MW汽轮发电机轴承座铸造工艺设计-材料专业本科论.doc

江苏科技大学本 科 毕 业 设 计（论文） 学 院 材料与冶金学院 专 业 材料成型及控制工程 学生姓名 刘 杨 班级学号 1045561215 指导教师 周 瑞 二零一四年六月江苏科技大学本科毕业论文100MW汽轮发电机轴承座铸造工艺设计Casting process design 100MW turbine generator bearing毕业设计（论文）题目：100MW汽轮发电机轴承座铸造工艺设计一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）1 提供条件：汽轮发电机轴承座零件图2 设计内容与要求:（1）熟悉汽轮发电机轴承座。（2）查阅相关技术资料，为设计做好前期准备。（3）根据样品及相关资料做出三维零件图。（4）提出工艺方案，并进行工艺设计。3 设计手段设计手段：查阅资料；设计二维零件图；提出并编写工艺方案；二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1.毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2.外文译文一篇（不少于5000英文单词，并附原文）；3.相关设计图纸。三、完成日期及进度自2014年3月5日起至2014年6月7日止进度安排：3.5 3.16文献检索与阅读；3.16 5.23设计与实验、提交开题报告和翻译文献；5.23 6.04撰写论文、提交论文；6.04 6.06论文评阅和修改；6.07答辩。四、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1 蒋毓良. 超超临界1000MW汽轮发电机轴承座的铸造质量控制J. 上海宏钢电站设备铸锻有限公司. 2002:2 王秀瑾. 百万千瓦级核电汽轮发电机轴承座刚度计算J. 上海发电设备成套设计研究院. 20123 南红艳. 灰铸铁轴承座的两种铸造工艺方案数值模拟对比与选定J. 河南理工大学材料科学与工程学院. 2012.114 廖琼. 轴承座铸造工艺方案研究及模拟J.天津重型装备工程研究有限公司. 20125 王文清，李魁盛等. 铸造工艺学(M). 北京：机械工业出版社. 2002.10:10-116 李弘英. 铸造工艺设计(M). 北京：机械工业出版社. 2005.2:1-37 沈红卫. 超临界900MW汽轮发电机轴承座铸件的铸造J.上海汽轮机有限公司. 2003.98 许济群，蒋磊，叶青等. 16V240ZB型柴油机铸钢主轴承座铸造工艺J. 19949 冯景兰，付龙. 大型铸钢件缩松改进实践J. 宁夏机械. 2009，4：91-949 林工. 树脂砂铸造工艺. 树脂砂、V法、消失模造型线及单机J. 2011，1010 李日，刘百成，李文珍. 温度梯度对致密厚壁铸钢件工艺设计的重要性J. 机械科学与技术. 2004：92-9611 杜西灵等. 铸造技术与应用案例. 机械工业出版社M. 2009:1-512 王文清等.铸造工艺学. 机械工业出版社M. 2009:83-9013 郭林. 凝固模拟技术在轴承座铸造中的应用J. 济钢集团重工机械有限公司 201114 蒋志龙, 李全勇, 樊志勇. 汽轮发电机轴瓦倾斜故障分析J. 中国设备工程. 2013:38-39.15 张建国. 390MW 燃汽轮发电机轴瓦制造工艺J. 上海大中型电机. 2006.4:9.系(教研室)主任： （签章） 年 月 日 学院主管领导： （签章） 年 月 日摘要全球经济在飞速发展的热潮中，现代对汽轮发电机的需求越来越高。汽轮发电机是指用汽轮机驱动的发电的机器，是一种将机械能转化成电能的机器，这项工作由蒸汽投入机器中扩张做功，让叶片转动从而推动产生电。汽轮发电机一般是由定子、转子及轴承座等部件构成，所以轴承座的铸造是制造汽轮发电机的重要工艺流程。而合适的汽轮发电机轴承座的铸造工艺不仅能提高电机的性能，也能延长它的使用寿命。本文完成了对ZG230-450铸钢件铸造工艺设计，首先要先确定轴承座尺寸27001345945，浇注位置和分型面,采取一箱一件造型方式进行生产。包括浇注系统、砂芯的设计、工艺参数的确定。设计模样、芯盒和砂箱，设计砂芯的可行性方案,以及对浇注时候可能出现的缺陷进行分析,从而对铸件工艺进行优化。关键词:汽轮发电机轴承座；铸钢；铸造工艺设计AbstractThe rapid development of the global economy in the boom, the modern increasingly high demand for steam turbine generator. Turbo refers to a turbine driven power generating apparatus, a mechanical energy into electrical energy machine. By the steam into the turbine expansion work, so that the blades rotate prompting generators. Turbogenerator