材料成型与控制专业毕业课程设计铸造Word文档下载推荐.docx
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前者主要适用于单件，小批量生产以及复杂和大型铸件的生产，后者主要适用于成批，大量生产。
砂型铸造生产工艺流程：
材料准备→造型制芯→下芯合箱→炉料准备→合金熔炼→铸件浇注→落砂清理→铸件检验→热处理→合格入库
2.2特点
①成形方便且适应性强
金属液态成型方法对工件的尺寸形状几乎没有任何限制，铸件的材料可以是铸铁，铸钢，铸造铝合金，铸造铜合金等各种金属材料，也可以是高分子材料和陶瓷材料；
铸件的尺寸可大可小，形状可简单可复杂。
②成本较低
由于成行方便，铸件毛坯与零件形状相近，能节省金属材料和切削加工工时，使用原材料来源广泛，可以利用废料、废件等，节约资源；
因此，铸件的成本较低。
③生产工艺简单，生产周期短
所用设备通常比较简单，操作简便，投资较少。
④成形的组织性能较差
铸件晶粒粗大﹙铸态组织﹚，化学成分不均匀，力学性能较差。
因此，以用作受力不大或承受静载荷的机械零件，如箱体，床身，支架等常用铸件。
2.3应用
随着现代科学技术的发展，人们对铸铁本质认识的提高，铸铁件得到了广泛应用。
如高强度、高弹性模量的灰铸铁在机床铸件的应用，由于熔化设备的改进和造型制芯技术的进步以及国产的系列孕育剂、球化剂、蠕化剂的商品化，使高强度、薄壁铸铁件的铸造生产技术得到了很快的发展和广泛的应用，灰铸铁表面激光强化技术应用于生产，人工智能技术在灰铸铁性能预测技术的应用，都使灰铸铁件质量有大幅度的提高，不断地扩大了铸铁件的应用范围。
依据铸件结构、重量、尺寸、数量不同，可选用不同的造型方式。
在全部铸件产量中，60%～70%的铸件是用砂型生产的，主要是因为砂型铸造方法成本低、生产工艺简单，所以汽车的发动机汽缸体、汽缸盖、曲轴等铸件都是用湿型砂工艺生产的。
当湿型砂不能满足要求时可以考虑使用湿型表干型、干砂型或其他砂型。
2.4发展概况
铸造业在我国具有悠久的历史，他充分的体现出了我国劳动人民聪明才智。
早期
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15～17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，指导铸造生产。
三、砂型铸造工艺设计
3.1工艺设计的依据
①铸造零件图样。
提供的图样必须清楚无误，尺寸和标记完整、标记齐全。
经审查有必要修改图样时，应与用户协商，取得一致意见后已修改的图样作为设计依据。
②零件的技术要求。
包括金属材质牌号、金相组织、力学性能要求、铸件尺寸和重量公差及其他特殊性能要求，如是否经过水压或气压检验、零件在机器上的工作条件等，在铸造工艺设计时应注意满足这些要求。
③艺装备尽可能产品批量及生产期限。
根据产品数量可划分为三种生产类型：
即大量生产，成批生产和单件小批量生产。
对于批量大的产品，应尽可能的采用先进的生产工艺，以保证质量，满足时限要求。
对于应急的单件产品，则应考虑是工简单，以便缩短生产周期，并获得较大的经济效益。
3.2分析铸件图
图3—1端盖的零件图
该铸件为端盖，其材料为HT150,灰铸铁的特征有断口呈暗灰色，碳主要以石墨形式存在，为片状石墨，少量溶于基体中，部分以碳化铁形式组成珠光体。
HT150的性能特点：
强度低、好的减震性和铸造性能。
生产类型：
批量生产；
造型材料：
粘土砂造型，一箱一件；
应用:
力学性能要求不高的零件。
最大尺寸348㎜×
72㎜
最大壁厚20.5㎜
最小壁厚7㎜
铸件的力学性能。
表3—1铸件力学性能
牌号
铸件壁厚／㎜
抗拉强度σb/MPa
﹥
≦
HT150
2.5
10
175
20
