端盖的铸造工艺设计

毕业设计端盖的铸造工艺设计学校： 专业： 姓名： 摘要本次毕业设计的工件是端盖的铸造工艺过程。首先，分析零件的技术条件，明确零件的材料组成以及性能要求。对零件结构的铸造工艺性进行分析，明确零件的结构特点，找出可能存在的结构问题。提出改进措施或预防缺陷的措施。其次,根据零件结构特点，技术要求，生产要求，生产批量，生产条件选择铸造及造型方法。由零件的结构特点，提出多种浇注和分型方案，综合对比分析，选择最为理想的浇注位置及分型面。制定出详细的铸造工艺方案。再次,根据铸造工艺方案和零件的特点，选用适宜的工艺参数，设计铸件的补缩系统，浇注系统。绘制出铸造工艺图。最后,设计铸造工艺装备，包括模板和芯盒,绘制模板和芯盒的装配图。端盖铸造工艺方案采用三箱手工造型，共一个砂芯，一箱一件生产也可一箱多件生产，本设计采用一箱一件生产。砂芯采用碱性酚醛树脂砂，砂型采用呋喃树脂自硬砂。铸件毛重3.3Kg。设一个个r=203mm，L=1.25D，斜度为1：50的腰圆冒口。其总体积为176451373mm3。冒口顶部撒保温剂，共计21Kg。冒口补缩效率为13.9%。安放158mm100mm40mm冷铁3块；135mm100mm40mm冷铁3块；118mm100mm40mm冷铁2块；106mm100mm40mm冷铁2块；158mm100mm30mm冷铁8块。选用包孔直径=70mm，平均浇注速度q=120Kg/s，浇包容量m=40t，包孔数n=1的浇包。采用漏包底注式浇注系统，设一个94mm，高1020mm的直浇道；一个94mm，长1300mm的单向横浇道；四个55mm，高60mm的内浇道和一个夹角为70。，高100mm的浇口杯。浇注金属液总体积为507834878.9 mm3，总质量为3554.8Kg。浇注时间约30s，铸件工艺出品率为65.0%。设计的铸造工艺装备有上下木质模板一套，木质芯盒四付。并绘制了相应的装配图。关键字：铸造工艺性 ；铸造工艺方案 ；铸造工艺参数 ；补缩系统；浇注系统 18 绪论铸造熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间 中国商朝的重875公斤的司母戊方鼎，战国时期的曾侯乙尊盘，西汉的透光镜，都是古代铸造的代表产品。 早期的铸件大多是农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具，艺术色彩浓厚。那时的铸造工艺是与制陶工艺并行发展的，受陶器的影响很大。 发展中国在公元前513年，铸出了世界上最早见于文字记载的铸铁件晋国铸型鼎,重约270公斤。欧洲在公元八世纪前后也开始生产铸铁件。铸铁件的出现，扩大了铸件的应用范围。例如在1517世纪，德、法等国先后敷设了不少向居民供饮用水的铸铁管道。18世纪的工业革命以后，蒸汽机、纺织机和铁路等工业兴起，铸件进入为大工业服务的新时期，铸造技术开始有了大的发展。 近代进入20世纪，铸造的发展速度很快，其重要因素之一是产品技术的进步 ，要求铸件各种机械物理性能更好，同时仍具有良好的机械加工性能；另一个原因是机械工业本身和其他工业如化工、仪表等的发展，给铸造业创造了有利的物质条件。如检测手段的发展，保证了铸件质量的提高和稳定，并给铸造理论的发展提供了条件；电子显微镜等的发明，帮助人们深入到金属的微观世界，探查金属结晶的奥秘，研究金属凝固的理论， 指导工业生产。铸造工艺设计就是根据铸造零件的结构特点，技术要求，生产批量和生产条件等，确定铸造工艺方案和工艺参数，绘制铸造工艺图，编制工艺卡等技术文件的过程。在进行铸造工艺前，设计者应掌握生产任务和要求，熟悉工厂和车间的生产条件。此外要求设计者有一定的生产经验和设计经验，并应对铸造先进技术有所了解，具有经济观点和发展观点。因为现代科学技术的发展，拓展了铸造技术的应用领域，同时也提高了对金属铸件的要求。不仅要求铸件具有高的力学性能，尺寸精度和低的表面粗糙度值；要求具有某些特殊性能，如耐热，耐蚀，耐磨等，同时还要求生产周期短，成本低。铸造工艺设计人员在设计的过程中应时刻关心铸件成本，节约能量和环境保护问题。