generally stator, rotor and bearing components such as constitution, it is an important bearing casting process manufacturing turbine generator. The turbo-generator housings suitable casting process can not only improve the performance of the motor, but also to extend its service life.This paper completed the determination of 100MW turbine generator bearing casting process design, including the selection of sub-surface systems and pouring sand core design, process parameters. Design looks like, core boxes and sand box, revealing the produce loose shrink, shrinkage causes the site and thus the casting process optimization.Keywords: turbine generator bearing;cast steel;casting process design目录第一章 绪论11.1 本课题的研究背景11.2 本课题研究发展现状11.3 本课题的研究目的与意义11.4 铸造概述11.5 铸造的特点21.6 铸造方法的分类21.7 铸造工艺设计的原则31.8 确定浇注位置的一般原则41.9 分型面的选择原则41.10 铸造工艺设计的内容和步骤51.10.1 本课题研究的内容51.10.2 本课题设计的步骤5第二章 轴承座工艺性分析72.1 汽轮发电机轴承座72.2 轴承座铸造方法的选定72.3 轴承座铸造材料72.4 轴承座工艺分析92.5 加工面选择9第三章 工艺方案的确定103.1 浇注位置的选择103.2 分型面选择103.3 砂箱尺寸确定11第四章 轴承座铸造工艺参数124.1 铸件的尺寸公差124.2 铸件最小铸出壁厚124.3 机械加工余量134.4 铸造收缩率154.5 起模斜度164.6 工艺补正量174.7 反变形量17第五章 砂芯的设计185.1 砂芯的分类185.2 砂芯的材料选择185.3 砂芯的设计原则185.4 芯头的设计185.5 芯骨设计205.6 砂芯的定位结构205.7 砂芯的排气20第六章 浇注系统的设计226.1 浇注系统选择226.2 浇注系统的设计原则226.3 浇注系统设计重点226.4 浇注系统组成226.4.1 浇口杯226.4.2 浇口窝236.4.4 横浇道236.4.5 内浇道236.5 确定浇道数量及内浇道位置246.6 开放式浇注系统浇口比246.8 浇注时间的确定246.9 各组元的截面积256.10 直浇道窝尺寸设计286.11 最小压力头的校核296.12 冒口设计296.13 出气孔设计306.14 冷铁设计30结论32致谢33参考文献34第一章 绪论1.1 本课题的研究背景随着世界各国经济发展迅速的趋势，人类对于电能的运用和需求也就显得尤为重要。电能是我们生活的必要资源，它其实是容易获得、干净和经济的动力是国民经济发扬的因素。近几年，经济持续快速增长，与此同时，我国的经济发展与资源利用的矛盾日益突出。而很多的城市持续加深发电高效行使和广泛管制。1.2 本课题研究发展现状目前我国主要的发电方式是火力发电，火力发电按照它的作用可以分为两大类：供电和供热。顾名思义，原动机就是提供动力，汽轮机作为火力发电的三大重要的原动机之一，为我国的火电行业提供了有力地保障。所以在我国庞大电力市场，发电技艺必须持续的提升，就能让相关设备更有效快速发展。铸造工艺生产出的零件毛坯已经大致的成性，只需进行简单的精加工即可，从而简化了工序，价格也降低了。所以说汽轮发电机轴承座的各种性能与铸造工艺密不可分。1.3 本课题的研究目的与意义轴承座目的是能让它的外圈固定，只使内圈旋转，一直与传输方向一样，并且还能够保持平衡状态。这就表明轴承座是机器正常工作的重要影响因素。轴承座的主要应用于工农业，另外也应用于交通业、航空航天业等，足以证明轴承座在现代各行各业中的重要作用。轴承座的概念就是轴承与箱体的集合体，方便运用，这样的好处是可以有更好的配合，更便捷有效，减少企业的使用成本。至于轴承座外形，大多数有一个箱体，轴承就是安装在里面，但是本课题设计的是多箱体。轴承主要分为：分离轴承、外球面轴承、法兰轴承、滑动轴承、滚动轴承等，他们也都有其相应的轴承座。本毕业设计的题目是：100MW汽轮发电机轴承座的铸造工艺设计。可以通过阅读书籍资料，依据轴承使用机能剖析决定浇注位置、分型面的选取要领、工艺参数、砂芯设计等进行研究。1.4 铸造概述铸造工艺是机器生产的根蒂而且很紧要的的方式。铸造的工艺方法有着悠久的历史，其中我国就有很丰富的铸造经验。