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毕业设计说明书
目录
毕业设计任务书
中文摘要
英文摘要
一、概述2
1、定义3
2、特点3
3、发展历史3
4、应用4
二、熔模铸造工艺设计4
1、零件图5
2、铸件结构工艺性分析5
3、确定工艺方案和工艺参数6
4、设计浇注系统8
5、绘制铸件图11
三、压型设计13
1、压型设计的基本要求及参数选取13
2、成型部分形体结构部分设计14
3、压型工作图设计17
4、压型图20
四、熔模的制造22
1、模料的选取22
2、模料的配制23
3、制熔模23
4、制模组24
5、模组的除油和脱脂26
五、型壳的制造27
1、制造型壳用的材料27
2、涂料的配制28
3、涂挂涂料及撒砂32
4、型壳的干燥和硬化32
六、脱蜡与焙烧34
1、脱蜡34
2、脱蜡的工艺过程34
3、模料的回收处理34
4、焙烧35
七、熔炼与浇注36
1、黄铜的特性36
2、黄铜的牌号选用37
3、锰黄铜的熔炼准备37
4、中间合金38
5、熔剂39
6、配料39
7、熔炼工艺40
8、浇注41
八、铸件的后处理42
1、熔模铸件清理42
2、从铸件和金属浇注系统上清除新型壳42
3、铸件上残留耐火材料的清除42
参考文献44
致谢45
一、概述
1、定义
熔模铸造又称"失蜡铸造",通常是在蜡模表面涂上数层耐火材料,待其硬化干燥后,将其中的蜡模熔去而制成型壳,再经过焙烧,然后进行浇注,而获得铸件的一种方法,由于获得的铸件具有较高的尺寸精度和表面光洁度,故又称"熔模精密铸造"。
2、特点
1)铸件尺寸精确一般可达CT4-6
2)可铸造形状复杂的铸件,特别可以铸造高温合金铸件
3)不受铸件材料的限制
4)铸件尺寸不能太大,重量也有限
5)工艺过程复杂、工序繁多,使生产过程控制难度大增
6)铸件冷却速度慢,铸件晶粒粗大
压制熔模时,采用型腔表面光洁度高的压型,因此,熔模的表面光洁度也比较高。
此外,型壳由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成,与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。
所以,熔模铸件的表面光洁度比一般铸造件的高,一般可达Ra.1.6~3.2μm。
熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度,所以可减少机械加工工作,只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可,甚至某些铸件只留打磨、抛光余量,不必机械加工即可使用。
由此可见,采用熔模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时,大幅度节约金属原材料。
3、发展历史
熔模铸造又称失腊法。
失腊法是用腊制作所要铸成器物的模子,然后在腊模上涂以泥浆,这就是泥模。
泥模晾干后,在焙烧成陶模。
一经焙烧,腊模全部熔化流失,只剩陶模。
一般制泥模时就留下了浇注口,再从浇注口灌入铜液,冷却后,所需的器物就制成了。
我国的失腊法至迟起源于春秋时期。
河南淅川下寺2号楚墓出土的春秋时代的铜禁是迄今所知的最早的失腊法铸件。
此铜禁四边及侧面均饰透雕云纹,四周有十二个立雕伏兽,体下共有十个立雕状的兽足。
透雕纹饰繁复多变,外形华丽而庄重,反映出春秋中期我国的失腊法已经比较成熟。
战国、秦汉以后,失腊法更为流行,尤其是隋唐至明、清期间,铸造青铜器采用的多是失腊法。
失腊法一般用于制作小型铸件。
