壳体铸造工艺设计.docx

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壳体铸造工艺设计

壳体铸造工艺设计

ＤｅｓｉｇｎｏｆＣａｓｔｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＨｏｕｓｉｎｇ

目录

一简介----------------------------------------------------------------------3

1.1设计（或研究）的依据与意义

1.2中国古代铸造技术发展

1.3中国铸造技术发展现状

1.4发达国家铸造技术发展现状

1.5我国铸造未来发展趋势

二生产条件-----------------------------------------------------------------4

三工艺分析-----------------------------------------------------------------5

四浇注系统设计、工艺参数计算及措施-----------9

4．１工艺参数的计算

4．２工艺参数的校核

4．３工艺措施

五模具设计要点--------------------------------------------------------10

六冷铁设计-----------------------------------------------------------------13

七结束语----------------------------------------------------------------------13

八参考文献------------------------------------------------------------------16

一简介

1.1设计（或研究）的依据与意义

我国有五千年的文明历史，自古以来就是一个农业大国，从传统的农耕石器，到现代化的机器操作。

改革开放以后，我们国家农业也普遍采用了机械农业化生产，其中拖拉机起到了不可替代的作用，我国拖拉机工业虽有较大发展，但大中型拖拉机的产品技术水平、质量、规模、企业素质和结构与发达国家相比，从整体上分析并没有明显缩短差距，要相差20年以上。

特别是新产品品种发展，产品技术水平，机电液一体化，人机工程、电子操纵监控等方面差距更大。

90年代以来，国外拖拉机工业已进入现代化发展的新阶段。

产品的更新速度加快，产品系列化进一步完善，大部分产品实现了机电一体化、智能化，达到高效节能，产品外观质量轿车化。

制造水平进一步提高，计算机数控技术（CNC），新材料、新工艺广泛应用，大大地提高了产品质量、寿命、可靠性。

1.2中国古代铸造技术发展

中华文明大致经历了石器时代、铜器时代和铁器时代三个历史阶段，这三种材质的工具和技术的创造发明，随着人类的繁衍，不断推动人类文明向高级阶段发展，金属的应用使人类文明产生了根本性的飞跃，而铸造技术的运用和金属的发展紧密联系在一起。

对古代很多务农的人来说，铸造技术是一门手艺。

据历史考证，我国铸造技术开始于夏朝初期，迄今已有5000多年。

到了晚商和西周初期，青铜的铸造技术得到了蓬勃发展，形成了灿烂的青铜文化，遗留到今天的有一批铸造工艺水平较高的铸造产品。

中国古代的铸造方法有：

石型即用石头或石膏制作铸型；泥型古称“陶范”；金属型古称“铁范”；失蜡型有出蜡法、走蜡法、脱蜡法或刻蜡法；砂型这种方法是伴随泥型一起产生的。

1.3中国铸造技术发展现状

尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。

第一,专业化程度不高,生产规模小。

我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。

第二,技术含量及附加值低。

我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。

第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。

第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。

第五,材料损耗及能耗高污染严重。

中国铸铁件能耗比美国、日本高70%～120%。

第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。

1.4发达国家铸造技术发展现状

发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。

在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺。

砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统,制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。

熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。

铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%-5%；标准更新快（标龄4-5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。

1.5我国铸造未来发展趋势

自中国加入WTO以来,我国铸造行业面临机遇与挑战。

其未来发展将集中在以下几方面。

第一,鼓励企业重组发展专业化生产,包括铸件大型化和轻量化生产。

第二,加大科技投入切实推动自主创新,实现铸件的精确化生产和数字化铸造。

第三,培养专业人才加强职工技术培训。

第四,大力降低能耗抓好环境保护,实现清洁化铸造。

二生产条件

壳体铸造材质HT200，铸造质量82kg，外形尺寸552.5mm×513mm×488.2mm，壁厚10mm-30mm，主要壁厚10mm。

采用5t／h大双热风冲天炉熔炼，铁水出炉温度1400-1450℃，采用Z2140顶箱震实式造型机湿砂型造型，漏模起模，砂箱尺寸900mm×700mm×350mm，采用Z878翻台震实式制芯机，合脂砂制芯。

三工艺分析

箱体类铸件的收缩率受铁水的化学成分、浇注温度、铸件本身结构特征、铸型的退让性和泥芯的退让性等多种因素的影响，尤其是化学成分、注温度的影响使浇得同一种铸件在每一炉次甚至同一炉次的尺寸都有差异。