从零件结构的铸造工艺性的改进，铸造，造型，造芯方法的选择，铸造方案的确定，浇注系统和冒口的设计，直至铸件清理方法等，每到工序都与上述问题有关。采用不同的工艺，对铸造车间或工厂的金属成本，熔炼金属量，能源消耗，铸件工艺出品率和成品率，工时费用，铸件成本和利润率等都有显著的影响。铸造工艺设计应是追求以最少的成本和损耗生产出质量最好，竞争品质最强的铸件产品。此次毕业设计的目的是通过自主设计，在设计的过程中梳理大学四年中学到的专业知识，学会发现问题并运用所学的知识来解决实际问题。通过毕业设计巩固和拓展自己的专业知识，熟悉铸造工艺设计的流程，领略铸造工艺设计的要领，体验铸造工艺设计工作的内涵，为即将步入社会，走向工作岗位做最后的准备。1 零件材料性能分析端盖原材料为HT250。端盖实体部分体积0.47立方米端盖质量3.3千克类型：珠光体类型的灰铸铁，密度：约为6.8-7.3g/cm屈服强度250MPa，硬度 ：(RH=1时)209HB 试样尺寸：试棒直径：30mm金相组织：片状石墨+珠光体碳C ：3.163.30硅 Si：1.791.93 锰 Mn：0.891.04 硫 S ：0.0940.125 磷P ：0.1200.170 HT250淬火可达HRC60，但是灰口铸铁(HT200、HT250等)一般都是在退火或正火状态下使用,不进行淬火处理.如果是局部需要硬度的话,可进行高、中频淬火既可。 中频淬火：淬硬层35毫米，硬度HRC50，工件变形较小。 高频淬火：淬硬层12毫米，淬火温度850，表面硬度HRC50以上；淬火温度9001000度，表面硬度可达HRC60。强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好，铸造性能较优，经济实惠。零件对材料性能的要求：端盖主要，作用是确定转子的轴的空间位置，当然需要与不同形式的轴承配合，通过端盖连接到固定电机定子的外壳上，保证转子与定子的间隙。由于是设备与地面的接触部分，承受着设备运转的载荷，为了能使设备有较好的工况，运转平稳，要求机座具有一定的减震性。一般的端盖属于长久性构件，必须具有足够长的使用寿命。因此机座应该具备一定的耐磨性。 2 零件结构的铸造与艺性分析 图（2-1） 图（2-1）为端盖零件图，材料为HT250，其作为承载件广泛应用于大中型汽车零配件。 1工艺性能分析 其轮廓尺寸为873*576*234，工件属于小型铸件。图3-3 分型示意分型面的选择该铸件零件较复杂，但形状较规范，没有凸缘之类不便模的部分，分型面的布置使得铸件成型的型腔部位全部处于模内。该铸件只需用单分型面即可，在单分型面上，用直线分型面，该铸件一侧有轴孔，此处采用抽芯机构；外部轮廓较平整，没有不易出模部分；内部结构也较为简单，采取一定的拔模角有利于脱模；铸件冷却时收缩，与内部接触的襄块大，所以分型面的布置要使得铸件成型的型腔部位全部处于定模内，这样才能保证开模是铸件随动模移动方向移出定模。通过综合考虑分型面的设计要点，选用直线分型面，考虑到要有利于浇注系统的布置，不影响铸件的精度，开模时保持铸件随动模移动方向脱出定模，决定选择铸件的A面也就是外表面为分型面，可得到符合技术要求的铸件，且操作方便，分型面如图2-2所示。 造型（芯）方法的选择端盖设备产品的生产批量不是很大，而形状有不复杂。造型材料采用自硅砂，手工造型具有工艺装备简单，灵活方便，适应强的特点。砂芯由于结构简单，形状特点的原因，采用手工造芯比较适宜。而端盖的尺寸不大，也可采用机器造型但是设备的要求比较高，一般工厂的生产条件可能达不到，同样也采用手工造型，可以在造型平台上造型铸型种类的选择由于端盖材料为HT250。因为浇注钢水时Fe首先被氧化，H2O被还原为H。H在液态钢中的溶解量大，而在固态钢中量小，几乎为0，易产生皮下气孔。端盖铸造采用底注式浇注系统，金属液快速充型，对砂芯砂型的冲刷较大。于是要求砂芯和砂型必须具备很高的强度才不至于产生冲砂，夹砂等缺陷，保证铸件的质量。由于砂芯形状简单，生产批量不是很大。