泵体的铸造工艺设计分析 研究报告文档格式.docx
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致谢………………………………………………………………………………….27
参考文献…………………………………………………………………………….28
附录A:
主要参考文献摘要………………………………………………………29
附录B:
英文原文及翻译……………………………………………………………31
插图清单
图2-1零件的结构图…………………………………………………………………….4
图2-2零件的三维造型图………………………………………………………………….5
图2-3增加铸件尺寸法……………………………………………………………………….7
图3-1铸件的分型面的选择……………………………………………………………….10
图4-1内浇道…………………………………………………………………………….16
图4-2横浇道…………………………………………………………………………….16
图4-3直浇道…………………………………………………………………………….16
图4-4浇口杯…………………………………………………………………………….17
图5-1温度场计算分析流程图……………………………………………………………20
图5-2原始工艺的凝固过程照片………………………………………………………….21
图5-3优化工艺的凝固过程照片………………………………………………………….22
表格清单
表2-1砂型铸造时铸件最小允许壁厚…………………………………………………….5
表2-2HT200具体成分和含量………………………………………………………….5
表2-3用于成批或大量生产与铸件尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量等级…….6
表2-4与铸件尺寸公差配套使用的机械加工余量……………………………………….6
表2-5铸件的最小铸出孔…………………………………………………………….8
表3-1型（芯）砂各成分含量………………………………………………………….9
表3-2按铸件重量确定的吃沙量……………………………………………………….11
表3-3水平芯头与芯座之间的间隙……………………………………………………….12
表3-4压环、防压环和积砂槽…………………………………………………………….12
表4-1最小液面上升速度与铸件壁厚关系…………………………………………….15
表4-2铸铁件的流量损耗系数值……………………………………………………….15
表5-1国内外商品化数值模拟软件的简介………………………………………………18
引言
铸造工艺设计人员在设计的过程中应时刻关心铸件成本，节约能量和环境保护问题。
从零件结构的铸造工艺性的改进，铸造，造型，造芯方法的选择，铸造方案的确定，浇注系统和冒口的设计，直至铸件清理方法等，每到工序都与上述问题有关。
采用不同的工艺，对铸造车间或工厂的金属成本，熔炼金属量，能源消耗，铸件工艺出品率和成品率，工时费用，铸件成本和利润率等都有显著的影响。
铸造工艺设计应是追求以最少的成本和损耗生产出质量最好，竞争品质最强的铸件产品。
此外要求设计者有一定的生产经验和设计经验并应对铸造先进技术有所了解。
铸造生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。
节约能源和原材料的新技术将会得到优先发展，少产生或不产生污染的新工艺新设备将首先受到重视。
质量控制技术在各道工序的检测和无损探伤、应力测定方面，将有新的发展。
铸造工艺课程设计一门专业基础课，毕业设计是对未来将要从事的工作进行一次全面、系统地训练，从中锻炼分析问题的能力，提高解决问题的能力为以后打下基础。
第1章绪论
1.1概述
铸造技术作为一门古老又常新的金属成型方法已经有两千多年的历史。
它在推动社会的进步、孕育人类文明以及人类认识自然、改造自然的历史进程中发挥了基础性的作用。