随着现代工业的规模不断扩大，大型铸件的铸造质量很大程度上影响着出厂产品内部的核心质量，因此，铸造在工业制造中占起着举足轻重的地位。由于现代工业对铸造质量、精确度、成本和自动化要求的提高，铸造工艺正在向着精确化、质量体系化、自动化和环保化的方向迈进。铸造是将通过熔化的金属液体浇注入型腔内，然后冷却凝固后达到预定的形状和性能产品的制作过程。它是很实用的生产方式，在低价格、方法比较灵便的特征下，可以获得各类繁杂外形或者大型铸件，所以这样有有优势的特性，较为准确的优点，美观的外表已经成为成为铸件的发展趋势。所以，目前多数轴承座就是运用铸造方式获得。1.5 铸造的特点铸造生产是将液态金属注入型腔中，经降温、固态成型，这类生产金属方法叫做铸造。铸造生产具有以下特点：（1）适用性强：铸造工艺一般对零件的大尺寸、重量、材料型号（厚度）、和复杂性没有太多要求，所以说它的适用性强。很复杂的铸件都可以铸造出来。（2）适用的范围广：像铸铁、铸钢还有很多种类的材料都可以使用铸造进行生产。（3）铸件的尺寸精度高：铸件的尺寸一般要比锻件、焊接件的更加精确，这样产生的废料就会很少，可以有效地节约金属材料和机械加工的时间。1.6 铸造方法的分类（1）砂型铸造砂型铸造是一种很普遍的铸造方法。铸钢件、铸铁件等都可以通过这种方法生产。砂型铸造能够适应大、中、小批量的生产特点，而且操作简单。因此，砂型铸造一直是铸造生产中的主要铸造方法。所以砂型铸造可以作为本课题轴承座设计的备选铸造方法。（2）金属型铸造金属型不仅能采取重力铸造，还能利用压力铸造。金属型的铸型模具能够循环使用，使用寿命长，生产效率很高。金属型的铸件优点是不仅尺寸精度高。但是，金属型铸造也是有缺陷的：因为此铸件材料的熔点很高，所以一般不被选用。对于小批量生产加工的话，金属型的模具价格很高；而且金属型铸造的模具受材料尺寸等条件的限制，对于大的铸件无法加工。几乎不用金属型铸造生产大量同批产品。所以本课题研究的轴承座不会采用这种方式。（3）压力铸造压铸是当今效能最高的铸造方法。它有热室和冷室的两种。长处：（1）它的自动化水准较高，原料损耗少。（2）它的机器加工余量放的小一点，0.5毫米上下就行，一方面可以减少生产成本，也可以避免破坏表面致密层。弊端：（1）受到加工工具耐热性的影响，现在唯独可在熔点低一点的原料上生产。（2）铸造熔融金属在高速灌装的状态下，在一个很大压力下成型，所以腔中的气体容易涂抹在铸件的内部出现孔隙。基于以上分析压力铸造不能用于生产本课题设计的轴承座铸造方法。（4）熔模铸造我国将熔模铸造应用于工农业生产，取得极大的发展。熔模铸造是一种几乎没有切削加工余量的铸造方法，甚至有时一些铸件只需要留有很少的打磨、抛光余量，不需要再进行机械加工，因而得到了非常广泛的应用。优点在于它不仅能够适用于各种材料的铸造，而且生产出的铸件尺寸精度比其它铸造方法都要高，甚至可以生产很多结构非常复杂的和耐热性强的铸件。熔模铸造铸件粗糙度至少有Ra0.631.25um，比其他1-3点方法的高。可是因为它的工艺进程繁杂，很多情况破坏铸件尺寸精度。比如收缩性、变形等原因。汽轮发电机轴承座的精度要求高，铸造过程中不允许有变形，所以不采用熔模铸造方法。所以选用砂型铸造设计此轴承座。1.7 铸造工艺设计的原则随着科技进步，我们对铸件的质量也在提高：（1）表面粗糙度要低，性能要好；（2）还要拥有一些特殊的机能，像耐腐、耐热性；（3）铸件要有合适的厚度，这样可以防止浇不到、冷隔等缺陷，但也不能设计的太厚；（4）设计时注意铸件的结构特点，不能造成较大的收缩阻碍，多用一些圆角来解决此问题；（5）铸件的内壁要比外壁薄一些，目的就是都能均匀的冷却；（6）避免各种情况的变形；（7）设计注意达到按顺序凝固；（8）要求生产工时少，成本也不能很高。因此，铸件在生产之前，铸造工艺设计很有必要。此次设计便是凭借此轴承座图纸的规格尺寸特征，以及工艺流程规定，采取有优势的方案，进而确定一些参数，制作工艺等技术文件的过程。1.8 确定浇注位置的一般原则（1）铸造时下面和侧面一般放置零件工作面，避免各种缺陷；（2）浇注位置应有利于所确定的凝固顺序，对于凝固体收缩率较大的铸造合金，应尽量满足顺序凝固原则，铸件厚实部分应尽可能至于上方，利于设置冒口补缩；（3）浇注位置应有利于砂芯的定位、固定和排气；（4）平面要放在下部或倾斜位置，用来避免各种缺陷。有时为了方便造型，可采用“横做立浇”、“平做立浇”的方法；（5）铸件的薄壁部分应置于铸件的底部或侧面，以防浇不到、冷隔等缺陷；（6）大批量生产时尽量减少飞翅和毛刺；（7）要避免厚实铸件冒口下面的受力面产生偏析；（8）尽量使冒口置于加工面上，以减少铸件清理工作量。1.9 分型面的选择原则铸件分型面的选择一般要遵循以下原则：（1）尽量将铸件的全部或大部分放在同一箱内，以减少错型和不便于验型而造成的尺寸偏差；（2）尽量将加工定位面和主要加工面放在同一箱内，以减少加工定位的尺寸偏差；（3）尽量减少分型面数量，在机器造型中一般采用一个分型面；（4）在机器造型中，应尽量不使用活块，必要时用砂芯取代模样拆活；（5）尽量减少砂芯数量；（6）尽量使分型面为平面，必要时也可不做成平面；（7）为了方便起模，分型面应在铸件的最大截面处，对于较高的铸件，尽量使铸件在一箱内不过高；（8）在大量生产时，分型面的选择应有利于铸件的清除；（9）选择分型面应考虑到造型方法的不同。