模架鑄造工藝設計,鑄造,工藝,設計 20202020年材料年材料成型及控制工成型及控制工程專業(yè)程專業(yè)鑄造工藝設計答辯鑄造工藝設計答辯報告報告2020年7月3日學生姓名：李帥吉學 號：17080140110指導教師：孫建波 教授模架鑄造工藝設計目錄目錄l設計方案 l 砂芯的設計l 砂箱的設計l 致謝及參考文獻根據(jù)模架的圖紙要求，我們選用的鑄件材質(zhì)為ZG35CrMo（ZG35 對應新牌號 ZG270-500，GB5613）。鑄造方法選用砂型鑄造。ZG35CrMo的主要性能指標如表 2.1 所示。1.1 鑄件材質(zhì)及鑄造工藝方法1 設計方案1.2 鑄造工藝方法本鑄件采用砂型鑄造，鑄型材料選用樹脂自硬砂。樹脂自硬砂是鑄造生產(chǎn)中造型、制芯工藝之一。該工藝采用自硬樹脂做黏結(jié)劑，樹脂、配套的固化劑和鑄造用原砂混合，砂混合料用機械或人力填入砂箱（或芯盒）并緊實，砂型（砂芯）自行硬化，起模后獲得砂型（芯）。樹脂自硬砂有精度高，缺陷少，流動性好，造型效率高，縮短生成周期等優(yōu)點。自硬砂不僅能用于造型，還能用于制芯生產(chǎn)，特別適用于單件小批量的生產(chǎn)，可生產(chǎn)鑄鐵、鑄鋼及非鐵合金鑄件?？紤]到模架是小批量生產(chǎn)、精度要求較高的鑄鋼件，因此造型材料選用自硬樹脂砂中的酸自硬樹脂砂。1 設計方案1.3 澆注位置的選擇鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在鑄型中的位置，澆注位置是根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點、尺寸、重量、技術(shù)要求、鑄造合金特性、鑄造方法以及生產(chǎn)車間的條件來決定的。正確的澆注位置應能保證獲得健全的鑄件，并使造型、造芯和清理方便。鑄件的澆注位置的選擇，決定于合金種類、鑄件結(jié)構(gòu)及輪廓尺寸、鑄件表面質(zhì)量要求以及現(xiàn)有的生產(chǎn)條件。選擇澆注位置時，主要以保證鑄件質(zhì)量為前提，同時盡量做到簡化造型工藝和澆注工藝。1 設計方案1 設計方案選擇鑄件澆注位置的主要原則有：（1）鑄件上重要工作面和大平面應該盡量朝下或垂直安放，以防止這些表面上產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷；（2）應保證鑄件有良好的液態(tài)金屬導入位置，保證鑄件能充滿；（3）保證鑄件能自下而上的順序凝固。對于體收縮較大的合金，澆注位置應盡量滿足定向凝固的原則，鑄件的厚實部分一般應置于澆注位置的上方，以利于設置冒口補縮；（4）應盡量少用或不用砂芯；若使用砂芯，應保證其安放穩(wěn)固，通氣順利和檢查方便；（5）鑄件上的大平面應置于下部或傾斜放置，以防止夾砂等缺陷。首先我們對模架進行了分析。模架的下表面（A 面）為大平面。A 面的凸臺為主要受力位置，其內(nèi)部及表面的要求很高，鑄造時應保證精度和力學性能。根據(jù)以上原則，應該朝下或者垂直安放。A 面的通孔應該先預鑄為直徑為200mm 的孔，再加工到 215mm。模架兩邊側(cè)壁的 A孔不鑄出3.1澆注位置的選擇1.3 澆注位置的選擇1 1 設計方案設計方案 方案一 方案二1.4 分型面的選擇1 設計方案在鑄件的澆注位置確定后，我們應根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)及質(zhì)在鑄件的澆注位置確定后，我們應根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求選擇合適的澆注系統(tǒng)類型，正確設置澆道的安放量要求選擇合適的澆注系統(tǒng)類型，正確設置澆道的安放位置，以保證鑄件充型平穩(wěn)、補縮充分。位置，以保證鑄件充型平穩(wěn)、補縮充分。澆注系統(tǒng)由澆口杯（外澆口）、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆澆注系統(tǒng)由澆口杯（外澆口）、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道等組成。道等組成。1.5 澆注系統(tǒng)的設計1 設計方案2 砂芯的設計根據(jù)我們設計的分型面，在此模架的鑄造過程中，模架底部凸臺中部根據(jù)我們設計的分型面，在此模架的鑄造過程中，模架底部凸臺中部和一側(cè)邊的凹空腔需要設置砂芯，而其他的部分無需設置砂芯即可順和一側(cè)邊的凹空腔需要設置砂芯，而其他的部分無需設置砂芯即可順利起模。如利起模。如圖所圖所示。示。3 砂箱的設計砂箱砂箱是鑄件生產(chǎn)必備的工藝裝備之一，手工造型所用的沙箱一般要求比較簡是鑄件生產(chǎn)必備的工藝裝備之一，手工造型所用的沙箱一般要求比較簡單，半機械化造型對沙箱要求嚴格一些，近年來，隨著高壓，氣沖等高效率，單，半機械化造型對沙箱要求嚴格一些，近年來，隨著高壓，氣沖等高效率，高比壓造型設備的廣泛使用，對砂箱的要求也越來越高，正確地設計和選擇高比壓造型設備的廣泛使用，對砂箱的要求也越來越高，正確地設計和選擇適合鑄造生產(chǎn)所需要的砂箱，對日益發(fā)展的鑄造生產(chǎn)有很大的實際意義。