一般灰铁件的收缩率在０．７％￣１％之间。

箱体类零件的尺寸精度除偏芯、变形以及受铸件收缩率影响外，还受到错箱、机械加工中的定位误差和机械加工误差的影响。

因此，要生产出合格的零件，在复杂形状箱体类铸件铸造模具设计制造中必须采取一系列的工艺措施，选择灵活适当的工艺参数。

该铸件可视作由近似长方箱体和喇叭口盘状两部分形状组成。

泥芯被金属包裹面积较大。

喇叭口盘状泥芯尺寸较大，为增强泥芯的排气，在分芯面处开通气槽、扎通气孔，这样既利于浇注时泥芯中的气体排出，也利于泥芯烘干时气体的排出，缩短泥芯的烘干时间。

当烘干时间不足时，喇叭口盘状泥芯中心部位常易出现不干现象。

四浇注系统设计、工艺参数计算及措施

浇注系统的设计

①分流道的截面形状：

通常分流道的断面形状有圆形、矩形、梯形、U形和六角形等。

恰当合理的分流道形状和尺寸应根据制品的体积，壁厚，形状复杂程度，模腔的数量以及所用塑料的性能等因素综合考虑。

分流道长度取决于模具型腔的总体布置方案和浇口位置。

从输送熔体时的减少压力损失和热量损失的要求出发，应力求缩短。

分流道断面尺寸取决于多种因素，其中包括塑件重量和壁厚，塑料粘度和分流道本身的长度。

分流道断面积应能保证型腔充满并补充因腔内塑料收缩所需的熔体后方可冷却凝固。

综合考虑选用矩形分流道。

②分流道的布置：

分流道的布置取决于型腔的布局，两者相互影响。

分流道的布置形式分平衡式与非平衡式两类，这里我们选用的是平衡式的布置方法。

③分流道与浇口的连接：

分流道与浇口的连接处应加工成斜面，并用圆弧过渡，有利于塑料熔体的流动及充填。

D、浇口的设计：

浇口的理想尺寸很难用理论公式计算，通常根据经验确定，取其下限，然后在试模过程中逐步加以修正。

一般浇口的截面积为分流道截面积的3%～9%，截面形状常为矩形或圆形，浇口长度为0.5～2mm，表面粗糙度Ra不低于0.4μm。

浇口的结构形式很多，按照浇口的形状可以分为点浇口、扇形浇口、盘形浇口、环形浇口、及薄片式浇口。

而我们这里选用的是点浇口。

简图如图七

图七点浇口

浇口位置的选择直接影响到制品的质量问题，所以我们在开设浇口时应注意以下几点：

①浇口应开在能使型腔各个角落同时充满的位置。

②浇口应设在制品壁厚较厚的部位，以利于补缩。

③浇口的位置选择应有利于型腔中气体的排除。

④浇口的位置应选择在能避免制品产生熔合纹的部位。

⑤对于带细长型芯的模具，宜采用中心顶部进料方式，以避免型芯受冲击变形。

⑥浇口应设在不影响制品外观的部位。

⑦不要在制品承受弯曲载荷或冲击的部位设置浇口。

根据铸件特点采取中间分型、分芯方式，浇注为了提高铸型系统开设在分型面处，采用封闭式。

通气性，在所有最高点处扎!

６ｍｍ明出气孔，同时在最高处设一!