用这种方法铸出的铜器既无范痕,又无垫片的痕迹,用它铸造镂空的器物更佳。
中国传统的熔模铸造技术对世界的冶金发展有很大的影响。
现代工业的熔模精密铸造,就是从传统的失腊法发展而来的。
虽然无论在所用腊料、制模、造型材料、工艺方法等方面,它们都有很大的不同,但是它们的工艺原理是一致的。
四十年代中期,美国工程师奥斯汀创立以他命名的现代熔模精密铸造技术时,曾从中国传统失蜡法得到启示。
1955年奥斯汀实验室提出首创失蜡法的呈请,日本学者鹿取一男根据中国和日本历史上使用失蜡法的事实表示异议,最后取得了胜诉。
4、应用
可用熔模铸造生产的合金种类有碳素钢、合金钢、耐热合金、不锈钢、精密合金、永磁合金、轴承合金、铜合金、铝合金、钛合金和球墨铸铁等。
早在春秋时期熔模铸造就已被应用,延伸至战国、秦汉以后,其更为流行,尤其是隋唐至明、清期间,铸造青铜器采用的多是熔模铸造。
现代熔模铸造技术主要应用于航空制造业、机械制造、电子、石油、化工、核能、交通运输、纺织、医疗器械、泵、阀等制造工业中,在艺术品铸造业中,熔模铸造也是传布的很广的。
二、熔模铸造工艺设计
1、零件图
图2-1为零件图,材料:
锰黄铜,牌号:
ZCuZn40Mn2;锰黄铜:
锰在固态黄铜中有较大的溶解度。
可显著提高合金的强度和耐蚀性,而不降低其塑性;在海水、氯化物及过热蒸汽中有良好的耐蚀性和焊接性、较高的强度。
2、铸件结构工艺性分析
铸件结构是否合理,对于铸件质量、生产工艺的可行性和简易性以及生产成本等影响很大。
熔模铸件的结构应当符合熔模铸造的生产特点。
(1)最小壁厚
由于熔模铸造的型壳内表面光洁,并且一般为热型壳浇注,因此熔模铸件壁厚允许设计得较薄。
表2-1所示为铜合金的熔模铸件的最小壁厚推荐值和可能铸出的最小值。
对于局部尖锐部位,可以铸出更薄的壁厚(可比表中最小值小30%—50%的壁厚)
为防止浇不足的缺陷,铸件壁不要太薄,一般为2—8mm。
表2-1熔模铸件的最小壁厚(单位mm)
铸件材料
铸件轮廓尺寸
>10~50
>50~100
>10~200
>200~350
>350
铸件最小壁厚
推荐值
最小值
推荐值
最小值
推荐值
最小值
推荐值
最小值
推荐值
最小值
铜合金
2.0~2.5
1.5
2.5~4.0
2.0
3.0~4.0
2.5
3.0~5.0
3.0
4.0~6.0
3.5
本铸件图外形尺寸:
长:
120,宽:
41mm,高:
55mm,最小壁厚为8mm。
查表2-1知:
铸件轮廓尺寸>10~50mm铸件最小壁厚最小值为1.5mm,所以,设计的铸件壁厚具有铸造性能。
(2)壁厚均匀性和壁的连接
壁的交接处要做出圆角,铸件壁厚设计要力求均匀,减少热节;不同壁厚间要均匀过渡,防止熔模和铸件产生变形和裂纹。
本铸件设计了过渡圆角。
(3)顺序凝固
熔模铸造采用热型浇注,熔模铸件的分布应尽可能满足顺序凝固的要求,则
铸件结构设计要力求避免分散的和孤力的热节,便于实现顺序凝固,便于用直浇道进行补缩,以防止产生缩孔和缩松。
本铸件不存在影响顺序凝固的问题,可以顺利进行补缩。
(4)平面
熔模铸件要尽可能避免大的平面,因为大平面上极易产生夹砂、凹陷等表面缺陷,所以铸件上的平面一般应小于200×200mm。
而铸件的最大平面为:
24×70mm
3、确定工艺方案和工艺参数
(1)铸孔
熔模铸件上细而长的孔,由于制壳时的内部不易上涂料和撒砂,所以一般孔径d<2.5—3.0mm、孔高与孔径比h/d>5的通孔和h/d>2.5—3.0的不通孔不予铸出。
对于特殊要求的小而复杂的孔和内腔,可采用陶瓷型芯或石英玻璃管型芯铸出。
表2所示为正常铸造情况下的最小铸出孔的孔径和深度。
由于一般孔径d<2.5~3.0mm、孔高与孔径比h/d>5的通孔和h/d>2.5~3.0的不通孔不予铸出。