145
30
130
②铸件的化学成分。
表3—2铸件化学成分（质量分数，%）
铸件壁厚∕㎜
C
Si
Mn
P≦
S≦
3.5～3.7
2.2～2.4
0.4～0.6
0.40
0.15
20～30
3.4～3.6
2.0～2.3
3.3铸件的结构工艺分析
①端盖结构的铸造工艺性和生产条件，结构及技术要求。
结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。
审查、分析应考虑如下几个方面：
1）铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。
2）铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。
3）铸件内壁应薄于外壁铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。
4）壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。
5）利于补缩和实现顺序凝固。
6）防止铸件翘曲变形。
7）避免浇注位置上有水平的大平面结构。
②铸造工艺参数
1）铸造收缩率
铸造收缩率又称为铸件线收缩率或铸件缩尺，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：
e=（L-l）/L×
100%（3-1）
式中e—铸造收缩率
L—模样长度
l—铸件长度模样的选择
木模：
轻便，容易加工，价格低廉，但强度低，易吸潮变形，只适合于单件、小批量生产的各种铸件，通常采用实心结构。
金属模：
金属制作摸样的材料有铝合金、铜合金、铸铁等。
铜合金轻便、加工性能好、表面光洁、不易生锈，但耐磨性较差，主要用于大批量生产的模样及模板；
铜合金易加工、表面光滑、耐蚀、耐磨但成本高，重量大，主要用于精度要求较高的薄、小铸件和活块；
铸铁强度强度、硬度较高，耐磨且价低，表面光滑，但重量大、易生锈且不易加工，主要用于大批量生产的模底板及少数情况下的模样。
由于本次设计单件小批量生产，设计原则以简单、方便、器材简单、效率高，所以选木模。
表3—3铸铁件铸造收缩率
灰铸铁铸件种类
收缩率／%
阻碍收缩
自由收缩
中小型铸件
0.8～1.0
0.9～1.1
中大型铸件
0.7～0.9
特大型铸件
0.6～0.8
该铸件的收缩率为0.9。
2）机械加工余量
查《铸造工手册》得，该铸件机械加工余量为8㎜。
3）起模斜度
图3—2起模斜度的形式
表3—4起模斜度及应用
类型
增加壁厚法
加减壁厚法
减小壁厚法
应用
用于和其它零件配合的加工面
用于不与其它零件配合的加工面
用于和其它零件配合的非加工面
该铸件选用增加壁厚法。
表3—5砂型铸造用起模斜度
测量高度∕㎜
金属模
木模
a∕㎜
a
50～100
1.0～1.5
0°
45′～1°
1.5～2.0
1°
～30′
4）工艺补正量
查《铸造工手册》得，该工艺补正量为2.5㎜。
5）分型负数
查《铸造工手册》得，该分型负数为1.0㎜。
3.4造型方法的选择
手工造型和制芯应用面广，适应性强，生产组织灵活，生产周期短；
工艺装备简单，制造容易。
因此，对单件、小批量、多品种铸件的生产具有明显优势。
手工生产还是某些复杂铸件、大型铸件以及重型铸件的最基本生产方法。
与手工造型、制芯方法相比，在中小型铸件的大批量生产方面，机器造型和制芯，尤其是采用自动化生产方式，更能够满足现代化产业的铸件需求。
无论是铸件质量还是产品质量，都是手工生产无法比拟的。
因此，在可能条件下，应尽量选用机器造型和制芯。
该铸件选用手工造型。
3.5铸型种类的选择
①湿型。
一般情况下，中小型铸铁件应尽量选用湿型铸造。
湿型生产率高，生产周期短；
