壳体铸造工艺设计

零件结构分析2.1零件结构分析生产铸件名称：壳体。铸件零件材料：ZL101。产品生产方式：单件小批量生产。零件结构分析：属厚、薄相差悬殊的壳体结构。图2-1壳体零件图Figure2-1Shellparts2.2材料成分要求铝合金具有很高的比强和比硬硬度，但密度只有Fe、Cu和Zn的1/3。所以，铝合金是一种在航空航天、化工机械等制造业中，特别是在汽车零件类的制造领域中，具有很大的应用前景。根据铝合金材料的物理变化情况，可将其加工方式分为变形法和浇铸法。由于其优良的压铸性能和导热性能，使其在铸件上具有很大的应用前景。该方法工艺简单，成型容易，所制得的产品机械性能好，可加工性好。铝合金零件能够在高、低温度下工作，并且力学性能在此环境中表现出较好的力学性能REF_Ref1564\r\h[9]。ZL101是一种高性能铝合金，主要成分包括铝、硅、镁和铜等元素。它具有优异的性能，如高强度、良好的耐腐蚀性、优良的加工性能和可焊性等。ZL101广泛应用于航空、航天、汽车、电子等领域。例如，在航空领域中，ZL101可以用于制造飞机结构件、发动机零部件等高强度部件；在汽车领域中，ZL101可以用于制造车身骨架、发动机缸体等部件；在电子领域中，ZL101可以用于制造电路板、外壳等零部件REF_Ref1815\r\h[10]。目前，关于ZL101的研究正在不断深入。研究人员通过改变合金成分和热处理工艺等方式，进一步提高其性能和应用范围。同时，铸造性能也是研究的重点之一，以提高合金的铸造质量和生产效率。根据相关资料查得ZL101具体成分及其含量如表2-1所示。表2-1ZL101化学成分表（质量分数，%）Table2-1ChemicalcompositionofZL101(massfraction,%)SiCuZnMnMg6.5-7.5≤0.2≤0.3≤0.350.25~0.45对于铝合金材料来说，铸造是一种常用的制造工艺。在ZL101合金的铸造过程中，需要注意控制铸造温度和冷却速率，以避免合金产生裂纹、气孔等缺陷。同时，还需要选择合适的铸造模具和浇注系统，以确保合金能够充分填充模具并且可以顺利排出。与其他制造工艺相比，铸造具有成本低、生产周期短等优势。但是，由于铝合金材料具有较高的热膨胀系数，在铸造过程中容易出现缩孔、变形等问题，需要通过优化工艺参数和设计合理的模具来解决这些问题。目前，研究人员正在探索新型铸造工艺和技术，如真空铸造、压力铸造等，以进一步提高ZL101合金的铸造质量和生产效率。辽宁工程技术大学毕业设计293铝合金3.1铝合金熔炼3.1.1熔炼用的原材料ZL101铝合金熔炼是指将铝、铜、硅、镁等原材料按一定比例配合，经过高温高压的熔炼过程，将其转化为液态合金。在熔炼过程中，需要控制好炉温和炉压等参数，以确保合金成分和质量的稳定。通常情况下，ZL101铝合金的熔点较高，需要采用专业的熔炼设备进行熔炼。在熔炼过程中，需要加入适量的助熔剂和合金化剂，以促进合金的均匀熔化和成分的均匀分布。同时，还需要对熔体进行净化处理，去除杂质和氧化物等有害物质，以提高合金的质量。ZL101铝合金的熔炼原材料主要包括铝、铜、硅、镁等元素。其中，铝是主要成分，通常采用96%或99.2%的铝锭作为原料；铜和镁的含量较低，分别在2-4%之间REF_Ref2915\r\h[11]。此外，为了提高合金的性能和稳定性，还需要添加一些辅助熔炼原材料，如硅化剂、合金化剂、除氧剂、脱硫剂等。这些添加剂可以改善合金的化学成分和物理性质，同时也可以减少合金中的杂质和缺陷，提高其品质和可靠性。3.1.2回炉料的分级和回用铝合金在生产过程中，会产生大量的回炉料，这些回炉料通常包含着一些杂质和氧化物等有害物质，需要进行处理和回收利用。对于ZL101铝合金熔炼回炉料的分级，一般可以分为三个等级：一级回炉料、二级回炉料和三级回炉料。其中，一级回炉料的质量最好，含有最少的杂质和氧化物；二级回炉料次之，含有较多的杂质和氧化物；三级回炉料则是质量最差的，含有较多的杂质和氧化物，不适合直接使用。对于ZL101铝合金熔炼回炉料的回用，一般可以通过添加合适的合金元素、控制加热温度等方式进行改性，以达到满足要求的合金材料性能要求。经过改性的回炉料可以再次用于熔炼ZL101铝合金材料中，从而实现回用的目的，减少了对原材料的依赖，降低了生产成本REF_Ref3281\r\h[12]。需要注意的是，回用ZL101铝合金熔炼回炉料需要严格控制其质量和性能，以确保再次使用的安全性和可靠性。3.1.3精炼剂铝合金熔炼过程中使用精炼剂可以去除铝液中的杂质、氧化物和夹杂物等，从而提高铝液的纯度和质量。精炼剂的使用可以减少铝液中的气体含量，降低气泡和夹杂对后续加工和铸造工艺的影响，同时也可以改善铝液的流动性和填充性，有利于铝制品的生产REF_Ref3689\r\h[13]。精炼剂应满足以下条件：（1）良好的脱气效果：能够有效地去除铝液中的气体，避免气泡在熔炼过程中形成，影响铝液的质量和流动性。（2）良好的去除杂质和氧化物效果：能够有效地去除铝液中的杂质、氧化物和夹杂物等，从而提高铝液的纯度和质量。（3）良好的稳定性：能够在高温下保持稳定的性能，不分解或变质，不影响后续加工和铸造工艺。（4）良好的溶解性和选择性：能够与铝液中的各种组分相互作用，选择性地去除目标杂质，而不影响其他组分的性质。（5）低的成本：精炼剂的成本应该尽可能低，以降低生产成本。3.1.4合金细化用的中间合金ZL101合金细化用的中间合金通常是一种含有稀土元素的合金，如镁、锌、锆等。这些稀土元素能够与铝形成化合物，从而改善铸造件的力学性能和耐腐蚀性能。中间合金的添加量通常在5%-20%之间，具体取决于所需的力学性能和成本效益。在使用中间合金时，需要根据具体的工艺条件进行调整和控制，以确保合金的质量和稳定性。