消失模铸造毕业设计.docx
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消失模铸造毕业设计
摘要
消失模铸造是一种环境友好、适应性广、铸件质量优良的近无余量液态金属精确成型技术。
如同模具CAD技术是传统模具设计的革命一样，消失模铸造技术已成为改造传统铸造产业应用最广的高新技术，它更好地适应零件加工精确化的要求。
三通管接头，顾名思义，“三通”即三个通路，类似“T”形回路，假设直径相同，则三通路流量相同，主要起连通回路的作用；假设直径不同，则除连通管路作用，还能改变管道回路中流量的作用。
在本次设计基于三通管接头的结构特点和应用要求，结合灰铸铁的性能特点，着重分析消失模铸造的工艺特点、工艺流程及发展现状。
比照其它铸造方法，说明选用最正确方案的特点。
简要分析研究消失模铸造相关技术〔如造型技术、浇注技术、泡塑模型模具制造技术等〕和设计消失模铸造结构工艺。
研究确定三通管接头铸件的工艺参数及结构，据此设计铸造模具结构，最主要的是泡沫模样发泡模具的相关设计。
模具结构设计既是生产实现的重点，也是消失模铸造设计的关键，包括浇注系统布置、型腔布置、模具总体尺寸确实定与结构说明、全面审核以投产制造等。
其中浇注系统设计包括直浇道尺寸、冒口设计、内浇口位置等。
另外，对实际生产中铸件可能出现的工艺缺陷进行分析和提出应对措施。
本次设计过程中,充分利用可得到的资源,结合电脑软件技术,对三通管接头零件及模具进行简要分析设计。
关键词：
三通管接头；消失模铸造；发泡模具
Abstract
Lostfoamcasting（LFC）isanenvironment-friendly,wide-adaptability,castingofhighqualityliquidmetalmoldingtechnologywithnearlynoremainings.SimilartoCADmouldingtechnology,therevolutionoftraditionalmolddesign,LFChasbeenawidely-usedtechnologywhichreformstraditionalcastingindustry.Teejoints,namely,threeexpressways,similarto“T”,ifitsdiametersaresame,thepipeplayanimportantpartinconnectingthecircular;ifitsdiametersaredifferent,itwilltakeeffectnotonlyinconnectingbutalsoinconvertingthecurrentofthecircular.Thedesignisbasedonthestructuralcharacteristicsandapplicationrequirementsofteejoints,emphaticallyanalyseEPCprocessscharacteristics,technologicalprocesssandpresentdevelopingsituationcombiningwiththecharacteristicsofgreycastironparedwithothercastingmethod,describethebestscheme’scharacteristics.Brieflyanalyseandstudytherelatedtechnologies,suchasmodellingtechnology,pouringtechnology,foampatterndiemanufacturingtechnology,etc,designtheEPCstructuralprocesss.Identifyteejointcastingtechnologicalparametersandthestructure,inthelightofthis,designthecastingmouldstructuremainlythestructureofmanufacturingthefoampatterns.Themouldstructuredesignisnotonlytheemphasisofrealizingtheproduction,butalsothekeyofLFCdesign,includinggatingsystemlayout,mouldcavityarrangement,mouldgeneraldimensiondeterminationandstructuraldescriptions,comprehensiveauditoputintoproduction,etc.Amongthese,thedesignofpouringsystemincludesstraightrunnersize,riserdesign,ingatelocation,etc.Otherwise,inordertoensurethesuccessofproduction,theintroductionalsoincludessomepotentialdefectsanditsprecautions.
