端盖零件铸造工艺课程设计说明书.docx

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端盖零件铸造工艺课程设计说明书

课程设计说明书（论文）

课程名称：

成型工艺及模具课程设计II

设计题目：

端盖零件铸造工艺设计

院系：

班级：

设计者：

学号：

指导教师：

设计时间：

1、设计任务

1.1、设计零件的铸造工艺图

1.2、设计绘制模板装配图

1.3、设计并绘制所需芯盒装配图

1.4、编写铸造工艺设计说明书

2、生产条件和技术要求

2.1、生产性质：

大批量生产

2.2、材料：

HT200

2.3、零件加工方法：

零件上有多个孔，除中间的大孔需要铸造以外，其他孔在考虑加工余量后不宜铸造成型，采用机械方法加工，均不铸出。

造型方法：

机器造型

造芯方法：

手工制芯

2.4、主要技术要求：

满足HT200的机械性能要求，去毛刺及锐边，未注明圆角为R3－R5，未注明的筋和壁厚为8，铸造拔模斜度不大于2度，铸造表面不允取有缺陷。

3、零件图及立体图结构分析

3.1、零件图如下：

图1.零件主视图图2.零件左视图

3.2三维立体图如下：

图3.三维图

（1）

图4.三维图

（2）

4、工艺设计过程

4.1、铸造工艺设计方法及分析

4.1.1铸件壁厚

为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。

铸件的最小允许壁厚与铸造的流动性密切相关。

在普通砂型铸造的条件下，铸件最小允许壁厚见表1。

表1.铸件最小允许壁厚引【1，表1-3】

材料

铸件轮廓尺寸/mm

200x200以下

200x200~500x500

500x500以上

铸钢

6~8

10~12

18~25

铸铁

5~6

6~10

15~20

球墨铸铁

6

12

查得灰铁铸件在100~200mm的轮廓尺寸下，最小允许壁厚为5~6mm。

由零件图可知，零件中不存在壁厚小于设计要求的结构，在设计过程中，也没有出现壁厚小于最小壁厚要求的情况。

4.1.2造型、制芯方法

造型方法：

该零件需批量生产，为中小型铸件，应创造条件采用技术先进的机器造型，暂选取水平分型顶杆范围可调节的造型机，型号为Z145A。

制芯方法：

由生产条件决定，采用手工制芯。

4.1.3砂箱中铸件数目的确定

当铸件的造型方法、浇注位置和分型面确定后，应当初步确定一箱中放几个铸件，作为进行浇冒口设计的依据。

一箱中的铸件数目，应该是在保证铸件质量的前提下越多越好。

本铸件在一砂箱中高约52mm，长约130mm，宽约100mm，重约2.75Kg。

这里选用一箱四件，根据本铸件分型面的确定，可以先确定下箱的尺寸。

根据铸件重量在<5kg时，查得模型的最小吃砂量a=20mm，h=30mm，c=40mm，d或e=30mm，f=30mm，g=200mm，其中各字母所代表的含义如图5所示。

