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绪论

铸造业发展简介

铸件在机械产品中所占的重要比例大致是：

在机床、内燃机、重型机械中占70%～90%；在风机、压缩机、动力机械中占60%～80%；在交通、运输车辆中占15%～70%。

可见，在国民经济各行业中，铸件得到广泛应用。

据估算，目前我国年产铸件一千多万吨，从业人员一百多万。

我国自加入WTO以后，正逐渐成为世界制造业中心之一。

随着国民经济和世界经济的发展，对铸件的需求将越来越高，铸件的优质化程度将越来越高。

铸造工艺设计水平对提高铸件内外质量、提高工艺出品率、降低废品率、提高经济效益上，起着非常重要的作用。

设计目的及意义

根据机床工作台设计图纸编制生产其铸件的铸造工艺图，设计说明书，并绘制外模装配图。

通过本次设计培养学生接受实际任务后，综合运用所学知识，积极查找有关资料和各类手册，寻找解决问题突破口和确定解决问题方法的能力。

同时在解决问题过程中培养进一步学习新知识的能力，培养学生独立思考，独立工作，分析和解决实际问题的能力。

通过提供零件铸造工艺图和设计说明书，提高学生归纳总结，机械制图等综合能力。

设计原理及条件

金属铸件包括铸铁件（灰铸铁件、球墨铸铁件、可锻铸铁件）、铸钢件（碳钢铸件、合金刚铸件、高锰钢铸件）和非铁合金铸件（铝合金铸件、镁合金铸件铜合金铸件）。

机床工作台铸件为灰铸铁件，本设计详细介绍了该铸件的铸造工艺过程、包括分型面选择、砂芯设计、浇注系统设计、补缩系统设计、出气孔设计、冷铁计算和砂箱尺寸设计。

本设计结合工厂生产实际，设计过程中曾到青海省西宁市城北区泉湾铸造厂进行实地考查和学习，并向其技术部门虚心求教，使设计过程中的疑难问题得到圆满解决。

1结构分析

1.1机床工作台的作用和结构分析

1.1.1工作台的作用

机床工作台导轨安装在机床的导轨之上，通过进给丝杆的选装运动实现工作台沿导轨纵向运动，从而实现对通过T型槽固定在工作台上的工件的加工。

1.1.2工作台的结构分析

工作台的导轨槽在最下面，工作台内的导轨槽卡在机床的导轨上，进行横向移动，因此工作台的导轨槽所在平面为重要平面。

另外，T型槽处也为重要面并且属于厚大部位，在铸造过程中会产生缩孔、缩松等铸造缺陷，为避免铸造缺陷应在此处加冷铁进行激冷。

由此可知，此工作台有两个重要平面，分别为工作台的导轨槽所在平面和T型槽所在平面。

因此，设计时应首先考虑这两个重要平面的位置，应尽量提高这两个平面的质量。

1.2审图和校核图

通过查看图纸发现如下几处错误：

a：

A向图中倾斜面上加工符号过多且图右部386标注尺寸应去掉，修改如图所示；

A向图中倾斜面上两个倾斜比例符号设计错误，经与设计厂家联系，修改如图所示；

A-A中部T型槽下部轮廓线在A向图上漏画，修改如图所示；

b：

C-C剖视图中缺少主要壁厚尺寸，经询问后确定为25mm；

c：

B向图中F-F处带斜度的导轨投影错误，修改如图所示；

2工艺方案的确定

2.1工艺方案的分析和确定

本设计中有两种方案可选，如下：

方案一：

一箱一件（用于小批量生产，树脂砂造型）

方案二：

一箱两件（用于大批量生产，树脂砂造型）

由于考虑到生产性为大批量生产，因此本设计采用一箱两件的铸造工艺方案。

2.2浇注位置的选择

浇注位置是指浇注时铸件所处的位置。

铸件浇注位置要符合于铸件的凝固方式，保证铸型的充填，应该注意以下几个原则：

一般情况下铸件浇注位置的上面比下面缺陷多，所以应将铸件的重要加工面或主要受力使用面等要求较高的部位放到下面，若有困难则可放到侧面或斜面。