Keywords:
Teejoint;LFC;Foammould
文献综述
本设计主体是三通管接头，工艺主题是消失模铸造，重难点是模具结构分析研究。
三通管接头应用广泛，是管路系统中的重要部件。
能源问题一直是世界关注的焦点之一，合理利用能源，降低能耗被列为经济发展的重大课题。
目前，我国机械产品消耗的能源占全国总能源的65%，而铸造行业是国民经济中能耗较多的行业之一，占机械工业总耗能的25-30%，能源平均利用率为17%，铸造生产的能耗约为发达国家的2倍。
在竞争激烈的市场环境下，大力抓好节能增效是我国铸造行业增强竞争力的重要措施。
采用新工艺、新技术、加强节能技术改造成为突显行业实力的重要部分。
如上表一所示，消失模铸造因其独特的工艺特性和在成本及环保上的优势，一经出现就受到铸造工作者的重视并得到迅速发展。
本次对三通管接头设计优先采用消失模铸造。
消失模铸造〔简称EPC，或称LFC〕，又称气化模铸造，或称实型铸造。
它采用泡沫塑料模样代替普通模样紧实造型，造好铸型后不取出模样、直接浇入金属液，在高温金属液的作用下，泡沫塑料模样受热气化、燃烧而消失，金属液取代原来泡沫塑料模样占据的空间位置，冷却凝固后即获得所需铸件。
密切结合铸造工艺的生产实践，铸造模具、铸造设备等的制造也应有相协调的发展。
铸造模具用材料可分别选用木材、可加工塑料、铝合金、铸铁、钢材等。
木模目前仍广泛应用于手工造型或单件小批量生产中，但随着环境保护要求和木材加工性能差的限制，取而代之的将是实型铸造。
实型铸造以泡沫塑料板材为材料，裁减粘贴成模样，然后浇注而成铸件，该方法较之用木模，周期短、费用低； 塑料模的应用呈上升趋势，尤其是可加工塑料的应用日益广泛；铸铁模是大批量铸造生产的首选，并被大量使用。
它具有强度高、硬度高、加工性好、成本低、使用寿命长等优点。
近几年来，由于铸造水平的提高，已有越来越多的模样、模底板、型板框等采用强度和耐磨性更高的球铁或高强度合金灰铸铁制作，而耐热疲劳性能更好的蠕墨铸铁也被用于制作热芯盒材料。
模具是技术密集型和劳动密集型产业，对现代生产提出的要求也较高。
发展模具行业的创新关键在于提高模具的设计和制造水平，我国与其它国家相比还有很大差距，有些研究还不够成熟，在铸造模具领域还须积极借鉴国外先进技术，在原有基础上发展创新，提高我国的模具制造及铸造工艺水平。
表一铸造方法的特点和适用范围
铸造方法
铸件材质
铸件重量
外表光洁度
铸件复杂程度
生产成本
适用范围
工艺特点
砂型铸造
各种材质
几十克～很大
差
简单
低
最常用的铸造方法
手工造型:
单件、小批量和难以使用造型机的形状复杂的大型铸件
机械造型：
适用于批量生产的中、小铸件
手工：
灵活、易行，但效率低，劳动强度大，尺寸精度和外表质量低
机械：
尺寸精度和外表质量高，但投资大
金属型铸造
有色合金
几十克～20公斤
好
复杂铸件
金属模的费用较高
小批量或大批量生产的非铁合金铸件，也用于生产钢铁铸件〔
铸件精度、外表质量高，组织致密，力学性能好，生产率高。
熔模铸造
铸钢及有色合金
几克～几公斤
很好
任何复杂程度
批量生产时比完全用机加工生产廉价
各种批量的铸钢及高熔点合金的小型复杂精密铸件，特别适合铸造艺术品、精密机械零件
尺寸精度高、外表光洁，但工序繁多，劳动强度大
陶瓷型铸造
铸钢及铸铁
几公斤～几百公斤
很好
较复杂
昂贵
模具和精密铸件
尺寸精度高、外表光洁，但生产率低
低压铸造
有色合金