本铸件铸孔:
2个直径为10mm,孔深为8mm的通孔;
而本铸件的通孔孔径为:
10mm;孔高为:
8mm
h/d=0.8不在其范围内,因此可以铸出。
表2-2最小铸出孔的孔径和深度(单位mm)
孔的直径
最大孔径
通孔
不通孔
3~5
5~10
5
>5~10
>10~30
>5~15
>10~20
>30~60
>15~25
>20~40
>60~120
>25~50
>40~60
>120~200
>50~80
>60~100
>200~300
>80~100
>100
>300~350
>100~120
(2)基准面的选择
熔模铸造可获得精度和光洁度较高的铸件,本铸件不涉及加工余量,即不需机械加工,所以基准面选择很重要。
本铸件基准面的选择:
长度方向在其中线上;宽度方向在其最底层端面上,高度方向在中部大平面上。
(3)铸件的精度和表面光洁度
影响铸件尺寸的因素很多,主要是熔模、型壳和铸件三方面的尺寸变化(收缩和膨胀)这些变化中有些因素较为固定,有些则多变的,这就使得铸件的尺寸在一定范围内波动,波动范围愈小,尺寸愈精确。
本设计铸件的最大轮廓尺寸为120,公差尺寸一般为0.44~0.88mm;
熔模铸件的表面光洁度与压型的光洁度、熔模材料、制模方法、型壳材料、制壳方法、铸件材质、浇注时合金与型壳的互相作用以及铸件结构等因素有关。
本次设计要求表面光洁度达6~8级,本设计选用水玻璃型壳,表面光洁度可达4~5级;满足要求。
(4)铸造圆角
一般情况下,铸件上各转角处都设计圆角,否则容易产生裂纹和疏松。
铸件内圆角和外圆角按式2-1、式2-2计算,其结果应按1mm、2mm、3mm、5mm、8mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、40mm系列取值。
为了简化压型结构、方便取模,对于处于分型面部位的铸件的凸缘、法兰外缘、孔的边缘等转角应避免采用外圆角过渡。
r=(d+δ)/k式(2-1)
R=r+(d+δ)/2式(2-2)
R—转角的外圆角;r—转角的内圆角
d、δ—连接壁的壁厚;
k—转角的圆角系数,根据角度大小由图2-2选取
图2-2转角圆角系数
根据式2-1算的铸件的圆角为:
r=(d+δ)/k
=(8+15)/4(垂直)
=5.75mm
所以内圆角半径为5mm。
(5)铸造斜度
熔模铸造当压型设计合理并附有起模机构时,为保证零件几何形状正确,一般外表面可不给斜度。
带孔的铸件为便于起模和拔芯,应根据孔长给出斜度。
图2-3通孔铸造斜度
从上图可得通孔浅可不给斜度,孔较深时斜度≥0O5',本铸件H=8,直径为:
10mm,得;本铸件H=8≤30mm;则本铸件通孔不需铸造斜度。
(6)加工余量
熔模铸件的加工余量与达到尺寸的精度和表面光洁度有关;也同铸件尺寸、结构特点、浇注位置和加工方法等因素有关。
一般熔模铸件的精度和表面光洁度比较高,所以加工余量较小,而且仅限于达不到图纸要求的精度和光洁度向才留加工余量。
根据要求本铸件加工余量在本章图2-5中铸件工艺图红线所表示;其加工余量为0.5~1mm。
4、设计浇注系统
(1)浇注系统的作用和要求
1)把液体金属引入型腔:
对于易氧化的合金应尽量要求冲型平稳,以避免氧化和卷入气体。
对于薄壁铸件应尽量保证冲型良好,不产生冷隔、浇不到显现。
2)补充液体金属凝固时的体积收缩:
浇注系统应能保证补缩时通道通常,并保证能提供给铸件必要的补缩金属液,以避免铸件内产生缩孔、缩松。
3)在组焊和制壳时起支撑易熔模和型壳的作用:
应要求有足够的强度,以防止制壳过程中易熔模脱落。
4)在熔失易熔模时起液体模料流出的通道作用:
浇注系统应保证排除模料顺畅。
5)浇注系统的结构:
应尽可能简化压型结构,并使制模、组焊、制壳、切割等工序操作顺畅。
在保证铸件质量的前提下,应尽可能提高铸件工艺出品率。
(2)浇注系统结构——浇注系统类别:
1)按浇注系统组成分:
①直浇道-内浇道(工艺特点:
直浇道兼起冒口作用,操作方便,但排渣不利)。
②横浇道-内浇道(工艺特点:
常用顶住,有利于顺序凝固)。
③直浇道-横浇道-内浇道。
2)按合金液注入铸件部位分
①从铸件薄壁处注入合金液,热节处设冒口补缩,但在壁厚差较大的铸件上,冒口不能过大,否则易产生裂纹。
②从铸件厚部位或热节处注入合金液,通过内浇道补缩铸件。
3)顶住式:
合金液从型腔的顶部注入,铸件自下而上凝固。
合金液易飞溅,排气不畅,适用于高度较低的铸件。
4)侧注式:
合金液从型腔侧面注入,铸件补缩好,应用较广泛。
5)低注式:
合金液从型腔底部平稳注入,不易产生夹渣、气孔。
不利于顺序凝固,需增设冒口。
6)联合注入式:
上述3种方式的联合应用,兼有3种方式的优点,但结构复杂,适用于较大的复杂铸件。
因本次设计的工件结构简单,精度要求不是很高,所以浇注系统选用—直浇道—内浇道,自由浇注侧注式。
(3)芯棒
在直浇口熔模内插入芯棒,是为了增加熔模的强度和便于组合模组和制造型壳。
在确定芯棒直径时,应保证芯棒上的模料厚度不小于4~5mm。
芯棒材料可采用木材或铸铝。
芯棒手柄部分的结构,因不同操作方法而定,但都必须使手握方便。
(4)浇注系统计算
常用来计算浇注系统的方法有:
1)比例系数法;
2)亨金法
3)浇口杯补缩容量法
比例系数法:
此法依据铸件上热节圆直径或热节截面积,由式(2-3)确定相应内浇道的直径或截面积。
dg=k1Dc
Ag=k2Ac(式2-3)
式中Dc、Ac—分别为铸件热节圆直径和热节截面积;
dg、Ag—分别为内浇道直径和内浇道截面积;
k1、k2—比例系数,k1一般取0.6~1,k2一般取0.4~0.9
比例系数法简单、准确。
所以选用比例系数法进行设计计算:
经过计算设计的工件的热节圆直径为:
15mm;热节截面积为:
176.6mm2
由上公式得:
dg=1x15mm(k1取1)
解得:
dg=15mm
Ag=176mm2
所以该铸件内浇道直径为7.5mm,内浇道截面积为176mm2。
表2-4易割长方形内浇道的结构尺寸(单位:
mm)
易割浇道尺寸
直浇道直径
φ35
φ40
φ45
H1
10~16
12~18
12~20
H2
3~12
5~14
8~16
本次设计内浇道截面积选用为255mm2,大于计算值,有利于补缩,所以不用添加冒口。
表2-5直浇道和浇口杯的结构尺寸(单位:
mm)
公用尺寸
截面尺寸
圆形断面
长方形断面
D2
D3
h
H1
R
D
D1
a
e
50
58
66
73
80
87
94
100
108
63
70
78
85
92
98
106
113
120
250
250
300
300
300
320
320
320
320
10
10
10
10
12
12
12
12
12
5
5
5
5
5
5
5
5
5
20
25
30
35
40
45
50
55
60
18
23
28
33
37
42
47
52
57
-
18
22
25
-
-
-
-
-
-
25
30
35
-
-
-
-
-
注:
浇注系统模具的壁厚,随其成形方式而定,一般钢制自由浇注式模壁厚为8~10mm。
(5)浇注系统模具图
5、绘制铸件图
三、压型设计
1、压型设计的基本要求及参数选取
熔模铸造中压制熔模的模具称谓压型。