１００ｍｍ顶部缩颈冒口，既起排气、溢流又起补缩作用。

工艺图如图２所示。

4．１工艺参数的计算

浇注时间

式中：

ｔ为浇注时间（ｓ）；Ｓ为系数；ＧＬ为型内金属液总质量（ｋｇ）。

平均静压力头

ＨＰ＝Ｈ０－０．１２５ｈｃ＝３５－０．１２５×４８．８≈２８．９（ｃｍ）

式中：

ＨＰ为平均静压力头（ｃｍ）；Ｈ０为作用于内浇道的金属液静压力头（ｃｍ）；ｈｃ为铸件高度（ｃｍ）。

平均有效静压力头

ｈｐ＝ｋ２＝ＨＰ＝1.42１＋ｋ１＋ｋ２＝１＋１．２＋１．４

式中：

ｈｐ为平均有效静压力头（ｃｍ）；ｋ１、２为系ｋ数。

内浇道总断面积

Ｆ直：

"Ｆ横：

#Ｆ内＝１．４：

１．２：

１

式中：

$Ｆ内为内浇道总断面积（ｃｍ２）；Ｆ直为直浇道断面积（ｃｍ２）；%Ｆ横为横浇道总断面积（ｃｍ２）。

4．２工艺参数的校核

型内液面上升速度

ｖＬ＝ｈｃ＝４８．８≈２．３（ｃｍ／ｓ）＞２ｃｍ／ｓ，符合要求。

最小剩余压力头高度

ｈｍ＝Ｌｔａｎ"＝４０ｔａｎ１０≈７（ｃｍ）＜１２ｃｍ，符合要求。

式中：

ｈｍ为最小剩余压力头（ｃｍ）；Ｌ为液态金属的流程（ｃｍ）；α为压力角（°。

）

4．３工艺措施

外模采用漏模起模形式，顶面机械加工余量取４ｍｍ，底面、侧面机械加工余量取３ｍｍ，拔模斜度取１ｍｍ正拔模斜度，长度方向收缩率取１％，其它方向取０．７％。

变速箱壳体机械加工时，以下面大圆盘进行主定位，上部侧面两点进行辅助定位。

由于铸件长度方向尺寸较长（约５５０ｍｍ），同时结构较复杂，需采取一定的工艺措施保证，为此在方法兰背面增加1ｍｍ厚度的工艺补正量，以保证在发生１ｍｍ以内错箱时法兰强度不受影响。

同时对各种塔子按长度方向增加２ｍｍ工艺补正量。

方法兰连接孔处的槽左右各增加１ｍｍ宽度，这样利于装配。

需泥芯中的各轴承孔机械加工余量取６ｍｍ。

加工的凸台机械加工余量取５ｍｍ。

芯头按零件开口处形状随形设计，这样披缝易于清除。

上型芯头外模于泥芯之间设置０．５ｍｍ间隙。

为防止芯头处产生挤砂缺陷，在芯头一周设置１．５ｍｍ×ｍｍ防压砂环，如图３Ａ处所示。

同时为了防止泥芯产生上漂现象，在上芯头处设置压砂环，如图３Ｂ处所示。

内腔各球形塔子按图纸要求高度，增加圆弧半径，以防止偏移而造成螺孔打穿。

因变速箱壳体泥芯尺寸较复杂，合脂泥芯因蠕变的影响，高度尺寸变化较大，为保证泥芯尺寸，在泥芯高度方向留２ｍｍ磨削余量，待泥芯烘干后借助磨芯工装通过磨芯机磨削，保证高度方向尺寸。

在大喇叭状上、下泥芯尾部分别设计两个平台以利磨削泥芯时进行定位，同时利于下箱泥芯的定位和防止泥芯旋转。

在下箱泥芯两端的芯头部位分别设置两处空腔，以利于下泥芯时由手抬泥芯或夹具夹持泥芯。

生产中发现，方法兰中部常出现裂纹。

分析认为，方法兰窗口处收缩阻力大，应力很大，由于清理铸件时锤击方法兰中部，从而引起裂纹出现。

当清理铸件时，只锤击方法兰一周，不锤击方法兰中部，裂纹问题基本解决。

五模具设计要点

外模与型板联接处设计一圈３０ｍｍ宽、３0mm高法兰，以利于增设和改动螺孔和定位销孔，同时利于在日后的模具维护中重新设置螺孔和定位销孔。

为增加模具的强度，在模具内腔设置一定数量的加强筋，加强筋高度至分型面，漏模框与外模之间间隙取０．５ｍｍ。

如图４所示。

为防止手工扎气孔时，使扎气孔根部铸型变形或破坏，在需扎气孔部设置!

８ｍｍ×３０ｍｍ通气针，铸型起模后手工扎穿。

芯盒主体采用铸铝件。

芯盒中铸件中间的筋板取负拔模斜度，做成镶块结构，这样以利于筋板位置产生误差需调整时，进行调整，同时还利于日后维护和更换；材料采用球墨铸铁件以提高燕尾部分的强度和耐磨性，因为中间筋板容易损坏，活块的燕尾和筋板的燕尾槽易于磨损。