浇注位置的选择应有利于铸型的充填和型腔中气体的排除，所以，薄壁铸件应将薄而大的平面放到下面或侧立、倾斜，以防止出现浇不足和冷隔等缺陷。

对流动性差的铸造合金应特别注意这个问题。

对于有大平面的铸铁件，应将大平面放在下面。

当铸件壁厚不均，需要补缩时，应从顺序凝固的原则出发，将厚大部分放到上面或侧面，以便于安放冒口和冷铁。

对于收缩较小的灰铸铁件，当壁厚差别不太大时，也可以将厚部分放到下面靠自身上部的铁水补缩而不用冒口。

确定浇注位置时应尽量减少砂芯的数量，同时有利于砂芯的定位、稳固、排气和检验方便。

因此，较大的砂芯应尽可能是芯头朝下，尽量避免砂芯吊在上箱或悬臂或仅靠芯撑来固定。

可采用多个铸件共用一个砂芯来避免上述困难。

在一般情况下，铸件的冷却位置和浇注位置是一致的，但有时工艺上要求，在浇注后需改变铸件的凝固位置。

在工艺设计时，当冷却位置和浇注位置不一致时，应在工艺图上注明冷却位置。

本方案在T型槽处应放置冷铁，避免铸造缺陷提高铸件质量。

2.3分型面的选择

分型面是指上半铸型和下半铸型的分界面，它往往也是模样的分模面。

在确定铸件分型面的同时，实际上又确定了铸件在砂箱中的位置（即浇注位置），因此，分型面的选择对铸件的质量和整个生产过程影响很大，是铸造工艺是否合理的关键问题之一。

确定分型面的原则有如下几条：

1）必须能够起模。

砂型之所以不能制成整体，其主要原因就是为了能把模型从型腔中取出。

因此，分型面的位置必须通过模型的最大截面处，否则就无法起模。

2）应使分型面数量最少且形状简单。

一般情况下，应尽量使铸型只有一个分型面，而且是简单的平面，这样可以简化造型工艺，保证铸件质量。

3）有利于保证铸件的质量。

因为气泡、渣子、砂粒等杂物总是漂浮在金属液体的上面，所以浇注时铸件的顶部容易产生缺陷，而其底部和侧面的质量则较易保证。

因此，选择分型面时，应使铸件的重要加工面朝下，或保持在侧面。

此外分型面的位置应尽可能避免或减少错箱的影响。

4）铸件上的大平面、薄壁和形状复杂部分应放在下箱。

浇注时，铸型下部除缺陷较少以外，还因为金属液的压力较大而提高了充型能力，可避免产生浇不足等现象，这对于流动性较差的铸造合金尤为重要。

此外，金属液在一定的压力下结晶，其组织也比较致密。

5）尽量使铸件全部或大部分放在同一砂箱中。

这是为了防止因错箱（即合箱时上、下砂箱之间的错位）而使铸件形状和尺寸产生较大的误差。

若铸件的加工面多，也应尽量使加工基准面与大部分加工面放在同一砂箱中。

6）尽量减少型芯的数量，保证型芯在铸型中安放牢固，通气顺利，检验方便，型芯数量多了，既增加铸件成本，又不容易保证铸件质量。

3工艺参数

3.1机械加工余量

GB/T6414—1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》中规定，机械加工余量值应根据最终机械加工后成品零件的最大轮廓尺寸和相应的尺寸范围选取。

铸件的某一部位在铸态下的最大尺寸应不超过成品尺寸和要求的加工余量及铸件总公差之和。

当有斜坡时，斜度值应另加考虑。

机械加工余量值由精到粗分为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K共10个等级（见表3）。

推荐用于各种铸造方法和铸造合金铸件的RMA等级列于表4。

要求的机械加工余量应按下列方式标注在铸件图或技术文件中：

1）用公差和要求的机械加工余量代号统一标注，例如：

对于轮廓最大尺寸在400～630mm范围内的铸件，要求的机械加工余量等级为H，要求的机械加工余量为6mm，（同时铸件的一般公差为GB/T6414—CT12），标注为：