先确定下箱的尺寸，再根据表格可以选择标准的砂箱。

选用Z145A顶杆式起模的震实式造型机，砂箱最大内尺寸为500mmX400mmX300mm。

根据本铸件的大概尺寸，在设计中采用一箱四件，因为浇注系统位于上箱，所以上砂箱的高度我们还要考虑到浇注系统才可以确定。

铸件在砂箱中的放置方式初步设计为图6所示方式。

图5.最小吃砂量示意图图6.铸件排布的初步设计

4.2、铸造工艺参数的确定

4.2.1铸件尺寸公差和重量公差

在实际生产中，铸件的实际尺寸和重量与设计图纸所规定的尺寸和重量相比，总会有一些偏差，这种偏差愈小，铸件的精度也愈高。

但铸造过程中影响铸件精度的因素很多，如铸造收缩率等工艺参数的选择，分型面、浇冒口系统和砂芯的设计，造型和制芯的工艺操作以及工艺装备本身的精度等。

如果其中某个因素处理不当，就会降低铸件的精度。

也不应该不顾铸件的要求和具体生产条件，盲目提高对铸件的精度要求，否则会导致铸件成本的提高和使工艺复杂化，造成不必要的浪费。

二级精度灰铸铁铸件的尺寸偏差如表2所示，重量偏差如表3所示。

表2.二级精度灰铸铁件的尺寸偏差（JZ67-62）（毫米）

表3.灰铸铁件重量偏差

4.2.2机械加工余量

机械加工余量是指在铸件加工表面上留下的、准备用机械加工方法切去的金属层的厚度，目的是获得精确的尺寸和光洁的表面，以符合设计的要求。

铸件加工余量的大小，要根据铸件的合金种类，生产方法，尺寸大小和复杂程度，以及加工面的要求和所处的浇注位置等因素来确定。

二级精度灰铸铁件的机械加工余量如表4所示。

表4.二级精度灰铸铁件机械加工余量（mm）

查表得，铸件的加工余量为：

底面——3.5mm，侧面——3mm，顶面——4mm，如图7所示。

图7.铸件加工余量示意图

4.2.3拔模斜度

为了在造型和制芯时便于起模而不致损坏砂型和砂芯，应该在模样或芯盒的出模方向带有一定的斜度。

如果零件本身没有设计出相应的结构斜度时，就要在铸型工艺设计时给出拔模斜度。

拔模斜度的大小应根据模样的高度，模样的尺寸和表面光洁度以及造型方法来确定，见表5。

对于本设计中的零件，选取拔模斜度为1°30′。

表5拔模斜度

4.2.4铸孔起模斜度

由表6可知，对于大批量生产的灰铁铸件来说，最小铸出孔的直径为12~15mm，在端盖零件上，最大的孔径为12mm，故该孔不铸出。

所以不需要考虑铸孔的拔模斜度。

表6.铸件的最小铸出孔（毫米）

4.2.5铸铁的铸造收缩率

铸件在冷却和凝固过程中，体积一般都要收缩。

由于铸件的固态收缩（线收缩）使铸件各部分的尺寸小于模样原来的尺寸，为了使铸件冷却后的尺寸与铸件图示尺寸一致，则需要在模样或者芯盒上加上其收缩的尺寸。

增加的这部分尺寸为铸件的收缩量，一般用铸造收缩率表示：

k=（L模样一L铸件）/L铸件×100%

式中：

L模样—模样尺寸；L铸件—铸件尺寸。

铸造收缩率主要和铸造合金的种类及成分有关，同时还取决于铸件在收缩时受到阻碍的大小等因素。

由表7可知，本设计中选用中小型灰铸铁件受阻收缩，其收缩率为0.9%。

表7.铸件收缩率

4.3、砂芯

4.3.1砂芯尺寸

根据铸件浇注位置、分型面以及内腔的形状，确定在此铸件中只需设计一个砂芯就可达到铸造工艺要求。

具体结构见图8。

图8.砂芯结构与尺寸

（1）芯头设计

选择垂直芯头，并设置压环以及集砂槽。

（2）芯头尺寸（一般查表得到，不需计算）

（a）垂直芯头的尺寸包括其长度，斜度以及芯头与芯座之间的间隙。

根据铸型种类为湿型，芯头直径小于34mm。

查《砂型铸造工艺设计》表4-4，垂直芯头与芯座之间的间隙S取0.5。

（若间隙过大，虽然下芯合型较方便，但是铸件尺寸精度较低，甚至合金液可能流入间隙中造成大量“披缝”，使铸件落砂、清理困难，或堵塞芯头的通气孔道，使铸件造成气孔等缺陷；若间隙过小，将使下芯、合型困难，易产生掉砂或塌陷等缺陷）