在当代社会中，铸造技术仍然是材料加工中不可或缺的手段和方法。
随着铸造技术的发展，为了适应新的条件下对材料加工技术的新要求，各种先进的铸造技术也层出不穷，其中包括消失模铸造、半固态铸造以及精密铸造（即失蜡铸造）。
我国铸造业的专业化与发达国家相比，存在着较大的差距[1]。
铸造生产是用液态合金形成产品的方法，将液态合金注入铸型中使之冷却、凝固，这种制造金属制品的过程成为铸造生产，简称铸造，所铸出的金属制品称为铸件。
绝大多数铸件用作毛坯，需要经机械加工后才能成为各种机械零件；
少数铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，才作为成品零件而直接应用[2]。
1.2铸造行业的现状
总体上，我国铸造领域的学术研究并不落后，很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实生产力的少。
国内铸造生产技术水平高的仅限于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，铸件质量低，材料、能源消耗高，经济效益差，劳动条件恶劣，污染严重。
具体表现在，模样仍以手工或简单机械进行模具加工；
铸造原辅材料生产供应的社会化、专业化、商品化差距大，在品种质量等方面远不能满足新工艺、新技术发展的需要；
铸造合金材料的生产水平、质量低；
生产管理落后；
工艺设计多凭个人经验，计算机技术应用少；
铸造技术装备等基础条件差；
生产过程手工操作比例高，现场工人技术素质低；
仅少数大型汽车、内燃机集团铸造厂采用先进的造型制芯工艺，大多铸造企业仍用震压造型机甚至手工造型，制芯以桐油、合脂和粘土等粘结剂砂为主。
由此看来，提升铸造生产部门的生产技术水平，采用开发先进、高效、经济、环保的铸造技术，以提高企业的生产效益和铸造产品的成品率以及生产效率，减小能耗和废弃物的排放，已成为刻不容缓关乎企业生死存亡的重要命题[3]。
1.3发达国家铸造行业的现状及发展趋势
美国铸造业正处在经济危机（从2008年年底至2010年年初）后的恢复当中。
2007美国铸造业年销售额为282亿美元，而在金融危机最严重的2009年，年销售额仅为212亿美元。
美国铸造行业从2010年出现回暖迹象，年增长率为9.3%。
2011年经济复苏的速度有望加速增长，预计年销售额263亿美元。
美国铸造业将于2012年恢复到2007年的水平，有望于2013年超越。
美国铸造行业主要的增长领域是球墨铸铁件、铝铸件与镁铸件，原因在于美国国内汽车行业的复苏带来的汽车配件产量的增长。
由于采矿业、建筑业与轨道交通等行业需求量的增加，铸钢件的销售额也将迅速恢复到经济危机前的水平。
灰铁件与可锻铸铁件在经济复苏过车中短期将会出现小幅增长，但从长期预测来看，这两种材质的铸件的销售额还将持续亏损。
如今，美国铸造工厂的数量从5年前的2336家下降至2040家，铸造工厂数量的减少主要归结与经济的衰退、科技的进步、来自其他国家的竞争以及严格的法规。
1.4本课题的研究内容
铸造工艺设计就是根据铸造零件的结构特点，技术要求，生产批量和生产条件等，确定铸造工艺方案和工艺参数，绘制铸造工艺图等技术文件的过程。
在进行铸造工艺前，设计者应掌握生产任务和要求。
此外要求设计者有一定的生产经验和设计经验，并应对铸造先进技术有所了解，具有经济观点和发展观点。
因为现代科学技术的发展，拓展了铸造技术的应用领域，同时也提高了对金属铸件的要求。
不仅要求铸件具有高的力学性能，尺寸精度和低的表面粗糙度值；
要求具有某些特殊性能，如耐热，耐蚀，耐磨等，同时还要求生产周期短，成本低。
通过制定和合理选择工艺方案，正确计算零件结构的工作能力，确定尺寸，掌握了浇冒口的作用及其原理，具有正确设计浇冒口系统的初步能力，掌握铸造工艺和工装设计的基本技能。
熟悉型砂必须具备的性能要求，原材料的基本规格及作用，并初步具备分析和解决型砂有关问题的能力。
熟悉涂料的作用、基本组成及质量的控制，了解提高铸件表面质量和尺寸精度的途径。
