汽车前轮毂铸造工艺设计(范例).doc

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毕业设计用纸

中文摘要

本设计是对汽车前轮毂零件进行铸造毛坯工艺设计。

根据零件的使用条件、结构特点、生产批量，结合工厂现有设备等进行铸造工艺分析，确定了铸造方法、造型及造芯方法、凝固原则及浇注位置、分型面、砂箱中铸件数量、砂型数量等，完成了砂芯、浇注系统、冒口及冷铁、相关工装设备等设计，并进行铸件质量控制分析及制定了检验要求。

关键词：

砂型铸造，工艺分析，工艺设计，质量控制

ABSTRACT

Thisdesignisthecastingblanktechnologydesignforfronthubbearingincar.Accordingtotheapplicationconditions,structuralfeatures,productionbatchofthepartandexistingequipment,itdoesthecastingtechnologyanalysis,determinesthemethodofcasting,modeling,coremaking,solidificationprinciplesandpouringposition,partingsurface,thequantityofcastingandmold,etc.Itcompletesthedesignofsandcore,pouringsystem,riser,chill,equipment,doesthequalitycontrolanalysisofcastingand

constitutestheinspectionrequirements.

Keywords:

sandmoldcasting，technologyanalysis，technologydesign，qualitycontrol

目录

第一章汽车前轮毂工艺分析 2

1.1汽车前轮毂 2

1.2生产条件及技术要求 2

1.3工艺分析 2

第二章工艺方案的确定 2

2.1铸造方法的选择 2

2.2造型、造芯方法的选择 2

2.3凝固原则、浇注位置的确定 2

2.4分型面的选择 2

2.5砂箱中铸件数量的确定 2

2.6砂芯数量的确定 2

2.7主要工艺参数的确定 2

2.7.1铸造收缩率的选择 2

2..7.2铸造精度及尺寸、重量偏差的确定 2

2.7.3机械加工余量的确定 2

2.7.4拔模斜度的确定 2

2.8砂芯设计 2

2.9浇注系统的设计 2

2.9.1浇注系统类型的选择 2

2.9.2浇注系统的设计与计算 2

2.10冒口及冷铁的设计 2

2.10.1冒口的设计 2

2.10.2冒口的校核 2

2.10.3冷铁的设计 2

2.11排气的设计 2

2.12铸件图及铸件工艺图 2

第三章型、芯砂种类及配方的选择 2

3.1型砂种类及配方的选择 2

3.2芯砂种类及配方的选择 2

3.2芯砂种类及配方的选择 2

第四章工艺装备的设计 2

4.1模样的设计 2

4.2模底的设计 2

4.3芯盒的设计 2

4.4砂箱的设计 2

第五章铸件的熔炼、浇注、落砂、清理、热处理要求 2

5.1熔炼 2

5.2浇注 2

5.3落砂 2

5.4清理 2

5.5热处理 2

第六章铸造质量控制 2

6.1铸造缺陷分析及防止措施 2

6.2铸件质量检验 2

参考文献 4

致谢 4

第一章汽车前轮毂工艺分析

1.1汽车前轮毂

图1-1为汽车前轮毂零件三维图，汽车在行驶过程中轮毂作旋转运动，内孔装有轴承。

由于汽车前轮也起支撑汽车的作用，因此，装于前轮中央的轮毂是受力零件。

图1-1汽车前轮毂零件三维图（可以是零件照片）

1.2生产条件及技术要求

汽车前轮毂生产性质为成批生产，材质为ZG270-500。

零件的主要技术要求：

机械性能应满足：

σb＞500MPaak＞35MPa

精度要求：

详见图1-2汽车前轮毂零件图。

铸件内部不得有缩孔、缩松等缺陷，Φ420的圆加工后允许出现黑皮，铸件表面光洁，轮廓清晰。

图1-2汽车前轮毂零件图（此图应从CAD图中抓取）

1.3工艺分析

该零件的主要壁厚为21mm，最大壁厚为30mm,最小壁厚为4mm，整个铸件的壁厚较均匀，外轮廓尺寸为：

420×420×184mm3。

法兰与轮毂体交接处形成热节需冒口补缩，最小壁厚处加加工余量后可以铸出来，法兰上12XΦ16、毂体上8XM22X1.5及12XM6可不铸出，铸造后机械加工出来，安装轴承的Φ210和Φ200表面有较高的加工要求，零件的结构铸造工艺性较好，生产批量为成批生产，所以毛坯的生产方法为砂型铸造。