砂型无需烘干，劳动条件好；
砂型成形性好，铸件尺寸精度高；
铸型的落砂性好，砂箱使用寿命长。
因此，机械化造型以及自动高压造型线均采用湿型铸造。
湿型也存在某些不足之处：
铸型强度低，在铁水的冲击或烘烤作用下，容易产生砂眼、夹砂缺陷；
砂型含有较多水分，铸件容易呛火，产生气孔。
对于厚大、形状复杂以及技术要求高的铸件，往往也不能采用湿型。
②干型。
干型是将砂型和砂芯刷上涂料后，进入烘炉里烘干，使整个砂型和砂芯都得到干燥。
干型水分少，强度高，透气性好，铸件质量能够得到保证。
但使用干型占地面积大，工时长，消耗能源，污染环境。
③表干型。
指将铸型表层烘干一定深度，是介于湿型和干型之间的一种改良铸型。
它与湿型相比，砂型表面层水分少，浇注大件就不容易产生气孔、粘砂、夹砂和冲砂等缺陷。
与干型相比，节约能源，缩短了生产周期。
因此，适合于轮廓尺寸较大或地坑中生产的铸件。
在此选用湿型。
3.6确定铸件浇注位置
确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的一环，关系到铸件的内在质量、铸件的尺寸精度及造型工艺的难易程度。
确定铸件浇注位置在很大程度上取决于控制的凝固。
实现顺序凝固的铸件，可消除缩孔、缩松、保证获得致密的铸件，确定浇注位置应遵循“三下一上”的原则。
①重要加工面应朝下或呈直立状态。
②尽可能使铸件大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷。
③薄壁部位应尽量朝下。
④厚大部分应放在上部，以利于铸件的补缩。
⑤尽量避免用吊砂、吊芯或悬臂芯，便于下芯、合箱及检验。
⑥应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致。
3.7铸型分型面的选择
分型面的选择在很大程度上影响着铸件的质量、成本和生产率。
因此，分型面要仔细分析对比、慎重加以选择的。
分型面的选择要根据铸件的结构特点，生产类型和车间生产条件来确定。
选择分型面应注意如下几项原则：
①要保证起模方便，尽量不用或少用活块。
②应尽量减少分型面数目。
③尽量选用平直分型面。
④应尽量使铸件整个或大部分置于同一半型内。
⑤应尽量使砂芯数量少，芯头稳固可靠，下芯方便，便于合箱及检验壁厚。
⑥应尽量降低铸型总高度。
⑦分型面的选择，应尽量减少铸件毛刺飞边。
⑧分型面的选择应尽量避免铸型合箱后再翻转铸型。
初步对端盖进行分型有：
方案一如图a、方案二如图b；
图3—3a分型面方案一
图3—3b分型面方案二
对方案一进行综合分析如下：
①铸件位于同一半型内，合箱对准却误差小；
②砂胎全部位于上半型内，呈吊砂状态；
③浇注类型为顶注式，压头压力小，较易充型；
④凝固顺序为由下至上，端盖重要部分先凝固；
对方案二进行综合分析如下：
②浇注类型为底注式，压头压力大，易冲型；
③凝固顺序为由上至下，端盖重要部分最后凝固；
考虑铸件的重要部分与缺陷产生条件，选择方案一。
3.8浇注系统设计及其选择
①浇注系统的特点及其应用
浇注系统按内浇道在铸件上的注入位置，可分为顶注式、中间注入式、底注式以及阶梯注入式。
1）顶注式。
此类浇注系统结构简单紧凑，便于造型，节约铁水。
顶注式铸件中所形成的温差，符合顺序凝固原则，有利于冒口补缩。
缺点是铁水对铸型底部有冲击，铁水飞落激溅，易造成砂眼、铁豆、气孔和氧化夹渣等缺陷。
顶注式浇注系统适宜于结构比较简单且高度不大的薄壁铸件，或致密性要求较高，需用冒口补缩的中、小型厚壁铸件。
2）中间注入式
它对于铸件在分型面一下部分相当于顶浇，对于上半部分则是底浇，故兼有顶浇和底浇两方面特点。
中间注入式浇注系统，适宜于壁厚均匀，高度不很大的各类中、小型铸件。
机器造型中应用普遍。
