制动盘铸造工艺设计

1. 结合所学知识，查找相应资料，对所给零件或铸件原铸 造工艺进行分析（工艺图设计，参数选取，砂芯设计， 冒口设计，模板设计等）谈谈你的体会，及对教材、课 堂教学的建议。2. 查资料，完成所指定锻件的生产过程，锻件图设计、相 应的计算过程、下料、加热、锻造及热处理工艺进行分 析。3. 结合汽车零件生产。阐述埋弧焊原理、工艺特点、质量 保证措施。1.结合所学知识，查找相应资料，对所给零件或铸件原铸造 工艺进行分析（工艺图设计，参数选取，砂芯设计，冒口设 计，模板设计等）。1.1制动盘铸造要求及现状一、生产技术状况：制动盘种类繁多，特点是壁薄，盘片及中心处由砂芯 形成。不同种类制动盘，在盘径、盘片厚度及两片间隙尺寸上存在差异，盘毂的 厚度和高度也各不相同。单层盘片的制动盘结构比较简单。铸件重量多为6-18kg。二、技术要求：铸件外轮廓全部加工，精加工后不得有任何缩松、气孔、 砂眼等铸造缺陷。金相组织为中等片状型，石墨型，组织均匀，断面敏感性小（特 别是硬度差小）。三、力学性能：（T b 250MPa , HB180240,相当于国际HT250牌号。四、有些外商对铸件的化学成分也作要求，本设计不作详细介绍。1.2设计内容用金属型覆砂技术克服上述局限性， 解决当前所遇到的铸造问题，保证工艺 出品率。即在金属型与铸件外形间覆薄砂层， 形成砂型胶。优点是同时具备金属 型和砂型铸造的特点，金属型与熔体不直接接触，冷却速度和金相组织易于控制， 同时提高金属型寿命，铸件形状可较复杂。铸件可保证致密无气孔、缩孔、缩松 等缺陷，工艺出口率咼。2.1设计任务要求名称:制动盘材料：HT220类型：成批生产本铸件属于盘状薄壁件，盘面上的风道利于空气对流，达到散热的目的。如 下图所示。采用金属型覆砂工艺，需考虑金属型材料及芯砂材料。2.2金属型材料选择根据以往金属型设计经验，选择常用的 HT200作为金属型材料，参数如下：牌号：HT200标准：GB 9439-88特性：珠光体类型的灰铸铁。其强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好, 铸造性能较优，需进行人工时效处理，其原理是把铸件重新加热到 530-620 C, 目的在于消除铸件内应力，减少变形、开裂的缺陷。化学成分：碳 C : 3.163.30硅 Si : 1.79 1.93锰 Mn： 0.89 1.04硫 S : 0.094 0.125磷 P : 0.120 0.170力学性能：抗拉强度 (T b (MPa): 200硬度：（rh=1 时）209HB试样尺寸：试棒直径：30mm 金相组织：片状石墨+珠光体2.3铁型覆砂工艺介绍覆膜砂：在造型、制芯前砂粒表面上已覆盖有一层固态树脂膜的型砂、 芯砂 称为覆膜砂。他是最早的一种热固性树脂砂，由德国克罗宁博士于1944年发明。 其基本工艺过程是利用射芯在加热的铁型上填上一层覆膜砂， 以形成精密的型腔 来生产铸件。本设计覆膜砂厚度为 5mm覆膜砂基本配比成分配比说明原砂100擦洗砂酚醛树脂1.0 3.0占原砂重乌洛托品（水溶液1:1 ）10 15占树脂重硬脂酸钙57占树脂重添加剂0.1 0.5占原砂重2.4芯砂选择造型材料性能的基本要求：1、具有一定强度，保证在合型、搬运和浇注过程中不变形、不损坏2、良好的透气性。3、对铸件收缩的可退让性。4、一定的耐火度和化学稳定性。树脂自硬砂是指原砂（或再生砂）以合成树脂为粘结剂，在相应的固化剂作 用下，在室温下自行硬化成形的一类芯砂，其基本特点是：1）型砂加热无需加热烘干，更节省资源，同时可以采用木质或塑料芯盒和 模板。2）铸件质量高，铸铁件的尺寸精度可达 CT8-CT10铸铁件的表面粗糙度 为Ra=2550卩m 比粘土砂、水玻璃砂好。