由铸造手册表2-19冷芯盒用树脂的主要技术指标及适用范围选用：粘结剂：碱性酚醛树脂；硬化气体：CO2；氮气的质量分数0.5%；黏度1000mPas；游离酚质量分数1%；游离醛质量分数0.5%；由铸造手册表2-41可知，芯盒砂的组成为：碱性酚醛树脂原沙的质量分数2.5-3.5%；促硬剂占树脂的30-40%；（促硬剂为硼酸盐，锡酸盐或铝酸盐）。混砂工艺：原砂加树脂混合1-2min，再加促硬剂混合1-2min后卸砂。由于呋喃树脂粘结强度高，黏度小，毒性小，旧砂再生利用率高，所以型砂选用呋喃树脂砂。由铸造手册表2-20选用呋喃树脂自硬砂的主要技术指标：固化剂：中强酸氮的质量分数1-2%；黏度15mPas； 游离醛0.3%；比强度1.0MPa；适用一般铸铁。由铸造手册表2-42可知味喃树脂自硬砂的主要组成：低氮味喃树脂质量分数0.8-1.5%；固化剂：磷酸，加入量占树脂重25-50%。混砂工艺：砂加固化剂混合均匀，加树脂混合均匀后卸砂。3.6 砂箱中铸件数目的确定由于零件的尺寸为873*576*234尺寸规格较小， 通常车间现存砂箱尺寸规格可以是一箱一件，也可以能够一箱多件生产，但对生产设备的要求提高了，操作起来不是很方便。还是一箱一件生产比较合适。3.7 砂芯的设计根据铸件尺寸查得铸造手册可知砂芯尺寸如图所示，4 铸造工艺参数的选择铸造工艺差数与铸件形状、尺寸、技术要求和铸造方法有关，工艺设计时应结合具体生产情况，选取合适准确的工艺参数，以达到提高生产效率、降低成本、获得优质铸件的目的。铸件的主要工艺参数有铸件收缩率，机械加工余量和铸件尺寸公差等。4.1 铸件收缩率铸件收缩率又称铸件线收缩率，是铸件从线收缩开始温度开始冷却至室温的线收缩率。端盖为小型铸件，根据铸件构特点。参考铸造手册表1-1常用铸造合金的铸造收缩率，铸造手册表3-37砂型铸造普通结合金铸件的铸造收缩率。铸件收缩率=模样长度-铸件长度/铸件长度X100%取端盖铸造线收缩率=0.9%。4.2 机械加工余量由铸造手册表1-9，灰铸铁铸件最小铸出孔（槽）尺寸及铸造工艺表3-3-8，可知铸件的最小铸出径d=3060mm，于是端盖上面的孔都可铸。由铸造手册表1-2，选取端盖的机械加工余量等级为H（手工造型），选取尺寸公差为CT10级由铸造工艺学表3-3-3选取铸件的加工余量如下表4-1 机座各部分加工余量序号基本尺寸/mm加工余量等级加工余量数值/mm说明133H5.0单侧加工242H5.0单侧加工375H5.0单侧加工47578H5.0单侧加工5291192H6.0单侧加工6.2 冒口的设计由于零件的局部壁厚，应在壁厚位置添加顶冒口，顶冒口位于铸件的最高位置这样不仅有利于排气、浮渣、也有利于重力补缩。 灰铸铁冒口尺寸主要靠比例法来确定。它是从传统的顺序凝固原则出发，以铸件热节圆或截面厚度为基础，按比例放大，求得冒口直径和高度。常用的冒口形式和参数，明顶冒口 D=（1.22.5）T H=(1.22.5)D d=(0.80.9)T h=（0.30.35）DT为铸件厚度或热节圆直径。 明冒口高度H可根据沙箱高度适当调整。随明冒口直径D增大，冒口颈处的角度取小值。对于高牌号铸铁、合金铸铁和质量要求高的铸铁件，取表中数值上限，反之则取下限。（数据来源于铸造工艺及设备138页表48）T=54mm D=1.2x54=65mm H=1.2x65=78mm d=0.8x54=44mm h=0.3x78=24mm由此可知冒口形状如图所示7 浇注系统的选择与设计根据铸件本身的特点以及铸件材料本身的浇注系统的特点及应用，通过对比选用地注式浇注系统，其结构如图所示。其优点为，金属液自下而上平稳的填充铸型，充型效果好，不会产生飞溅、铁豆、氧化倾向小，排气容易。但是铸件的温度分布不利于自下而上的定向凝固，当铸件较高时，可在冒口部分设置补充浇道或直接在冒口补浇，以提高冒口的补缩作用。 直浇道的设计直浇道的作用是将来自浇口盆中的金属液引入横浇道。并提供足够的压力头以克服各种流动阻力而充型。直浇道一般不具备挡渣能力，如果设计不当，还易吸入气体，所以直浇道的设计非常重要。直浇道截面形状多呈圆形，R=mm 它起模方便，浇注时充型快，金属液在直浇道中呈正压状态流动，从而可以防止吸气和杂质进入型腔。