3）底注式。
底注式冲型平稳，不会冲坏型腔和产生铁水激溅，型腔内的气体易于排除，挡渣效果较好。
由于高温铁水从底部引入型腔，对铸件补缩不利。
此外，冲型速度比较慢。
底注式浇注系统，适用于技术要求高，结构复杂的铸铁件。
4）阶梯注入式。
这种浇注方式铁水冲击力小，冲型平稳，高温铁水集中在型腔上部，有利于补缩和排气，内浇道分散，减轻了铸型局部过热程度。
但是这种浇注系统铁水消耗多，造型比较麻烦。
阶梯式浇注系统，适用于形状复杂和高大的铸件。
该铸件选用顶注式浇注系统。
浇注系统按各组员截面比例，可分为封闭式、开放式、半封闭式以及封闭——开放式四种类型。
表3—6浇注系统按各组员截面比例分类
型式
特点
应用
封闭式
Az﹥Ah﹥An
充型迅速，呈有压流动状态，有一定挡渣作用
灰铸铁大、中、小件
开放式
Az﹤Ah﹤An
冲型平稳，冲刷力小，但易带入熔渣和气体
1t以上灰铸铁
半封闭式
Ah﹥Az﹥An
系统中呈充满状态，撇渣能力强，对铸型冲刷力小
灰铸铁件，表干型，薄壁球铁件，底注式
封闭—开放式
Az﹥Azu﹤Ah﹤An或Az﹥Azu﹤An﹤Ah
在横浇道阻流片处封闭，靠阻流片挡渣，后段开放，充型平稳
成批或大量流水线生产
Ab﹥Az﹤Ah﹤An
在直浇道根部处封闭，靠浇口杯挡渣，后段开放，充型平稳
大量生产的中、小铸件
Ab﹥Az﹥Aj﹤Ah﹤An
在集渣包处封闭，靠集渣包挡渣，后段开放，充型平稳
重要的中、大型铸件
该铸件选用封闭式充型。
②浇注系统设计
1）铸件的体积和质量
（1）体积
V1=3.14×
（57.5²
—46.5²
）×
38=136502.08㎜³
V2=3.14×
9.5²
×
38×
3×
1∕2=16152.945㎜³
V3=（148.5²
—138²
）3.14×
44=415619.8㎜³
V4=3.14×
7×
（138²
—67²
）=319918.9㎜³
V5=（38+25）×
15×
1∕2×
4+10×
20×
71×
3=44490㎜³
V=136502.08+16152.945+415619.8+319918.9+44490=932683.7㎜³
（2）质量
灰铁的密度ρ=7.2g／㎝³
m=ρv（3—2）
M=7.2g／㎝³
932.68㎝³
=6715.3g=6.8㎏
2）浇注时间
t=k
（3—3）
式中：
t—浇注时间（s）;
G—浇入型内的金属液总质量（㎏）；
δ—铸件的平均壁厚（㎜），对于圆形或正方形的铸件，δ取其直径或边长的一半；
k—系数。
表3—8铸铁件k值的选择
铸件种类或工艺要求
大型复杂铸件、高应力及大型球墨铸铁件
防止侵入气孔和呛火
一般铸件
壁厚小件、球墨铸小件防止缩孔、缩松
K值
0.7～1.0
1.0～1.3
1.7～2.0
3.0～4.0
t=k
=7.6s
3）型内金属液面上升速度
V=C／t（3—4）
式中C—铸件最低点到最高点的距离，按浇注时的位置确定（㎜）；
T—计算的浇注时间（s）。
V=C／t
=31.6㎜／s
表3—9一般允许铁液的最小上升速度V范围的参考值
公式
铸件平均壁厚／㎜
上升速度V／（㎜／s）
V=C／t
式中C—铸件高度，㎜
t—浇注时间，s
﹥40或大型平面水平浇注
40～10
10～4
﹤4
5～15
10～20
30～100
4）阻流截面的面积
（1）平均压头Hp的计算
Hp=Ho-
（3—5）
Hp—内浇到以上的金属液压头，等于内浇道至浇口盆液面的高度（㎝）；
C—浇注时铸件高度（㎝）；
P—内浇道以上的铸件高度（㎝）。
表3—10平均压头Hp的计算方法
浇注方法
平均压头
顶注式
P=0
Hp=Ho
底注式
P=C
Hp=Ho-C／2
中间注入式
P=C／2
Hp=Ho-C／8
由于本铸件浇注选用顶注式，所以Hp=Ho=12cm²