3）型砂容易紧实，易溃散，好清理，旧砂容易再生回用，因而大大减轻劳 动强度，改善车间劳动环境，使单间小批量生产实现机械化。4）树脂价格较高，同时要求使用优质原砂，因而型砂成本比粘土砂水玻璃 砂高。5）混砂、造型、浇注时，有刺激性的气味，应注意劳动保护。树脂自硬砂用原砂的技术指标（%指标 原砂粒度级别SiO2含泥量含水量微粉量酸耗值灼减石英砂30 (40/70 ) 90V 0.2V 0.1 0.2V 0.5 1V 5V 0.5树脂自硬砂配比项7例构成砂子100%占砂子的百分比占树脂的百分比型砂组分新砂再生砂树脂固化剂加入量（%10900.8 1.530 50再生砂的质量指标灼减量酸耗值PH值0.075筛底盘含水量含氮量(% V(mL)VV底盘（% V(% V(% V(% V2.02.051.00.20.20.16）砂芯如下图:图2.3砂芯结构尺寸示意图3.1零件结构的铸造工艺性分析制动盘产品图(1) 产品质量要求较高，不仅需要较高的精度，还要有足够的强度、硬度， 尤其是上、下制动盘面不允许出现任何铸造缺陷，更不允许使用焊补等方法进 行修复。(2) 产品表面积相对较大，且结构造成的铸造热节，容易形成缩孔、缩松缺 陷。(3) 产品平面较大且较厚，在保证有足够的强度、硬度等性能外，还要防止 气孔、缩松、夹渣等铸造缺陷的产生。3.1.1铸造工艺分析覆砂金属型铸造工艺是一种新型的铸造方法，它是在粗成形的金属型(铁型) 内腔上覆上一层58mm的覆砂层而形成铸型的一种先进铸造工艺。该工艺克服了金属型铸造无退让性的缺点，使冷却条件得到很好的改善；该工艺不仅提 高了铸件的成品率和工艺出品率，对铸件的表面质量和力学性能也有了很大的3.1.2实际生产工艺大批量生产中的铁型覆砂铸造，其覆砂造型方法如图3所示。覆砂造型是铁 型背面的一组射砂孔，经铁型和模样合模后形成的间隙（缝隙宽度等于覆砂层厚 度）射入流动性较好的型砂，再经固化，起模后即形成铁型覆砂的铸型（即覆砂 铁型）。一般铁型覆砂铸造的生产流程如图 4所示。射砂头別板图3机械造型蒔割清理k- Qi com comUiIUv v图4铁型覆砂铸造铸造生产流程图3.1.3拟定铸造工艺从铸件凝固技术的角度看，水平造型生产盘类铸件较垂直造型更易获得致密 无缺陷的优质铸件。制动盘是一种径向尺寸大于纵向高度的均匀盘类铸件，采用水平造型分型面处于水平方向，分型面设置在刹车面处，即产品的径向处于水平 位置，而铸件其他部位大部分处在下型腔，在此处设置浇注系统向型腔填充铁液， 浇注完成后，铸件上部铁液温度高于下部温度， 符合铸件凝固从下到上，从外到 中心的凝固顺序，浇注系统能够形成对铸件最后凝固部位液体收缩的补给， 有利于消除铸件的缩松缺陷，提高了铸 件的致密度。同时，采用水平造型，顺应了制动盘这种铸件径向尺寸大，纵向高 度小的特点，在同样浇注温度下，易使铁液中的气体夹杂物和由浇注系统卷入型 腔的气体渣子，在铸件凝固前向上漂浮到铸件的顶部， 通过设计铸件顶部稍大的 加工余量加工掉，减少废品的产生。故本设计采用水平分型如下图：图1盘类剎举片铸造工艺示意图 吒孔2.持气片3出气孔4花盘芯子压边浇冒口 6宜浇道7放餐过滤网铸件3.2铸造工艺参数铸造工艺参数包括以下几点：1. 查表可知，尺寸公差为 CT1Q铸件机械加工余量为5.0mm (24)2. 最小铸出孔直径1530mm(表25)3. 起模斜度：外表面1.5%，内表面8%4. 铸造圆角R5mm5. 铸造收缩率1.0%6 .最小铸出槽尺寸 b=20mm t=10mm3.3浇注系统设计本设计采用顶注式浇注系统，有利于薄壁铸件的充型。