3.2ZL101合金熔炼工艺3.2.1熔炼温度和时间ZL101是一种高温合金材料，其熔炼温度和时间是影响其质量和性能的关键因素之一。一般情况下，ZL101的熔炼温度应该控制在1450°C-1500°C之间，这个温度区间能够使合金中的成分充分熔化，并形成均匀的液态合金。而熔炼时间则需要根据具体的生产工艺和设备条件来确定，一般为1-2小时不等REF_Ref4274\r\h[14]。在熔炼过程中，需要注意炉温的控制，过高或过低的炉温都会影响合金的质量和性能。此外，还需要对合金进行充分的搅拌，以确保各个部分的成分均匀分布。同时，在熔炼过程中还需要注意去除杂质，避免杂质对合金的污染和影响。随着熔炼时间的推移，合金会逐渐冷却凝固，这个过程也会影响合金的性能。如果冷却速度过快，则会导致合金内部存在较大的应力和裂纹，影响其力学性能和耐久性；而如果冷却速度过慢，则会导致合金凝固不完全，影响其尺寸精度和表面光洁度。因此，在ZL101的熔炼过程中，需要根据具体的工艺要求和设备条件来控制合适的熔化时间和冷却速度，以确保合金的质量和性能符合要求。同时，还需要对熔炼过程中的各种参数进行实时监测和调整，以保证整个铸造过程的稳定性和可靠性。3.2.2熔炼过程中的吸气在ZL101合金的熔炼过程中，可能会出现吸气现象。这是由于铝液中的气体被加热后膨胀而产生的。当熔炼温度升高时，ZL101合金中的氢气、氮气等气体会逐渐逸出，形成气泡并进入熔体中。这些气泡在熔体中形成气泡核，随着时间的推移，气泡核不断增大，最终导致熔体的不稳定和成分不均匀。为了避免吸气现象的发生，可以采取以下措施：首先，要对熔炼设备进行清洗和预热，以确保设备内部不存在任何杂质和水分。其次，要注意熔炼过程中的搅拌和冷却，以促进气体的释放和均匀分布。此外，还可以采用真空熔炼或惰性气氛熔炼等特殊工艺来减少吸气现象的发生。通过合理的工艺控制和操作方法，可以有效地避免ZL101合金熔炼过程中的吸气现象，提高熔炼的质量和效率。铝液中水蒸气、氧化膜和添加剂等因素会影响氢气的生成速度。当水含量为10-21%时，即使铝液表面有氧化膜保护，上述反应仍会进行。锶变质的铝液增氢快，而锑变质铝液增氢慢，因为锶使氧化膜松散加快反应，而锑则使氧化膜更致密。添加不同含水量的添加剂也会影响氢气的生成速度。这些因素的变化会导致铝液中的渣和气的含量增加很快，对铸件质量产生影响。3.2.3熔炼过程中的氧化ZL101合金在熔炼过程中容易发生氧化反应，主要是由于空气中的水蒸气和氧气的作用。这些氧化剂与铝合金中的元素发生氧化反应，生成氧化物，使铝合金表面形成氧化膜。这种氧化膜不仅会影响合金的外观质量，还会导致合金的活性下降，从而影响其力学性能、耐腐蚀性能等。为了避免ZL101合金在熔炼过程中出现氧化现象，可以采取真空熔炼或惰性气体保护等方法来减少氧化的影响。同时，加入适量的覆盖剂也可以有效地防止氧化膜的形成，提高合金的质量和性能。在ZL101合金熔炼过程中，还需要注意一些其他的氧化问题。例如，如果铝合金中含有较高的镁、铁等元素，这些元素与空气中的氧气反应也会产生氧化物，使铝合金表面变疏松。此外，如果熔炼温度过高或保温时间过长，也会促进氧化反应的发生。因此，在熔炼过程中需要严格控制温度和时间，避免过高的氧化程度。为了减少氧化反应的影响，还可以采用添加稀土元素等方法来改善合金的耐腐蚀性能和抗氧化能力。此外，选择合适的熔炼工艺和设备也是非常重要的，可以有效地减少氧化现象的发生，提高合金的质量和性能。3.2.4熔炼过程中的精炼（炉内精炼）ZL101合金熔炼过程中的炉内精炼是指在铝液熔炼完成后，将其置于炉中进一步精炼的过程。在这个过程中，通过加入一定量的精炼剂和惰性气体，如氩气、氮气等，来清除铝液中的杂质和微量夹杂物，从而提高合金的纯度和质量REF_Ref5864\r\h[15]。炉内精炼一般分为两个阶段：第一阶段是脱氧期，主要目的是去除铝液中的氧气和氢气等气体杂质；第二阶段是除杂期，主要目的是去除铝液中的其他杂质，如硅、磷、钠等。在这两个阶段中，精炼剂的选择和使用非常重要，不同的精炼剂对不同的杂质有不同的去除效果。同时，还需要严格控制炉温和时间等参数，以保证精炼效果和合金的质量。对于不同的金属材料，需要选择不同的精炼剂。在ZL101熔炼中，常用的精炼剂包括有机物类、无机物类和合金化类三种。其中，有机物类精炼剂主要是由芳香烃、石油烃等组成，可以去除氧化物和杂质；无机物类精炼剂主要是由硅酸盐、碳酸盐等组成，可以去除硫、磷等杂质；合金化类精炼剂则是根据不同金属材料的要求进行选择，可以改善合金性能。ZL101熔炼中所使用的精炼剂用量通常为总添加量的5%-10%。具体的用量取决于金属材料的要求和工艺条件。一般来说，添加量过多会导致精炼效果不佳，而添加量过少则可能无法达到预期的效果。因此，在使用精炼剂时需要根据具体情况进行调整，以达到最佳的精炼效果。3.2.5熔炼过程中的清渣清渣剂是一种用于清除金属熔体中杂质的化学药剂，通常包括酸性和碱性两种类型。在ZL101铝合金的熔炼过程中，会产生一些氧化物和其他杂质，这些杂质会影响合金的质量和性能。因此，需要使用清渣剂将它们清理出来。（1）选择合适的清渣剂：根据ZL101铝合金的成分和熔炼工艺要求，选择适合的清渣剂。常用的清渣剂有氟化钠(NaF)、氟化氢钠(NaH2F2)等。需要注意的是，不同的清渣剂对不同类型的氧化物有不同的去除效果，所以要根据实际情况进行选择。（2）加入清渣剂：在熔炼过程中，根据清渣剂的种类和使用方法，适时加入清渣剂。一般来说，先加入氟化钠(NaF)等酸性清渣剂，再加入氟化氢钠(NaH2F2)等碱性清渣剂。需要注意的是，加入清渣剂的量应该适中，过多或过少都会影响清渣效果。（3）搅拌混合：加入清渣剂后，需要充分搅拌和混合，以便清渣剂能够均匀分布在熔液中。这样可以有效地去除氧化物和其他杂质。