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输油管铸造说明书

“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛

参赛作品

铸件名称：

C件—输油管接头

自编代码：

ACQY0318

方案编号：

目　　录

摘要……………………………………………………………………………1

1.零件概述…………………………………………………………………………2

1.1零件信息…………………………………………………………………2

1.2技术要求…………………………………………………………………2

2.铸造工艺方案拟定…………………………………………………………………2

2.1铸造方法的选择……………………………………………………………2

2.2分型面的选择……………………………………………………………3

2.3浇注位置的选择……………………………………………………………3

2.4型腔数量的设计……………………………………………………………4

2.5砂芯设计…………………………………………………………………5

2.5.1造芯方法与造芯数量……………………………………………………5

2.5.2砂芯的结构与尺寸……………………………………………………5

2.6工艺参数…………………………………………………………………5

3.浇注系统的设计计算………………………………………………………………5

3.1.1内浇口的位置………………………………………………………………6

3.1.2浇注系统的结构……………………………………………………………6

3.1.3浇注系统的设计计算………………………………………………………6

3.2冒口的计算…………………………………………………………………8

4.模具设计………………………………………………………………………8

4.1金属型型体设计………………………………………………………………8

4.1.1型腔尺寸计算…………………………………………………………8

4.1.2金属型的壁厚…………………………………………………………9

4.2型腔的排气…………………………………………………………………9

4.3金属型的定位，导向…………………………………………………………9

4.4铸件顶出机构…………………………………………………………………9

4.5金属型底座…………………………………………………………………9

4.6模具装配图…………………………………………………………………9

5.芯盒设计………………………………………………………………………10

5.1芯盒类型…………………………………………………………………10

5.2分盒面的确定………………………………………………………………10

5.3加热方式和芯盒厚……………………………………………………………10

5.4芯盒的定位与顶出……………………………………………………………11

5.5射砂口与排气槽………………………………………………………………11

5.6芯盒装配图…………………………………………………………………11

6.小结………………………………………………………………………12

参考文献………………………………………………………………………12

附图……………………………………………………………………13

附录A铸件工艺图…………………………………………………………………

附录B砂芯1图…………………………………………………………………

附录C砂芯2图…………………………………………………………………

附录D模具装配图……………………………………………………………

附录E芯盒装配图………………………………………………………………

附录F铸件工艺卡………………………………………………………………

摘要：

本文详细介绍了输油管接头铸造工艺方案的设计过程。

文中对浇注系统、冒口设计和计算，模具、芯盒的设计作了说明。

关键字：

输油管接头；工艺方案；模具设计；芯盒设计。

1.零件概述

1.1零件信息

名称：

输油管接头；

材料：

ZL104，ZAlSi9Mg：

Si-8.0%~10.5%，Mg-0.17%~0.35%，Mn-0.2%~0.5%，Al-余量；

外形尺寸：

180mm×68mm×100mm；

生产批量：

批量生产

零件图如下图1.1所示：

图1.1零件图

根据零件图在UG软件中绘制三维图，如下图1.2所示：

图1.2铸件三维图

根据三维图测得铸件体积为：

199.762cm³

查表得Zl104的密度为：

2.63g/cm³

则经过计算得铸件的质量为：

525g

1.2技术要求

（1）拔模斜度为1~2°，批量生产；

（2）未注圆角R3；

（3）在5kg/cm³煤油的压力下进行气密性试验，保持5分钟不渗透；

（4）铸件表面阳极化处理，铸件采用T6热处理；

（5）铸件尺寸公差按HB6103-86CT9.

2.铸造工艺方案拟定

2.1铸造方法的选择

本次设计基于大批量生产方案，铸件材料为铝硅合金，而且铸件的尺寸较小，精度及技术要求较高等综合考虑，可选的铸造方法只有压力铸造或者金属型铸造。

由于输油管接头铸件要进行T6热处理，而压力铸件不能进行热处理，再者如下图2.1中红色圈圈所示，若采用压力铸造，则该处的型芯抽芯有阻碍，所以采用金属型铸造方法[1]。