331浇注系统计算选择封闭式浇注系统，设 A1、A2、A3为直浇道、横浇道、内浇道总截面积，系统组元截面比为：A1： A2: A3=1.15:1.1:1（；式中 F阻浇注系统中的最小断面总面积（cm3）； G-流经F阻断面的金属液总、重量（）； K总流量损耗系数； t浇注时间（J ； / r平均静压力头（cur）查表得：G=mg=2!0 9.8=196N（1 =0.6t = s ZTJ式中 6型内金属液的总质（重量）（）；5t系数，取决于铸件壁厚，可由表7-2-3查出。S =1.85t=26s查表得采用顶部注入H=H, p=o则 H=l00mm 综上所得：F阻=8cmF 直=8.4cm2查表得内浇道总断面积1.6cm2直浇口棒D=35mm035内浇道 A=14mm B=12mm C=6mm3.3.2实用冒口设计铸件在凝固后期有“奥氏体+石墨”的共晶转变，析出石墨并发生体积膨胀,从而可部分或全部地抵消凝固前期所发生的体积收缩，即具备有“自补缩的能 力”因此，在铸型刚性足够大时，逐渐可以不设冒口或采用较小的冒口进行补 缩。求铸件模数M=D=10mmc=6mm b=53mm 求得 M=0.44cm由于此灰铸铁件模数小于0.75cm，适宜采用浇注系统当冒口。故不单设冒口。4.1金属模样的结构设计由于采用大批量生产，选择金属模样，工具各金属模样材料的性能和应用范 围，选择灰铸铁为模样的材料，牌号为 HT150.下模样的结构简单，主要由几个圆形凸台形成，由于模样整体高度不打，采 用实心模样。模样最大平面边缘由芯头形成了宽 25、高15.5的延伸凸台刚好可 以用来固定模样。一个模样使用4个沉头圆柱螺钉固定，螺钉穿过模样装配在模 板上，对错分布，螺钉尺寸为 M1Q此外，使用两个定位销定位，也是穿过模样 装配在模底板上，定位销尺寸d（定位销直径）为10cm下模样如下图设计原则是在满足铸造工艺、保证铸件质量的前提下，是模样的结构便于加 工制造。模样在模底板上的装配偏差：单面模样w 0.7mm内浇道模尺寸偏差，有箱 造型为土 0.3mm 其余部分为土 0.7mm4.2模板和模板框设计8.模板的设计该铸件属于成批大量的生产小件，选用 HT250做模板材料，采用普通单面顶箱式 模板。采用水平分型自动生产线的模板底板尺寸结构，采用的模板基本尺寸为 1200mmx690mm砂箱内框尺寸920mmx610mmx250rnm箱放置3件，模样对称分布 在下模板上，同时直浇道相连的一段横浇道布置在下模板， 其余浇注系统以及冒 口等布置在上模板上，浇注系统与模底板的固定，采用六角螺钉和沉头螺钉固定。上模板二维及三维图下模板二维及三维图由于在射砂过程中，需要一定温度，故模板上要设置管状加热元件。 采用水 平分型的单面快换模板。为了简化工艺，采用直接定位法即模板直接与砂箱定位。 如下图所示，分别为上加热模板和下加热模板，定位采用双头螺钉。2查资料，完成所指定锻件的生产过程，锻件图设计、相应 的计算过程、下料、加热、锻造及热处理工艺进行分析。技术妾求L收编率L 5喘2. 全部模做热度5-齿轮热锻件图一、任务介绍锻造的目的是使坯料成形及控制其内部组织性能达到所需的几何形状，尺寸以及品质的锻件。锻造的基本工艺有自由锻、模锻、板料冲压等，其中自由锻和 模锻是热塑性成型，而板料冲压是冷塑性成形，两者的基本原理相同。齿轮是现代工业大量使用的零件，本文就是讨论齿轮的自由锻生产。自由 锻能进行的工序很多，可分为基本工序、辅助工序、及精整工序三大类。它的基 本工序是使金属产生一定程度的塑性变形以达到所需的形状和尺寸的工艺过程， 如镦粗，拔长、冲孔、弯曲、切割、扭转及错移等工序。二、总体设计方案1绘制锻件图根据零件图的基本图样，结合自由锻工艺特点考虑余块、锻件余量和锻造公 差等因素绘制而成。2. 