材料ZG270-500能满足零件的使用要求和适于砂型铸造。

第二章工艺方案的确定

2.1铸造方法的选择

由于汽车前轮毂生产批量为成批生产，零件结构不复杂，结合工工厂材料的供应情况，考虑技术上的先进性与经济的合理性，所以确定其毛坯生产方法为普通砂型铸造，砂型种类为湿型。

2.2造型、造芯方法的选择

根据零件轮廓尺寸420×420×173mm3和工厂设备条件，造型方法为Z148B单机砂箱地面造型，气吊与行车运输，造芯方法为手工芯盒造芯。

2.3凝固原则、浇注位置的确定

凝固原则：

铸件材质为ZG270-500，收缩较大（εV=4.3%），为了有利于补缩，采用顺序凝固。

浇注位置：

为了保证铸件质量，必须把最重要的加工面在浇注时向下或直立状态。

由零件的技术要求知道：

Φ200和Φ210的圆表面光洁度要求高，内部安装轴承，尺寸精度比较高，因此，应将两圆柱面呈直立状态，同时从顺序凝固的原则出发，将厚大部位放在上面，以便于安放冒口，得到顺序凝固。

综合考虑结果：

确定本件的浇注位置如图2-1所示。

图2-1浇注位置

冷却位置与浇注位置一致。

2.4分型面的选择

此件可有三种分型面方案：

方案І：

，如图2-2所示可将铸件对称分布在两铸型内，模样易制作，但造型、下芯不方便，铸件内孔的精度不易保证，且为了保证浇注位置须将铸型翻转90º，劳动量大。

图2-2方案Ⅰ

方案II：

如图2-3所示铸件在同一铸型内，可以保证其尺寸精度，且下芯后便于检查壁厚是否均匀，砂型稳固，造型简单，但顶注不平稳，易产生冲砂，同时上箱小，下箱大，起模行程大。

有一个砂芯较大，不易制作。

图2-3方案Ⅱ

方案III：

如图2-4所示铸件大部分在同一铸型内，能够保证其尺寸精度，下芯也便于检查，同时满足合箱，浇注，冷却位置一致，采用侧浇，切向引入改善了浇注时的充型不平稳，减少了冲击，防止了冲砂缺陷的产生，上、下箱相差不大，造型简单。

缺点是有一个砂芯复杂，要求高，模样加工困难。

图2-4方案Ⅲ

经过比较，综合考虑，为保证铸件质量，采用方案III较合理。

2.5砂箱中铸件数量的确定

由[3]附录附表1-1查得Z148B造型机所对应的砂箱最大内尺寸长X宽为850X475mm2，四个顶杆间距长X宽为736X538，根据铸件重量63.2kg由[3]表12-3查得其最小吃砂量各参数为：