（b）查表4-2，砂芯长度取52.5mm，在51~100mm之间，因此下芯头高度h选取25~30mm，这里取h为30mm。

由下芯头高度h，查得上芯头高度h1为20mm。

（3）压环与集砂槽

为了快速下芯、合型及保证铸件质量，在芯头的模样上常常做出压环和集砂槽。

查表4-7，得出e=1.5mm，f=3mm，r=1.6mm，具体结构示意如图9。

图9.压环与集砂槽尺寸

4.3.2芯骨

对于小砂芯或砂芯的细薄部分，通常采用易弯曲成形、回弹性小的退火铁丝制作芯骨，可防止砂芯在烘干过程中变形或干裂。

由于本设计中砂芯没有细薄部分，所以芯骨的设计可以不考虑。

4.4、浇注系统

浇注系统是砂型中引导液态合金流入型腔的通道。

生产中常常因浇注系统设计安排不合理，造成砂眼、夹砂、气孔、粘砂、缩孔、缩松、浇不足、变形、裂纹、偏析等缺陷。

浇注系统与获得优质铸件，提高生产效率和降低铸件成本的关系是密不可分的。

常用的浇注系统大多由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等部分组成。

4.4.1分型面设计及浇注位置的选择

浇注位置选择原则：

1）.浇注位置应有利于所确定的凝固顺序，而且要有利于铸件的补缩以及冒口的安放

2）.铸件的重要部分应尽量置于下部

3）.重要加工面应朝下或呈直立状态

4）.应使铸件的大平面朝下

5）.应保证铸件能充满

6）.应使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致

分型面选择原则：

1）.应使铸件全部或大部置于同一半型内

2）.应尽量减少分型面的的数目

3）.分型面应尽量选用平面

4）.分型面通常选在铸件的最大截面处，尽量不使砂箱过高

确定方案：

方案一：

如图10-1，将铸件大部分（重要部分）置于下部，且分型面为最大截面。

此方案容易保证浇注质量，能够实现顺序凝固，使其金相组织均匀，减少不必要的缺陷。

方案二：

如图10-2，上下砂箱对称分布；但由于侧表面是非加工面，在分型面处会产生飞边，影响铸件表面精度。

综上，选择方案一。

图10-1方案一图10-2方案二

4.4.2浇道的设计

4.4.2.1浇注系统截面的选择：

如表8所示。

表8.浇注系统截面

浇注系统分为开放式，封闭式，半封闭式，封闭一开放式几种类型，由于铸件的材质为灰铁，要求浇注系统撇渣能力较强，铁水充型平稳，所以，选择半封闭式浇注系统，F横>F直>F内，F内为控流断面。

浇注开始时液态金属很快充满浇注系统，铸件成品率高，撇渣能力较强，浇注初期也有一定的撇渣能力。

4.4.2.2浇注系统断面尺寸的设计

（1）水力学近似计算公式：

计算浇注系统，主要是确定最小断面积（阻流断面），然后按经验比例确定其他组元的断面积。

封闭式浇注系统的最小断面是内浇道，以伯努利方程为基础的水力学近似计算公式是：

F内=G/（μ×t×0.31√Hp）（cm2）

式中：

F内—内浇道总断面积（cm2）；

G—流经内浇道的液态合金重量（Kg）；

μ—流量总耗损系数；

t—浇注时间（s）；

Hp—平均静压力头（cm）。

（2）液态合金重量：

灰铸铁的密度为7.8kg/cm3，算出铸件的质量为2.2kg，加上浇注系统中金属液的损耗，铸件G=2.2kgX（1+25%）=2.75kg。

（3）浇注时间t：

G=2.75kg，铸件壁厚在8-15mm，系数S取2.2。

t=S

G=3.648s。

（4）流量系数μ：

a=0.5（铸型阻力小）按表修正：

有四个内浇道，阻力加大，μ值取0.05，得μ=0.5-0.05=0.45。

确定平均压头Hp：

近似于顶端注入，p=0，c=52.5mm。

由Hp=H0-p2/2c=Ho，Ho>HM=Ltanα，其中，L=300mm，铸件壁厚在8~15mm，压力角α＝9°~10°，取10°，得H0>55mm，由于下芯头尺寸较大，所以高度适当增加，取H0=130mm，H0为上砂箱高度。

得Hp=HM=130mm。

F内=2.75/（0.45X3.648X0.31X√13）=0.5cm2。

设置四个内浇道，则每个内浇道截面积为0.5cm2。

查表得选择I型内浇道，取F内=0.5cm2。

则内浇道总截面积为1cm2。

截面尺寸：

A=11mm，B=9mm，C=5mm。

由封闭式系统各组元的断面比为：

F内：

F横：

F直=1：

2：

1.2，则F横=2cm2，查表得选择甲-甲横浇道，取F横=1.92cm2。

截面尺寸：

A=14mm，B=10.5mm，C=16.5mm。

F直=2.4cm2，圆形截面，查表可得，直浇道下部最小直径为19mm。

查表得，浇口杯尺寸：

D1=56mm，D2=52mm，h=40mm。

各截面尺寸如图11所示。

A、内浇道截面积B、横浇道截面积

图11.各组元截面尺寸

（5）核算最小剩余压头HM

HM=上砂箱的高度，直浇道中心到铸件最高最远点距离L=150mm，若压力角α=10°，我们只需要HM大于26.4mm即可，这样进行浇铸，就能得到轮廓清晰的完整铸件。