適合鑄造生產(chǎn)所需要的砂箱，對日益發(fā)展的鑄造生產(chǎn)有很大的實際意義。3 砂箱的設計砂箱的選擇和設計與零件的鑄造工藝設計、生產(chǎn)綱領以及生產(chǎn)條件有關。應砂箱的選擇和設計與零件的鑄造工藝設計、生產(chǎn)綱領以及生產(chǎn)條件有關。應當注意以下原則：當注意以下原則：（1）首先應滿足鑄件工藝流程中的生產(chǎn)要求，應具備造型、定位、合型、首先應滿足鑄件工藝流程中的生產(chǎn)要求，應具備造型、定位、合型、搬運等結(jié)構(gòu)；搬運等結(jié)構(gòu)；（2）砂箱應盡量標準化、系列化、通用化；砂箱應盡量標準化、系列化、通用化；（3）在具有足夠的強度、剛度、方便使用的條件下，盡量使砂箱結(jié)構(gòu)簡單、在具有足夠的強度、剛度、方便使用的條件下，盡量使砂箱結(jié)構(gòu)簡單、輕便；輕便；（4）依據(jù)不同的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)條件、零件本身的特點等，合理選擇箱壁、依據(jù)不同的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)條件、零件本身的特點等，合理選擇箱壁、箱帶、排氣孔等結(jié)構(gòu)的形式；箱帶、排氣孔等結(jié)構(gòu)的形式；（5）砂箱要保證必要的加工精度；砂箱要保證必要的加工精度；（6）并應選擇耐用、經(jīng)濟、來源廣泛的材料并應選擇耐用、經(jīng)濟、來源廣泛的材料。3 砂箱的設計 根據(jù)鑄件的二維工程圖我們知道，鑄件長 1920mm，寬 1385mm，因此我們選擇 a=350mm，b=350mm，c=200mm，d=200mm，f=250mm。通用砂箱規(guī)格系列表見鑄造工藝學表9-18,一般應取上一級尺寸。由二維工程圖中鑄件的結(jié)構(gòu)尺寸以及上文中所選取的吃砂量，我們初步選定上砂箱的高度為 600mm，下砂箱高度為 1200mm，長度為 2400mm，寬度為 1800mm；再根據(jù)表9-18，將初定尺寸向上一級進行調(diào)整，最終確定砂箱內(nèi)框的尺寸為：上箱高度 600mm，下箱高度 1200mm，砂箱長度 2500mm，砂箱寬度 2000mm。敬請老師批評指正鑄造工藝課程設計說明書設計題目模架工藝設計學 院年 級專 業(yè)學生姓名學 號指導教師鑄造工藝課程設計說明書I目目 錄錄1 前前 言言.11.1 本設計的目的、意義.11.1.1 本設計的目的.11.1.2 本設計的意義.11.2 本設計的技術(shù)要求.11.2.1 設計過程.11.3 本設計擬解決的關鍵問題.12 設計方案設計方案.32.1 鑄件材質(zhì)及鑄造工藝方法.32.1.1 鑄件材質(zhì).32.1.2 鑄造工藝方法.32.1.3 涂料的選用.42.2 澆注位置的選擇.42.3 分型面的選擇.72.4 確定主要鑄造工藝參數(shù).82.4.1 鑄件尺寸公差.82.4.2 機械加工余量.82.4.3 鑄造收縮率.92.4.4 起模斜度.92.4.5 最小鑄出孔.102.5 澆注系統(tǒng).112.5.1 鑄鋼件澆注系統(tǒng)的形式.112.5.2 包孔直徑的選擇.122.5.3 澆注時間和液面上升速度.122.5.4 澆注系統(tǒng)各組員截面積的計算.122.5.5 直澆道的設計.122.5.6 橫澆道的設計.132.5.7 內(nèi)澆道的設計.132.5.8 澆口杯的設計.132.6 冒口及冷鐵的設計.142.6.1 冒口位置的確定.142.6.2 冒口尺寸的確定.153 砂芯的設計砂芯的設計.17鑄造工藝課程設計說明書II3.1 砂芯設計的基本原則.173.2 制芯方法的確定.173.3 砂芯的結(jié)構(gòu)設計.183.3.1 砂芯的形狀及數(shù)量.183.4 砂芯的固定.183.4.1 砂芯的定位.183.4.2 芯頭尺寸.193.5 芯盒的設計.193.5.1 壁厚的選擇.194 砂箱的設計砂箱的設計.204.1 砂箱的設計.204.1.1 砂箱類型的選擇.204.1.2 砂箱名義尺寸.20致致 謝謝.22參參 考考 文文 獻獻.231 前 言1.1 本設計的目的、意義1.1.1 本設計的目的鑄造出符合設計要求的鑄件1.1.2 本設計的意義系統(tǒng)的掌握鑄造工藝及工裝的設計方法，鍛煉運用鑄造工藝手冊及其它技術(shù)資料的基本技能，學會分析和解決鑄造生產(chǎn)實際問題的能力；1.2 本設計的技術(shù)要求根據(jù)零件的二維工程圖紙，現(xiàn)就技術(shù)要求說明如下：（1） 批件不允許有裂紋、夾渣、疏松、氣孔、砂眼等影響機械性能的鑄造缺陷；（2） 硬度處理 217-269HB；（3） 周倒角 1*451.2.1 設計過程首先，使用 preo 對二維圖紙進行了建模，得到了模架的三維實體模型。然后，根據(jù)零件的基本特點，確定了鑄造的基本工藝過程和工藝參數(shù)，并設計了澆注系統(tǒng)、砂芯、冒口、冷鐵的造型、尺寸與數(shù)量，進行芯盒、砂箱的設計與造型。