a=50mm，b=70mm，c=90mm，d=70mm，f=40mm，g=50mm，铸件轮廓为420×420×184mm3，因此砂箱中最多只能放一只铸件。

2.6砂芯数量的确定

根据铸件结构和已选定的分型面，必用两个芯子，如图2-5所示。

图2-5砂芯数量图

2.7主要工艺参数的确定

2.7.1铸造收缩率的选择

根据实际生产情况，并参考[3]表3-1，确定该件的收缩率为2%。

2.7.2铸造精度及尺寸、重量偏差的确定

由于铸件的精度要求较高，且是机器造型金属模，确定该件的精度为Ⅰ级，由[3]表3-17查得尺寸偏差为±2.5mm，表3-20查得重量偏差8%。

2.7.3机械加工余量的确定

按一级精度铸件查[3]表3-7，并考虑实际情况，确定加工余量，具体数值见铸件工艺图。

2.7.4拔模斜度的确定

按零件图尺寸采用增厚法。

根据[3]表3-21确定拔模斜度为1º30'-2º。

2.8砂芯设计

铸件需2个砂芯，均用手工芯盒造芯。

砂芯由砂芯主体和芯头组成，1#砂芯用水玻璃砂，根据铸件放置位置确定为垂直芯头，结合其基本尺寸参考[3]表4-2取下芯头高为50mm，因砂芯高度和直径差不多，不用上芯头，由表4-3确定下芯头斜度为5°，由表4-4确定下芯头与芯座间隙为1.5mm，由表4-7确定防压环和集砂槽的尺寸,2#砂芯形状复杂，局部有细薄突起，故2#芯选用脂砂,详见铸件工艺图。

合箱时先下1#砂芯，后下2#砂芯。

2.9浇注系统的设计

浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。

浇注系统截面积大小对铸件质量影响很大，截面积太小，浇注时间长，可能产生浇不足、冷隔、砂眼等缺陷；截面积过大，浇注速度快，又可能收起冲砂，带入熔潭和气体，使铸件产生渣孔、气孔等缺陷。

为了使金属液以适宜的速度充填铸型，就必须合理确定浇注系统的面积。

2.9.1浇注系统类型的选择

由于铸件材质为ZG270-500，铸造质量要求较高。

浇注系统应要求较高的防氧化能力，本应采取漏包浇注，但由于铸件较小，使用漏包不易控制，为此使用转包浇注。

采用转包浇注铸钢件，浇注系统应有较好的撇渣能力，需要用封闭式或半封闭式，本设计浇注系统采用封闭式的，根据[6]表5-53，及工厂的情况，选用侧注式浇注系统。

因砂箱中只放置一个铸件，所以浇注系统只需设计浇口杯、直浇道和内浇道，无横浇道，使铸件内腔与内浇道相切，内浇道与直浇道相连，采用梯形的内浇道。

2.9.2浇注系统的设计与计算

因采用了转包浇注，浇注系统是封闭式的，其浇注方式与铸铁件相同，所以计算公式都采用转包浇注铸铁件公式，但式中的系数选择不一样，以此计算出该浇注系统浇注时间、内浇道截面积、浇注系统各组元断面尺寸，并校核最小压力头。

1浇口杯设计：

浇口杯是用来接纳来自浇包的金属液流的，因为铸件是小型的铸钢件，所以浇口杯采用结构简便、制作方便、容积小、在机器造型中广泛使用的普通漏斗形浇口杯，其截面形状与尺寸如图2-6中a所示。

2浇注时间：

其中：

C是系数根据相对密度KV查取，G是浇入砂型内钢水的总重量（kg）。

式中V是铸件的轮廓体积。

V=π/4×4.22×1.84=25.5dm3

取铸件重量是零件重量放大15%得到55（1+15%）=63.2（kg）

浇冒口系统选铸件重量的50%，即：

G=63.5（1+15%）=94.8（kg）

由[3]表5-34查得C=1.1

故浇注时间=10.7秒

选取t=11秒。

3内浇道截面积的计算：

由[3]P132查得以浇注比速为基础的计算公式：

式中：

G=94.8kg，t=11秒，K是浇注速比由表5-34查得0.75（根据KV=3.7查表），L是钢水流动系数，碳钢L取1.0。

代入上式：

则≈11.5cm2

截面形状为梯形，根据面积确定尺寸如图2-6中b所示：

abc

图2-6浇口杯、内浇道、内浇道截面形状与尺寸

4各组元面积的确定：

因该浇注系统无横浇道，所以只需再确定直浇道，其截面为圆形，形式为无斜度的圆管，H0即内浇道静压头高度为200mm。

参考[3]P132得比例关系为∑F直:

∑F内=1.1:

1

则∑F直=11.5×1.1=12.7cm2

由面积确定直径尺寸为40mm，如图2-6中c所示。

5最小压力头的校核：

为了保证能充满离最远最高的部分，并且能轮廓清晰完整，上表面无缩凹缺陷的铸件，铸件最高点到浇口杯内液面的高度必须有一最小值，即最小剩余压力头Hm，这就要求直浇道应该有必要的高度。

由所设计的铸件工艺图可得到如图2-7最小剩余压力头的压力角简图：

L=300+210=510mm

Hm=200-30=170mm

校核公式tgα=Hm/L=170/510=0.337

查得α=18º26'

式中：

α是最小剩余压力头的压力角，L是直浇道到铸件最高最远的距离，Hm是最小剩余压力头。

由[3]表5-8查得α=9º，故压力头足够。

图2-7最小剩余压力头的压力角简图

2.10冒口及冷铁的设计

2.10.1冒口的设计

铸件法兰与轮毂体交接处形成热节，容易产生分散性的缩松，严重降低铸件的机械强度。

该件在汽车工作时是个受力件，其技术条件要求铸件内部不得有缩孔、缩松等缺陷，所以在铸件上必需设置一定数量的冒口以消除缩孔、缩松。

因铸件在上砂箱高度只有30mm，且铸件较小并采用机器造型，为减少冒口的金属消耗而采用暗顶型。

冒口设置在铸件最高最厚的部位。

铸钢件冒口的计算方法很多，常用的方法有按照补缩液量计算、按照比例法计算、按照模数法诸，本设计用按照比例法中的热节圆法计算设计。

1确定热节圆直径

用作图得热节圆直径dy（作图时包括加工余量、补贴等），如图2-8所示。

2-8作图法求热节圆

dy由计算机作图得34，取dy=40mm。

2确定冒口形状、尺寸

冒口的尺寸对于铸件的质量很重要，冒口过小将导致铸件产生缩孔、缩松等缺陷；冒口过大，浪费金属，增加铸件成本，甚至有时会因冒口过在，使铸件局部组织粗大，内应力过大，造成裂纹，致使铸件报废，所以冒口尺寸应查表确定。

由铸件结构特点在[3]表6-7中选第3号腰形暗冒口：

因为H件/dy=184/40=4.6（H件是铸件高度）

所以B=（2.1~2.5）dy=（2.1~2.5）×40=84~100（B为冒口宽度）

取B=85mm

H=1.5B=1.5×85=127.5mm，取H=120mm（H为冒口高度）

冒口形状尺寸如图2-9所示。

图2-9冒口形状及尺寸

3补贴

为了达到顺序凝固的目的，保证有良好的补缩通道，以充分发挥冒口的补缩作用，在冒口下面增加的铸件工艺余量，即为补贴。

补贴尺寸一般是根据生产经验确定的，查[3]图6-8，该件可不加补贴。

为了提高补缩效果，加补贴6mm。

根据铸件的结构特点及冒口的补缩能力，共放两个，布局如图2-10所示。

2-10冒口布局

2.10.1冒口的校核

1冒口补缩距离的核算：

补缩距离冒口的补缩范围，由[3]表6-4查得该铸件有效补缩距离为（4~6）T（此处T为热节圆直径），铸件冒口补缩距离为两段弧长，如图2-11所示。

计算冒口补缩距离=π×220-[π×220（38×2）/360+2×42.5]×2=115mm

（4~6）T=（4~6）×40=160~240mm

因为115<160~240

所以冒口补缩距离足够。

图2-11补缩距离

也可由冒口延续度来校核。

由[8表3-10]查得普通铸钢件的冒口延续度为38～40%。

实际冒口延续度=（π×220×（38×4）/360+4×42.5）/（π×220）=66.8%

因为66.8%>40%

所以冒口的补缩距离足够。

2冒口补缩能力的较核：

由[3]表6-16冒口补缩能力的计算查得腰形冒口内缩孔的总体积为0.14V冒，能补缩的最大体积为（14%-εV总）/εV总×V冒，得到V铸件=（14%-εV总）/εV总×V冒