（4）控制温度和时间：在加入清渣剂后，需要控制好温度和时间，避免过热或过长时间加热导致合金变质。一般情况下，温度控制在750°C左右，时间为30分钟左右。（5）再次处理：在清渣剂的作用下，大部分杂质会被分离出来，但仍会有一些残余的氧化物和其他杂质留在熔液中。此时，需要再次加入适当的清渣剂进行处理，直到铝液中的杂质被彻底清除为止。总之，在熔炼ZL101铝合金的过程中，使用清渣剂是必不可少的一步。通过正确选择、加入和处理清渣剂，能有效地清除铝液中的氧化物和其他杂质，提高铝合金的质量和性能。3.2.6熔炼中的合金变质ZL101合金熔炼中的合金变质是指在合金熔化和精炼的过程中，由于各种因素的影响，导致合金的组织结构和性质发生改变的现象。这个过程通常分为两个阶段：晶粒长大阶段和再结晶阶段。在晶粒长大阶段，合金中的固溶体开始分解并重新排列，形成新的晶粒。这个过程会导致合金的强度、硬度和韧性等性能发生变化，同时也会增加合金的脆性。为了避免合金变质，可以采用控制加热速度和保温时间等措施来促进晶粒的细化。在再结晶阶段，已经形成的粗大晶粒会再次溶解并重新排列，形成更细小的晶粒。这个过程会导致合金的力学性能和耐腐蚀性能得到进一步提高。为了促进再结晶的形成，可以采用较低的熔点和合适的添加剂等措施来控制合金的成分和组织结构。ZL101合金熔炼过程中的变质处理方法主要包括锶变质和锑变质两种方法。其中，锶变质通过向铝液中添加0.025%的Al—Sr10合金来细化共晶硅，然后经过除气处理后，使共晶硅呈球状或接近球状。而锑变质则是向铝液中添加微量的锑，控制Sr含量在0.012~0.020%之间，从而改变针状Si晶体形态并细化共晶硅。在生产中，一般采用加入Al—Sb8中间合金来控制Sr含量，避免偏析和针孔缺陷的产生。对于含锑变质的合金，需控制Mg和Sb的比例，以确保合金具有良好的性能表现。此外，在加入锑时应注意其比重大、易偏析、与精炼剂和清渣剂反应等缺点，最好使用Al—Sb8—Mg2中间合金来代替纯锑变质。总之，ZL101合金熔炼中的合金变质是一个复杂的过程，需要根据具体情况采取相应的措施来控制和优化合金的性能。

4铸造工艺方案设计4.1工艺方案的确定4.1.1铸造方法砂型砂铸造的基本特征是：型砂、砂芯不需要干燥，不存在硬化过程。因此，这种铸造方法具有较大的生产灵活性，它可以在很大程度上适应多种复杂零件的加工。它可以根据不同产品的生产需要，制造出不同尺寸、形状和尺寸精度的砂型和砂芯；它可以组织流水生产，节省能源，降低成本；它容易实现生产流程的机械化、自动化REF_Ref7059\r\h[16]。因为生产计划是批量的，所以可以用砂型浇注。4.1.2型（芯）砂配比根据零件结构和生产要求，确定了铸件的工艺方案，即采用粘土砂造型，用三乙胺制芯。三乙胺法冷芯盒制芯工艺是一种冷芯盒制芯工艺方法中目前应用最广泛的一种，其制芯工艺过程是，在定量原砂中按工艺配比加入组分I酚醛树脂和组分II聚异氰酸酯的双组分粘结剂，在混砂机中混均匀后得到冷芯砂，利用射芯机紧实到芯盒中，再借助气体发生器，以干燥的压缩空气或氮气等为载体将定量的雾化或汽化的三乙胺催化剂通过吹气板吹入芯盒，将双组分粘结剂中的羟基和异氰酸催化变成尿烷而硬化，继而靠载体气体清洗出芯砂中残余的三乙胺，得到具有一定强度、满足工艺要求的砂芯。铸件具体的型砂和芯砂的配比如表4-1和表4-2所示。表4-1型砂配比（配比重量Wt%）Table4-1sandratio(ratioweightWt%)成分新砂旧砂膨润土煤粉百分比10%90%7.5%1%表4-2芯砂配比（配比重量Wt%）Table4-2Coresandratio(ratioweightWt%)成分酚醛树脂基异氰酸酯附加物氧化铁粉百分比1%1%2%4.1.3混砂工艺为了生产出高质量的树脂砂，我们需要遵循具体的混砂工艺步骤：首先，我们需要选择合适的混砂机。这个过程需要考虑很多因素，比如要生产的树脂砂的用途、形状和尺寸等等。只有选对了混砂机，才能更好地完成后续的工作。接下来，我们需要按照正确的加料顺序将各种原料加入混砂机中。这些原料包括石英粉、玻璃纤维、水泥、颜料等等。每个原料的加入顺序都非常重要，因为它们会影响到最终混合物的质量。最后，我们需要控制好混砂的时间。这个时间要根据具体情况来定，通常在10-30分钟之间。如果时间太短，混合物可能不够均匀；如果时间太长，混合物可能会过于干燥或者过于湿润。因此，掌握好混砂时间非常关键。总之，要想生产出高质量的树脂砂，我们需要从多个方面入手，包括选择合适的混砂机、正确地加料顺序和恰当的混砂时间等等。只有这样，我们才能得到符合要求的树脂砂产品。其混砂工艺如下：图4-1混砂工艺Figure4-1sandmixingprocess使用氧化铁粉的目的是此产品采用三乙胺制芯，使用的原砂成分是二氧化硅，当温度达到573℃时会发生相变，导致二氧化硅膨胀产生脉纹，不易清理。三乙胺使用温度应在70-90℃。上述顺序不可颠倒，否则混砂不均匀，缩短可使用时间，影响到树脂砂的使用性能。4.2铸件的铸造工艺性铸件的铸造是一个复杂的过程，在这个过程中，一方面要使用先进、合理的铸造工艺和设备，另一方面要使零件结构本身与铸件生产的要求相匹配，并确保铸件的质量。这就要求零件结构具有适应铸造工艺要求的能力，这种能力就是零件结构的铸造工艺性。本次设计的铝合金壳体铸件整体外轮廓尺寸大于175mm×182mm×180mm，根据铸造工艺手册查得，铸造允许的最小壁厚为5mm。4.2.1基准面的选择基准面是指在铸造过程中用来确定铸件各部分相对尺寸位置的平面。因此，在选择基准面时，必须与铸件机械加工时的加工基准面保持一致。这是因为只有统一了基准面，才能确保铸件的尺寸和形状符合设计要求，从而保证其质量和性能。其选择原则为。（1）不是全部加工的铸件，应尽量取不加工面为基准面。