考虑到浇注系统的高度，我们取上箱高度为200mm，即砂箱的尺寸为500x400x200mm。

4.4.2.3冒口的设计

常见的铸造缺陷如缩孔、缩松、裂纹等都与铸件的凝固和收缩有关，在铸件的厚实部位常设置冒口，并按顺序凝固原则使冒口最后凝固。

灰铸铁的结晶范围窄，更接近于层状凝固。

凝固时的膨胀和液态收缩趋于相互补偿。

故灰铸铁件补缩所需要的铁水的量少，铸型刚度要求较低，一般灰铸铁件可不设置冒口。

4.5、模板图的设计

4.5.1金属模样的材料

本次设计的为下模样，材料为HT150。

4.5.2金属模样的结构

1）模样尺寸的确定

模样的尺寸=铸件尺寸X（1+K）；式中，K为铸件收缩率。

计算结果如模板装配图中所示尺寸。

对于芯头尺寸按原工艺图计算。

因模样壁厚为5mm，查表得模样非工作面圆角半径为3mm。

2）模样的壁厚和加强筋

模样的壁厚按图12所示曲线选择。

由于模样的平均轮廓尺寸小于200，故对于灰铁模样取壁厚为5mm。

图12.金属模样壁厚

1.铝合金2.铸铁3.青铜

模样加强筋取知道分型面上的筋，一般将加强筋的厚度设计为模样壁厚的80%，查表加强筋下端厚度为4mm。

因模样形状属于圆形截面，加强筋的布置属I类，根据（A+B）/2<250mm，仅在模样长度和宽度中心轴上设有交叉十字形加强筋。

模样高度55mm<100mm，查得筋的斜度取1°30'。

3）模样类型的选择

本次设计采用机器造型用金属单面模样。

4）模样技术要求

模样表面光洁度：

模样工作表面为▽6，模样分型面为▽4，模样定位销孔为▽6~▽7。

模样装配凸耳采用外凸耳。

4.5.3模底板的设计

图13.Z145A造型机

本次设计的是下模板，单面模板采取的是顶杆式，模底板材料决定为灰铸铁。

本次设计选用的Z145A造型机为可调节顶杆式起模的镇压式造型机，顶杆起模行程为150mm。

Z145A造型机砂箱最大内形尺寸为500X400mm。

图13为造型机外观图。

根据铸件重量在<5kg时，查得模型的最小吃砂量a=20mm，h=30mm，c=40mm，d或e=30mm，f=30mm，g=200mm。

砂箱最大尺寸适合，且其内放四个模样，造型选用的砂箱尺寸500X400X180mm。

材料为铸铁。

砂箱平均尺寸<500mm，高度<200mm，查表得b=18mm。

其配合的模底板尺寸：

A0=A+2b=536mm，B0=B+2b=436mm。

模底板的材料为铸铁，高度在80~150mm，取80mm，小于顶杆的起模行程。

模底板定位销孔中心距应根据所配用砂箱销套的中心距C来确定，用同一钻模钻出。

表9（单位：

mm）

本设计中选用直径20mm的定位销。

M的值取75mm，则C=A+2M=500+2X75=650mm。

模底板与砂箱之间常常用定位销和销套定位，此处只设计定位销。

在造型过程中为使砂箱不被卡死常将两个定位销分别做成圆形的和带有平面的，分别为定位销和导向销。

模底板上的定位销安放在销耳上，设在沿中心线长度方向的两端，样式如图14所示。

图14.定位销安放方式

图15.定位销与导向销尺寸结构示意图

由模底板平均尺寸（A0+B0）/2≦500mm，查表得，d=18+0.035mm，h=20mm，e=40mm，A=60mm，D=25mm。

装配上的定位销和导向销材料选45号钢淬火，查标准尺寸得，d=20mm，d1=18mm，d2=13mm，d3=16mm，l1=18mm，l2=40mm，l3=20mm，