1.3 本設計擬解決的關鍵問題本節(jié)應該使用帶括號的序號表示分項內(nèi)容（1）鑄造工藝方案的確定；（2）鑄造工藝參數(shù)的選取及砂芯的設計；（3）澆注系統(tǒng)的設計；（4）冒口及冷鐵設計。2 設計方案2.1 鑄件材質(zhì)及鑄造工藝方法2.1.1 鑄件材質(zhì)根據(jù)模架的圖紙要求，我們選用的鑄件材質(zhì)為 ZG35CrMo（ZG35 對應新牌號 ZG270-500，GB5613） 。鑄造方法選用砂型鑄造。ZG35CrMo 的主要性能指標如表 2.1 所示。表 2.1 ZG35CrMo 的性能指標屈服強度（Mpa）抗拉強度（Mpa）延伸率（）3905852054068525表 2.2 ZG35CrMo 的化學成分（元素最高含量）CSiMnCrMoS,P0.30-0.370.30-0.500.50-0.800.80-1.200.20-0.300.00352.1.2 鑄造工藝方法本鑄件采用砂型鑄造，鑄型材料選用樹脂自硬砂。樹脂自硬砂是鑄造生產(chǎn)中造型、制芯工藝之一。該工藝采用自硬樹脂做黏結(jié)劑，樹脂、配套的固化劑和鑄造用原砂混合，砂混合料用機械或人力填入砂箱（或芯盒）并緊實，砂型（砂芯）自行硬化，起模后獲得砂型（芯） 。樹脂自硬砂有精度高，缺陷少，流動性好，造型效率高，縮短生成周期等優(yōu)點。自硬砂不僅能用于造型，還能用于制芯生產(chǎn)，特別適用于單件小批量的生產(chǎn)，可生產(chǎn)鑄鐵、鑄鋼及非鐵合金鑄件?？紤]到模架是小批量生產(chǎn)、精度要求較高的鑄鋼件，因此造型材料選用自硬樹脂砂中的酸自硬樹脂砂。2.1.3 涂料涂料的選用涂料由耐火填料、懸浮劑、粘結(jié)劑、分散介質(zhì)及改善涂料某些性能的添加劑組成。涂料必須滿足以下要求。1. 具有足夠耐火度，與液態(tài)金屬不潤濕2. 化學穩(wěn)定性好，不與液態(tài)金屬及其氧化物3. 具有良好的觸變性，流平性，涂掛性，涂刷后能牢固地粘附在砂型表面上，不留刷痕。4. 懸浮性要好，較長時間不分層5. 長期儲存不變6. 用于永久性的涂料，霧化能力強，對金屬鑄型沒有腐蝕作用。樹脂砂對涂料的要求較粘土砂高，首先，呋喃砂的孔隙率高，而且有機粘結(jié)劑在高溫下不能承受較長時間，這就要求涂料的固體含量高，粉料粒度細，粉料及粘結(jié)劑的耐火度高，抗爆熱能力強等。從溶劑上分，涂料有水基、醇基兩大類。醇基涂料可以省去烘窯，提高效率和面積利用率，水基涂料則成本低，樹脂不會過燒，涂層質(zhì)量高（流平性及涂層厚度好） ，故而選用醇基涂料。從耐火填料主體來分，有黑色系、白色系（淺色涂料） ，以石墨為主的黑色涂料仍是性能最好的。至少面層涂料應使用石墨涂料，但需添加皓英粉以提高耐火度；粉料細度較細，以便于底層涂料有一定滲透深度，防止?jié)B鐵和脈紋。2.2 澆注位置的選擇澆注位置的選擇鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在鑄型中的位置，澆注位置是根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點、尺寸、重量、技術(shù)要求、鑄造合金特性、鑄造方法以及生產(chǎn)車間的條件來決定的。正確的澆注位置應能保證獲得健全的鑄件，并使造型、造芯和清理方便。鑄件的澆注位置的選擇，決定于合金種類、鑄件結(jié)構(gòu)及輪廓尺寸、鑄件表面質(zhì)量要求以及現(xiàn)有的生產(chǎn)條件。選擇澆注位置時，主要以保證鑄件質(zhì)量為前提，同時盡量做到簡化造型工藝和澆注工藝。選擇鑄件澆注位置的主要原則有：（1）鑄件上重要工作面和大平面應該盡量朝下或垂直安放，以防止這些表面上產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷；（2） 應保證鑄件有良好的液態(tài)金屬導入位置，保證鑄件能充滿；（3）保證鑄件能自下而上的順序凝固。對于體收縮較大的合金，澆注位置應盡量滿足定向凝固的原則，鑄件的厚實部分一般應置于澆注位置的上方，以利于設置冒口補縮；（4）應盡量少用或不用砂芯；若使用砂芯，應保證其安放穩(wěn)固，通氣順利和檢查方便；（5）鑄件上的大平面應置于下部或傾斜放置，以防止夾砂等缺陷。首先我們對模架進行了分析。模架的下表面（A 面）為大平面。A 面的凸臺為主要受力位置，其內(nèi)部及表面的要求很高，鑄造時應保證精度和力學性能。根據(jù)以上原則，應該朝下或者垂直安放。A 面的通孔應該先預鑄為直徑為 200mm 的孔，再加工到 215mm。模架兩邊側(cè)壁的 A 孔不鑄出圖 2.1通過以上分析，根據(jù)上述分型面以及澆注位置的確定原則，我們初步擬定了一種澆注方案，如圖 2.2 所示。圖 2.2 澆注方案采用此方案進行澆注時，大平面 A 面在側(cè)面，可以保證 A 面致密、光滑；同時也可以保證上端的兩個凸臺在側(cè)面。兩個凸臺為主要受力位置，鑄造時應該保證力學性能。因此，將凸臺朝側(cè)面放置，有利于防止其工作面、受力面產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造等鑄造缺陷，從而使凸臺的精度和力學性能得到了保證。