1.10 铸造工艺设计的内容和步骤1.10.1 本课题研究的内容（1）绘制100MW汽轮发电机轴承座铸件零件图。（2）设计确定铸造工艺方案。（3）了解轴承座的铸件结构和技术特点；（4）CAD和SolidWorks绘图。（5）浇注系统，分型面选择工艺参数，分析设计过程；（6）改善产品缺陷，达到优化设计的目的；（7）根据铸造工艺方案作出设计说明。1.10.2 本课题设计的步骤（1）确定合理的铸造工艺顾名思义，一个好的铸造工艺方案不仅提高生产效率，而且很大程度上提高产品质量。有许多铸造型，选取合理的工艺是产品质量的前提；主要依据有轴承座材料的选择、结构的设计与技术要求也很重要。以及生产批量的大小，在现有的条件下生产的铸造工艺条件的选择，最主要的设计就是这种浇注位置、分型面选择等适不适合100MW汽轮发电机轴承座的生产，从而确定铸造工艺方案。（2）铸造工艺参数的设计计算铸造工艺参数有着很重要的功用，这个步骤主要包括（1）铸件最小铸出壁厚；（2）铸件最小铸出孔与槽；（3）铸件尺寸公差；（4）机械加工余量；（5）铸造收缩率；（6）起模斜度；（7）浇注系统的形式和位置；（8）工艺补正量及反变形量；（9）浇冒口的切割余量等。（3）砂芯的设计砂芯设计满足强度高，铸件形成可以及时的排出气体，铸件的收缩性的要求是足够小，易于清洗。任务主要是砂芯尺寸、定位个数、芯头大小、砂芯排气系统等。（4）浇注系统设计浇注系统是熔融金属填充到型腔模具的路径。由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成的它。虽然类型很多，不过设计它们的目的和依据都一样：保证熔融金属能够均匀、连续的、稳定的进入型腔，并能够有效地阻止熔渣和气体进入。要求说明浇道类型及其各种参数。（5）出气孔设计排气通常是放在浇注位置法兰或简单的空气阻力对表面的最高点。它按照能否与空气接触，可以分成明和暗出。（6）补缩系统设计铸件从液态变为固态时候，会发生收缩。导致容易在铸件的内部产生缩孔等缺陷。补缩系统就是可以在金属液凝固前给其填补液体，这需要冒口合理。（7）铸造工艺装备设计铸造工装就是在做合箱时要用到的所有工具的总称。要求造价不高、容易获得。第二章 轴承座工艺性分析2.1 汽轮发电机轴承座图2-1 发电机轴承座立体图2.2 轴承座铸造方法的选定轴承座生产特点是大批量生产，材料选取ZG230-450，汽轮发电机轴承座主要生产要求比较高，不能受到铸造中经常出现的各类缺陷的影响，并且要能符合ZG230-450的材料规定。现代经常利用而且很容易操作的方法就是砂型铸造。它可以用于生产尺寸相对大一些的零件，而且生产必备的砂子等其他用料价格便宜。另外，生产操作的方式比其它几种铸造方法简便点，能够适应批量生产的能力。100MW汽轮发电机轴承座的质量约为7吨，尺寸较为庞大，基于以上观点，我选用砂型铸造。此轴承座尺寸为：是大型铸钢件，且是关键性零部件，要求高标准的尺寸精度，所以铸造过程中必须排除一切变形因素，例如砂芯的变形、膨胀变形、碰伤等。呋喃树脂砂强度很高，热稳定性好；无需烘干节约了能源成本；而且砂芯固化后就起模，减少振动和碰伤，恰恰可以排除上述的各种变形因素；另外呋喃树脂砂生产的产品规格精确度要有所改善；呋喃树脂砂的流动性很好，无需再去紧实，所以说它的造型效率较高；故我选用砂型铸造，呋喃树脂砂。2.3 轴承座铸造材料本课题所给的零件是100MW汽轮发电机轴承座部分。轴承是它与外壳的集合，为了方便操作，优点是便捷，是轴承座达到作用的重要部分。轴承座能够保持平衡状态依靠固定的轴承，轴承的外环不能动达到此目的。所以我们一般考虑的是轴承座的抗振动与抗冲击能力、导热系数、耐磨损能力、耐热与防腐能力等。基于轴承座以上的性能要求，我们通常选择铸造方法生产轴承座，材料一般从铸钢、铸铁、不锈钢等材料中选择。一般普通的轴承座选用的是铸铁材料，虽然铸铁的价格相对要低一些，但是它生产出铸件的各种性能和耐用性不是很高；不锈钢轴承座一般用于酸碱度较强的海水里，不易失灵。而铸钢的力学、化学性能更好，因此使用寿命更长，耐用性能好，铸钢的优点：设计具有灵活性，节约时间；拥有比较好的实用性和灵活性；可以适应大批量大型生产。综上所述，以及查资料知道：铸钢件的综合力学性能都胜过其他任何铸造合金，其中ZG230-450对夹杂物的限制要求较为严格，230指的是这种铸钢件的屈服强度为230MPa，450指的是这种材质的抗拉强度为450MPa。化学成分：0.20%0.30%C；0.20%0.50%Si;0.50%0.90%Mn；0.04%P、S；0.03%Cu。表2-1 ZG230-450疲劳值-1/MPa-Jav/MPa-1rms/MPaEmax/MPa202.47,198.97,208.70210.59,203.21,208.52207.50,212.24206.524.52660.4772铸钢的铸态组织如图2-2所示图2-2 铸钢铸态组织碳钢的铸态组织：(1)细等轴晶区（2）柱状晶区（3）粗晶区液态钢在凝固的时候，在其断面上的奥氏体会沿着这个断面温度方向长成不同形状的晶粒。这三个晶区的厚度将会随着材料的不同及冷却的条件不同而发生改变。铸件的降温速度随着厚度的增大而减小，所以其柱状、粗晶区就更发达。