了解合金在铸造过程中容易产生的铸造缺陷以及采取相关的防止途径，并初步具备分析、解决这类缺陷的基本解决途径。
学习进行设计基础技能的训练，例如：
计算、绘图、查阅设计资料和手册等。
第2章零件铸造工艺分析
2.1零件基本信息
该零件泵体，零件的材质为HT200，零件结构如图2-1。
泵体的外形轮廓尺寸为78mm×
66mm×
94mm，主要壁厚5mm，最大壁厚10mm。
是一个小型铸件，铸件除了满足几何尺寸精度及材质方面的要求外无其他特殊技术要求。
图2-1零件的结构图
2.2泵体铸件结构分析
由图2-1可知，该零件外形比较简单，内腔结构也简单，壁厚均匀，材料为灰铸铁，流动性较好，收缩大，在浇注时容易产生浇不足、冷隔、缩孔和缩松、热裂、内应力以及变性和冷裂等缺陷。
该件为小型铸件，可采用砂型铸造中湿型铸造，操作方便，劳动量较小。
对泵体的铸造工艺性分析如下：
泵体的轮廓尺寸为78mm×
94mm，整体尺寸不大，为小型铸件。
砂型铸造条件下该轮廓尺寸允许的最小壁厚由表2-1可知[2]：
最小允许壁厚为3～4mm。
而设计泵体的最小壁厚为5mm。
符合要求。
泵体的设计壁厚较为均匀，不易产生热裂纹。
表2-1砂型铸造时铸件最小允许壁厚
合金种类
铸件轮廓尺寸/mm
<
200
200~400
400~800
800~1250
灰铸铁
3~4
4~5
5~6
6~8
图2-2零件的三维造型图
2.3材料成分要求
HT200具体成分和含量如表2-2所示
表2-2HT200具体成分和含量
合金成分
C
Si
Mn
P
S
含量（%）
3.2~3.6
1.9~2.2
0.6~0.9
0.15
≤0.12
2.4铸造工艺参数的确定
2.4.1铸造尺寸公差和重量公差
成批和大量生产下的砂型铸造手工造型时，铸钢和铸铁件尺寸公差等级CT11~CT14级；
砂型铸造机器造型时，铸钢和铸铁尺寸公差等级为CT8~CT14。
成批大量生产下，砂型铸造手工造型时，铸钢件和铸铁件的重量公差等级为MT11~MT13;
砂型铸造机器造型时铸件重量公差等级为MT8~MT10。
2.4.2机械加工余量
为了保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸造工艺设计时，在零件加工的表面上预先增加的、并在机械加工时的应予以切除的金属层厚度，称为机械加工余量。
砂型铸造手工造型加工余量等级：
铸钢件为GHJK，铸铁件为FGH。
该铸件为灰铸铁件，砂型人工造型，经查GBT6414-2008表2-3和2-4知基本尺寸加工余量等级为H，双侧余量5mm。
表2-3用于成批或大量生产与铸件尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量等级
表2-4与铸件尺寸公差配套使用的机械加工余量
2.4.3铸造收缩率
由于铸件的固态收缩（线收缩）将使铸件各部分尺寸小于模样原来的尺寸，因此，为了使铸件冷却后的尺寸与铸件图示尺寸一致，则需要在模样或芯盒上加上其收缩的尺寸。
加大的这部分尺寸为铸件的收缩量，一般用铸造收缩率表示。
铸造线收缩率表示为：
（2-1）
—铸件线收缩率
—模样长度
—铸件长度
中小件灰铸铁线收缩率通过[2]得：
受阻率0.8%~1.0%，自由收缩率0.9%~1.1%。
该泵体铸件取收缩率0.9%。
2.4.4起模斜度
为了方便起模和从芯盒内取出砂芯，要把摸样的垂直壁做成向分型面扩大的斜度，以避免起模时破坏砂型和砂芯。
这在铸造工艺设计时所规定的斜度称为起模斜度。
起模斜度的取法有三种：
a.增加厚度法。
b.加减厚度法.c.减少厚度法。
起模斜度大小依模样的起模高度，光洁度及造型造芯方法而定。
由于该铸件有圆形部分，易于起模，因此圆形部分不设起模斜度，而在立壁处通过加厚度法可设置3m厚度以便起模[2]，如图2-3。
图2-3增加铸件尺寸法
2.4.5工艺补正量
在中小批量生产的铸件中，由于选用的收缩尺寸与实际的收缩率不符，或由于铸件产生变形或操作中不可避免的误差等原因，使加工后铸件的某些部分的厚度小于图纸要求尺寸，严重时会因强度不够而报废，为此，工艺上要在铸件相应的非加工表面上增加金属层厚度来弥补。