几十克～几十公斤
好
复杂〔可用砂芯〕
金属模的制作费用高
小批量，最好是大批量的大、中型有色合金铸件，可生产薄壁铸件
铸件组织致密，工艺出品率高，设备较简单，可采用各种铸型，但生产效率低
差压铸造
铝、镁合金
几克～几十公斤
好
复杂〔可用砂芯〕
高性能和形状复杂的有色合金铸件
压力可控，铸件成型好，组织致密，力学性能好，但生产效率低
压力铸造
铝、镁合金
几克～几十公斤
好
复杂〔可用砂芯〕
金属模的制作费用很高
大量生产的各种有色合金中小型铸件、薄壁铸件、耐压铸件
铸件尺寸精度高、外表光洁，组织致密，生产率高，成本低。
但压铸机和铸型成本高
离心铸造
灰铁、球铁
几十公斤～几吨
较好
一般为圆筒形铸件
较低
小批量到大批量的旋转体形铸件、各种直径的管件
铸件尺寸精度高、外表光洁，组织致密，生产率高
连续铸造
钢、有色
很大
较差
长形连续铸件
低
固定截面的长形铸件，如钢锭、钢管等
组织致密，力学性能好，生产率高
消失模铸造
各种
几克～几吨
较好
较复杂
较低
不同批量的较复杂的各种合金铸件
铸件尺寸精度较高，铸件设计自由度大，工艺简单，但模样燃烧影响环境
1绪论
设计背景、目的和意义
1〕课题背景：
利用泡沫塑料模和干砂〔包括干燥的、无黏结剂的石英砂，铁丸或钢丸〕，借助重力、磁力或真空负压等物理方法紧实铸型的方法称为消失模铸造，在成功地应用实型铸造的基础上，结合其他新材料、新技术的试验研究，进而发展形成实行空腔法、实型精密铸造、实型陶瓷型铸造等方法。
从1997年起，灰铸铁和球铁方面消失模铸造有较大增长，2007年约有2%的灰铸铁件是由消失模工艺生产的，到2009到达15%。
目前我国消失模铸造的生产主要集中在铸铁、铸钢件上，而铝合金等轻合金材质的消失模铸造技术处在开始期，所有的技术问题都还未根本解决，有很大的发展空间。
2〕设计目的：
借助对三通管接头的相关设计，全面掌握消失模铸造的工艺特点、工艺流程、相关重点技术〔白区、黒区、黄区〕等，分析研究铸造模具结构及装配等。
3〕设计意义：
整个消失模铸造的毕业设计，相当于一个实际铸造生产的模拟。
认真实施好每一环节，可以加深我们对消失模铸造专业理论的理解，奠定实际生产设计撰写说明书及软件绘图能力，培养自身的综合素质能力，其意义是深远的。
1.2消失模铸造工艺国内外发展及现状
中国消失模铸造工艺的发展及现状
中国对实行负压造型法的研究和开发几乎与国外同步，而且在20世纪70年代末已具备试生产条件，直至80年代末才初具生产规模。
我国研究和发展消失模铸造法的历程与国外基本相似。
在泡塑模样的加工与制造、涂料等方面已接近或到达国外先进水平。
在消失模铸造方面所生产的铸件从早期的磨球、衬板、管状铸件逐步发展到生产曲轴、箱体、阀门、缸体类铸件，近几年又进而发展到生产汽车和柴油机部件，如制动盘、排气歧管和缸盖等较复杂铸件。
我国的消失模铸造在生产方式上也从单件大中型铸件、大批量中小铸件并举发展，进而转向以大批量消失模铸造为主；在技术上以日趋成熟，并具有一定水平；应用上是成功的，已有部分产品如管状铸件、制动盘、机体箱、翼〔飞〕轮和排气管等铸件进入国际市场。
但对我国消失模铸件产量分析看出，中国消失模铸造的生产主要集中在铸铁、铸钢件上，而铝合金等轻合金材质的消失模铸造生产处于刚刚起步阶段。
在技术水平上产学研的结合及专业化分工协作程度不高，同时在消失模铸造的基础研究尤其是轻合金材料的研究上还不够深入，生产规模小、铸件质量和复杂程度较低，与国外消失模铸造的差距是很大的。