采用此方案，可以在最上表面的熱節(jié)處增設冒口，冒口安置方便，并且冒口與被補縮位置之間的距離近，使冒口的補縮變得容易。且最上表面是加工面，冒口產(chǎn)生的毛刺可以被去除。最底面的熱節(jié)接觸增加外冷鐵。2.3 分型面的選擇分型面的選擇在砂型鑄造中，為完成造型、取模、設置澆冒口和安裝砂芯等需要，砂型必須由兩個或者兩個以上的部分組合而成，砂型的分割或裝配面稱為分型面。分型面的類型，形狀及位置與模具的整體結(jié)構(gòu)、澆注系統(tǒng)的設計、塑件的脫模和模具的制造工藝等有關，不僅關系到模具結(jié)構(gòu)的復雜程度，而且也關系到塑件的成型質(zhì)量。選擇分型面的原則有：1. 分型面應選在鑄件的最大輪廓處。 否則無法順利從型腔中脫出，這是最基本的選擇原則2. 盡可能將鑄件的全部或大部分放在同一箱內(nèi)，以減少因錯型造成的尺寸偏差；3. 應盡量減少分型面的數(shù)量，在機械造型中，一般采用一個分型面；4. 在機械造型中，選擇分型面時，應盡量避免使用活塊，必要時用砂芯代替活塊；5. 應盡量減少砂芯的數(shù)量；6. 應盡量使分型面為平面，必要時也可以不做成平面，如采用折線分型等；7. 在考慮到造型、澆注、造芯的基礎上，分型面的選擇還應有利于清理。8. 分型面的原則應有利于排氣。根據(jù)以上原則，我們初步設計了兩種分型方案，如圖 2.3.（a） 方案一（b） 方案二圖 2.3 分型方案方案一如圖 2.3（a）所示，分型面是一個平面，分型面將鑄件分為上下兩個部分。在這個方案中，鑄型 T 型凹槽需設置砂芯。鑄件凸臺處的凹槽需設置砂芯，可以和通孔采用聯(lián)合砂芯，通孔處可不設置活塊，且方便固定。整個鑄件處于兩個型箱內(nèi)，可能會因為錯型而造成尺寸偏差。在這種方案中，為了澆注系統(tǒng)造型方便，內(nèi)澆道必須設置在頂面，澆注方式為頂注式。鋼液不能平穩(wěn)的進入鑄型，對鑄型有較大的沖擊。采用此方案，砂芯可以放置在下砂箱，固定和定位較方便準確。方案二如圖 2.3（b）所示，分型面是兩個平面，分型面將鑄件分為上中下三個部分。在這個方案中，T 型的凹槽被分為了三個部分，后側(cè)的凹槽與上下都是分離的，容易由于錯型而發(fā)生誤差。鑄件凸臺處的凹槽可由型砂直接鑄出，而圓孔處需設置活塊。采用此方案，三個砂箱之間的位置的準確性很難保證。如果采用其它方法對砂箱進行定位，必然會增加成本和勞動量。通過對方案一、方案二，從可行性的角度考慮，我們認為方案一最合理，因此，采用方案一的分型方式。2.4 確定主要鑄造工藝參數(shù)確定主要鑄造工藝參數(shù)2.4.1 鑄件尺寸公差鑄件尺寸公差是指鑄件各部分尺寸所允許的極限偏差，鑄件生產(chǎn)過程中的很多因素都會影響鑄件尺寸公差。依據(jù)鑄造方法、造型材料與鑄件材料選定鑄件尺寸公差等級，依據(jù)鑄造工藝學課本表 6-4，選擇公差等級為 CT-12.2.4.2 機械加工余量機械加工余量機械加工余量是為保證鑄件機械加工面尺寸和零件加工精度，在設計鑄件和鑄造工藝時預先增加并在機械加工時應予以切除的的金屬層厚度。加工余量過大，浪費金屬和加工工時；過小，降低刀具壽命，不能完全去除鑄件表面缺陷，甚至露出鑄件表皮，達不到設計要求。最小加工量等于加工余量減去鑄件尺寸的下偏差。因此鑄件尺寸公差越小(精度高)，加工余量可越小。而影響加工余量大小的主要因素有：鑄造合金種類、鑄造工藝方法、生產(chǎn)批量、設備及工裝的水平等與鑄件尺寸精度有關的因素；加工表面所處的澆注位置(頂、底、側(cè)面)；鑄件基本尺寸的大小和結(jié)構(gòu)等。由鑄件材料（ZG35CrMo ） 、造型材料（樹脂自硬砂）以及鑄件的尺寸公差等級（CT12） ，選取加工余量等級為 J 級。根據(jù)零件二維工程圖中鑄件的結(jié)構(gòu)尺寸可知，模架的基本尺寸在 16002500mm 范圍之內(nèi)，查表 6-7 選取加工余量數(shù)值為 14mm。模架 U 側(cè)面也應有加工余量，為 12mm。底部凸臺內(nèi)側(cè)為雙側(cè)加工，應該有加工余量，為 9mm。和凸臺底面也應留有加工余量，為 14mm。模架的通孔直徑為 215mm，便于后期加工，應鑄出，加工余量為 5mm。模架的弧形面應該也需留加工余量，為12mm。2.4.3 鑄造收縮率鑄造收縮率鑄造收縮率又稱鑄造線收縮率，是指鑄件在凝固收縮過程中各部位尺寸縮小的百分率。鑄件在凝固和冷卻過程中會發(fā)生線收縮而造成各部分尺寸縮小。它與鑄件合金種類、化學成分、鑄型種類、冷卻條件及本身結(jié)構(gòu)特點等因素密切相關。以模樣與鑄件的長度差除以模樣的長度的百分比來表示：K=LM-LJ/LJ100 （2.1）式中，為 LM模樣的長度，LJ為鑄件長度。鑄造收縮率是考慮了各種影響因素之后的鑄件實際線收縮率，它不僅與鑄造金屬的收縮率和線收縮率起始溫度有關，而且還與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型種類、澆冒口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、砂型和砂芯的退讓性等因素有關。影響鑄造收縮率的主要因素是鑄件的結(jié)構(gòu)復雜程度和尺寸大小，簡單厚實的鑄件鑄造收縮率比結(jié)構(gòu)復雜的鑄件大。