式中的εV总查[3]表6-2查得金属凝固时的体收缩率εV总=4.5%

V冒=π[0.852+（3.052-1.352）×38×2÷360]÷4×1.2=4.3dm3

V铸件=（14%-4.5%）/4.5%×4.3=9.07dm3

实际V'铸件=重量/密度=63.2/7.8=8.1dm3

式中密度取7.8kg/dm3。

由于V铸件>V'铸件，冒口足够补缩的。

3工艺出品率核算：

冒口各部分尺寸计算后，应用经过大量生产实践总结出来的“铸件工艺出品率”即成品率来校核，衡量。

工艺出品率太大时，说明所设计的冒口偏小或数量不够，应加大冒口或增加冒口数量；工艺出品率太小，则应适当减小所设计的冒口。

查由[3]表6-5碳钢及低合金铸件的工艺出品率为61～65%。

实际工艺出品率=铸件毛坯重量/（铸件毛坯重量+浇口重量+冒口重量+补贴重量）=63.2/94.8×100%=66.6%。

两者接近，所以冒口的尺寸是合理和可行的。

2.10.3冷铁的设计

因铸件是小型件，冒口补缩能力和工艺出品率均符合规定，所以不需要再设置冷铁。

2.11排气的设计

铸件浇注过程中，在型腔中的会产生气体，如果不能及时排出，会产生气孔铸造缺陷，所以应合理设计排气系统。

1砂型的排气

两个冒口是排气通道，上箱造完型后，在二冒口顶部各扎直径16的出气孔一个。

2砂芯的排气

1#垂直砂芯，从下砂箱扎出气孔，使气体由上向下排出，2#砂芯形状较复杂，通气道应通到分型面，使气体由下向上排出。

为增加透气性，砂箱开设了出气孔。

2.12铸件图及铸件工艺图

铸件的生产批量为成批生产，可不出铸件图，用铸件工艺图来指导生产。

铸件工艺图如2-12所示。

图2-12前轮毂铸造工艺图

第三章型、芯砂种类及配方的选择

3.1型砂种类及配方的选择

砂型和砂芯直接承受合金液的作用，关系到铸件质量和生产成本，铸件中的一些缺陷都与造型材料有直接关系，造型材料在生产中占有重要的地位。

铸件材质为ZG270-500，湿型机器造型，浇注温度在1500℃以上，要求型砂透气性好，强度、耐火度高。

因铸钢液含碳量较低，型腔中缺乏防止金属氧化的强还原性气氛，在与铸型相接触的界面上金属容易氧化，生成Fe和其他金属氧化物，因而较易与型砂中的杂质进行化学反应而造成化学粘砂。

所以要求原砂中的SiO2含量应较高，含Si量>96%，有害杂质应严格控制；为了防止铸件增碳，要求型砂中泥量低、水分低，因而水分控制在4-4.5%；型砂中不含煤粉和含泥量低，为了保证铸件表面光洁，不产生机械粘砂，选用较细筛号的硅砂，可选用70号或100号的硅砂，粘接剂为铸造用膨润土。