压型是熔模铸造的重要工艺装备,压型型腔尺寸精度及表面粗糙度,直接影响熔模的精度和粗糙度,并影响到铸件的质量,压型的结构和熔模质量与生产率密切相关。
因此压型的设计与制造时熔模铸造生产过程中的关键工序。
本次设计的零件为小件、精度要求不是很高且为批量生产,因此选用铝压型。
压型的制造方法为机械加工。
此方法的优点是效率高、精度高,但生产成本高。
机械加工压型一般由成型部分、定位构件、锁紧机构、起模机构、注蜡系统等几个主
要部分组成,如图3-1
(1)设计机械加工压型
设计机械加工压型时,应满足以下要求:
1)保证制出的熔模能达到要求的尺寸精度和表面粗糙度;
2)压型的各个部件均应符合机械加工艺性要求,即加工方便,经济合理;
3)装拆方便,轻巧耐用,起模容易;
4)小件用一型多腔,以提高生产效率。
(2)分型面的选择原则
1)分型面应尽量不截过熔模的某一完整表面,以防止由于分型面错移和分型痕迹,造成尺寸超差;
2)应选择熔模的最大平面作为分型面,便于分型和取出熔模,以免变形;
3)为了保证铸件的精度,对尺寸精度要求高的,以及有同轴度要求的部分,应尽量放在同一半型内;
4)分型面应能保证开型后熔模留在预定的半型内;
5)分型面最好为平面,但是,有些零件如果采用水平分型,尺寸精度较差,则应采用有规则的曲面分型。
(3)分型面的数量及形式
1)分型面得数量
确定分型面的数量,主要应考虑压制熔模的质量,压型是否容易加工,熔模是否容易取出。
分为两开型压型和三开型压型。
2)分型面形式
根据零件形状的特点,分型面形式有平面和曲面两种。
平面分型面容易加工,上下型容易密和,因此在可能的情况下,应尽量采用平面分型面。
但零件的形状在两度空间方向上都是弯曲的情况下,就只能采用曲面分型面。
在确定分型面的形式时,还应根据零件的特点选择分型面的方向。
通常有垂直、水平、倾斜和兼有垂直与水平等四种。
根据综合分析本次设计选用两开曲面压型。
2、成型部分形体结构部分设计
成型部分是压型的主要部分,它包括上下压型、型芯、镶块、活块等。
(1)型体结构
型体是压型的主体,型体的结构、形状和尺寸大小,取决于熔模的几何形状、压型的机械化程度。
在保证强度饿刚度的前提下,为了减轻压型重量,便于操作,压型厚应尽量减薄,在保证放置平稳和锁紧方便的情况下,压型的外形应尽量仿形于型腔,切去多余金属,减轻重量和便于散热。
如表3-1
表3-1型体壁厚单位(mm)
图例
型体材料
δ
B
铜
5~15
10~25
铝合金
10~25
15~30
由于制造空心压型工艺复杂,生产成本高,本次设计不选用空心型(不切除多余的金属)。
(2)型芯设计
型芯是构成熔模内部形状的构件。
型芯有金属型芯和非金属型芯两种。
金属型芯
金属型芯有在开型前抽取的,也有在开型后抽取的。
开型前抽取的金属型芯,为了抽芯方便,型芯上都做出手柄部分。
金属型芯与型体是否需要固定,要看压蜡是型芯受力的方向而定,如果模料对型芯的作用力仅垂直于型芯的轴线是,型芯不必固定;若尚有平行于型芯轴线的作用力存在,则型芯可能被模料推出,这时型芯必须与型体固定,
本次选用金属固定型芯,如图3-2
(3)定位构件
定位构件是保证型腔尺寸精度的重要构件,它用于型体之间的定位、镶块与型体的定位、组合块之间的定位及型芯、活块的定位和装配限位等。
型体定位除采用定位销定位外,对于轮型压型还可采用凸台定位如表3-2。
表3-2压型的定位形式
形式
图例
应用
定位销
用于对开型定位,当压型材料为铝合金或易熔合金时,采用带定位销套的定位销
定位销
用与两半型与底座的定位
凸台定位
(略)
用于两半型与底座的定位,当型腔为非圆形时,应增加定位销防止偏移
带锥度的凸台定位
(略)
用于上、下半型的定位,型腔的几何形状一般是圆形
