利于挡渣底，型腔内空气容易顺序排出。但内浇道附近容易过热，导致缩孔、缩松和晶粒粗大等缺陷，高大薄壁浇注时金属液面在上升过程中容易结皮，形成浇不到，冷隔等缺陷。中间注入式浇注系统中，对内浇道以上的型腔来说，相当于顶注式浇注系统，对于内浇道以下的型腔而言，泽相当于底注式浇注系统。因此兼具两种浇注系统的优缺点。考虑到铸钢溶液易氧化，形成氧化膜，从而在充型冷却过程中易产生气孔针孔类缺陷，故本次浇注方案采用底注式浇注系统。浇注时间的确定包孔直径的选择钢包的容量是根据路子的容量确定的，而包孔需与刚爆的容量相应。经初步估算，铸钢所需钢液重量约为5t，查《铸造工程师手册》表6-91可确定钢包容量为3t，包孔直径取为φ50mm，浇注温度1650C.包孔直径和包内液面高度决定了钢液的质量流率，如将包内液面高度的影响简化，则包孔直径与其对应的钢液质量流率可查表6-92得Vc=55kg/s.计算浇注时间并核算金属夜上升速度液态金属从开始进入铸型到充满铸型所经历的时间为浇注时间。合适的浇注时间与铸件的结构、铸型工艺条件、合金种类和选用的浇注系统类型等有关。铸钢件浇注时间可有下式计算:式中:G——铸件质量，kg;N——同时浇注的浇包个数，一般N=1；n——每个浇包所用的塞座砖数，一般n=1;Vc——钢液的质量流率;将数据代入上式计算浇注时间为36.8s.取37s阻流面面积的计算铸件分型面设计在铸件法兰盘处，采用开放式浇注系统，浇口比选择∑F包:F直:∑F横:∑F内=1:1.8:1.9:2.2金属液从底部水平进入型腔。本次计算根据铸造手册中：其中G——流经阻流的金属液总质量；ρ——金属液密度；τ——充型总时间；μ——充填全部型腔时，浇注系统阻流截面的流量系数；Hp——充填全部型腔时的平均计算压力头。对于底注式浇注系统：其中：μ=0.38H0—铸件（型腔）总高度647mm；P—阻流以上的型腔高度545mm。即方案一中Hp取374.5mm。计算得：根据实际生产的经验，铸钢铸件在计算时，计算得阻流面A阻为20.6mm2从而得到∑F直=37.8mm2,∑F横=39.14mm2，∑F内=45.32mm2内浇道的确定内浇道是引导金属液平稳地流入型腔，控制充型速度和方向，调节铸件各部位的温差和凝固顺序，对铸件有较大影响。本次方案中∑F内=59.2mm2，且共开设4个内浇道，故F内=11.3mm2，Φ37.8mm取38mm。如表所示横浇道的确定横浇道主要是向内浇道分配金属液，贮存最初浇入的含有气体和夹杂物的低温金属液。横浇道应保证金属液中夹杂物到达第一个内浇道时浮到横浇道顶部，且应设计一段75mm~150mm的横浇道延长段来贮存初流液体，防止金属液的回流。本次方案中∑F横=18cm2，且共开设1条横浇道，故F横=39.14mm2因此选取Φ71mm如图表所示直浇道的确定直浇道主要起到引导浇口杯中的金属液向下流动，进入横浇道、内浇道或直接导入型腔，并提供足够的压头。直浇道多为圆形断面，在手工造型和一般机器造型中，直浇道通常取斜度为2%~4%的上大下小的锥形圆棒。本次方案中∑F直=37.8mm2直浇道下端为阻流面，d1=51mm，d2=69mm。各浇道图为表3-13所示。表3-13各浇道示意图1内浇道示意图2横浇道示意图3直浇道示意图直浇道窝的设计金属液对直浇道底部有强烈的冲击作用，并产生涡流和高度紊流区，常引起冲砂，渣孔和大量氧化夹杂物等铸造缺陷。设置直浇道窝可改善金属液的流动情况。浇口窝做成半球形、圆锥台等形状。所以设置成半球形，浇口窝直径为直浇道下端直径的1.4-2.0倍，取1.5倍。浇注系统的校核浇注速度的校核金属液在型内的上升速度型内金属液面升速度v型用下式表示：式中：C—铸件（或某段）高度（700mm）τ—浇注时间（或浇注某段时间)（37s）钢液在型腔中的适当上升速度如表3-14所示。表3-14表钢液在型腔中的适当上升速度铸件厚度（mm）上升速度（mm/s）>408-2030-4013-16对于本次浇注时v=18.9m/s，查表得在8-20m/s内，符合要求最小剩余压头HM校核直浇道高度一般等于上砂箱高度，但应检验该高度是否足够，其剩余压力头应该满足压力角的要求：式中：HM——最小剩余压力头；L——直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距为1014.5mmΑ——压力角（根据铸件壁厚与尺寸查阅手册取7°）。