依據(jù)圖 6-3 選出鑄鋼件的鑄造收縮率為 1.5.2.4.4 起模斜度起模斜度當零件本身沒有足夠的結(jié)構(gòu)斜度，應在鑄件設計或鑄造工藝設計時給出鑄件的起模斜度以保證鑄型的起模操作。起模斜度可采取增加鑄件壁厚、減少鑄件壁厚或增減鑄件壁厚的方法形成。其大小應依模樣的高度、表面粗糙度以及造型（芯）方法而定。在鑄件上加放起模斜度，原則上不應超出鑄件的壁厚公差。鑄件的起模斜度值選取參考表.起模斜度值根據(jù)表 3 按測量面高度 h 進行選取。起模斜度值根據(jù)表 3 按測量面高度 h 進行選取。鑄件的兩側(cè)面 A 和 E 面全部位于上箱，由零件二維工程圖中鑄件的結(jié)構(gòu)尺寸以及所確定的分型面可知， A 和 E 面高度為 160250mm， 取 035，a 取 2.6mm。B 面高度大于 630mm， 取 030，a 取 5.6mm。C 和 D 面高度為 400550mm， 取 030，a 取 5.6mm。F 面高度為 85mm， 取 055，a 取 1.6mm。而在中間的內(nèi)凹處中高度大于 630mm，可以使用自帶型芯，允許表面有較大斜度，故而 取 030，a 取 5.6mm。2.4.5 最小鑄出孔最小鑄出孔機械零件上往往有許多孔、槽和臺階，一般應盡可能在鑄造時鑄出。這樣既可節(jié)約金屬，減少機械加工的工作量、降低成本，又可使鑄件壁厚比較均勻，減少形成縮孔、縮松等鑄造缺陷的傾向。但是，當鑄件上孔、槽尺寸太小，而鑄件的壁厚又較厚和金屬壓力較高時，反而會使鑄件產(chǎn)生粘砂，造成清鏟和機械加工困難；有些孔、槽必須采用復雜而且難度較大的鑄造工藝措施才能鑄出，而實現(xiàn)這些措施還不如用機械加工的方法制出更為方便和經(jīng)濟。因此，在確定零件上的孔和槽是否鑄出時，必須既考慮到鑄出這些孔或槽的可能性，又要考慮到鑄出這些孔或槽的必要性和經(jīng)濟性。最小鑄出孔的尺寸，和鑄件的生產(chǎn)批量、合金種類、鑄件大小以及孔處鑄件壁厚、孔的長度、直徑等有關?？紤]到鑄件材料為 ZG35CrMo，采用砂型鑄造，其最小鑄出孔按表 6-13 進行選取。本件模架的孔除了直徑為 215mm 的通孔，其余皆為螺紋孔，孔深都小于 100mm。只有直徑為 215mm 的通孔需鑄出。模架有兩個槽尺寸都較大，需鑄出。鑄件中較大的孔為 215mm 的通孔，孔深為 135mm 其孔壁厚 130mm150mm，可以鑄出。2.5 澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng)在鑄件的澆注位置確定后，我們應根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)及質(zhì)量要求選擇合適的澆注系統(tǒng)類型，正確設置澆道的安放位置，以保證鑄件充型平穩(wěn)、補縮充分。澆注系統(tǒng)由澆口杯（外澆口） 、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道等組成。在設計澆注系統(tǒng)時，依據(jù)的主要原則有：（1）使液態(tài)合金平穩(wěn)充滿鑄型，不沖擊型壁和型芯，不產(chǎn)生渦流和噴濺，不卷入氣體，并利于將型腔內(nèi)的空氣和其他氣體排出型外；（2）阻擋夾雜物進入型腔；（3）調(diào)節(jié)鑄型及鑄件各部分溫差，控制鑄件的凝固順序；（4）不阻礙鑄件的收縮，減少鑄件的變形和開襲傾向；（5）起一定的補縮作用，主要是在由澆道凝固前補給部分液態(tài)收縮；（6）控制澆注時間和澆注速度，得到輪廓清晰、完整的鑄件，合金液流不應沖刷冷鐵和芯撐；（7）澆注系統(tǒng)盡可能簡單，占砂箱機積少，體積小，有利于減少冒口體積，這樣可節(jié)約合金液和型砂，提高砂箱利用率，方便造型、清理和澆注系統(tǒng)模樣的制造。常見的澆注系統(tǒng)類型按結(jié)構(gòu)形式分為頂注式、中注式、底注式和縫隙式，階梯式等。針對本鑄件，由澆注方案，采用頂注式的澆注方案，內(nèi)澆道設在分型面處。我們仔細分析了鑄件的結(jié)構(gòu)，由于鑄件在分型面的橫截面呈 U 型，其壁厚基本均勻?？紤]到若從 U 型底部引入金屬液，充型到 U 型末端所需的時間會很長，這樣，澆注完整個鑄件的時間會很長，對鑄鋼件來說，往往希望澆注時間越短越好。因此，我們選擇從 U 型周圍引入金屬液，繞著 U 型周圍設置 7 個內(nèi)澆道以縮短澆注時間，如圖 2.4 所示。圖 2.4 金屬液引入位置2.5.1 鑄鋼件澆注系統(tǒng)的形式鑄鋼件澆注系統(tǒng)的形式除大批量生產(chǎn)線上及澆注小鑄件使用轉(zhuǎn)包和茶壺式澆包外，大多采用底注包澆注。底注包澆注保溫性能好，流出的鋼液夾雜物少，無需采用結(jié)構(gòu)復雜的澆注系統(tǒng)撇渣。因此，我們選用底注式澆注。用底注包澆注時鋼液壓頭高，對澆注系統(tǒng)的沖刷作用大，故中、大型鑄件的直澆道往往使用耐火磚管。為使底注包澆注能適應各類鑄件，生產(chǎn)中常打開全部孔塞，實際上包孔為最小阻流斷面，這樣，澆注系統(tǒng)必須是開放式的。