ZG230-450的塑性不错，有高熔点，被切削性也不错，可以直接在机器上生产不需要热处理。2.4 轴承座工艺分析该零件外形规格是13452700毫米。外观上它是对称排布。零件的底部有空腔，中间位置是肋。另外两侧2个对称的190毫米凸台，前侧有一个高25毫米凸台，凸台两侧对称分布着2个宽度是100毫米筋。工艺分析：（1）此轴承座各部分的尺寸相对较大，因此不存在低于最小壁厚的问题；（2）很多壁厚的地方都有不同大小的圆角避免掉应力集中导致的裂纹；（3）轴承座底部比较厚，而且尺寸大，存在热节，要考虑到补缩问题，避免变形。2.5 加工面选择因为我们都知道铸件做容易出现缺陷的地方就是朝上的面，四周和下表面就比较平整，所以我选择的加工面就是朝上的面，这样还一个好处就是避免凹陷。如图2-3图2-3 加工面第三章 工艺方案的确定3.1 浇注位置的选择首先，此轴承座规格很大，精确度必须提高。其次，要避免各种缺陷，得到高质量铸件，而且浇注的位置要能够达到顺序凝固。因此，设计在底座比较厚的位置。底座在上的浇注方法。从底到上凝固，让工作面处得以充分补缩。综上考虑，浇注位置选取如图3-1所示。图3-1 浇注位置选择3.2 分型面选择方案如图3-2所示。图3-2 分型面选择方案分析：采取此方案，铸件在箱里就不会太高。底部较厚的位置，浇注时间比较长，为了有助补缩，采取顶注式浇注。另外，该轴承座尺寸较大：2700mm1345mm945mm，质量也很大，将近7吨，内部结构也很复杂，所以采用一箱一件。3.3 砂箱尺寸确定砂箱长度和宽度应该是50或100mm的倍数，高度应该是20或50mm的倍数。图3-3 模样平均轮廓吃砂量表3-1 模样平均轮廓吃砂量模样平均轮廓尺寸ab和cd滑脱砂箱4002030501/2模样高度30504070400700507070901/2-3/2模样高度701100071100911201001200010115012115020013000151200151200300140002012502012504000251500250选取砂箱尺寸为：上箱32001800650mm；下箱：320018001000mm。第四章 轴承座铸造工艺参数工艺参数的定义是拟定基本规格索引在生产之前，获得的所有数据对生产做出明确限制，达到按照指导标准生产的效果。4.1 铸件的尺寸公差就是说的2组可变动的公称数值的最大和最小差值。如果产品的最后实际尺寸位于2个差值之间,那么就可以获得满足机械化、使用性能的零件。现有CT116级的尺寸公差，如表4-1及4-2所示。表4-1 公差等级造型方式公差的等级铸件材料灰铸铁铸钢球墨铸铁铜合金砂型铸造手工造型1114111410131013砂型铸造机械造型812812812810选用机械造型，铸钢材料，8-12级，故选用CT12。表4-2 铸件尺寸公差数值铸件基本尺寸公差等级CT89101112100016003.24.67913160025003.85.481015250040004.46.291217又由表可知尺寸公差选取17mm。4.2 铸件最小铸出壁厚因为流动性的液态金，如不加以规定，就不会消除冷隔与其他的铸造弊端，所以要规定适当增大一些厚度。砂型铸钢的最小壁厚理论上在轮廓尺寸大于500500时是15-20,从零件图可知，此轴承座的最小壁厚为60mm。只要考虑其内、外壁厚度差。减小幅度如表4-3所示。表4-3 内壁比外壁减小百分比合金类型铸钢铸铁铸铝铸铜内壁比外壁厚度应减小的相对值（%）2030102010201520另外还要考虑它的最小铸出孔。我们都知道通常情况下铸造可以得到相似于最终产品形状、尺寸、性能的毛坯件，再经过机械精加工精确的达到产品要求，所以为了节省精加工时间提高效率，图纸上的大一些的孔要通过铸造同时铸出；孔与铸件壁厚处不能铸出，因为这些位置机加工反而更方便、准确。另外铸钢件的最小铸出孔还与孔深H有关系，那么铸钢件的最小可以铸出孔尺寸如表格4-4所示。表4-4 最小铸出孔壁厚孔深H孔壁厚度252650517576100101150151200201300300铸出孔的最小直径d1006060708010012014016010120060708090120140160190201400809010011014017019023040160010011012014017020023027060110001201301501702002302703001000140160170200230260300330从零件图上可以看出有2个通孔最小壁厚为125+75=200mm，查表4得出最小铸出孔直径为120mm，而在零件图中可以看到这两个孔直径为250mm，所以这2个贯穿通孔可以铸出。4.3 机械加工余量通常我们留有加工余量是有据可查的，不能过大，因为金属表面致密，耐磨耐腐性能较好，如果机械加工余量过大这些性能就会受到影响。因为机械造型比手工造型误差小，所以留有的机械加工余量稍小一些。我们应该根据产品的尺寸规格选取这种产品的加工余值。（要求的铸件加工余量分为AK这十个级别。每个级别、最大规格对应一个加工余值）。等级选取查表4-5。