目前，国际市场对我国铸件出口需求量与日俱增，这无疑给适宜采用负压实型铸造的我国广阔中小企业带来极好的机遇；可以预料，EPS技术不仅可在我国汽车、柴油机等行业的大中型企业中得到较快发展，而且将在我国广阔乡镇和私营中小铸造厂获得广阔发展前景。
国际上消失模铸造工艺的发展及现状
近年来消失模铸造技术在欧洲和美国得到迅速发展，汽车工业应用消失模铸造工艺的工厂在欧美越来越多，在其他行业的应用也不断扩大，消失模生产的铸件量近年来在持续增长。
通用汽车公司于20世纪70年代开始消失模铸造技术的研究，于1980年在纽约州的Massena建立了一条小批量试验生产线，在1981年建成用于大批量生产Oldsmobile汽车的铝制引擎盖生产线。
这是第一条真正意义上的工业用消失模铸造生产线。
1986年它又在Massena建成另一条大批量的消失模制模和浇注生产线，为Chevrolet生产铝合金缸体缸盖，随后又分别建成生产球铁曲轴和壳体件的生产线。
通用汽车公司还在密歇根州的Saginaw和俄亥俄州的Defiance分别建立两处消失模铸造基地，为轻型卡车生产铝合金缸体缸盖。
1991年意大利菲亚特公司在都灵建成欧洲最大规模的消失模生产车间，年产1.5万吨；1993年德国宝马公司建成年产20万只各种规格铝合金气缸盖的消失模生产线；2001年美国通用的SMCO建成目前世界上最先进、规模最大的消失模铸造厂。
日本久保田公司于1987年投产消失模铸造生产线，虽生产面积不到1000平方米，但白区和黑区的设备布局十分紧凑、合理，空间面积得到充分利用，其主要产品为建筑用各种型号的异性管件。
尽管日本公司消失模铸造生产规模皆不大，但其生产效率高、铸件质量好。
1.3研究内容
1〕消失模铸造的工艺：
工艺特点、工艺流程、充型过程理论、工艺因素、铸造缺陷控制及处理、模样材料、涂料等选用；
2〕模具设计：
零件工艺参数确实定、铸件的结构设计〔即模样制作设计〕、消失模铸造浇注系统的设计、造型技术〔如模型吃砂量等〕等；
结合三通管接头件对上述内容进行必要说明，采用二维平面图和三维实体图反映说明该工艺及选用消失模铸造工艺的优劣势。
2三通管接头工艺分析
三通管接头工艺参数确实定
消失模铸造的适用性
1〕铸件材质的适用性理论上但凡可以铸造的金属都可以采用消失模铸造法，而生产实践上，目前用消失模铸造浇注过的铸件材质有普通铸钢、耐热合金钢、不锈钢、铁镍合金、普通铸铁、合金铸铁、球墨铸铁、铸铝合金和铸铜等。
2〕铸件大小的适用性从方便操作和现有工艺水平考虑，消失模铸造以浇注2t以下，尤其是1t以下的铸件为宜，壁厚大于4mm的铸件。
3〕铸件生产批量的适用性最正确的生产批量必须考虑生产塑料模所需的模具成本〔对不需要模具或模具费用很低的铸件，可以不考虑生产批量问题〕，确保铸件生产成本不会太高。
4〕铸件结构的适用性特别适合于具有复杂结构〔尤其是具有复杂内腔〕、模样分型困难、造型困难的铸件。
消失模铸造为多品种、单件小批量及大批量铸件生产、为几何形状复杂的中小型铸件提供了新的生产途径。
故而，本设计针对上述几点，选用：
a.铸件材质-HT200;b.铸件大小-1t以下（据尺寸结构，三通管接头每件110kg单件小批量。
三通管接头的工艺因素确定
1〕消失模铸造的模样材料模样材料决定了热解产物的类型和数量，从而影响充型流动性。
降低模样材料的密度可提高流动性，但太低会影响模样的强度和外表质量；消失模铸造对模样材料的要求：