2.5.2 包孔直徑的選擇包孔直徑的選擇鑄件的重量為 8.95t，因此根據(jù)上表選取包孔直徑為 45mm。包孔直徑和包內(nèi)液面高度決定了鋼液的質(zhì)（重）量流率，如將包內(nèi)液面高度的影響簡化，則包孔直徑與共對應的鋼液質(zhì)（量）量流率的關系如鑄造工藝學表 7-19 所示。2.5.3 澆注時間和液面上升速度澆注時間和液面上升速度澆注時間和頁面上升速度，可用下面的式子給出的數(shù)據(jù)初步確定澆注時間，作為選擇包孔的依據(jù)。t=m/Nnqm 為鋼液質(zhì)量（kg） ，N 為澆包數(shù)量，N=1，n 為澆包內(nèi)的包孔數(shù) n=1，q 為平均澆注速度后梁支座由于高度很低而長度和寬度很大，為了保證液面上升速度不至于太小，采用單包澆注，每個澆包采用兩個包孔。由此可以求出澆注時間 t = 81.4s。上述所求得的澆注時間是否合適，可用澆注時鋼液在型腔內(nèi)的上升速度 v 驗算：V=H/t式中 H 為鑄件高度（mm） ， t 為澆注時間（s） 。由此可以求得 v=13.02 mm/s。液面上升速度 v 是否合適是獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的重要因素之一。驗算結(jié)果若數(shù)值太小，就要調(diào)整澆注時間，改變澆注質(zhì)（重）量流率和包孔直徑，或者采取其它工藝措施。表 7-21 為鋼液在型腔中允許最小的上升速度。但是，大型鑄件鋼液在型腔中的上升速度不應大于 30mm/s。經(jīng)驗算，鋼液在型腔中的上升速度滿足要求2.5.4 澆注系統(tǒng)各組員截面積的計算澆注系統(tǒng)各組員截面積的計算用塞桿包澆注鑄鋼件時，均采用開放式澆注系統(tǒng)，各組元截面積的比例，大體可采用下面比例：F包：F直：F橫：F=1：（1.8-2.0）：（1.8-2.0）：（2.0-2.5）F包：包孔的總截面積F直：直澆道的總截面積的總截面積F橫：橫澆道的總截面積F內(nèi)：內(nèi)澆道的總截面積為了應用方便，可根據(jù)包孔直徑從表 7-22 中查出澆注系統(tǒng)各組元截面的尺寸。2.5.5 直澆道的設計直澆道的設計每個包孔的面積為 19.6cm2對于本鑄件，一共有兩個包孔，則包孔的總截面積 39.2cm2 ，取直澆道的總截面積 80cm2 ，本方案一共設有一個個直澆道，故直澆道的截面積 80cm2 ，而根據(jù)上表，直澆道的直徑 80mm 。設計直澆道的截面形狀為圓形，最小截面處直徑為 85mm。為了拔模方便，對直澆道設置一定的拔模斜度。2.5.6 橫澆道的設計橫澆道的設計根據(jù)上表和上式的分析，取橫澆道的總截面積 F橫=80cm2 。結(jié)合鑄件的形狀，采用梯形橫澆道，本方案共設有一個橫澆道，則橫澆道的截面積為 80cm2 ，設計橫澆道的具體界面形狀和尺寸如圖 2.5 所示。圖 2.5 橫澆道截面積2.5.7 內(nèi)澆道的設計內(nèi)澆道的設計根據(jù)上表和上式的分析，由于內(nèi)澆道有七個，因為橫澆道澆道與砂芯有干涉，將內(nèi)澆道長度適當加長，為了防止金屬液在內(nèi)澆道內(nèi)冷卻，將內(nèi)澆道的截面積取大。便于取內(nèi)澆道的總截面積 90cm2 ，則每個內(nèi)澆道的截面積為 12cm2 。結(jié)合鑄件的形狀，采用扁平內(nèi)澆道。因為本設計中內(nèi)澆道是設計在砂芯上的，為了砂芯成形方便，采用倒梯形的內(nèi)澆道。設計內(nèi)澆道具體的截面形狀和尺寸如圖 2.6 所示。圖 2.6 內(nèi)澆道截面積2.5.8 澆口杯的設計澆口杯的設計澆口杯的作用是：（1）承接來自澆包的金屬液，防止金屬液飛濺和溢出，便于澆注；（2）減輕液流對型腔的沖擊；（3）分離熔渣和氣泡，并阻止其進入型腔；（4）增加充型壓力頭。對澆口杯的要求是：澆口杯的直徑（或?qū)挾龋┲辽僖冉饘僖毫髦睆酱笠槐?；其頂部寬度要比直澆道直徑大一倍；沿澆注方向的長度要兩倍于寬度；而深度可等于寬度；澆口杯中容納的金屬液量應比直澆道的容量大?？紤]到制造的方便性，我們選擇生產(chǎn)中常用的漏斗形澆口杯，初步選定澆口杯的尺寸為：D1=200mm；D2=196mm；h=184mm.2.6 冒口及冷鐵的設計冒口及冷鐵的設計冒口是在鑄型內(nèi)用作貯存金屬液以對鑄件形成時給予補縮的金屬體。它起防止鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的作用，有的冒口兼有排氣和集渣作用。因此，在設計冒口時，我們應遵守以下基本要求（除球墨鑄鐵的自補縮冒口外）：（1）冒口的凝固時間大于或等于鑄件（被補縮部位）的凝固時間；（2）冒口應有足夠大的體積，以保證有足夠的金屬液補充鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮；（3）在凝固期間，冒口和被補縮部位之間存在補縮通道，即使擴張角始終向著冒口。2.6.1 冒口位置的確定冒口位置的確定鑄鋼件冒口必須滿足的基本條件是：1) 冒口的凝固時間必須大于或等于鑄件的凝固時間2) 有足夠的金屬液補充鑄件在冷卻過程中的收縮與補償澆注后型腔長大的容積。