（2）在使用未处理的表面时，应该选择尺寸变化最小且最可靠的表面。（3）对于所有被加工过的零件，应该选择一个加工余量最少的表面作为基准，这样才能确保在进行机械加工时，不会由于加工余量不足而导致废品REF_Ref8075\r\h[17]。（4）通常情况下，应该选用一个比较大的平面，而不应该用曲面或者有铸造坡度的面来做基准面。（5）基准面应当是平坦的，没有残留的浇口，毛刺，飞边等现象。综上所述，本课题铝合金壳体铸件的基准面应选择在铸件的轴线作为基准面，如图4-1图4-1基准面Figure4-1Datumlevel4.3浇注位置的选择浇注位置指的是在铸造过程中，我们要确定铸件在铸型中的位置，它和浇口位置不同，浇口位置是指从铸造型腔中取出铸件的部位。在铸造过程中，选择正确的浇注位置非常重要。因为这将直接影响到铸件的质量和生产效率。为了确定正确的浇注位置，我们需要考虑很多因素，比如铸件的技术要求、结构特点、铸造方法、尺寸、重量、铸造合金特性、以及生产车间的条件等等。只有综合考虑这些因素，才能确保浇注位置的正确选择。如果选择不当，可能会导致造型、制芯和清理等工作变得困难或者铸件不健全REF_Ref29379\r\h[21]。（1）铸件最重要的部分或较大平面应该朝下，这样可以确保整个铸件的质量和稳定性。（2）铸型的防止应该有利于砂芯的定位和稳固支撑，这可以避免砂芯在浇注过程中移动或变形。（3）当铸件需要冒口补缩时，最好使补缩部位处于铸件的上部，这样可以保证冒口处的尺寸精度和表面质量。（4）为了避免铸件薄壁部分浇不足，浇注时应该将薄壁部分放在下边、立放或斜放。这样可以确保铁水充分填充铸件内部，避免出现缺陷REF_Ref29738\r\h[22]。（5）在浇注时也要注意排气，以免砂型和砂芯内部产生气孔（6）对于平板类铸件，倾斜放置可以防止夹砂，同时也有利于排气和减少铁水对铸型的冲刷力。（7）设计铸型时应尽量使砂芯全部或者主要部分位于下型，并尽量少用吊芯。这样可以方便下芯和合箱，便于检查型腔尺寸。综合上述原则，考虑到壳体零件结构特点，将内浇道镶嵌在分型面上，便于清理，横浇道搭接在内浇道上，和直浇道一起放在上模样，具体构造如下图4-2。图4-2浇注位置Figure4-2pouringposition4.4分型面的选择分型面是指两个半模面相互平行接触后的表面。分型面恰当的选择将对提高铸件设计的制造精度、生产成本控制能力和提升生产经营效率将有其很大积极影响。分型面的选择原则如下：(1)尽量选择简单、规则的分型面形状，如矩形、正方形、梯形等。(2)避免使用过于复杂的曲线或曲面作为分型面，因为这些分型面的加工难度较大，制造成本也较高。(3)在选择分型面位置和方向时，应考虑尽可能减少模具结构复杂度和铸件尺寸偏差。(4)应根据铸件的结构特点和尺寸要求选择合适的分型面位置和形状，以确保铸件的质量和精度。(5)在选择分型面时，应优先考虑利用现有的模板或标准件进行设计，以减少模具制造的难度和成本。(6)应避免在分型面上设置过多的凸台或凹槽，以免影响铸件表面质量和尺寸精度。(7)在选择分型面时，还应考虑模具的使用寿命和维护保养的难易程度，尽量选择易于拆卸和维修的分型面结构。(8)对于大型铸件，应采用多个分型面组合的方式进行设计，以便于实现大面积铸件的生产。(9)在选择分型面时，还应考虑到铸件的材料性质、壁厚等因素，以确保分型面的设计能够满足铸件生产的要求。图4-3浇注系统示意图Figure4-3Pouringsystemschematicdiagram分型面的选择是铸造中最基础的问题之一，它不仅影响到铸件的质量和精度，还关系到铸件的经济效益和生产效率。对于本次铸造任务，针对铝合金壳体铸件整体外轮廓尺寸大于175mm×182×180mm，相对较大的铸件，我们可以采用以下几种不同的方案进行对比。方案一：如图4-4-1所示，分析可知将以通过三通阀方孔中心平面做水平分型面，将该零件置于上、下砂箱之间，采用地面浇注形式，该分型方案如图4-4-1分型方案一。图4-4-1分型面一Figure4-4-1Partingsurface1方案二：以零件底座的对称平做分型面，将铸件置于上、下箱之间，采用中间侧面浇注形式，该分型方案如图4-4-2分型方案二。图4-4-2分型面二Figure4-4-2Partingsurface2综合考虑以上二种方案，我们建议采用方案二的方式进行铸造。因为铝合金壳体铸件整体外轮廓尺寸较大，中心分型容易造成空洞或缩孔，因此采用方案二能够有效地解决铸件中心部位的问题，同时能够保证铸件表面的质量和精度。综上所述，分型面的选择方案如图4-4-2所示。4.5铸造工艺参数的确定铸造过程中的每个工艺参数是指制造商用户在设计和生产项目中最基本、最准确的数据，以优化金属铸造过程中产品的工艺性能。铸造行业机械工艺参数指标需要选择科学合适的技术指标，选择过程往往与金属铸件尺寸、质量、验收或鉴定工艺条件因素直接相关，准确、合适、科学、及时的科学综合评价金属精密铸件辅助工艺参数，可进一步有效保证金属铸件尺寸精度和铸件产品形状结构完整准确，提高机械设备安全生产的运行效率，降低铸件机械的综合生产成本REF_Ref8134\r\h[18]。4.5.1铸造尺寸公差铸件尺寸公差就是指在制造金属铸件时，金属内部各个部分的尺寸可以有一定的误差范围。这个误差范围就是允许的或极限偏差，也就是说，铸件的内径、外径、长度等尺寸可以在一定范围内波动，但是不能超出规定的误差范围。这样能够保证铸件在使用过程中的精度和可靠性。在制造铸件的过程中，有很多复杂的因素会影响铸件的尺寸公差。同时，铸件的尺寸公差值也会对其生产成本产生极大的影响，即使在一定精度范围内。因此，在设计铸造生产工艺时，需要充分考虑这些因素，以确保铸件的质量和成本都得到控制。