气化温度和发气量低，保证有色金属液在浇注过程中能够顺利填充；气化完全、残留物少、毒性低；密度低、强度和外表刚性好，以使模样在制造、搬运和干砂充填过程中不易损伤，确保模样尺寸和形状稳定；品种规格齐全，以适应不同材质及结构的铸件和制模需要。
目前用于制造模样的主要有可发性聚苯乙烯〔EPS〕、可发性聚甲基丙烯酸甲酯〔EPMMA〕、苯乙烯—甲基丙烯酸甲酯共聚树脂〔STMMA〕。
EPS的优点是易成型加工，价格低，通常用于铝合金、灰铁及普通碳钢件，但其最大缺点是高温下的热解产物主要是氢和固体炭，大量的炭渣残存在模样消失后的型腔内，对铸铁件易形成外表亮碳及夹渣缺陷，易引起潜在的疲劳破坏危险；EPMMA的弹性恢复率高，能解决铸件的增碳、皱皮、黑渣等缺陷，已成功用于低碳钢、不锈钢件，但EPMMA模样发气量大、成型温度高、密度较低时刚性小、价格昂贵；STMMA相比EPS具有更卓越的铸造性能，降低了铸件的碳缺陷、钢铸件的外表增碳缺陷、烟碳、铸件的外表光洁度，主要用于生产阀门、管件、汽车配件及各种机械配件生产，克服了耐热合金铸铁件及灰铁件外表粗糙、内部夹渣和气孔缺陷等。
针对三通管件外表质量要求和防渗漏、耐压等特点，参照表2-1，采用STMMA模样材料较合适，其规格及珠粒粒径如表2-2、2-3所示。
表2-1消失模铸造用专用泡沫珠粒产品的适用范围
品种
适用范围
EPS
有色金属〔铝、铜等〕、灰铁及一般钢铸件
STMMA
灰铁、球铁、低碳钢、合金钢铸件
EPMMA
球铁、可锻铸铁、低碳钢、合金钢、不锈钢铸件等
表2-2产品的品种规格
指标
EPS
STMMA
EPMMA
色泽
半透明珠粒
半透明的乳白色珠粒
乳白色珠粒
表观密度〔克/毫升〕
预发泡倍数≥
50
45
40
挥发份〔%〕≥
8
10
表2-3珠粒粒径〔毫米〕
2〕涂料泡沫塑料不透气、热变形温度低、对水亲和力小、气化后的发气量大，这些特点决定涂覆在它外表的耐火涂料。
为了提高铸件外表质量，防止严重粘砂现象，消失模铸造在泡沫塑料模型外表必须涂挂一层耐火涂料。
消失模铸造用涂料与砂型铸造用涂料有许多不同之处：
消失模铸造用涂料不是涂覆在砂型上，而是涂刷在泡沫塑料模样的外表，因此要求涂料在泡沫塑料模样上有很好的涂挂性；消失模铸件的外表粗糙度与耐火涂料层厚度是否均匀，涂层外表是否光滑有直接关系，因此要求涂料有较好的流动性；消失模铸件的外表粗糙度与模样外表粗糙度有关，所以就需要在涂敷耐火涂料以前专门涂敷一层专用的模样外表修补涂料；模样外表的修补涂料要求在浇注时和泡沫塑料一起完全气化。
消失模涂料是由多种性质不同的材料组成的分散系，包括耐火骨料、载体、黏结剂、悬浮剂以及其他添加物〔活性剂、脱脂剂、消泡剂〕等。
鉴于上述特点，具有一定的透气性、良好的润湿性和黏附性、高温强度好、干燥速度快、发气量小、良好的涂挂性的涂料最正确，故而结合工业应用，消失模铸造三通管接头采用XT003型铸铁专用涂料〔20℃的密度
悬浮能力：
24h后＞90%，流杯黏度：
17-19s，固体含量：
68%-72%，波美度：
95-100°Bé〕。
3〕浇注温度、真空度消失模铸造中泡沫塑料模气化时要吸热，使金属液热量减少，加速金属液结晶凝固，故为了得到组织健全的铸件，必须提高金属液的浇注温度来补偿气化模气化吸热的热量损失。
浇注温度过高会引起砂型涨大，特别是具有复杂砂芯的铸件，当浇注温度≥1420℃时废品增多，浇注温度为1460℃时废品达50％。