冒口位置原則：1) 對于壁厚不均的鑄件，每個熱節(jié)都必須設置冒口或放置冷鐵，冒口應設在鑄件熱節(jié)的上方（頂冒口）或旁側(cè)（邊冒口） ；2) 冒口應盡量設置在鑄件最高、最厚的部位。盡量用一個冒口同時補縮幾個熱節(jié)3) 對致密度要求高的鑄件，冒口應按其有效補縮距離進行設置；4) 在滿足補縮作用的前提下，冒口應盡可能設在加工面上。5) 冒口不應設在鑄件受力大或者重要的部位。鑄鋼一般采用順序凝固，冒口應該放在最后凝固處。熱節(jié)部位的位置均位于鑄件的各板交界處，冒口只能放在頂面，這樣使得冒口處于鑄件的最高部位，符合冒口位置的確定原則。在確定冒口的位置之前，我們首先必須確定鑄件的熱節(jié)位置。而根據(jù)確定的最優(yōu)澆注方案，熱節(jié)部位的位置均位于鑄件的粗大部位處，從結(jié)構(gòu)上來看，如果要設置冒口，冒口只能安放在頂面，這樣使得冒口處于鑄件的最高部位，這樣符合冒口位置的確定原則。但 這又造成冒口與熱節(jié)部位距離比較大，使冒口對熱節(jié)部位的補縮變得比較困難，補縮通道在鑄件凝固過程中難以維持通暢。對于這種情況，我們一來可增大冒口，通過增加壓頭，來增強補縮效果；二來可對低處熱節(jié)增設冷鐵，以創(chuàng)造補縮的有利條件。圖 2.7 熱節(jié)位置為了消除縮孔、縮松缺陷，必須添加冒口。由澆注系統(tǒng)方案一和冒口位置確定原則，,我們確定位置方案如圖 2.8 所示。圖 2.8 冒口理論位置2.6.2 冒口尺寸的確定冒口尺寸的確定按照模數(shù)理論，鑄件的凝固時間取決于它的體積和傳熱表面積的比值，其比值稱為凝固模數(shù)，簡稱模數(shù)。用下式表示：t=M2/K2M 為模數(shù)，K 為凝固系數(shù)。依據(jù)鑄造工藝學表 8-3 可以確定 K 值。根據(jù)通用冒口的設計原則，冒口的凝固時間應比設置冒口部位的鑄件凝固時間長，因此冒口頸部的模數(shù)要比鑄件設置冒口部位的模數(shù) M 大。MR=fM擴大系數(shù) f 的作用使冒口模數(shù)比鑄件設置冒口部位的模數(shù)大而加予的擴大系數(shù)。一般，對于明冒口，取 f=1.2；對于頂暗冒口，取 f =1.1。由于設置的冒口為明冒口，因此，取 f =1.2。對于各處熱節(jié)，對于熱節(jié)1，MR=1.2M=21.5cm；對于熱節(jié) 2，MR=1.2M=16.56cm；對于熱節(jié) 3，MR=21cm；我們選擇標準圓柱形明冒口類型, 冒口外形尺寸如圖 2.9 所示。圖 2.9 冒口外形尺寸我們發(fā)現(xiàn)算得的模數(shù)很大，各熱節(jié)尺寸很大，考慮到本鑄件縮松、松孔較多，鑄件需要放置尺寸很大的冒口，考慮到鑄件的出品率，最終確定熱節(jié) 1 處的冒口尺寸為 d=250mm，H=650mm，=350mm; 熱節(jié) 2 處的冒口尺寸為 d=200mm，H=650mm， =350mm; 熱節(jié) 3 處的冒口尺寸為 d=160mm，H=425mm， =240mm。3 砂芯的設計砂芯的設計3.1 砂芯設計的基本原則砂芯設計的基本原則砂芯的制作設計和放置，是形成鑄件內(nèi)部孔洞空腔等鑄件內(nèi)部復雜阻礙取模的外形以及鑄型中有特殊要求的部分。砂芯的設計應滿足如下原則：1. 復雜砂芯可分塊制造。2. 盡量減少砂芯的數(shù)量。為了減少制造工時和提高鑄件尺寸精度。3. 選擇合適的砂芯形狀。應該避免在填砂面上安裝活塊，使芯盒有寬敞的搗砂面，便于填砂、安放芯骨和采取排氣措施。4. 砂芯烘干支撐面最好是平面。5. 砂芯的分盒面應盡量與砂型的分型面一直。6. 便于下芯，合型。7. 沿高度方向分層砂芯。8. 被分開的砂芯每段要有良好的牢固條件。9. 在鑄造過程中型芯所產(chǎn)生的氣體能及時的排出型外。10. 鑄件收縮時阻力小，制芯、烘干、組合裝配和鑄件清理等工序操作簡便3.2 制芯方法的確定制芯方法的確定砂芯的制造方法是根據(jù)砂芯的尺寸、形狀、生產(chǎn)批量及具體的生產(chǎn)條件進行選擇的。在生產(chǎn)中，從總體上可分為手工造芯和機器造芯。只有當批量生產(chǎn)時，才考慮用機器造芯，機器造芯生產(chǎn)率高，緊實度均勻，砂芯質(zhì)量好。但安放芯骨，取出活塊或有時候開通氣道等工序，還得用手工進行。本設計中，鑄型材料選用的是樹脂自硬砂，因此，為了方便，芯砂也選用樹脂砂。制芯方法采用自硬冷芯盒法造芯，即芯盒不加熱，在室溫下通過化學或物理作用，使砂芯快速在芯盒內(nèi)固化。3.3 砂芯的結(jié)構(gòu)設計砂芯的結(jié)構(gòu)設計3.3.1 砂芯的形狀及數(shù)量砂芯的形狀及數(shù)量根據(jù)我們設計的分型面，在此模架的鑄造過程中，模架底部凸臺中部和一側(cè)邊的凹空腔需要設置砂芯，而其他的部分無需設置砂芯即可順利起模。如圖 3.1 所示。圖 3.1 砂芯放置位置3.4 砂芯的固定砂芯的固定砂芯的固定一般用芯頭固定，也有用芯撐或者鐵絲來固定的。對于某些要求高的鑄件，盡可能不用芯撐。對于懸臂砂芯可用加大芯體尺寸或者采用“挑擔砂芯”的方法，來使砂芯固定；對于細高的直立式砂芯，常將下芯頭直徑加大。對于本模架鑄件，采用芯頭固定砂芯。根據(jù)砂芯在砂芯中的位置，芯頭可以分為垂直芯頭固定和水平芯頭固定兩種方式。