在本设计中，零件采用砂型铸造的铸造方法，批量生产的铝合金铸件，根据表4-3查表得：铸件的尺寸公差等级为CT9~CT12,选取CT10REF_Ref8186\r\h[19]。表4-3成批和大量生产铸件的尺寸公差等级(摘自GB/T6414--1999)Table4-3Dimensionaltoleranceclassesforbatchandmassproductioncastings(fromGB/T6414--1999)方法公差等级CT铸件材料铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金锌合金轻金属合金镍基合金钴基合金砂型铸造手工造型11~1411~1411~1411~1410~1310~139~1211~1411~14砂型铸造机器造型和壳型8~128~128~128~128~108~107~98~128~124.5.2铸件重量公差铸件重量公差是指铸件的重量允许偏差的范围。GB/T11351—1989号系列标准条文规范中已分别细化规定并使用规定了对各种工艺类型铸件产品尺寸的确定铸造件重量公差数值、确定铸件标准方法和要求尺寸以及铸件试样重量检验方法精度误差的一些具体检验规则，这些标准同样适用于常见的机械铸造和加工方法，例如压力铸造、砂型铸造、低压铸造、金属型铸造工艺以及热熔模铸造法等。它们适用于制造各种工业常用的轻金属产品零件和轻合金铸件REF_Ref8186\r\h[19,REF_Ref28611\r\h20]。所以本次设计中也使用本标准，并与GB/T6414—1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》配套使用。查表4-4和表4-5得：铸件的质量公差为MT9~MT11，选取MT10。表4-4小批和单件生产铸件的重量公差等级Table4-4Weighttoleranceclassesforsmalllotandsingleproductioncastings造型材料公差等纸CT铸钢灰铸铁球墨俦铁可锻铸铁铜合金轻金属合金干、湿型砂13~1613~1513~1513~1513-~1511~13自硬砂12~1411~1311~1311~1310~1210~12表4-5铸件量量公差数值(%)Table4-5Castingquantitytolerancevalue(%)公称重量/kg重量公差等级MT大于至123456789101112131415160.4568101214161820240.41456810121416182024143456810121416182024410234568101214161820241040234568101214161820244010023456810121416182024100400一23456810121416182040010001234568101214161810004000一2345681012141640001000023456810121410000400002345681012注：表中重量公差数值为其上偏差和下偏差之和。一般情况下、重量偏差的上偏差和下偏差相同，4.5.3机械加工余量机械加工余量是指在机械加工过程中，为了保证加工精度和表面质量而留出的一定量的空间或材料。通常情况下，机械加工余量的大小取决于工件的形状、尺寸、加工方式以及材料的性质等因素。当机械加工余量过大时，加工出来的零件尺寸与设计要求相差较大，这将导致零件的强度降低。特别是在受力部位，如连接处、孔径等，过大的余量会使零件的刚度变差，从而影响其使用寿命和安全性。另一方面，过小的余量会影响加工精度。过小的余量容易引起振动和变形，从而导致加工误差增加。特别是在精密加工中，过小的余量容易引起表面粗糙度增加，影响零件的外观质量。在实际生产中，机械加工余量可以用于调整零件的位置、避免因过紧或过松而导致的零件损坏或加工精度下降等问题。同时，机械加工余量还可以用于进行后续的加工和处理，例如铣削、钻孔、磨削等工艺。因此，合理地确定机械加工余量对于保证机械加工的质量和效率具有非常重要的作用。在本次设计中，铸件机械加工余量等级为RMAF-RMAH。我们根据表4-6选择RMAG级作为铸件机械加工余量等级。同时，我们还根据表4-7查得了具体的加工余量数值。这些选择和计算都是为了确保零件的尺寸精度符合要求，并且在节约金属液量、提高生产效率和降低成本的前提下进行。表4-6毛坯铸件典型的机械加工余量等级Table4-6Typicalmachiningallowancegradesofblankcastings方法要求的机械加工余量等级铸件材料铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金锌合金轻金属合金镍基合金钴基合金砂型铸造手工造型C~KF~HF~HF~HF~HF~HF~HG~KG~K砂型铸造机器造型和壳型E~HE~GE~GE~GE~GE~GE~GF~HF~H金属型(重力铸造和低压踌造)D~FD~FD~FD~FD~FD-F压力铸造B~DD~DD~D熔模铸造EEEEEEE注：本标准还适用于本表米列出的由俦造厂和来购方之间协议商定的工艺和材料。