浇注温度一般要比砂型铸造高20-50℃，参照表2-4，结合零件材质选用1350-1450℃。
表2-4推荐的浇注温度
铸件材质
浇注温度/℃
铸铝件
730-750
铸铜件
1100-1150
铸铁件
1350-1450
铸钢件
1450-1600
负压的作用：
①用真空物理手段紧实铸型；②排气；③抑制塑料模材料燃烧，促使其气化；④降低塑料模材料发气量；⑤大大提高砂箱内液态合金的流动性。
因此，真空度是实型铸造最重要、最基本的因素。
提高砂箱内的真空度，金属液的穿透力显著提高，铸件外表查产生针刺、粘砂缺陷的概率也就明显增加；过低的真空度会造成附壁效应，引起气孔、外表碳缺陷以及粘砂等缺陷，本设计参照表2-5，浇注时砂箱内真空度采用400-500mmHg。
表2-5浇注时推荐的真空度范围
铸件材质
砂箱内真空度/mmHg
铸铝、铸铜合金
300-400
铸铁、铸钢件
400-500
4〕浇注速度为防止铸造过程中可能出现的缺陷，浇注速度流股细、小，变粗、大，再转细、小。
正确的浇注方法和速度是：
①采取“慢-快-慢”的方法进行，即浇注开始速度要慢，随即加快，最后又要慢浇。
浇注开始慢浇，是因为此时泡沫塑料气化生成物与金属液流动方向正好相反，慢速浇注可使这股气体先从直浇口排出，防止金属液喷溅。
当浇注系统得泡沫塑料气化掉，形成一条通道后，要立即转入快浇，使金属充满浇口杯，封闭住直浇口。
这样可使铸型重新处于密封状态，维持在一定的真空度，顺利地进行浇注。
最后为了使混杂在金属液中的气化残渣有充足的时间上浮到铸件顶部或集渣冒口里，并使气体有全部排出铸型的时机，需要由快浇转入慢浇。
②浇注中除了要掌握浇注速度快慢的节拍外，还要力戒断流和金属液大量外溢。
这两种情况都会破坏铸型的真空状态，造成塌箱。
5〕铸件因素
参照下表2-6，结合消失模铸造工业生产实践，可知：
表2-6消失模铸造铸件尺寸公差单位：
mm
铸件尺寸
公差
＜25
±
25-80
±0.25
80-125
±
125-175
±0.43
175-250
±
＞250
±
消失模铸造的铸件外表粗糙度Ra值可达3.2-12.5um；铸件尺寸在铸造过程中只有很小变化，三通管接头铸件尺寸公差为±；铸件的脱模斜度很小〔约0.5-1.0度〕或者为0度，此铸件最大脱模斜度为1°；铸件的精度高可达IT7-IT9级，比传统-2mm,可以大大减少机械加工的费用，和传统砂型铸造方法相比，可以减少40%-50%的机械加工时间。
6〕三通管接头造型时模型吃砂量吃砂量是指模型与砂箱壁、砂箱顶部和底部之间的合理距离。
一般没有一个明确的值或特殊要求，但不宜太小。
这里很难用一个固定的数字或公式来表示，原则是在保证铸型强度能承受住金属液冲刷和压挤力作用的前提下，吃砂量尽可能小为经济。
如表2所示，这里选用吃砂量为150-300mm之间。
表2-7推荐吃砂量
铸件
材质
吃砂量/mm
铸件
材质
吃砂量/mm
铸件
材质
吃砂量/mm
铸钢件
150-250
铸铝、铸铜件
100-150
铸铁件
150-250
消失模铸造三通管接头
消失模铸造的标准系统：
控制系统、造型系统、负压系统、白模成型系统、振实系统、砂处理系统、涂料配置、涂挂、干燥系统等。
消失模铸造生产原理及工艺特点
该法按EPC工艺先制成泡塑模型〔手工、机械〕，涂挂特制涂料，干燥后，置于特制砂箱
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