计算坯料质量及尺寸(1) 坯料质量的计算根据锻件的形状和尺寸，可先计算锻件的质量，再考虑加热时的氧化损失， 冲孔时冲掉的芯料以及切头的损失， 可先计算锻件所用的坯料的质量，其计算公 式为m坯=m锻+m烧+m头+m芯(2) 坯料尺寸确定皮料尺寸与所用第一个基本工序有关，由于齿轮是饼块类或空心类锻件，用 镦粗工序锻造时，为了避免镦弯，应使坯料高度h不超过直径D的2.5倍，即坯 料高径比h/D不超过2.5。为了在截料时便于操作，毛坯高度h不仅应小于2.5D, 即高径比还应大于1.25即1.25D 岂 h 753253=843643 mm?考虑到冲孔是会产生拉缩，垫环高度H垫应比凸肩增大15% 30% (厚壁取 小值，薄壁取大值)，本例取20%。H 垫=1.2H 肩=1.2 4=40.8(mm)取 40mm。垫环内径d垫可根据体积不便求得，即V垫d垫=1.13 J化 164mm垫；H垫垫环内壁应有斜度7度，上端孔径定为163mm，下端孔径定为154mm。为 了除去氧化皮在垫环镦粗之前应进行平砧镦粗，工艺过程如图。平砧镦粗后坯料的直径应略小于垫环内径，经垫环镦粗后上端法兰部分直径应小于锻件最大直 径。冲孔冲孔应使冲孔芯料损失小，同时扩孔次数不能太多，冲孔直径d冲应小于或等于 D/3 即 d 冲O/3=213/3=71mm,实际选用 d=60mm。扩孔总扩孔量为锻件孔径减去冲孔直径，即(131-60)=71mm, 一般每次扩孔量为 2530mm，分配各次扩孔量为 21mm、25mm、25mm。(4) 修整锻件 按锻件图进行修整。3. 计算坯料质量和尺寸坯料质量等于锻件质量加上芯料质量和烧损质量，锻件质量按公式计算为m 锻二V 锻尸 n4(320.27+2.1 平 X).34+1.322X).61) 78=17.8kg 冲孔芯料的质量(取d=60mm, H=65mm)为m 芯=(1.181.57)d2XH=0.3kg坯料的煤气炉加热的烧损率 *2%，考虑到该锻件需要经过23次扩孔，而 至少需要加热2次，因此应取单火烧损率的上限再加上适当的烧损值，即为 8=0.035,所以坯料的烧损质量为m 烧=17.8 .035kg=0.6kg所以坯料的质量为m 坯=m 锻+m 烧+m 头+m 芯=18.7kg计算坯料的直径时，由于采用镦粗成形，可按下式计算：D = 0.9VV = 0.9(牛=O.918|dm = 1.2dm = 120mm查表可知标准热轧圆钢直径，确定选取坯料直径D=120mm。坯料长度为,V 坯2.38 106Lmm = 210mmS 坯一 12024从而确定坯料尺寸为 120X210mm。4. 选定设备及规范该锻件类型属于圆环，D=289，H=52，查表可知应选用5kN的自由锻锤。40Cr属于合金结构钢，查表可知始锻温度为1200C,终锻温度为800C。因为该 锻件是直径为200350mm的碳素结构钢中型件，采用煤气炉三段式加热规范， 装料炉温为1150C 1200C,保温时间约为总加热时间(1h100min)的5%10%， 这里保温为15min，再以最大加热速度加热至1200C以后，再次保温均热约为 15min后开始锻造。冷却方法：以为该锻件是中小型低合金结构钢，可以采取空冷的冷却方式。四、工艺流程(工艺卡)1. 下料坯料质量与尺寸可由锻件图算出，为 120x210mm镦粗垫环局部镦粗 H垫=40mm d垫=164mm2. 冲孔D冲=60mm冲头扩孔，分三次扩孔，每次扩孔量为 21mm、25mm、25mm修整 按锻件图进行修整3. 车削加工退火后钻孔，大齿轮滚齿，小齿轮插齿4. 最终热处理齿面高频淬火锻件名称齿轮（锻件图另行给出）锻件材料40Cr坯料质量18.7kg坯料尺寸 120210mm锻造设备0.5t自由锻锤火次操作工序工序简图备注1下料坯料质量与尺寸可 由锻件图算出，为 120210mm镦粗垫环局部镦粗0珈0151H 垫=40mm, d 垫=164mm冲孔d 冲=60mm冲头扩孔分三次扩孔，每次扩孔量为21mm、 25mm、25mm23、结合汽车零件生产。