GB/T6414—CT12—RMA6（H）

2）采用非标准加工余量时，应在铸件图样上所需部位直接标出。

图中的所标数字表示加工余量数值（单位为mm）。

检验与评定时，当铸件实际测量尺寸位于铸件基本尺寸及公差带范围内时，应认为铸件的加工余量合格。

表1要求的机械加工余量（RMA）（GB/T6414—1999）（单位：

mm）

最大尺寸

要求的机械加工余量等级

>40～63

>63～100

>100～160

>160～250

>250～400

>400～630

>630～1000

>1000～1600

>1600～2500

>2500～4000

>4000～6300

>6300～10000

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

1.4

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.7

0.8

0.9

1.1

1.3

1.4

1.5

0.3

0.4

0.5

0.7

0.9

1.1

1.2

1.4

1.6

1.8

2.2

0.3

0.5

0.8

1.3

1.5

1.8

2.2

2.5

2.8

0.4

0.7

1.1

1.4

2.2

2.5

2.8

3.2

3.5

4.5

0.5

1.5

2.5

3.5

4.5

5.5

0.7

1.4

2.2

2.8

3.5

5.5

1.4

2.8

5.5

表2毛坯铸件典型的机械加工余量等级

方法

要求的机械加工余量等级

铸件材料

铸钢

灰铸铁

球墨铸铁

可锻铸铁

铜合金

轻金属合金

砂型铸造手工造型

砂型铸造机器造型和壳型

金属型（重力和低压铸造）

压力铸造

熔模铸造

G～K

E～H

——

F～H

E～G

D～F

——

F～H

E～G

D～F

——

F～H

E～G

D～F

——

F～H

E～G

D～F

B～D

F～H

E～G

D～F

B～D

工件材质为HT300，最大外形轮廓尺寸为844mm×454mm×125mm，加工余量等级为F～H，由表1查得加工余量范围为3.5～7mm。

又根据实际经验，大表面和狭长表面加工余量取7mm，中表面机械加工余量取5.0mm,在加工过程中为了方便加工，将加工余量取为整数，所以小表面加工余量取5mm。

但也存在特殊情况，如：

工作台上表面为重要面且放在上箱顶面，易产生气孔、夹渣等铸造缺陷，所以应适当增大加工余量，在最大加工余量7的基础上增加2个即为9个加工余量。

C-C视图中为使凸台处易于铸造，所以应与原有的凸台保持水平，加工余量给8。

A-A视图中B基准面处加工精度为0.8级的加工符号不给加工余量，因为它是加工后TS软带的再加工面。

3.2最小铸出孔和槽

机械零件上往往有许多孔、槽和台阶，一般来说，应尽可能在铸造时铸出。

这样既可以节约金属，减少机械加工的工作量，降低成本，又可使铸件壁厚比较均匀，减少形成缩孔，缩松等铸件缺陷的倾向。

但是，当铸件上的孔、槽的尺寸太小，而铸件的壁厚又较厚和金属压力头较高时，反而会使铸件产生粘砂，造成清铲和机械加工困难；有的孔、槽，为了把它们铸出，必须采用复杂而且难度较大的工艺措施，而实现这些措施还不如用机械加工的方法制出更为方便和经济；有时由于孔距要求很精确，铸出的孔如有偏心，就很难保证加工精度。