计算可得Ltanα=124.56≤HM符合要求浇口杯的设计浇口杯是承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注；减轻液流对性强的冲击，分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔，增加充型的压力头浇口杯分为漏斗形和池型两大类，漏斗形浇口杯挡渣效果差，但结构简单，消耗金属少。池型浇口杯内液体深度大，可组织水平漩涡的产生而形成垂直漩涡，从而有助于分离熔渣和气泡，因为铸钢件容易产生气孔，所以选择池型浇口杯。经铸造工艺首次查的各部分尺寸如表3-15所示。浇口杯如图3-6所示。表3-15交口杯尺寸ABlHH1daRR1H2尺寸（mm）800400200260308530603590图3-6池形交口杯过滤网的设计铸件工艺要求中对铸件夹渣缺陷有严格要求，因此在浇注过程中应该对金属液进行过滤处理，在工厂实际生产中，主要使用的为纤维过滤网，与陶瓷过滤器（网格式与泡沫式），其中陶瓷过滤器，尤其是泡沫陶瓷过滤器，由于其孔隙率较高，可达92%，去除夹渣及非金属杂质的能力远强于纤维过滤网。泡沫过滤器是一种深层过滤器，它以陶瓷为网架，网架之间布满了互相连通的立体小孔，浇注时，大的杂质将在过滤器外表面被截留，微小杂质将吸附在通道的壁面上。且使金属液的流动方式有湍流变为层流，减少过滤后金属进一步氧化的可能，因此工艺中选取泡沫式陶瓷过滤器。图3-7为泡沫陶瓷过滤器与过滤器放置位置示意图图3-7过滤网冒口的设计从模拟结果看，内部出现集中缩松区域，故对浇注系统添加补缩系统，提高铸件的致密性。冒口的主要作用是贮存金属液，对铸件进行补缩，此外，还有出气和集渣的作用。为了实现这样的目的，设计冒口应遵照以下原则：1)冒口的凝固时间应大于铸件被补缩部位的凝固时间；2)冒口能提供足够的补缩金属液；3)在整个补缩过程中，冒口与铸件被补缩部位存在补缩通道；4)有足够的补缩压力，使补缩金属液能够流到要求补缩的区域。冒口设计的主要内容是：选择冒口形状以及安放位置、确定冒口数量、计算冒口的尺寸、校核冒口的补缩能力。冒口的种类按照冒口在铸件上的位置，普通冒口可以分为顶冒口和侧冒口（边冒口）两类；按照冒口顶部是否与大气相通，可以分为明冒口和暗冒口。根据铸件的结构，选择暗顶冒口冒口的形状冒口形状直接影响其补缩结果，为了降低冒口散热速度，延长冒口的凝固时间，应尽量减少冒口的表面积，因此最理想的冒口形状为球型，但因起模困难，且根据铸件顶部呈长矩形，故最终决定使用腰圆柱形暗顶冒口。冒口的计算冒口计算最经常使用的方式为模数法设计，但考虑到本次工艺中冒口主要最作用为对铸件顶部塌陷区域进行补缩，并非对热节缩松缩孔缺陷的消除，因此，最终根据塌陷金属量计算模数MR，查阅铸钢铸件腰圆柱形明顶冒口尺寸，最终确定使用冒口尺寸如表3-16所示，冒口图如图3-8所示表3-16冒口尺寸MRA(mm)B=h(mm)4.7210315图3-8冒口示意图冷铁的初步设计与计算冷铁的选择为了增加铸件局部冷却速度而置于铸件表面或内部的激冷材料通常简称为冷铁。冷铁可以分为内冷铁和外冷铁两大类：造型（制芯）时置于模样（芯盒）表面、浇注时只作用于铸件表面的激冷块为外冷铁；进入铸件内部，称为铸件一部分的称为内冷铁。由于内冷铁可能会带来降低铸件力学性能，甚至引起裂纹，因此，只有在外冷铁激冷作用不足时才考虑使用，初步设计冷铁仅设置外冷铁。铸钢铸件冷铁材料常用的是铸铁，所以冷铁材料选择的铸铁。冷铁的位置设计根据分析，冷铁设计的位置主要为三处：首先为行星架配合法兰处，该处在浇注时处于铸件底部，此处设置冷铁可以改善铸件件的凝固顺序，力求铸件产生一个自下而上的顺序凝固，使铸件下部先凝固，在重力的作用下的到补缩，形成致密的组织，保证铸件探伤部位的质量；所以选择在铸件下部设计外冷铁。冷铁的尺寸计算设冷铁部位铸件体积为V0，与设置冷铁部位相邻铸件体积为Vr，且V0＞Vr。为使V0部位获得致密组织，应在V0处设置冷铁后，凝固时间不大于Vr。由体积差（质量差）引起的热量差(V0-Vr)ρ(L+△H)应由设置的冷铁吸收，才能使V0与Vr的凝固时间相近或相等。