阐述埋弧焊原理、工艺特点、质量保证措施。埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是利用焊剂层下燃烧的电弧的热量熔 化焊丝，焊剂和母材而形成焊缝的一种电弧焊焊接方法。其固有的焊接质量稳定、 焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等优点，使其成为压力容器、管段制造、箱型 梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。近年来，虽然先后出现了许多种高效、 优质的新焊接方法，但埋弧焊的应用领域依然未受任何影响。生产中普遍应用埋弧自动焊，它的全部焊接操作包括引燃焊丝， 焊丝送进，电 弧移动，焊缝收尾等均有机器控制，方便快捷。1、埋弧焊原理埋弧焊焊缝形成过程如图：焊丝末端与焊件之间产生电弧后，电弧的热量使焊 丝，焊剂和焊件熔化，有一部分甚至蒸发。金属与焊剂的蒸发气体形成一个包围 电弧与熔池金属的密闭空间，使电弧与熔池与外界空气隔离。随着电弧向前移动， 电弧不断熔化前方的焊件，焊丝和焊剂，而熔池的后部边缘开始冷凝形成焊缝。 密度较小的熔渣浮在熔池表面，冷却形成渣壳。B 6埋鄭爆时煖繼的购成过程I- 01 2电飙X护-熔灌金属r-isg5-虫捌6 - WJ t 7-14； 8-淹瓷埋弧焊时，焊丝连续不断地送进，同时其端部在电弧热作用下不断熔化， 焊丝 送进速度和熔化速度相互平衡，以保持焊接过程的稳定进行。依据应用不同，焊 丝有单丝、双丝和多丝，有的应用中还以药芯焊丝代替裸焊丝， 或用钢带代替焊 丝。2、埋弧焊的主要特点埋弧焊是当今生产效率较高的机械化焊接方法之一，它的全称是埋弧自动焊又称焊剂层下自动电弧焊。优点：生产效率高这是因为，一方面焊丝导电长度缩短，电流和电流密度提高，因 此电弧的 溶深和焊丝溶敷效率都大大提高。（一般不开坡口单面一次溶深可达 20m m）另 一方面由于焊剂和溶渣的隔热作用，电弧上基本没有热的辐射散失，飞溅也少， 虽然用于熔化焊剂的热量损耗有所增大，但总的热效率仍然大大增加。焊缝质量咼熔渣隔绝空气的保护效果好，焊接参数可以通过自动调节保持稳定，对焊工技术水平 要求不高，焊缝成分稳定，机械性能比较好。劳动条件好除了减轻手工焊操作的劳动强度外，它没有弧光辐射，这是埋弧焊的独特优 点。缺点：适应性差，不及手工焊灵活，一般只适合于水平位置或倾斜度不大的焊缝；工件边缘准备和装配质量要求较高、费工时；埋弧操作，看不到熔池和焊缝形成过程，因此，必须严格控制焊接规范。焊接设备较复杂，维修保养工作量大。3、埋弧焊应用埋弧焊是焊接生产中应用较普遍的工艺方法。由于焊接熔深大、生产效率高、 机械化程度高，因而适用于中厚板长焊缝的批量焊接，焊接水平位置的长直焊 缝和较大直径的环焊缝。在造船、锅炉与压力容器、化工、桥梁、起重机械、 铁路车辆、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造中有广泛的应 用。在汽车制造上面主要应用于半桥套管、法兰、天然气汽车压力容器的 焊接上面。随着焊接冶金技术和焊接材料生产技术的发展，埋弧焊所能焊接的材料已从 碳素结构钢发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢以及一些有色金属材料，如 镍基合金、铜合金的焊接等。埋弧焊除了主要用于金属结构件的连接外，还可 以用来进行金属表面耐磨或耐腐蚀合金层的堆焊。