因此工艺需要在铸件相应的非加工壁厚上增加层厚度称为工艺补正量。
工艺补正量可以粗落地按照下述经验公式粗略地计算：
e≤0.002L（2-2）
e—工艺补正量
L—加工面到加工基准的距离。
使用工艺补正量需要有丰富的经验，故在本泵体设计中不考虑。
2.4.6分型负数
由于修型和烘干过程中砂型的变形，引起分型面不能严密贴合，为了防止浇注时产生跑火，合箱时需在分型面上放上耐火泥条或石棉绳，这样就增加了型膛的高度。
为了使铸件尺寸符合要求，在铸模上需减去相应的高度，这个减去的尺寸α称为分型负数。
分型负数α随砂型尺寸增大而增加，其值约为1-5毫米。
干砂型、表面烘干型、自硬砂型以及砂型尺寸超过2m以上的湿型才应用分型负数。
而此铸件采用湿型造型且砂箱尺寸小于2m，故不留分型负数。
2.4.7最小铸出孔和槽
零件上的孔、槽、台阶等，究竟是铸出来好还是靠机械加工出来好，这应该从品质及经济角度等方面考虑。
一般来说，较大的孔、槽等应该铸出来，以便节约金属和加工工时，同时还可以避免铸件局部过厚所造成热节，提高铸件质量。
较小的孔、槽或则铸件壁很厚则不易铸出孔，直接依靠加工反而方便[4]。
根据表2-5，选择不用铸出孔和槽。
表2-5铸件的最小铸出孔
在本泵体设计中铸件为成批生产，故小于15mm的孔和槽不铸出。
第3章铸造工艺方案设计
3.1工艺方案的确定
3.1.1铸造方法
粘土砂型可分为湿型、干砂型和表面烘干砂型。
三者之间的主要差别在于：
湿型是造好的砂型不经烘干，直接浇入高温金属液体；
干砂型是在合箱和浇注前将整个砂型送入窑中烘干；
表面烘干砂型只在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度（一般5～10mm，大件20mm以上）。
粘土湿砂型铸造的优点是：
①粘土的资源丰富、价格便宜。
②使用过的粘土湿砂经适当的砂处理后，绝大部分均可回收再用。
③制造铸型的周期短、工效高。
④混好的型砂可使用的时间长。
⑤砂型舂实以后仍可容受少量变形而不致破坏，对起模和下芯都非常有利。
由于本铸件成批生产并且尺寸精度要求不高，故选用湿砂型铸造。
2.1.2型（芯）砂配比
铸铁件用原砂，铸铁件型（芯）砂的配比及性能如表3-1[5]。
应注意的是，铸铁件的熔点低于铸钢，浇注温度一般在1200-1400℃，因此，对原砂耐火度的要求比铸钢低，粒度也可以细一点，铸铁用原砂种类范围较宽：
一般用SC石英-长石英，小件可用粘土砂，根据零件结构及生产要求，原砂选择粘土砂。
表3-1型（芯）砂各成分含量
本设计中铸件的浇注温度选择1320℃。
3.2分型面的选择
铸造分型面是指铸型组元间的接合面。
合理地选择分型面，对简化铸造工艺、提高生产率、降低成本、提高铸件质量等都有直接关系。
分型面的选择应尽量与浇注位置一致，尽量使两者协调起来，使铸造工艺简便，并易于保证铸件质量[6]。
在选择时，应注意以下原则：
（1）尽量将铸件的全部或大部分放在同一箱内，以减少错型和不便验型造成的尺寸偏差；
（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）尽量减少砂芯数量；
（5）尽量使分型面为平面；
（6）为了方便起模，分型面应在铸件的最大截面积处；
（7）注意减轻铸件清理和机械加工；
铸件分型面选择见图3-1
方案一方案二
图3-1铸件的分型面的选择
方案一：
特点：
1、有利于顺序凝固和充型以及易于保证铸件的精度；
2、有利于铸件的补缩；
3、铁液在铸型中的流动不稳定；
4、由于该件外形为复杂，这样分型不便于于起模；
5、主要缺点是基准面朝上，使该面较易产生气孔和夹渣等缺陷，且型芯的数量较多。
6、选择最大截面
方案二：
特点：
1、减小了砂箱尺寸；
2、有利于下芯；
3、铁液在铸型中的流动平稳；
4、便于合箱；
5、主要优点是适于铸出轴孔，铸后轴孔飞边少，便于清理。
根据两种方案的对比，方案一取模困难较大，方案二铁液流动更加稳定，取模方便。
选择方案二比较合理。
3.3砂箱设计初步设计
3.3.1砂箱中铸件的数量及排列方式
铸件轮廓尺寸为78mm×