冷铁重量Gch计算公式：其中：Gch—冷铁重量（g），V0—设置冷铁部位的铸件体积（cm3），Vr—与设置冷铁部位相邻的之间体积（cm3），ρ—合金液的密度（g/cm3），L—凝固潜热（J/kg），△H—金属液过热热量（J/kg），T—凝固结束时冷铁的温度（℃），C—比热容[J/（kg²℃）]；为计算方便，做以下计算：带回原式得：对于铸钢浇注：其中：M0—设置冷铁部位铸件的模数（cm）；Mr—与设置冷铁部位相邻接的铸件的模数（cm）。则冷铁厚度计算公式：其中：S—设置冷铁的面积（cm2）；D—设置冷铁的厚度（cm）；7.6—铸铁冷铁的密度（g/cm3）。该处铸件V0=14549221.4mm3；与其相邻处铸件模式Vr=4835600mm3；冷铁计算得重量Gch=72Kg；冷铁面积S=16320mm2；冷铁厚度D=65cm。冷铁的长度为冷铸件厚度的2~4倍，冷铁的宽度约等于冷铁的长度，冷铁之间的间距约等于冷铁长度的1/2~2/3,或者冷铁的长宽尺寸各为2~3Mo，间距约1.5~2M。所以冷铁长设计为长65×2.5=162.5mm，取162mm；宽等长也为162mm。根据补贴距离计算得到，冷铁个数为6个。铸造工艺装备铸造工艺装备是造型、制芯、合箱及浇注过程中使用的模具和装置的总称，铸造工装设计对于保证铸件质量，提高劳动生产效率，减轻劳动轻度起很大作用。设计工装设备既要满足工艺要求，又要便于加工制造。本节重点说明模样、砂箱与芯盒的设计。砂箱设计材料选用HT150，定位销等用45钢，砂箱厚度280mm，调用式大型砂箱。上砂箱尺寸为2000mm×2000mm×1000mm；下砂箱尺寸为2000mm×2000mm65×0mm。查铸造手册第五卷得:a.铸件距砂箱边最小尺寸为125mm;b.铸件顶距上砂箱顶最小尺寸为250mm;c.铸件下端距下砂箱底的最小尺寸为250mm;d.直浇道中心距铸件的最小距离为200mm。砂箱壁的结构形式和尺寸由于是单件手工生产用，且砂箱尺寸较大，故采用简易砂箱壁的断面结构并设置外凸缘，以增加砂箱的强度和刚度。查铸造工艺手册为:a=28mm,b=25mm,c=35mm,d=30mm。砂箱箱带的布置形式和尺寸砂箱箱带不但增加砂箱的强度和刚度，还能增加对型砂的承托力的粘附力，可以防止砂型的塌箱。砂箱箱带采用十字交错布置，查工艺手册得a=280mm,b=300mm;a1=25，r=12mm。在砂箱壁上设计排气孔，以方便排气。但不应影响砂箱强度，砂箱的箱带、转角及吊轴附近不设排气孔。排气孔形式--般为圆形或腰圆形。D=30mm,d=35mm,c=80mm,b=150mm。砂箱吊运部分的结构和尺寸本次设计中大型砂箱采用嵌入式吊轴。单个吊轴允许载荷为34300N，故应设有2个吊环。d=80mm,D=100mm,D=180mm,D2=195mm,L=250mm,L1=100mm,L2=115mm。在中大型砂箱的设计中，除了吊轴外，还经常设置4~6个吊环。d=50mm,D=110mm,D1=120mm,L=300mm,L1=110mm,L2=l35mm,L2=200mm,t=25mm,t1=30mm,r=15mm,r1=10mm。砂箱的定位及紧固耳砂箱的定位单件生产的简易砂箱，可采用内箱锥定位。位及紧固箱耳如图，d2=35mm,h=50mm,A=160mm,A1=140mm,r=15mm,r1=10mm。模样模样用来形成铸型的型腔，是砂型铸造中不可缺少的工艺装备。模样的设计质量，不仅关系着铸件的几何形状、尺寸精度和表面质量，而且直接地影响着模样制造工艺、经济性、模样的使用性能与寿命。因此，模样材料的选择与形状尺寸的确定都极为重要。根据铸件结构、技术要求及生产批量的不同，铸造行业中使用的模样材料也有所不用：在大批大量生产、机械造型的条件下，多采用金属模样；在单件小批量生产、手工造型条件下多采用木模样；而泡沫塑料模样则多用于消失模铸造。因此，本次工艺中木较为复杂，故采用易加工、价格低的木模样制造。模底板尺寸对应砂箱。厚100mm。经在铸造工艺手册查得模底板的定位销尺寸为d2=35mm,h=102mm,A=160mm,A1=140mm,r=15mm,r1=10mm。上模样图如图3-9所示，下模样图如图3-10所示。图3-9下模样图3-10