對于本鑄件，砂芯 1 采用水平芯頭固定，砂芯 2 采用垂直固定兩種方式。3.4.1 砂芯的定位砂芯的定位砂芯要求定位準確，不允許沿芯頭方向移動或者繞芯頭的軸線轉(zhuǎn)動，對于形狀不對稱的砂芯或同一砂型中數(shù)種砂芯，其芯頭形狀和尺寸相同時，為了定位準確和不至于搞錯方位，均可采用定位芯頭。根據(jù)砂芯在砂型中的放置位置，對于砂芯 1 采用水平芯頭固定，砂芯 2 采用垂直芯頭固定。3.4.2 芯頭尺寸芯頭尺寸水平芯頭的形式見圖鑄造工藝學6-22。圖中的懸臂芯頭長度和高度的參考值見表6-20.對于本鑄件中的砂芯 1，h=550mm，L=150mm，取 h1=900 mm，l=190mm。垂直芯頭的高度是垂直芯頭的主要尺寸，主要是根據(jù)砂芯在型腔中安放時的穩(wěn)定程度，同時，還應考慮用木模制造時，是否易于變形以及放置芯骨時要有一定的吃砂量等因素確定。垂直芯頭的高度和斜度參見表 6-17 和表 6-19。對于本鑄件，根據(jù)上表可以查得垂直芯頭的尺寸。由于長度與直徑比較大，本鑄件中垂直芯頭都采用加大芯頭的方式。砂芯 2：A=310mm，B=215mm，L=1060mm，則 h=120mm，取上下芯頭同高。上芯頭斜度 a=22mm，下芯頭斜度 a=10mm。3.5 芯盒的設計芯盒的設計芯盒是造芯工藝過程中所必要的工藝裝備。正確的選擇和設計芯盒是保證鑄件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、降低成本、減輕勞動強度的重要環(huán)節(jié)。在大量生產(chǎn)中，為提高砂芯精度和芯盒耐用性，多采用金屬芯盒。3.5.1 壁厚的選擇壁厚的選擇在保證芯盒的強度、剛度和使用壽命的前提下，應盡可能減小芯盒的壁厚，以減輕芯盒重量和改善操作條件。芯盒壁厚是根據(jù)芯盒尺寸、造芯方法和芯盒材料決定。冷芯盒壁厚可參考熱芯盒壁厚進行選取，考慮到冷芯盒在常溫下工作，無須考慮熱容量的要求，因此，冷芯盒的壁厚可適當小于熱芯盒。根據(jù)計算，對于砂芯 1 平均輪廓尺寸大于 650，體積較大選取芯盒的壁厚為 60mm。砂芯 2 的平均輪廓尺寸大于 650，選取芯盒的壁厚為 40mm4 砂箱的設計砂箱的設計4.1 砂箱的設計砂箱的設計砂箱是鑄件生產(chǎn)必備的工藝裝備之一，手工造型所用的沙箱一般要求比較簡單，半機械化造型對沙箱要求嚴格一些，近年來，隨著高壓，氣沖等高效率，高比壓造型設備的廣泛使用，對砂箱的要求也越來越高，正確地設計和選擇適合鑄造生產(chǎn)所需要的砂箱，對日益發(fā)展的鑄造生產(chǎn)有很大的實際意義。砂箱的選擇和設計與零件的鑄造工藝設計、生產(chǎn)綱領以及生產(chǎn)條件有關。應當注意以下原則：（1） 首先應滿足鑄件工藝流程中的生產(chǎn)要求，應具備造型、定位、合型、搬運等結(jié)構(gòu)；（2） 砂箱應盡量標準化、系列化、通用化；（3） 在具有足夠的強度、剛度、方便使用的條件下，盡量使砂箱結(jié)構(gòu)簡單、輕便；（4） 依據(jù)不同的生產(chǎn)設備、生產(chǎn)條件、零件本身的特點等，合理選擇箱壁、箱帶、排氣孔等結(jié)構(gòu)的形式；（5） 砂箱要保證必要的加工精度；（6） 并應選擇耐用、經(jīng)濟、來源廣泛的材料。4.1.1 砂箱類型的選擇砂箱類型的選擇參考表 5.1 進行砂箱的材料的選擇，砂箱材料我們選用 HT200；定位銷、定位襯套、緊固箱卡、螺栓、手柄、吊軸等附件材料統(tǒng)一選用 45 鋼。表 5.1 砂箱及附件的材料4.1.2 砂箱名義尺寸砂箱名義尺寸根據(jù)鑄件的二維工程圖我們知道，鑄件長 1920mm，寬 1385mm，因此我們選擇 a=350mm，b=350mm，c=200mm，d=200mm，f=250mm。通用砂箱規(guī)格系列表見鑄造工藝學表 9-18,一般應取上一級尺寸。由二維工程圖中鑄件的結(jié)構(gòu)尺寸以及上文中所選取的吃砂量，我們初步選定上砂箱的高度為 600mm，下砂箱高度為 1200mm，長度為 2400mm，寬度為 1800mm；再根據(jù)表 9-18，將初定尺寸向上一級進行調(diào)整，最終確定砂箱內(nèi)框的尺寸為：上箱高度 600mm，下箱高度 1200mm，砂箱長度 2500mm，砂箱寬度 2000mm。致 謝本課程設計是在孫建波老師的悉心指導下完成的。感謝老師三周孜孜不倦的教導，學生在此對您致以最崇高的敬意和最衷心的感謝！老師學識淵博、治學態(tài)度嚴謹，從選圖到課程計劃的制定以及結(jié)果的理論分析，都給予我耐心的指導，付出大量的時間和心血。不僅是科研方面的指導與操勞，老師更以虛懷若谷的胸懷、平易近人與樸實的生活態(tài)度教會我諸多為人處世的道理。 參 考 文 獻1 李榮德，米國發(fā)鑄造工藝學M北京：機械工業(yè)出版社，2013：72 吳殿杰，章舟呋喃樹脂砂鑄造生產(chǎn)及應用實例M北京：化學工業(yè)出版社，2012：83 中國機械工程學會鑄造專業(yè)學會鑄造手冊：第 5 卷 鑄造工藝M北京：機械工業(yè)出版社，1994：92-100.4 李晨希. 鑄造工藝設計及工裝設計M. 北京: 化學工業(yè)出版社，2014.5鑄造工藝課程設計手冊（葉榮茂 哈工大出版社