表4-7要求的铸件机械加工余量(RMA)(GB/T6414--1999)(单位：mm)Table4-7Castingmachiningallowance(RMA)(GB/T6414--1999)(Unit:mm)最大尺寸要求的机城加工余量等级大于至ABCDEFGHJK400.10.10.20.30.40.50.50.711.440630.10.20.30.30.40.50.711.42631000.20.30.40.50.711.422.841001600.30.40.50.81.11.52.23461602500.30.50.711,422.845.582504000.40.70.91.31.42.53.557104006300.50.81.11.52.234691263010000.60.91.21.82.53.5571014100016000.711.422.845.581116160025000.81.11.62.23.24.5691418250040000.91.31.82.53.5571014204000630011.422.845.581116226300100001.11.52.234.569121724图4-5加工余量图Figure4-5Processingallowancediagram4.5.4铸件最小铸出孔铸件最小铸出孔是指在铸造过程中，为了保证铸件的完整性和质量，需要在铸件中留下的最小孔洞尺寸。它可以保证铸件内部的气密性，保证铸件内部的气密性，方便后续加工。通常情况下，铸件最小铸出孔的大小取决于铸件的形状、尺寸、材料以及使用要求等因素。在实际生产中，铸件最小铸出孔的大小需要考虑到铸件的强度、密封性、耐磨性和耐腐蚀性等因素，以确保铸件能够满足规定的使用要求。同时，铸件最小铸出孔的大小也需要考虑到加工工艺的要求和成本等因素。因此，合理地确定铸件最小铸出孔的大小对于保证铸件的质量和性能具有非常重要的作用。经查表4-8得，铝合金最小铸出孔为φ20，所以只小于φ20孔不铸出。表4-8铸铁件和非铁合金铸件最小铸孔尺寸(单位：mm)Table4-8Minimumholesizesforcastironandnon-ferroalloycastings(Unit:mm)铸件材质壁厚最小孔径铸铁8~106~1020~2510~1540~5015~3050~10035~50铝合金、镁合金20铜合金254.5.5铸造收缩率铸造线性收缩率是指金属铸件在从铸造线性收缩时开始逐渐冷却下降到接近室温时出现的一次相对铸造线性的收缩。以模具与铸件之间的长度差除以模样长度差的百分比。金属在冷却凝固的过程中常使金属铸件表面在金属最后冷却的未凝固状态部位会产生一些缩孔、缩松铸件，为了尽可能消除表面缩孔、缩松铸件，获得完全合格质量的金属铸件一般可再采用特殊工艺措施或对原铸件进行补缩。查表4-9选取该铸件收缩率为1%。表4-9各种铸铁件的铸件线收缩率(%)Table4-9Castinglineshrinkageofvariouscastironparts(%)铸件的种类线收缩率受阻收缩自由收缩灰铸铁中小型特件大中型铸件特大型铸件0.8~1.00.7~0.90.6~0.80.0~1.10.8~1.00.7~0.9续表4-9特殊的圆筒形铸件长度方向直径方向0.7~0.90.5~0.60.8~1.00.6~0.84.5.6拔模斜度在铝合金壳体铸件的壳体铸造过程中，为了保证铸件的尺寸精度和表面质量，需要采用一定的技术手段来解决拔模问题。其中，拔模斜度是一项非常重要的参数，它决定了铸件与模具之间的接触面积和面积分布，进而影响铸件的尺寸精度和表面质量。拔模斜度的校核计算包括以下几个步骤：(1)确定拔模方式和拔模方向铝合金壳体铸件的壳体铸造采用上下开模，拔模方向为竖直向上。根据这些决定，可确定定位销的位置和数量。(2)确定拔模斜度拔模斜度是指铸件与模具之间的斜面倾斜角度，一般采用5°~8°。根据实际情况和经验，本文采用拔模斜度为7°。(3)计算最大拔模高度最大拔模高度是指铸件在拔模方向上的最大尺寸，也是确定拔模斜度的重要依据之一。根据铸件的尺寸和公差等级CT10，最大尺寸为：175mm+10×0.03mm+0.5×5mm=176.5mm。根据拔模斜度7°，最大拔模高度=176.5mm×tan7°≈22.4mm。(4)计算最小砂型高度最小砂型高度是指在确定了拔模斜度和最大拔模高度后，根据砂型制备工艺和砂浆性能确定的最小砂型高度。铝合金壳体铸件的壳体铸造采用普通砂浆，最小砂型高度为2倍壁厚+砂型收缩量，壁厚为5mm，收缩量为0.6%~1.8%，取1.2%。则最小砂型高度=2×5mm×（1+1.2%）≈10.2mm。(5)比较最大拔模高度和最小砂型高度最大拔模高度22.4mm大于最小砂型高度10.2mm，因此拔模斜度符合要求，可以进行铝合金壳体铸件的壳体铸造。表4-10粘土砂造型时，模样外表面的起模斜度Table4-10Drawingslopeoftheappearancesurfaceduringclayandsandmolding测量面高度h/mm起模斜度≤续表4-10金属模样、塑料模样木模样αa/mmαa/mm≤10>10~40>40~100>100~160>160~250>250~400>400~630>630~1000>1000~1600>1600~2500>25002°20'1°10'0°30'0°25'0°20'0°20'0°20'0°15'0.40.81.01.21.62.43.84.42°55'1°25'0°40'0°30'0°25'0°25'0°20'0°20'0°20'0°15'0°15'0.61.01.2].41.83.03.85.87.911.04.6其他工艺参数的确定4.6.1工艺补正量对于中小批量的铸件，一般在选择收缩尺寸时都不能正确地选择收缩率，有时还会出现“假收缩”，即铸件本身收缩就不够，所以加工后的铸件尺寸就比图纸上所要求的尺寸小。还有一种情况是铸件本身发生了变形，例如有些铸铁件在加工时出现了弯曲或局部收缩不足，这些情况在加工后就会导致尺寸不准确。也有是因为操作不当而造成的误差，例如由于装模时用力不当或工具损坏等原因造成的废品。为了提高尺寸的准确性，往往在铸件的对应的非加工表面上添加一层金属层的厚度，但由于此件在垂直分型面的立壁上都有很大的拔模斜度，所以这种方法对铸件尺寸没有影响。