因为设计压型为两半型综合考虑选用第二种定位销定位。
所选销钉的尺寸直径为6mm,如表3-3。
表3-3A型定位销尺寸单位(mm)
d(vf)
d1(s7)
D
L
l
E
基本尺寸
偏差
基本尺寸
偏差
6
-0.010
-0.022
6
+0.031
+0.019
9
20
8
0.4
8
-0.013
-0.028
8
+0.038
+0.023
11
25
10
0.6
10
10
13
30
12
12
-0.016
-0.034
12
+0.046
+0.028
15
35
15
1
14
14
17
40
17
(4)锁紧机构
锁紧机构的作用在于保证压型的分型面闭合,在压型时不涨开。
锁紧机构应灵活轻巧,并具有足够的夹紧力。
活结螺栓锁紧是使用较广的锁紧机构,操作方便、锁紧可靠。
常用的活结螺栓(表3-4)、蝶形螺母(表3-5)凸耳(表3-6)的结构尺寸如下表。
表3-4活结螺栓的机构尺寸单位(mm)
图例
d
d
b
r
D
L0
L
M6
5.2
7
5
12
18
按需要定
M8
6.2
9
5
14
22
M10
8.2
11
6
18
26
M12
10.2
13
8
20
30
表3-5蝶形螺母结构尺寸单位(mm)
图例
d
D
D1
L
H
h
b
b1
R
R
M6
12
10
32
14
6
2.5
3
5
3.5
M8
15
13
40
18
8
3
3.5
6
4
M10
18
15
48
22
10
3.5
4
7
5
表3-6凸耳的机构尺寸单位(mm)
图例
活结螺栓直径d
d1(H7)
b
R
c
L
L1
H
H1
基本尺寸
偏差
M6
5
+0.012
0
8.5
3
23
16
9
14
10
M8
6
+0.015
0
10.5
4
26
18
10
18
12
M10
8
12.5
5
30
22
12
22
15
M12
10
14.5
6
34
24
13
24
15
选用直径为6mm的活结螺栓和蝶形螺母。
所选尺寸如上表。
3、压型工作图设计
(1)型腔尺寸计算方法
压型工作图包括总装配图及零件图,设计工作图时型腔尺寸按下列基本公式计算。
Lx=(Lp+KLp)±△Ax
Lx—型腔尺寸(mm)
Lp—铸件基本尺寸(mm)
K—综合线收缩率(%)
△Ax—压型制造公差(mm)。
铸件基本尺寸Lp的确定方法是:
当尺寸没有公差要求是,Lp就是铸件的基本尺寸;当尺寸有公差要求时,基本尺寸加偏差代数和之半。
压型制造公差±△Ax,由压型的制造精度等级决定。
为使压型留有修整余地,型芯的制造偏差可取正值,型腔的制造偏差可去负值。
1)在确定型腔尺寸时,为设计方便,长度尺寸按型腔尺寸计算,而角度、锥度、平行度等可保持不变。
2)综合线收速率的确定
合金的收缩、料的收、型壳膨胀和变形,是影响综合线收缩率的三个主要因素。
综合线收缩率也可根据铸件的壁厚,型壳的材料和铸件收缩时的受阻程度来确定。
如表(3-7)是有色合金综合先收缩率的经验数据:
表3-7有色合金综合线收缩率的经验数据
合金种类
铸件壁厚(mm)
模料型壳分类
综合线收缩率(%)
自由收缩
部分受阻收缩
受阻收缩
黄铜
1~3
Ⅰ
Ⅱ
1.6~1.9
1.8~2.0
1.0~1.4
1.2~1.8
_
3~10
Ⅰ
Ⅱ
1.8~2.1
2.1~2.3
1.4~2.8
1.8~2.2
10~20
Ⅰ
Ⅱ
2.2~2.4
2.4~2.6
0.7~0.8
2.0~2.4
铝青铜
1~3
Ⅰ
Ⅱ
0.9~1.2
1.0~1.3
0.7~0.9
0.8~1.3
0.3~0.5
0.3~0.
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