（2）阻流截面积
S阻=
（3—6）
S阻—阻流截面面积（㎝²
）；
G—浇注重量（㎏）；
μ—流量系数；
t—浇注时间（s）；
Hp—作用于内浇道的金属液静压头，一般取平均压头（㎝）。
表3—11灰铸铁的流量系数μ值
铸型类型
铸型阻力
大
中
小
湿型
0.35
0.42
0.50
干型
0.41
0.48
0.60
该铸件铸型阻力小选用湿型，μ=0.5
表3—12流量系数μ的修正值
影响μ值的因素
μ的修正值
内浇道总截面积相同而数量增多时，阻力增大，μ值减小
两个内浇道时
四个内浇道时
-0.05
-0.10
该铸件选用两个内浇道μ=0.5修正后μ=0.45
=2.3cm²
浇道的设计
表3—13灰铸铁件浇注系统各组元截面比例及其应用
截面比例
Az
Ah
An
2
1.5
1
大型灰铸铁件砂型铸造
1.4
1.2
中大型灰铸铁件砂型铸造
1.15
1.1
中小型灰铸铁件砂型铸造
1.11
1.06
薄壁灰铸铁件砂型铸造
该铸件为小型铸件，并且为薄壁铸件，因此，截面比例为
Az：
Ah：
An=1.11:
1.06:
S内=2.3cm²
2.3:
S横:
S直=1：
S横=2.4cm²
S直=2.55cm²
内浇道：
b=1.6cm
横浇道：
b=1.7cm
直浇道：
=2.55
=1.8cm
③浇口杯的计算
浇口杯的尺寸大小必须保证其容量满足直浇道的流量要求，以发挥挡渣作用。
浇口杯中的金属液重量可以有单位时间内进入铸型的金属液量乘以系数计算。
G杯=
（3—7）
式中G杯——浇口杯中的金属液重量（㎏）；
G——浇注重量（㎏）；
T——浇注时间（s）；
m——与铸件重量有关的系数。
表3—14铸件重量与系数m的关系
铸件重量（㎏）
≤100
101～500
501～1000
1001～5000
5001～50000
m
3
4
6
7.5
8
G杯=
=3.3㎏
四、造型材料及其制备
4.1型砂的制备及性能控制
①黏土型砂
黏土型砂是目前砂型铸造中应用最多的造型、制芯的造型材料。
它是由原砂、黏土、附加物和水，根据工艺要求按一定比例混制而成。
砂型是指型砂在外力作用下成形并且达到一定紧实度的毛细管多孔隙体系，原砂是主要材料，约占型砂总量的82%～98%；
黏土是作为粘结剂以粘结膜形式包覆砂粒起粘结砂粒的作用，使型砂具有强度和韧性；
附加物是为了改善型砂所需要性能而加入的物质。
黏土砂型根据在合箱和浇注时的状态不同可分为湿型、干型和表干型三种。
湿型砂型是使用最经济、最方便的造型方法，约占所有砂型造型使用量的50%以上。
该铸型选用湿型。
铸件用砂，选用二氧化硅含量大于85%的硅砂，粒度代号为15，粘结剂选用铸造用膨润土，它具有较大的吸水膨胀性、胶体分散性、吸附性、离子交换性和湿态粘结性能。
附加物选用煤粉，它能在高温金属液的作用下生成一层还原性气体保护膜，将液态金属与砂型隔开，同时煤粉受高温作用后在砂型和金属液界面生成一层亮碳膜，不仅防止机械粘砂，也能防止化学粘砂。
表4—1铸铁件湿型黏土砂配比及性能
配比（质量分数）%
性能
新砂
旧砂
膨润土
煤粉
含水量／%
湿强度／MPa
紧实率／%
透气性
5～10
90～95
0.5～1.0
0.8
3～4
0.08～0.12
40～45
100～150
湿型砂的制备：
黏土湿型砂的加料顺序为回用的砂、新砂、黏土、煤粉、水。
混砂时间由混砂机形式和型砂中黏土含量决定，粘土含量越高，混砂时间越长。
碾轮式混砂机的混砂时间为，单一砂3～5min。
②型砂混合
混合是用混砂机将砂、粘结剂和附加物混制成型砂的过程。
常用的混砂机有碾轮式、碾轮转子式、摆轮式等几种。
在此，选用碾轮是混砂机。
碾
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