因此，在确定零件上的孔和槽是否铸出时，必须既考虑到铸出这些孔或槽的可能性，又要考虑到铸出这些孔或槽的必要性和经济性。

表3铸铁件和非铁合金铸件最小铸孔尺寸（单位：

mm）

铸件材质

壁厚

最小孔径

铸铁

铝合金、镁合金

铜合金

8～10

20～25

40～50

50～100

——

6～10

10～15

15～30

35～50

通常，零件图样上较大的孔应铸出，以节约金属和机械加工工时；较小的孔和槽，或铸件的壁很厚，则不宜铸出，直接用机械加工成孔反而更方便。

对中心线位置要求较高的孔，不宜铸出，这是因为铸出后很难保证中心度精确，用钻头扩孔无法纠正其中心位置。

因该工件材料为HT300，基本壁厚为25mm，处在20～25mm之间，由表3可得，最小铸出孔直径选10mm。

由零件图纸上可以看出。

本零件没有要铸出的孔和槽。

全为铸好后机械加工出来的孔和槽。

3.3铸造收缩率

铸件在凝固和冷却过程中，体积一般要收缩。

金属在液态和凝固过程中的收缩量以体积的改变量表示，称为体收缩。

在固态下的收缩量常以长度表示，称为线收缩。

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。

加大的这部分尺寸称为铸件的收缩量，一般用铸件收缩率表示，可用下式求出：

铸件收缩率

式中：

L模样——模样尺寸；L铸件——铸件尺寸。

在制造模样时，为了方便起见，常用特别的“收缩尺”或“铸模尺”。

收缩尺的刻度比普通刻度长，其加长的尺寸称为收缩量。

根据实际需要，可做成0.8%，1%，1.5%，2.0%……等各种比例的收缩尺，以供选用。

表4几种合金的铸造收缩率

合金种类

铸件收缩率%

自由收缩

受阻收缩

灰铸铁中小型铸件

中大型铸件

特大型铸件

筒形铸件长度方向

直径方向

1.0

0.9

0.8

0.9

0.7

0.9

0.8

0.7

0.8

0.5

育铸铁HT25～47

HT30～54

HT35～61

1.0

1.5

0.8

1.0

白口铁

1.75

1.5

由于铸件材料为HT300，最大外形轮廓尺寸为844mm×454mm×125mm，铸件为中小型铸件，且为自由收缩，根据表4和生产经验。

收缩率确定为10‰，即1%。

3.4冷铁放置计算

为了保证厚大部位重要表面的质量，防止产生缩孔等缺陷，提高导轨硬度，需在导轨处放置外冷铁激冷。

冷铁尺寸=粗大部位尺寸×（0.25～0.4）

T型槽处于厚大部位，为保证厚大部分重要表面质量，防止产生缩孔，缩松等缺陷提高T型槽处的硬度和强度，需在T型槽处放置外冷铁进行激冷。

冷铁的尺寸=（49+9）×（0.25～0.4）

=14.5～23.2

取中间的的数20。

所以选取20mm×40mm×100mm规格的石墨冷铁。

3.5分型负数的选择

起模后的修型和烘干会引起砂型变形，致使分型面凹凸不平，使合型不严密。

为防止浇注时从分型面跑火，合型时应在分型面上放耐火泥条或石棉绳，这就增高了型腔高度。

为了保证铸件尺寸符合图样尺寸要求，模样上必须减去相应的高度，减去的值称为分型负数。

确定分型负数，应该注意下述几点：

1）若模样分成对称的上、下两半，则上、下半模各取分型负数的一半，否则，分型负数放在上半模样。

2）多箱造型时，每个分型面都要放分型负数。

3）自硬砂型和湿型一般不放分型负数，但是砂型平面大于1.5m2时，也放分型负数，其值小于表中的数值。

4）在分型面上的砂芯间隙不能比分型负数小。

表5模样的分型负数（单位：

mm）

砂箱长度

分型负数a

干型

表干型

1000

1001～2000

2001～3500

3501～5000

>5000

——

根据后续设计的砂箱长度1250mm，又因采用树脂砂造型，由表5查得分型负数选2。

铸件放在上下箱中，所以放在上下箱的分型负数各为1.

3.6拔模斜度

为了在造型和制芯时便于起模而不致损坏砂型和砂芯，应该在模样或芯盒的出模方向带有一定的斜度。

如果零件本身没有设计出相应的结构斜度时，就要在铸型工艺设计时给出拔模斜度。

拔模斜度可采用增加铸件厚度、加减铸件厚度或减少铸件厚度三种方法形成。

对于铸件侧面或经过加工的，拔模斜度一般按增加厚度法或加减厚度法确定。

这时模样的拔模斜度应在加工余量后做出。

但高度大于500mm时，底部的加工余量可减少20%。

用砂芯形成的铸件表面一般应与铸件外表面的斜度一致，以保证铸件均匀的壁厚。

而当内壁不用砂芯而靠铸型形成时（即自带砂芯），则应比外壁有较大的斜度。

拔模斜度的大小应根据模样的高度，模样的尺寸和表面光洁度以及造型方法来确定。

拔模斜度在工艺图上用角度或宽度表示，通常用机械加工方法加工模具时，采用角度（

）比较方便。

而用手工加工模具时，则采用宽度（

）较为方便。

本设计为手工造型，且为树脂砂。

所以选用宽度（

）较为方便，定为1:

100的斜度。

且采用增加铸件厚度的方法

3.7铸件冷却时间

表6中小型铸铁在砂型中内的冷却时间

铸件的重量/Kg

5-10

10-30

30-50

50-100

100-250

250-500

500-1000

铸件的壁厚/mm

<12

<18

<25

<30

<40

<50

<60

冷却时间/min

20-30

25-40

30-60

50-100

80-160

120-300

240-600

480-720

该设计中铸件的总重量为460kg，壁厚为34mm，所以冷却时间为240～600min，即4h～10h之间。

此外该铸件属于壁厚，结构复杂的铸件，所以冷却时间取7h.

4砂芯及砂型设计

4.1砂芯设计

砂芯设计，主要包含芯头设计、砂芯排气设计等。

必要时，仍有选用及安置芯撑的设计。

4.1.1芯头设计

砂芯设计，主要包含芯头设计、芯骨设计、砂芯排气设计。

必要时，仍有选用及安置芯撑的设计。

本方案共有7个砂芯，分别标为X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7。

X1、X2、X3和X4为水平的砂芯，X5、X6和X7为垂直的砂芯。

其中X1、X2、X3和X4用同一芯盒。

砂芯主要靠芯头固定在砂型上。

对于垂直砂芯，为了保证其轴线垂直、牢固地固定在砂型上，必须有足够的芯头长度或者采用摽芯的方式。

以承受砂芯的重力和金属液的浮力。

芯头与芯座之间应有适宜的间隙，以使砂型与砂芯的装配方便，但又能确保金属件的尺寸、精度；当芯子有方向性要求时，应在芯头上做定位角。

在设计制造砂芯及下芯，合箱的整个过程中，应十分注重砂芯的排气。

一定要让浇注时砂芯中产生的气体能够及时的从芯头排出铸型外。

根据已确定的工艺方案，砂芯设计情况具体如下：

首先，为了保证重要加工面的质量，较扁平的芯子采取摽芯，例如X5、X6和X7。

其次，如果相邻的腔同侧面结构复杂，应尽量做成一个芯子，便于填砂，例如X5和X7。

此外，如果几个芯子形状完全相同可以由一个芯盒来带出节省芯盒，例如X1、X2、X3和X4.具体分芯过程要考虑芯子的强度、定位、排气以及芯子的分隔处应该由哪个芯子带出等。

芯子的编号和具体情况详见铸造设计工艺图。

X5、X7芯头的设计：

由于芯座周边的砂型出现了尖角砂并且尺寸比较薄，在装配时容易不小心碰落。

所以应把芯头的长边一头向里收缩20mm，以此来加固芯子、避免尖角砂形成同时起到定位作用。

X7芯头尺寸为280mm×190mm×60mm（具体形状如铸造工艺图所示）;X5芯头尺寸为380mm×190mm×60mm具体形状如下图所示：

图1X5芯头尺寸

X1、X2、X3、X4和X6芯头设计：

X1、X2、X3和X4的芯头具体尺寸为100mm×60mm×41mm具体形状如铸造工艺图所示，此四个芯子为同一尺寸用同一芯盒带出；X6的芯头具体尺寸为120mm×70mm×60mm，具体形状如铸造工艺图所示。