表4-5 加工余量级别方法要求的机械加工余量等级铸件材料铸钢灰铸铁球墨铸铁铜合金砂型铸造手工造型G-KF-HF-HF-H图4-1 机械加工余量示意图（1）图4-2 机械加工余量示意图（2）图4-3 机械加工余量示意图（3）4.4 铸造收缩率它使用模样与铸件尺寸的差值除以模样的长度。从而得到得值即为铸造收缩率：（4-1）铸造收缩率发电机轴承座的精度要求比较高，必须选择适合的铸造收缩率，依据就是此轴承座的主要尺寸以及加工余量，如表4-6所示。表4-6铸造收缩率受阻收缩自由收缩铸钢碳钢、低合金结构钢1.51.71.72.0奥氏体、铁素体钢1.51.91.82.3纯奥氏体钢1.72.02.02.4其中，受阻收缩和自由收缩统称收缩率。ZG230-450属于低碳钢，故受阻收缩为：1.51.7，自由收缩为：1.62.2。因为此轴承座本身结构很复杂，选取的收缩为受阻收缩，所以选取收缩率1.5%。4.5 起模斜度它就是在造型时，为了更便捷的起模或者掏出砂芯，可以设计一个分型面渐渐增加的斜率模式和芯盒垂直分型的面。而我们设计这样一个斜度的大小取决因素有很多，例如造型的材料及方法、用于起模的高度、制造精度、表面粗糙度等。(1)提高铸件壁厚（非加工表面壁厚小于5mm）(2)增添或缩小铸件壁厚（非加工表面壁厚为510mm）(3)缩小铸件壁厚（非加工表面壁厚大于10mm）图4-4 起模斜度选择比照表4-7 铸造起模斜度测量面高度/mm金属、塑料模样木模样a/mma/mm103000.64000.810401501.42051.6401000501.60551.61001600351.60402.01602500302.20352.62504000303.60354.24006300254.60305.663010000205.80257.41000160002511.61600250002518.22500025由表4-7所示，由于该铸件采用的是金属性制芯，所以起模斜度：A面高度295mm，自硬砂造型，起模斜度=030，a=3.6mm。B面高度75mm，自硬砂造型，起模斜度=050，a=1.6mm。C面高度290mm，自硬砂造型，起模斜度为=030，a=3.6mm。4.6 工艺补正量前面已经说过呋喃树脂砂可以防止大部分的变形因素，但是此轴承座的精确度要求极高，所以我选择在铸件局部位置处的非加工面增加金属层厚度。表4-8 工艺正补量被补面间距L工艺补正量A铸铁件铸钢件100121.52.51011601.52.523161250232.53.52514002.53.534401650343.54.565110003.54.545高度为945处，查表4-8可知铸钢件生产的工艺补正量约为4mm，1345mm处约为5mm，2700处约为9mm。另外，树脂砂批量生产的应该通过试生产进行调整。4.7 反变形量铸造过程中出现变形的因素很多，所以可以再变形的相反方向上设计出反变形量，使铸件冷却凝固时变形时相互抵消。就是做出反向变形弧线在模样上。留有的量值如表4-9所示。表4-9 反变形量铸件类型、尺寸每1米铸件长度留有的反变形量/mm床身长度小于5m1.02.0床身长度大于5m1.52.5因为此轴承座的长度为2.7m。所以反变形量约为5mm。第五章 砂芯的设计5.1 砂芯的分类砂芯设计主要包含芯头设计、砂芯排气设计。型芯大多数是干态的，它用在砂型铸造中，可以确保铸件品质。根据型芯所选用粘结剂的不同，可将型芯分成湿型、干型、表干型、自硬砂型。5.2 砂芯的材料选择材料选择：因为呋喃树脂砂的性能好，而且无毒，一般用来循环使用；铸件的尺寸精度相对高一点；报废率也较低。所以本课题选用呋喃树脂砂作为本铸件的砂芯材料。5.3 砂芯的设计原则(1)保证尺寸精确度；(2)尽可能的让砂芯的分盒面与分型面保持一致的位置上；(3)如果铸件尺寸大可以分成多个小砂芯；(4)尽量使烘干的支撑面为平面。(5)若要对应砂型至少2个分型面的要求，就可以利用多箱造型。砂箱具有造型、定位和合箱的作用，足够的强度和刚度、保障要求的加工精确度。5.4 芯头的设计砂芯在砂型中主要是靠芯头来固定。它的原理就是让砂芯精确定位于铸型里面。另外，芯头上的作用力主要来自砂芯自身的重力和浇注时候液态金属的浮力。所以芯头要有足够尺寸，通常是15到150mm。观察此铸件，它的砂芯要与砂箱配合。所以，没必要用芯头定位。图5-1 上砂箱（左）和下砂箱（右）由上图可知我选择的此轴承座零件的砂芯是水平的。要利于砂芯定位，确保准确度，上砂箱做了凹槽。图5-2 砂芯（上）图5-3 四个砂芯（下）5.5 芯骨设计为了铸件生产和运输中不容易破坏，砂芯要具有足够的刚度和强度。此铸件由于设计的砂芯较多，所以需要用芯骨来满足强度和刚度要求。型钢焊接的芯骨一般用于大型砂芯。可反复使用。5.6 砂芯的定位结构砂芯务必精确定位，不能让它滚动或者绕芯头旋转。有些形状并不对称的砂芯，就需要做出定位芯头。芯头高度一般为15mm到150mm之间选取，下芯头要稍微的增大一点，这样可以使砂芯更加垂直稳定。芯头斜度一般为5到10，芯头间隙的选择要考虑到我选用的是机械造型，间隙选取0.5mm。5.7 砂芯的排气砂芯在高温环境中，会有很多的气体。所以为了避免气孔，要设计出气孔来排气。此轴承座铸件重量大，体积也大，生产时候会有大量的气体产生，所以要设计几个出气孔来排气。有前面设计的工艺参数可以绘制出轴承座的铸件图,如图5-4所示。