图7-1 最大液面图上下两端的面积S1=1/2345（1182+1587）=231495 mm3由上而下各部分面积S2=（285-172.5）（952+1353）=66937.5 mm3S3=（1233-10）（675-285）=475970 mm3S4=（1233-10+1021-10）（795-675）/2=134040 mm3S5=（253-172.5）1354=43470 mm3中间三个凹槽的面积S6=1354503=182250 mm3S=S1+S2+S3+S4+S5-S6=770662.5 mm3Vmin=q/（0S）=90/（770662.57.0）=16.7mm/sV型min改选包孔直径=70mm，平均浇注速度q=120Kg/s，浇包容量m=40t，包孔数n=1。Vmin=q/（0S）=120/（770662.57.0）=22.24mm/sV型min7.2 浇注系统的设计铸钢件用漏包浇注，采用开放式浇注系统，以包孔截面积为基准，各组元截面积比如下：S包:S直:S横:S内=1:(1.82.0): (1.82.0): (2.02.5)取 S包:S直:S横:S内=1:1.8: 2.0:2.5S包=(70/2)2=302=3846.5 mm3 S直=6923.7 mm3 ，S横=7693 mm3 ，S内=9616.25 mm3设一个直浇道，D直=93.9mm，圆整为D直=94mm， r直=47mm。设一个单向横浇道D横=98.99mm，圆整为D横=94mm ， r横 =47 mm。设四个相同的内浇道D内=2=55.33mm，圆整为D内=55mm，r内=27.5mm。取直浇道窝高94mm，直浇道高406+345+60+94+94=999mm，圆整为1020mm。浇口杯为70，高为100mm。横浇道长为1300mm，内浇道高60mm。采用底注式浇注系统，两个内浇道设在最大热节处，能其到一定的补缩作用。浇注系统的具体设置见工艺图。7.3 工艺出品率的验算计算浇注系统体积V浇：V直=r直2h=4721020=7074985.2 mm3V横=r横2h=4721300=9017138 mm3V内=4r内2h=427.5260=569910 mm3图7-2 浇口杯示意图由图7-2计算浇口杯体积V杯=1/31172167-1/347267 =2392745.94-154909.807 mm3=2237836.1V浇=V直+V横+V内+V杯=18899869.3 mm3浇注金属液总体积V液=Vm+V型+V浇=507834878.9 mm3浇注金属液总质量m液=V液0=507834878.97.0=3727387360.210-3g=3554.8Kg工艺出品率=m铸/m液100%=65.0%，出品率比较理想。浇注时间= m液/q =3554.8/120=30s8 补缩距离的计算与冷铁的安放8.1 圆筒的补缩核算将机座两端的半圆筒拉直，计算其补缩距离L=D/2=345/2=541.7mm200mm孔处壁厚T1=(345-190)/2=77.5mm240mm孔处壁厚T2=(345-230)/2=57.5mm圆筒类似于杆件且没有末端区，补缩距离为20，分别为176.1mm和151.7mm，显然其补缩距离不够，所以需要安放冷铁。由铸造工艺表3-5-14可知铸钢件外冷铁的厚度=0.5T，1=38.75mm圆整为40m ，2=28.75mm圆整为30mm。共需安放158mm100mm40mm冷铁3块；135mm100mm40mm冷铁3块；118mm100mm40mm冷铁2块；106mm100mm40mm冷铁2块；158mm100mm30mm冷铁8块，具体安放位置见工艺图080510。这些冷铁安放在圆柱面上，接触面相应做成弧面。8.2 圆筒的支撑壁的补缩核算 较短的四个支撑壁长为253mm，壁厚为135mm，宽为345mm，且有一定的末端区。由中间实体部分补缩的距离足够。上方较长的5个支撑壁长为585mm，壁厚分别为95mm和135mm，同样有一定的末端区。并且冒口有一部分安放在支撑壁上，补缩通道畅通，不需要安放冷铁和加补贴。