X5、X6和X7的固定方法采用摽芯的方法，因为如果不摽芯，芯子在受到浮力的情况下将产生上浮，使下壁厚度增加，上壁厚度减小。

4.1.2排气设计

湿砂芯，干砂芯和自硬砂芯在浇注过程中，在高温金属液体作用下，其粘合剂及表面中的有机物要挥发、分解、燃烧（氧化反应），短时间内产生大量气体，以及水分蒸发。

如果这些气体不能及时排出型外，一旦钻入金属液体，就很可能留在里面而使铸件产生气孔。

因此，在设计、制造砂芯及下芯、合箱的整个过程中，应十分重视砂芯的排气。

一定要让浇注时砂芯中产生的气体能够及时地从芯头排出铸型外。

本方案中三个芯子的排气方法均为用尼龙绳做排气孔，将尼龙绳埋入砂芯中，待造好砂芯后，尼龙绳在砂芯中留下排气孔道。

本方案中排气位置均放置在芯头上。

共三个，X5、X6和X7上各一个。

4.1.3分芯原则

首先，先对芯子的分类做个简单的了解。

芯子分三类，即普通芯子（用X1等编号表示），置于砂芯中的NX，及预先粘到砂型上的SX三类。

其中NX和SX是在特定情况下才用到的；NX应用在当一个芯子中间有凸台等难撤料部位时，采用NX处理；SX用在当芯子较小，与砂型直接相接且粘上后不影响其它芯子下芯时，就预先粘到砂型的相应位置上，有定位准确，下芯便捷的优点。

其次，分芯的一般原则：

a）砂芯的填砂面应宽敞，以便于造芯时填砂，舂砂，安放芯骨，及有利于采取排气措施。

b）砂芯在烘干时的支承面最好是一个比较大的平面，以便于放置在平的烘干板上烘干。

c）一个砂芯分成两半时，应尽量沿着砂型的分型面分开。

这样可使砂芯的拔模斜度与模样的斜度一致，保证铸件壁厚均匀。

d）便于下芯合箱，保证铸件的精度。

e）铸件上位置精度要求高的部位，应尽可能用一个砂芯形成。

f）尺寸过大的砂芯，为了方便制芯下芯或者为了解决车间起重量不够的困难，可将大砂芯分成数个较小的砂芯。

g）将砂芯由大分小时，应保证每个小芯应有足够的强度和刚度。

另外，关于芯撑要求如下：

砂芯在铸型中主要靠芯头固定。

但有时砂芯无法设置芯头或只能靠芯头固定难以保证砂芯稳固。

因此，在生产中常采用芯撑来加固，以起到辅助支撑作用。

为了使芯撑良好的同铸件焊合及不引起气孔缺陷，使用芯撑时必须注意：

（1）芯撑材料的熔点应该比铸件材质的熔点高，至少相同。

因此，对于铸铁件用低碳钢或铸铁芯撑；有色金属铸件用与铸件相同的合金材料做芯撑。

（2）金属液体未凝固前，芯撑应有足够的强度，不得过早熔化而丧失支撑作用；在铸件凝固过程中，芯撑须与铸件很好地焊合。

因此芯撑的重量不能过小或过大。

（3）芯撑表面最好镀锡。

使用时，芯撑表面应无锈、无油、无水、无空气。

同时芯撑在放入铸型之后，要尽快浇注，特别是湿型，以免芯撑表面因凝聚水气而引起气孔及焊合不良。

（4）应尽量将芯撑放置在铸件的非加工面上或不重要的表面上。

（5）为了防止芯撑陷入砂型、砂芯（特别是湿型、湿芯）而造成铸件壁厚不均，必要时，可在芯撑端面垫以面积较大的铁片、干砂芯、或耐火砖。

（6）重要面不得以要用芯撑,只能用铸铁芯撑,最好设计成不用芯撑。

（7）对有防渗漏要求的面，不得已使用芯撑时，芯撑与低熔点材料防渗盒一起使用。

4.2外模设计

所谓外模设计，是指形成铸件外表面的木模的设计过程，它主要从以下几方面考虑：

1）铸件加工余量的选取；

2）与外部表面相关的不铸出面和不铸出孔；

3）铸件的凸台为难撤料部位应采用活块处理。

5浇注系统设计

5.1浇注系统的概述和作用

浇注系统是砂型中引导液态合金流入型腔的通道。

生产中常常因浇注系统设计安排不当造成：

砂眼、夹砂、粘砂、夹渣、气孔、铁豆、抬箱、缩孔、缩松、冷隔、浇不足、变形、裂纹、偏折等铸造缺陷。

此外，浇注系统的好坏还影响造型和清理工作的繁简，砂型的体积大小和型砂的耗用运输量，非生产性消耗的液态合金用量等等。

所以，浇注系统与获得优质铸件，提高生产效率和降低铸件成本的关系是密切相联的。

因此对浇注系统的设计必须慎重认真。

浇注系统除导入液态合金这一基本作用外，正确的浇注系统还应具有以下功能和注意事项：

（1）使液态合金平稳充满砂型，

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