4.6.2反变形量在对大型板坯、床体等进行浇铸时，因冷却速率的不均，导致铸件冷却后产生变形。在进行样制的时候，要与铸件可能会产生变形的相反方向进行反变形，这样在铸件冷却后，变形的结果就可以将逆变形抵消，从而得到满足设计要求的铸件。对于中、小尺寸的壁厚差异不大的结构，在刚性比较大的情况下，不需要预留反向变形的空间。因为是中小尺寸的铸件，没有必要留下反向变形的空间。4.6.3非加工壁厚的负余量这个铸件是用木头做的模具。在制作过程中，需要敲打木模来取出它。如果木模受潮了，就会膨胀，导致型腔变大，进而增加非加工壁厚。为了确保铸件尺寸的精度，应该将其降低到最小的厚度尺寸。但是，因为此件在没有拔模斜度，而且此件不是很大，所以不将非加工壁厚的负余量放出来。4.6.4分芯负数对长型砂心进行分段加工或大型砂心分离加工时，在接合部留有一定的空隙，也就是在砂心分离面上，用砂心大小减去空隙大小，所减的空隙大小就是分型的负值。本铸件无长砂心分段加工，因此可不设置负砂心。4.7砂芯设计及排气砂芯在铸造中扮演着至关重要的角色，它能够帮助铸件形成一些不易于通过铸造过程形成的形状和结构。针对本次铸造任务的具体要求，我们需要设计一个具有以下特点的砂芯：形状：砂芯的形状需要根据铸件的设计要求进行设计，以便能够帮助铸件形成一些复杂的结构和形状。在本次铸造任务中，我们需要设计一个具有复杂结构的芯型，以便能够制造出符合要求的密封结构和各种内腔。此外，该砂芯还需要具备一定的强度和耐磨性，以确保其在使用过程中不会发生变形或磨损，保证铸件质量。尺寸：砂芯的尺寸必须与铸件的要求相匹配，既不能过大也不能过小。在本次铸造任务中，我们需要设计一个合适的砂芯，能够完美地嵌入到铸件内部，同时保证铸件的整体性和表面质量。数量：砂芯的数量需要根据铸件的特点和设计要求进行确定。在本次铸造任务中，由于铸件需要同时形成多个内腔和复杂的结构，因此我们需要设计多个砂芯来满足生产需求。芯盒设计：芯盒是用于保护砂芯的罩子，能够确保砂芯在铸造过程中不会发生变形或损坏。针对本次铸造任务的要求，我们需要设计一个具有特定特点的芯盒，以满足生产需求。形状：芯盒的形状必须与砂芯的形状相匹配，以确保其能够紧密地包裹住砂芯。尺寸：芯盒的尺寸必须与砂芯的尺寸相匹配，以确保其能够完美地嵌入到砂箱中。材质：芯盒的材质需要具有一定的强度和耐高温性能，一般采用铸铁或铝合金等材质。综合考虑以上因素，我们可以设计出具有以下特点的砂芯和芯盒：砂芯型号：HLC-001砂芯形状：具有复杂结构，能够同时形成多个内腔和各种密封结构。砂芯尺寸：长100mm，宽50mm，高80mm。砂芯数量：共设计3个砂芯，每个砂芯都有独立的内腔和密封结构。图4-6砂箱Figure4-6flask芯盒型号：HLC-001C芯盒形状：具有与砂芯相同的复杂结构，能够紧密包裹住砂芯。芯盒尺寸：长110mm，宽60mm，高90mm。芯盒材质：采用铸铁材质，具有较高的强度和耐高温性能。图4-7芯盒Figure4-7Corebox以上是本次铸造任务的分型面选择和砂芯设计方案，相信我们通过精心的设计和制作，能够顺利地完成铝合金壳体铸件的生产任务。4.7.1芯头的基本尺寸砂芯的紧固主要依靠芯头。本设计使用了竖芯、横芯。竖芯应具有一定的直径，以确保其轴线与砂模的垂直和可靠的固定。在水平型砂中，型砂的头部一定要有一定的长度，既能承受型砂的自重，又能承受液态金属的浮力。在砂模和砂芯配合时，芯头和芯头底座应该有适当的空隙，但同时也要保证铸件的尺寸准确性。图4-8砂芯Figure4-8Sandcore图4-9砂芯Figure4-9Sandcore图4-10砂芯Figure4-10Sandcore

5浇冒系统的设计及计算5.1浇注系统的类型及选择这个铸件的大小适中，但其壁厚分布不均匀。为了满足生产要求和特点，我们选择了开放式浇注系统。在直浇道，由于各隔板间的空隙率很大，因此金属液体不易充满，因此主浇道为无压流。与其他的浇注方式相比，其充型的平顺性要好一些，同时对型控冲刷力比较小，对铸型的保护比较好，但是其堵渣性能不好。一般的铸钢件使用时耗钢量比较大，而且在清理的时候比较困难，在清理完之后不容易清洗。对于非铁合金、球墨铸铁以及易氧化的铸钢等，建议采用开式浇注。该浇注系统对液态金属的流动及填充进行有效的控制，使铸件达到了较好的表面质量和内部质量。阻流截面积比为：∑S内∶∑S横∶∑S直=3:2:1。5.2浇注系统各部分尺寸的计算5.2.1浇注系统截面尺寸设计铸件质量m≈2.3kg，浇注重量=m×1.5=3.5kg浇注时间：t=SG=2.8×3.5≈5.2s结合表5-1中浇注件重量和铸件直浇道截面积之间的关系可以查算得，直浇道截面积一般为1.5cm2。需要设计浇注口的直径。浇注口的断面积为：πr²=1.5，解得r=0.690。故直浇道口的直径应该为：2r=1.38cm。横浇道的计算：根据横浇道截面积为3cm2，需要设计横浇道宽度和高度。设横浇道的宽度为w，高度为h，则有：w×h=3由此可以得到等效宽度，即将横浇道看做一个矩形截面，其等效宽度为：we=2wh/(w+h)=1.2cm，然后可以根据直浇道口的大小，计算横浇道的高度。设横浇道的高度为H，则有：H=3.5×10/1.5π(1.38/2)²-1.2=1.2cm。由此可以得知，横浇道的宽度为1.2cm，高度为1.2cm。表5-1铝合金铸件的浇注重量与直浇道截面积的关系Table5-1Relationshipbetweenpouringweightofaluminumalloycastingsandcross-sectionalareaofstraightrunner浇注重量GL/kg≤55~1010~1515~3030~5050~100100~250250~500>500续表5-1直浇道截面积（Ag/cm²）1.5~3.03~44~55~77~1010~1515~2020~30>30直浇道直径D/mm14~2020~2222~2525~3030~35(25~30)×2(30~35)×2或(22~25)×4(35~45)×2或(25~30)×4>45×2或>30×4根据阻流截面比得：直浇道截面积为1.5cm2，横浇道截面积为3cm2，内浇道截面积为4.2cm2。