参考[2]表2-8采用2S石英砂，粒度均匀，其配比和性能见表3-1：

表3-1（面砂配方）

配比（重量%）

型砂性能

新砂

膨润土

重油

水分%

湿压强度

透气性

100（70/100）

7.5

1-1.5

4-4.5

5-7.5N/cm2

110-150

3.2芯砂种类及配方的选择

铸件中需个砂芯，1#垂直芯头，原砂与型砂相同，粘接剂采用水玻璃砂，用CO2硬化，在压力为0.15-0.2.5MPa下，吹气为时间2-3分钟。

芯砂配方见表3-2：

表3-2（水玻璃砂配方）

芯砂配比（重量%）

芯砂性能

新砂

水玻璃

水分%

湿透气性

干拉强度

100（70/140）

6-7

4-4.5

>300

90-100N/cm2

2#芯结构较为复杂，原砂与型砂相同，为减少铸件缺陷，采用合脂砂，烘干温度为220℃，烘干时间为3小时，在末冷却前，不宜般动，以防损坏砂芯，合脂配方见表3-3：

表3-3（合脂砂配方）

芯砂配比（%）

芯砂性能

干燥规范

新砂

合脂

膨润土

纸浆

干拉强度

湿拉强度

加热温度

保温时间

100（70/140）

2.5-3

0.5-1

2.2-3

100-300N/cm2

1.5-2.5N/cm2

220℃

3小时

砂芯表面一般都要刷上涂料，用以提高型芯表层的耐火度、保温性、化学稳定性，使型芯表面光滑，并提高其抵抗高温熔融金属的侵蚀能力。

本铸件砂芯表面涂料成分确定为：

石英粉100、陶土2-4、粘土2、水柏油4、适量的水。

第四章工艺装备的设计

铸造工艺装备是铸造生产过程中所用的各种模具、工夹量具，下面就简单介绍一下铸件的模样、模板、芯盒、砂箱的设计。

4.1模样的设计

模样是用形成铸型的型腔，关系到铸件的形状和尺寸精度，铸件的模样是金属模。

1材料

为满足生产的要求：

耐磨、有足够的强度，同时考虑便于加工制造，用ZL104。

2结构设计

如图4-1所示，因模样尺寸较大，所以设计成整铸式空心模样，壁厚为10mm，中间设计加强筋，上、下模样都无特殊要求，与模板配合均采用平放式、上固定法。

用M10的螺钉紧固和两个定位销定位，螺钉孔及销孔与型板配钻，沉头螺钉安装后，均用塑料填平修光。

a上模板装配简图

b下模板装配简图

图4-1模板装配简图

4.2模板的设计

铸件的模板由模样和浇冒口系统模样与模底板通过螺钉、螺栓、定位销装配而成。

模底板的工作面形成铸型的分型面。

模底板的设计：

1材料

为满足一定的机械性能要求，同时考虑便于手工加工制造，成本低，选用材料HT150。

结构设计

根据砂箱尺寸，造型机的要求，确定底板板面尺寸为730×730，高度为90mm，设计的加强筋见上、下模板装配图，定位销与导向销安装在底板上，模上设四个紧固耳，用螺栓把其固定在制造机上，为搬运方便，模底板上设置了四个吊轴。

4.3芯盒的设计

芯盒制造型芯必需的模具，其尺寸精度和结构是否合理，对型芯的质量和造芯效率影响很大，由于本设计为手工制芯，芯盒要求结构简单，体积小，重量轻，操作方便，且要易于制造、修理，故芯盒材料选用ZL104。

根据芯盒的轮廓尺寸和材料，由[3]表11-4选取壁厚为8mm。

外型随形处理，为增加强度和刚度，设置了加强筋，为延长芯盒的使用寿命，刮砂面加设了耐磨片。

根据1#芯的形状特征，采用对开芯盒，由两个可折式定位销定位，夹紧装置采用蝶形螺母和活节螺栓。

4.4砂箱的设计

砂箱的结构既要符合砂型工艺的要求，又要符合车间的造型、运输设备的要求。

铸件砂箱采用整铸式，材料为ZG35，为增加强度，其内设有加强筋，为防止在翻箱过程中发生塌箱，箱壁呈斜形，为增加透气性，开设了出气孔。

根据[3]表12-3，考虑合理的吃砂量及Z148B造型机的要求，砂箱内部尺寸定为650×650×200/320，合箱时采用插销定位，合箱后采用锲形卡锁紧。

第五章铸件的熔炼、浇注、落砂、清理、热处理要求

5.1熔炼

原钢水成分：

C：

0.32～0.42%Si:

0.2～0.45%Mn:

0.05～0.80%S<0.05%P<0.05%

熔炼设备：

三相电弧炉。

5.2浇注

采用转包浇注，浇注温度：

1510℃～1530℃，浇注前，应把熔融金属表面的熔渣除尽，以免浇入铸型而影响质量。

浇注时，须使浇口杯保持充满，不