图5-4 铸件图第六章 浇注系统的设计铸型里的金属液进入型腔中的通道的总称称为浇注系统。主要作用是导流同时把型腔和浇包连接在一起，并能够平稳的进入金属液，并且具备阻渣、排气、调整充型速度、调节铸件温度。6.1 浇注系统选择根据凝固顺序是自下到上和热节大的特征，采用开放式、顶注式浇注系统。6.2 浇注系统的设计原则(1)能够使液态金属稳定的转型，不对型壁以及型芯造成冲压，不产生喷溅，不让气体进入，并能够使设计出的浇注系统排出型腔内的气体排出腔外；(2)尽量控制夹杂物的进入；(3)可以有效的调节铸型和铸件的温度差值，并能够调整铸件凝固的顺序；(4)降低铸件的形变几率和开裂的倾向；(5)能够达到一定的补缩能力；(6)控制浇注速度从而达到控制浇注时间；(7)努力设计的具有实用性，占地尽量的少，就能降低冒口的占用空间率，既达到省料的效果，又不占空间。方便了造型和浇注系统的模样制作。6.3 浇注系统设计重点(1)便于型腔内的气体排出腔外。调节各内浇道截面分布，保证气体能够按照固定的方向排出；(2)阻挡夹杂物进入型腔。尽量采取过滤片浇注系统去渣，简化浇注系统设计；(3)控制铸型及铸件各位置温度差值，调节铸件的凝固顺序。合理的设计多个内浇道进液态钢。6.4 浇注系统组成6.4.1 浇口杯浇口杯的作用有防止液态金属的飞溅和溢流，减轻金属液对型腔的冲压力，分离出渣和气体，并能使它们进入型腔。浇口杯按其形状分类有漏斗形和盆形，漏斗形的浇口杯挡渣的效果较差一些，容易形成涡流，不过它的设计简单，常用于尺寸较小的铸件的生产；浇口杯盆形有助于渣与气体的隔离，同时设计闸门和堤坝，排气效果最好。另外，液态金属的深度比直浇道的上端直径的5倍多，即H/D5，或者使浇包离浇口杯近一些可以防止乱流，可以消除漩涡。6.4.2 浇口窝由于液态金属流动过程中对直浇道有一定的冲击力，并产生涡流、乱流，造成冲砂、渣孔和很多的夹杂物带来缺陷，而设置浇口窝就可以有效改善这种情况。本课题研究的轴承座是大件生产，所以我们采用耐火材料制作直浇道窝。形状主要是半球形、圆锥形等。6.4.4 横浇道横浇道主要功能是从浇口注入通道的液体金属，流经流道的时候也可以提高液态金属于模具中的热平衡。横浇道的设计原则：（1）横浇道的横截面积要足够的大，横浇道在由直浇道朝着内浇道的方向上横截面积要渐渐的减小，尽量笔直，这样可以使金属液平稳的流动；（2）横浇道的横截面积要大于内浇道的；（3）横浇道要足够的厚、长，长度至少是其高度的4倍；（4）液态金属流经横浇道的时候尽可能的减少损失热量；6.4.5 内浇道内浇道的设计原则(1)因为100MW汽轮发电机的轴承座结构较为复杂，依照从厚壁地方流进，根据一起冷却的方法选取若干内浇道充型，有利于补缩；(2)内浇道的长度与横浇道和型腔之间的距离有关系，因为存在补缩和温度的损失，不宜过长；(3)尽量使各内浇道的流量均匀合理的排布；（4)设计时使金属液顺壁引流，减少对型壁、型芯的冲刷；（5）尽量不要接近重要部位，避免晶粒粗大。（6）方便造型、清理，不能阻碍铸件的收缩。6.5 确定浇道数量及内浇道位置此汽轮发电机轴承座尺寸较大，结构复杂，所以采用一箱一件式。设计1个直浇道和横浇道，内浇道是3个。内浇道设置在上砂箱中与铸件底部接触的水平位置。6.6 开放式浇注系统浇口比:：=1：2：（1.82）:（2:2.5）（6-1）Aco：控流截面积，As：直浇道截面积Aru：横浇道截面积，Ag：内浇道截面积6.7 凝固顺序铸钢件顺序凝固，先凝固的是离冒口远的位置，然后是接近冒口的位置逐渐凝固，最后冒口位置凝固。6.8 浇注时间的确定因为我选用的是开放式的浇注系统,包孔的横截面积就是控制流动的面积,以控制塞杆的打开程度来调节流动速度,达到控制浇注时间的目的，然后用液态钢的上升速度来验证运算结果是否正确。浇注时候液态钢的流量基本上由包孔的直径决定，包孔的大小要适合浇注系统的设计，所以选择包孔直径为80mm。（1）能否获得高质量的铸钢件主要取决于钢液在型腔内的上升速度，一般大型铸钢件的上升速度不能大于30mm/s。（2）浇筑时间t：（6-2）t是浇注时间（s）；G是浇注液态钢的质量（kg）；N是浇包数量；n是每个漏包的注孔数量；q是平均的浇注速度（单位：kg/s），可从表6-1查得。表6-1浇注速度注孔直径/mm303540455055607080100流量速度q/kgs10202742557290120150195初步预定浇注速度为180kg/s，注孔直径80mm。G=7013，N=2；n=1；q选取180kg/s，另外考虑到出品率约为55%，所以浇注速度还要乘以次比例；L=1.06。计算得出t=37.5s。现在可以根据液态钢在型腔里的速度验证是否正确，由公式t=C/v；C是铸件在腔内高度（mm），v是液态钢在型内的允许范围内最小值（mm/s）。v=945/37.5=25.2mm/s，其中v值可在表6-2中查得。表6-2最小允许上升速度铸件质量Gc/t55151535356565100100铸件结构最小允许上升的速度v/mm复杂结构252016141210中等复杂2015121098简单结构15108876由图纸可知此轴承座的重量约为7t，它属于复杂结构，所以v=20mm/s。验证可知浇注时间符合要求。由此确定浇注孔直径80mm符合要求。