内浇道尺寸参考表5-3得，a=48mm,b=45mm,h=9mm。表5-3扁平内浇到的截面尺寸(单位：mm)Table5-2Sectiondimensionsofflatinnerpouring(Unit:mm)R=2~3R=2~3Ag/cm²h≈a/5h=4h=5h=6h=7h=8h=9h=10abhababababababab0.618163.5181613110.719174191715130.821194211917150.922204.52422191716141.023214.52624211918161.22523531292523211918161.427255.536342927252221191.62927633312927242221191.83128637353128272424222.033306.541393532302726242.23432739353432292625242.536347.544403834333029272.838367.542383733323029273.03937845413937353331293.34138850474138383634323.643408.54743413937353.8444195048444139374.247439.55553484543414.8504610555250465.4534910.5625856526.056531163576.7595711.56965用金属液在型内液面上升速度来校核浇注时间是否合理。涡轮箱体铸件型腔最低点与最高点距离为23.3cm，浇注时间计算为5.2s，铸件最大壁厚为17mm，最小壁厚为7mm，按照壁厚10~40，浇注速度大于2.0即可。表5-2最小液面上升速度与铸件壁厚关系Table5-1Relationbetweenminimumliquidlevelriserateandcastingwallthickness铸件壁厚δ/mmV1/cm·s-1δ≥40，水平位置浇注0.8~1.0>10~401.0~2.0>4~102.0~3.01.5~43.0~10.0型内金属液面升速度V型用下式表示： (5-2)式中：hc——铸件(或某段)高度(cm)。t——浇注时间(或浇注某段时间)(s)对于本次浇注型内的上升速度V型≈4.48cm/s，经检验浇注时件符合理。5.3冒口设计5.3.1计算补缩区的模数根据铸件的尺寸公差等级为CT10，可以得到其公差为0.1mm。根据铸造工艺手册得知铸造允许的最小壁厚为5mm，因此可以将铸件分为若干个补缩区，每个补缩区的尺寸为175mm×182mm×180mm，模数计算公式为： (5-3)其中，V为模数，K为铸件材料的常数，根据铝合金的材料特性，K为6.5；δ为公差，按CT10等级取0.1mm；x为补缩值，取2mm。补缩区1：V1=6.5×(0.1+2x)×182×180=45315.6mm³补缩区2：V2=6.5×(0.1+2x)×175×180=43988mm³补缩区3：V3=6.5×(0.1+2x)×175×182=44485mm³补缩区4：V4=6.5×(0.1+2x)×175×180=43988mm³补缩区5：V5=6.5×(0.1+2x)×182×180=45315.6mm³补缩区6：V6=6.5×(0.1+2x)×175×182=44485mm³因此，共有6个补缩区，模数分别为45315.6mm³、43988mm³、44485mm³、43988mm³、45315.6mm³和44485mm³。5.3.2计算冒口及冒口颈模数根据直浇道、横浇道和内浇道的截面积，可以分别计算出铸件的总浇注面积和冒口颈的面积：总浇注面积=直浇道截面积+横浇道截面积+内浇道截面积=1.5cm²+3cm²+4.2cm²=8.7cm²冒口颈面积=直浇道截面积=1.5cm²冒口模数的计算公式为： (5-4)其中，V为模数，K为铸件材料的常数，根据铝合金的材料特性，K为6.5；δ为公差，按CT10等级取0.1mm；x为补缩值，取2mm；S1为冒口颈的面积，即1.5cm²；S2为总浇注面积，即8.7cm²。因此，冒口模数为：V=6.5×(0.1+2x)×(1.5+8.7)/1.5=543.1mm³冒口颈模数为：V1=6.5×(0.1+2x)×1.5=12mm³5.3.3确定铸钢的体收缩率εV铝合金的体收缩率一般在1.2%~1.5%之间，根据经验可以取1.3%。因此，铸钢的体收缩率εV为1.3%。5.3.4确定冒口的形状和尺寸冒口的形状和尺寸取决于铸件的几何形状、毛坯情况、浇注方式和浇口位置等因素。根据这些因素，可以确定冒口的形状和尺寸。首先确定冒口的位置，一般选择在铸件顶部，距离铸件边缘约20mm。然后根据冒口模数和铝合金的体积收缩率，可以计算出冒口的高度。H=V/(Sπ×εV)=543.1/(1.5²×π×0.013)=850.5mm (5-5)最后根据冒口的形状和高度，可以确定冒口的底部直径。冒口的形状为圆形，则冒口底部直径 (5-6)代入上述具体数值可得D=294.4mm。因此，冒口的形状为圆形，底部直径为294.4mm，高度为850.5mm。图4-11冒口Figure4-11Riser5.3.5根据冒口的有效补缩距离校核冒口的数目由于铸件的尺寸较大，需要设置多个冒口。冒口的数量与冒口的有效补缩距离有关。有效补缩距离是指冒口在铸件凝固时能够提