9 铸造工艺装备设计9.1 模板的设计 由于是手工两箱造型，采用上下两块模板造型。为了方便操作，模样及模底板的原材料选用东北红松。分模面取在模样的中间平面，它将模样两端的圆柱对称一分为二。模样用螺钉固定在模底板上。造型采用树脂自硬沙，不需要用到加热元件。冒口的尺寸较大，直接固定在模样上会影响到造型，局部部位型砂的充型紧实会存在很大的问题。而且采用的是砂冒口，需要放一定的斜度，导致的结果是起不了模。将冒口木模做成活块，造型到一定程度时，再将冒口木模安放在模样上完成造型。造型完成后，先将冒口木模取出再起模。浇注系统则是先用耐火砖预埋成型。见模板图080521，080522。 9.2 芯盒的设计砂芯采用树脂自硬砂手工制芯，芯盒原材料选用东北红松。1号砂芯和2号砂芯均为半圆柱芯，其长径比较大。其芯盒为纵向对称的两部分组成，采用螺栓紧固，定位销定位。填砂面为半圆柱芯的直径平面。见芯盒图080531，080532。3号芯盒也是由对称的两部分组成，同样采用螺栓紧固，定位销定位。制芯时芯头部分朝上，填砂面为芯头端面。取芯时，芯盒横放，支撑面为最大侧面。见芯盒图080533。 4号砂芯形状较为复杂，砂芯侧面面积最大，但不是平面，有一个面积较大的半圆凹面。而砂芯上端面有一个半圆柱面以支撑1号砂芯 。芯盒填砂面应为较大平面，上述砂芯面都不能做填砂面。10 总结端盖铸造工艺方案采用三箱手工造型，共一个砂芯，一箱一件生产也可一箱多件生产，本设计采用一箱一件生产。砂芯采用碱性酚醛树脂砂，砂型采用呋喃树脂自硬砂。铸件毛重3.3Kg。设一个个r=203mm，L=1.25D，斜度为1：50的腰圆冒口。其总体积为176451373mm3。冒口顶部撒保温剂，共计21Kg。冒口补缩效率为13.9%。安放158mm100mm40mm冷铁3块；135mm100mm40mm冷铁3块；118mm100mm40mm冷铁2块；106mm100mm40mm冷铁2块；158mm100mm30mm冷铁8块。选用包孔直径=70mm，平均浇注速度q=120Kg/s，浇包容量m=40t，包孔数n=1的浇包。采用漏包底注式浇注系统，设一个94mm，高1020mm的直浇道；一个94mm，长1300mm的单向横浇道；四个55mm，高60mm的内浇道和一个夹角为70。，高100mm的浇口杯。浇注金属液总体积为507834878.9 mm3，总质量为3554.8Kg。浇注时间约30s，铸件工艺出品率为65.0%。设计的铸造工艺装备有上下木质模板一套，木质芯盒四付。并绘制了相应的装配图。致谢三年大学生活的点点滴滴历历在目，给予我们最多帮助的是辛勤工作的各位老师。感谢各位老师的孜孜不倦的教育和无限的关怀。因为你们的陪伴，使我从无知走向了睿智，从稚嫩走向了成熟。三年的无私奉献，让我们接触了一个新的领域，学习了一门新的知识，掌握了一种新的生存本领。毕业设计是大学课堂的最后一课，也是对我们挑战最大的一课。对大学三年学习的最终检阅。在这几个月里，我遇到了很多麻烦，也学到了很多东西。感谢周老师的辛勤指导；感谢各位老师的无私培养；感谢各位同学的热情帮助。 参考文献1 王文清，李魁盛.铸造工艺学.北京：机械工业出版社，2002，102 刘瑞玲，范金辉.铸造实用数据速查手册.北京：机械工业出版社，2006.83 贾志宏，傅明喜.金属材料液态成型工艺.北京：化学工业出版社，2008.14 杜西灵，杜磊.钢铁耐磨铸件铸造技术.广州：广东科技出版社，2006.85 陆文华，李隆盛，黄良余等.铸造合金及其熔炼.北京：机械工业出版社，20026 中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册第4卷造型材料第2版.北京：机械工业出版社，20027 中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册第2卷铸钢第2 版. 北京：机械工业出版社，20038 中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册第5卷铸造工艺第2 版.北京：机械工业出版社，2003