K=12mm，l=50mm，S=12mm，D=23mm。

导向销前端倾斜角度为10°。

配套的螺母尺寸：

d=M16，c=0.8mm，dM=22.5mm，e=26.75mm，m=14.8mm，s=24mm，尺寸结构见图15。

模板用螺栓固定在造型机工作台上，这时应设置紧固耳。

其位置要和造型机工作台上台面上的T型槽相对应。

因模底板平均轮廓尺寸（A0+B0）/2<500mm，查得模底板铸铁固耳尺寸：

h=20mm，h1=h+5mm，a=8mm，A=30mm，L=50mm，L1=70mm，b=15mm，b1=25mm，R=10mm，如图15所示。

紧固耳数为4。

图15.紧固耳结构示意图

4.5.4模样在底面上的装配

（1）模样在模底板上的放置形式

以简单方便节约成本考虑，采取平放式将模板平放在模底板上，模底板不必挖槽。

（2）模样在模底板上的定位

模样在模底板上常用定位销来定位，定位销采取的是圆柱销，定位销将模样装配在模底板上的形式见图纸所示。

定位销类型选择不淬硬钢圆柱销。

定位销不穿透模样装配在模底板，查得，R取（（1.5~2）d，定位销中心到铸件上边缘距离A可取≥R，d可取0.75t=3.75mm。

（3）模样在模底板上的紧固方式

为了模样和底板的定位和紧固，在现成凸缘或凸耳上设置定位销孔，紧固螺纹孔。

采用螺栓紧固时用的是下固定法。

螺栓的个数及分布见图纸。

单面模样在模底板上的紧固有2处用45号钢全螺纹六角螺栓。

螺栓尺寸为M8X25，如图16。

图16.模样的固定方式和定位方式

4.6、芯盒的设计

4.6.1材料的选择

芯盒是制芯工艺过程中所必须的工艺装备，为了提高砂芯精度和芯盒的耐用性，采用金属芯盒，铝质，ZL104。

4.6.2分盒面的设计

由于砂芯是圆柱回转体，所以采用水平分盒面。

4.6.3芯盒内腔尺寸的确定

芯盒内腔尺寸=（零件尺寸±工艺尺寸）×（1+零件材料的铸造收缩率）。

砂芯直径D=34.3mm，砂芯长度L=53.0mm。

4.6.4芯盒主体结构的设计

根据芯盒的平均轮廓尺寸（A+B）/2，及芯盒材质来决定壁厚。

本工艺的芯壁较小，小于200，铝质，所以取壁厚7mm。

定位采用定位销和定位销套，在芯盒的两端各设置一个。

定位销套的尺寸如图17所示。

定位销的结构尺寸如图18所示，与定位销套的装配示意图如图19所示。

图17.定位销套结构尺寸

图18.定位销结构尺寸

图19.定位销与定位销套装配示意图

芯盒的夹紧装置采用快速螺杆。

其下螺母用来调整松紧程度，上螺母用来併紧下螺母。

此装置结构简单，紧凑，夹紧效果好，磨损后便于调节、操作方便。

常用于小芯盒上，是工厂中使用较多的一种。

其结构尺寸如图20所示，与其配合的垫片如图21所示。

图19.芯盒夹紧装置

图20.垫片示意图

4.6.5芯盒与耐磨护板的确定

为了增加芯盒边缘的强度和刚度，芯盒边缘要加宽加厚，并且为了增加芯盒刮砂面的耐磨性，特在刮砂面上设置防磨片芯盒边缘及耐磨片。

耐磨片用30钢制成，用沉头螺钉固定在盒体边缘上，耐磨片的厚度为3mm。

5、参考文献

[1]联合编写组.《砂型铸造工艺及工装设计》.北京.北京出版社,1980

[2]李希晨主编.《铸造工艺及铸件缺陷控制》.北京.化学工业出版社,2005

[3]李宏英,赵成志主编.《铸造工艺设计》.北京.机械工业出版社，2005

[4]冯秋官主编.《工程制图》.北京.机械出版社，2006