6.9 各组元的截面积表6-3 按注孔直径确定各组元的截面积注孔直径d/mm直浇道的最小直径d1/mm横浇道直径d2/mm内浇道直径d3/mm单向双向406080100每层内浇道数量/个4560604031-50808060321-55808060421-6010010060521-701001008063218012012080842110014014010013632已知注孔直径为80mm，横浇道采用的是单向横浇道，内浇道个数选为3个。则注孔截面积为50.3cm2，选直浇道最小直径为120mm，单向横浇道最小直径为120mm，内浇道最小直径为60mm。表6-4 横浇道的截面尺寸由表6-3确定横浇道的截面尺寸，如图6-1所示：图6-1 横浇道截面尺寸由表6-3确定内浇道的截面尺寸，如图6-2所示：图6-2 内浇道截面尺寸直浇道的最小直径是120mm，选取直浇道高度是300mm，锥度是1/20，直浇道的截面尺寸如图6-3所示：图6-3 直浇道截面尺寸6.10 直浇道窝尺寸设计直浇道窝的用途：（1）缓冲作用，液流下落的动能相当大部分被窝内液体吸收转变为压力能，再由压力能转化为水平速度流向横浇道；（2）缩短高度紊流区；（3）改善内浇道的流量分布；（4）减少局部阻力系数和水头损失；（5）浮出金属液中的气泡。直浇道窝的浇口直径为直浇道下端直径的1.42倍，高度为横浇道高度的两倍。直浇道窝的界面尺寸如图6-4所示：图6-4 直浇道窝截面尺寸6.11 最小压力头的校核一般直浇道高度和上砂箱高度相等，另外要检验此高度能不能满足：（6-3）HM：最小剩余压力；L：直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离；：压力角。HM1400*tg=240mm。实际静压头高度取300mm，满足压力角要求，所以此高度满足要求。6.12 冒口设计由于大型铸钢件的钢液浇注量大，体收缩大，钢液的液态冷却收缩量及其需要补缩的量也相应较大，所以冒口系统应当优先选用补缩力强的顶冒口、加工艺补贴的压边冒口及保温冒口相结合的形式为宜。铸件中缩孔所在的位置是在铸件最后凝固的部位。铸件内的各个部分凝固时间是不同的，其取决于体积与表面积的比值，被称为凝固模数。（6-4）V：铸件体积（cm3）；A：铸件传热表面积（cm2）任意板都是由任意多的小方块组成，其模数为：（6-5）该铸件底部两侧厚实部分是最后凝固部位，可以视为截面为305mm2651345mm的长方体，其模数为7.68cm，经过修正取冒口模数为9.64cm。采用型标准圆柱形冒口，其截面尺寸如图6-5所示。图6-5 明冒口截面尺寸该铸件顶部两侧的厚实部位因为比较厚实，在工艺设计时，在两侧需要添加暗冒口以保证补缩，防止缺陷的形成。可以将该部位视为260220500mm的长方体，其模数为4.81cm，经过修正，取暗冒口模数为5.81cm。采用标准圆柱形暗冒口。其截面尺寸如图6-6所示。图6-6 暗冒口截面尺寸6.13 出气孔设计直接出气孔截面积尺寸不宜过大，其底部尺寸一般等于铸件壁厚处的1/2-3/4，出气孔尺寸要大些，大型铸件截面尺寸为14-25mm左右。选取该轴承座铸件的出气孔直径选为20mm。6.14 冷铁设计为了实现铸钢在凝固过程中顺序凝固，在壁厚比较厚的部位应该设置冷铁，促进局部冷却速度提高。如图，在绿色部位壁厚相对于周边要大，为了实现顺序凝固，避免铸件凝固后在该部位产生缺陷，需要添加冷铁促进凝固。图6-7 冷铁安放位置图6-8 工艺图结论ZG230-450汽轮发电机轴承座铸件采用的是树脂砂造型，共计5个砂芯，生产方式是1箱1件，采取的是开放式顶注式浇注系统。浇注系统采用的浇口比为：=2：2：2.5。设有1个直浇道，1个横浇道和3个内浇道，在直浇道的末端设有直浇道窝，各浇道在浇注位置顶部两侧对称分布。在铸件顶部两侧设有两个圆形顶冒口。铸件毛重为7013kg，浇注时间为37.5s。汽轮发电机轴承座铸件的工装设计，设有加强筋。模底板与砂箱之间采用的是定位销和销套定位。砂箱尺寸：上砂箱：32001800650mm；下砂箱：320018001000mm。致谢此次在着手设计轴承座铸造工艺的同时运用了很多本平时书本上学到的理论知识，虽然遇到了很多的疏漏之处，不过在各位老师及同学的指导下顺利解决各个难题，这个过程让我的思路更加清晰，知识理解、掌握的更加透彻。每次遇到各种学术上的难题，每当这时周瑞老师总是耐心热情的给予我讲解指导，并且向我推荐了很多的参考文献资料。另外非常感谢周老师在我的论文上花了大量的时间反反复复的斟酌，运用渊博的学术知识做出批阅、改进完善。他不仅给我提出了很多好的建议和意见，还严格的控制管理我的毕业设计进度，在他的严格要求和谆谆教诲下我的毕业设计如期完成。再次特别感谢周老师！本次毕业设计让我对于轴承座这个领域以及铸造工艺这门高深的技术有了更深的理解，在此感谢广大学者的支持与帮助。再次感谢各位老师对本论文提出宝贵的批评和建议！参考文献1 蒋毓良. 超超临界1000MW汽轮发电机轴承座的铸造质量控制J. 上海宏钢电站设备铸锻有限公司. 2002:2 王秀瑾. 百万千瓦级核电汽轮发电机轴承座刚度计算J. 上海发电设备成套设计研究院. 20123 南红艳. 灰铸铁轴承座的两种铸造工艺方案数值模拟对比与选