轴承孔机械加工余量取６ｍｍ，塔子不易拔模处做成活块，材料采用铸铜件，机械加工余量取５ｍｍ，活块深度至镶块底，高出泥芯高度，以利于取活块，如图５所示。

活块与芯盒体接合尖角处活块做出３×倒４５°角，以防止散砂垫起活块；同时在活块两端芯盒体底部各设一小孔，以利于落入活块底座的散落砂的清除，如图５Ａ处所示。

在各泥芯头外端一周，根据刀具情况加工Ｒ５￣１０ｍｍ圆角，以防止下芯时产生铲砂并起积砂槽作用，如图３Ｃ处所示。

为增强芯盒强度和刚度，在芯盒底增加一定高度，在芯盒的底部和侧面设置适当数量的加强筋，芯盒上面加厚４ｍｍ耐磨钢板。

六冷铁设计

冷铁分为内冷铁和外冷铁。

内冷铁：

将金属激冷物插入铸件型腔中需要激冷的部位，使合金激冷并同铸件熔为一体，这种金属激冷物称为内冷铁，内冷铁主要用于黑色金属厚大铸样。

使用内冷铁的注意事项是：

1）使用前，内冷铁要喷丸或喷砂处理，去除表面锈蚀和油污，常镀锌或镀锡防氧化。

2）砂型内放置内冷铁后应在3h—4h内浇注，防止内冷铁上聚集水分而产生气孔。

3）承受高温、高压和质量要求很高的铸件，不宜放内冷铁。

4）放内冷铁的铸型上方应有出气孔，如上方是暗冒口，冒口上也应有较大的出气孔。

5）采用栅状内冷铁时，单根冷铁的直径不大于30mm。

6）内冷铁在铸件加工后不得暴露，以免影响铸件的力学性能。

外冷铁：

外冷铁又分为直接外冷铁和间接外冷铁两类。

1）直接外冷铁是只与铸件的部分内外表面接触而不熔接在一起的金属激冷物，实际上它成为铸型或型芯的部分型腔表面。

2）间接外冷铁同被激冷铸件之间有10～15mm厚的砂层相隔，故又称隔砂冷铁、暗冷铁。

间接外冷铁激冷作用弱，应用较少。

使用外冷铁的注意事项为：

1外冷铁紧贴铸件表面的部位应光洁，除去锈污等各种脏物，有时要刷涂料。

2对于易产生裂纹的铸造合金浇注的铸件，使用外冷铁时应带有一定的斜度（如45°），以免型砂和冷铁分界处因冷却速度差别过大而形成裂纹。

冷铁的作用

1.与浇注系统和冒口配合控制铸件的凝固次序。

2.加速铸件的凝固速度，细化晶粒组织，提高铸件的力学性能。

3.减小冒口尺寸，提高工艺出品率。

冷铁材料的选择

可以制作冷铁的材料很多，凡是比砂型材料的热导率、蓄热系数大的金属和非金属材料均可选用。

生产中常用的冷铁材料有铸铁、铝合金、石墨和铜合金等，各种冷铁材料的热物理系数见下表1。

冷铁安放位置的确定

冷铁能否充分发挥作用，关键在于安放的位置是否合理。

确定冷铁在铸型中的位置，主要取决于要求冷铁所起的作用以及铸件的结构、形状，同时还需要考虑冒口和浇注系统的位置。

（1）要求冷铁所起作用的分析:

（2）铸件结构的分析:

（3）与冒口配合使用

（4）浇注系统及引入位置的影响:

冷铁形状的确定

冷铁的形状取决于使用冷铁部位铸件的形状和冷铁所应起的作用.常用冷铁分为成型冷铁和平面冷铁两类。

在铸件理论型面及转角处一般使角成型冷铁，冷铁的形状应与放置冷铁的铸件形状相符合。

在铸件底部、端部和平面部分，常放置平面冷铁。

实际生产中常使用长方形、圆形、方形的冷铁。

其厚度一般为10，12,15,20,30mm。

也常制出一批长、宽尺寸不同、直径不同的标准冷铁供生产中选用。

这样有利于管理、有利于缩短试制和全产周期。

七结束语

对于箱体类铸件，虽然可以通过先期用木模试制取得一些数据，但因试制时是手工造型，影响因素复杂，因此，对于未进行过类似机造模具设计者，初次进行模具设计时，务必注意工艺补正量的应用，同时在相对长度较长的方向预留修正量，这样当试模中发生较大误差时可以进行补充加工，以获得较理想的铸造模具。

八参考文献

[1]、王文清,李魁胜.《铸造工艺学》.北京:

机械工业出版社,1998

[2]、叶荣茂.《铸造工艺设计简明手册》.北京:

机械工业出版社,1997

[3]﹑《铸造工装设计手册》编写组编.铸造工装设计手册,机械工业出版社,1989

[4]、曹善堂主编.《铸造设备选用手册》.北京:

机械工业出版社,1990.5

[5]陆文华，黄良余，等．《铸造合金及其熔炼》［Ｍ］．北京：

机械工业出版社，2002．

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[7]张立波,田世江，等．《中国铸造新技术发展趋势》［J］．铸造.2005，1．

[8]魏华胜主编.《铸造工艺基础》.机械工业出版社.

[9]唐剑主编.《铝合金熔炼与铸造技术》.冶金工业出版社.

[10]约翰·坎贝尔. 《铸造原理》.科学出版社.