94mm，单件质量约为1kg，属于小型铸件，由于是成批生产，采用的是手工造型、造芯，因此选择一箱2件。
由表2-2得：
铸件与箱壁的距离为c=50mm，铸件与砂箱底部的距离为b=45mm。
表3-2按铸件重量确定的吃沙量（单位：
mm）
3.3.2砂箱设计所考虑因素
1）机械加工余量
该铸件为灰铸铁件，砂型人工造型，有以上分析知基本尺寸加工余量等级为H，双侧余量5mm。
长：
94+5+5=104mm
宽：
66+5+5=76mm
高：
78+5+5=88mm
2）线收缩率
104×
1.04=108.16mm
76×
1.04=79.04mm
88×
1.04=91.52mm
内砂箱的尺寸：
108.16×
2＋50×
4＝416.32mm取450mm
79.04＋45×
2=169.04mm取250mm
91.52＋45×
2=181.52mm取240mm
3.4砂芯设计
砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外型不能出砂的部分。
砂型局部要求特殊性能的部分有时也用砂芯。
铸件所用砂芯的数量及其结构主要取决于铸件的结构，砂芯设计时还需要考虑到要使砂芯制造方便，下芯容易。
所以砂芯的设计要注意以下几点：
（1）保证铸件内腔尺寸精度；
（2）保证操作方便；
（3）保证壁厚均匀；
（4）应尽量减少砂芯数目；
（5）填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面；
（6）砂芯形状适应造型、制芯方法
3.4.1泵体的芯头长度及斜度设计
芯头形状采用水平芯头。
1）芯头长度芯头长度为深度的l到1.25倍[7]。
生产中，芯头长度可根据实际经验确定：
对于直径<
15mm、长度<
1000mm的中小砂芯，芯头长度可取20~100mm。
所以芯头长度为28×
1.25=35mm，10×
1.25=12.5mm,取20mm。
2）芯头斜度水平芯头的底座端面应做出斜度，一般为5°
~10°
，上箱芯座斜度可稍大些。
对于手工造型（芯）能顺利起模，则芯头端面可以不设斜度[4]。
考虑到泵体砂芯结构简单，容易从芯盒中取出且为手工造型，所以不设计芯头斜度。
3）芯头间隙在芯头和底座之间留有间隙，目的是为了下芯、合型操作方便。
避免挤坏砂芯。
表3-3水平芯头与芯座之间的间隙（单位：
查表3-3得，泵体的两个水平芯头与底座间隙均为s=0.5mm。
3.4.2压环、防压环和集砂槽芯头结构
在湿型机器造型
压环的作用：
合箱后它能把砂芯压紧，避免金属液沿间隙钻入芯头。
防压环的作用：
下芯、合箱时它可防止此处砂型被压塌，因而可以防止掉砂。
集砂槽的作用：
用来存放个别的散落砂粒，这样就可以加快下芯速度[8]。
表3-4压环、防压环和积砂槽（单位：
压环只适用于机器造型的湿型，对于集砂槽来说，手工造型是可以用人工仔细清除这些砂粒，而本设计采用手工造型故不进行考虑。
所以只对防压环进行设计，大芯头的防压环的尺寸a=5mmb=1mm，小芯头的防压环尺寸a=5mmb=0.5mm。
3.4.3芯骨设计
为了保证砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不开裂、不变形、不被金属液冲击折断，生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其刚度和强度。
因为砂芯尺寸较小，而且采用粘土砂，故砂芯强度较好，砂芯内不用放置芯骨。
3.4.4砂芯负数
在制芯过程中各种原因常导致砂芯长度和宽度增大，致使铸件壁厚减薄，使砂芯四周尺寸增大。
为了保证铸件尺寸准确，将芯盒的长、宽尺寸减去一定量。
因为砂芯负数只用于大型粘土砂芯，本设计中的砂芯为小型砂芯不设计砂芯负数。
第4章浇注系统的的设计及计算
4.1浇注系统的设计原则
浇注系统分为开放式、封闭式、半封闭式和封闭-开放式，浇注系统设计原则如下：
1.引导金属液平
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