图2.1压力铸造时抽芯障碍处示意图

2.2分型面的选择

为了铸件能合理地从模具中取出，该零件的分型面只有一种，如下图2.2所示。

图2.2分型面的位置

该铸件的尺寸较小，设计时采用垂直分型，模具结构相对简单些。

如下图2.3所示：

图2.3垂直分型图

2.3浇注位置的选择

浇注位置有2种，如图2.4所示：

图2.4浇注位置

如上图所示，型腔布置有①、②两种浇注位置。

图②中，型腔高度方向尺寸较大，底部冒口不便设置；而图①高度方向较小，可以在两侧加冒口得以补缩，比较而言，上图①所示位置更合理。

经过上述分析，设计的工艺图如下：

图2.5工艺图

图2.5工艺图

2.4型腔数量的设计

由于铸件较小，为了提高生产效率，采用一模两件生产。

2.5砂芯设计

2.5.1造芯方法与造芯数量

由于砂芯的表面精度要求较高，而采用壳芯法制作的砂芯表面较热芯盒光滑，并且有利于砂芯的排气，成本也较低，故选择用壳芯法制作砂芯。

2.5.2砂芯的结构与尺寸

由零件图1.1可以看出，铸件为三通铸件，为了方便造芯与节省工序，可以将图2.4中的上面两个砂芯连在一起造芯，故总共需要制作2个砂芯，如图2.4所示。

为了保证铸件上表面精度要求，且使砂芯能在模具型腔中定位，上砂芯的芯头采用图中结构。

而对于下砂芯，要保证它的定位要求，则在它的两侧分别制作如图中所示的不同形状的芯头。

砂芯具体尺寸如下图2.6和图2.7所示[2]：

图2.6上砂芯尺寸及三维图

图2.7下砂芯尺寸及三维图

2.6工艺参数

①铸件加工余量：

根据零件加工部位的基本尺寸及精度要求，上、下两个Φ100的圆柱表面及外壁加工余量为2mm；左、右两个M39的圆柱表面加工余量为2mm，外壁加工余量为1mm。

②不铸出孔：

与中心线距离15mm处的内螺纹M10，内径过小，下芯困难，且难保证中心度精确，故不铸出。

上表面4个Φ6孔，下表面6个Φ5.2以及左、右两个肋板上的Φ2孔，尺寸过小，故不铸出。

③铸造收缩率：

铝硅合金K=0.8%-1.2%，这里取K=1%。

④铸造圆角：

部分圆角大小已在工艺图上标注，未注圆角取R=3mm。

3.浇注系统和冒口的设计计算

3.1浇注系统的初步拟定

3.1.1内浇口的位置

由于底注式浇注时，金属液充填型腔平稳，有利于型腔排气，便于设计各种形状的浇道，撇渣充分；内浇道可在铸件底部均布，能进行大流量浇注。

所以内浇口的位置选择在铸件的底部，具体位置见下图3.1所示：

图3.1内浇口的位置

3.1.2浇注系统的结构

由于采用底注式浇注，而铸件的底面较薄，故将内浇道设计成环绕在砂芯周围的一个半环形圆柱，横浇道也采用半环形圆柱。

由于是金属型铸造，为了保证其在一个半模内，直浇道的截面设计成梯形截面，三维图如下图3.2所示：

图3.2浇注系统的结构

3.1.3浇注系统的计算

金属液流入型腔时平均上升速度取决于铸型型腔的高度和填充铸型的时间

V平升=H/τ（4-1）

式中V平升--金属液平均上升速度，cm/s;

H-----金属液型腔的高度，cm；

τ-----金属液充满型腔的时间，s；

从铝合金铸造有关资料，合金在铸型中开始上升的速度可由下式确定

V平升=3/b~4.2/b（4-2）

式中b--------铸件平均壁厚，mm。

故浇注时间τ=H/V平升=bH/3~bH/4.2（4-3）

其中，系数3~4.2，高度较低的小铸件计算时取下限，高度较高的中大型铸件计算时取上限[3]。

铸件型腔高度H=7.2cm，壁厚b=4mm，则浇注时间

τ=（6.9~9.6）s

由于铸件高度适中，所以取浇注时间τ=7s。

而，金属液在浇道内的流速，决定于铸件的质量、合金液的密度、浇注时间和浇道的最小断面积。

即

V浇平=m/（ρτAmin）（4-4）

式中V浇平---浇道最小断面积内金属液平均速度，cm/s;

m----铸件的质量，g；

ρ-----金属液的密度，g/cm³；

τ---浇注时间，s；

Amin--浇道的最小断面积，cm²。

故

Amin=m/（ρτV浇平）=（3~4.2）m/（ρbHV浇平）（4-5）

其中，令（3~4.2）/（ρV浇平）=K1（4-6）

所以Amin=mK1/（bH）

其中，系数K1，铝合金为0.008~0.0108，高度较小的铸件取下限，高度较高的中、大型铸件取上限。

此铸件，高度适中，取K1=0.009，由于一箱两件，则

Amin=2×525×0.009/（0.4×7.2）=3.3cm²

设计的浇注系统比例为∑A直：

∑A横：

∑A内=1:

3:

3;

则：

直浇道截面为梯形，尺寸为：

上底×下底×高=15mm×18mm×20mm，A直=3.3cm²；

横浇道截面为矩形，尺寸为：

20mm×26mm，A横=1/2∑A横=5.2cm²;

内浇道截面为半环形，尺寸为：

内环半径R1=30mm，外环半径R2=35mm，

A内=1/2∑A内=5.1cm².

如下图3.2所示

图3.2各浇道截面尺寸

3.2冒口的计算

由于采用底注式浇注系统，为了补缩铸件两侧的圆柱环，并且便于集渣和排气，所以将冒口设置在下图3.3所示的位置，两侧各一个。

图3.3冒口的位置

如上图5.1，铸件热节所在处的高度不大，而水平尺寸较大，要求冒口有横向补缩作用时，冒口的尺寸大小计算公式为：

D=（2~4）d

取d=10mm，则冒口截面尺寸为，矩形：

25mm×38mm；

冒口高度计算公式：

侧冒口---------H=（2~3）D，则取H=55mm。

综上所述，所设计冒口为长方体，尺寸为：

25mm×38mm×55mm。

其中冒口一部分环绕在砂芯上，如下图3.4所示。

3.4冒口尺寸及三维图

4.模具设计

金属型模具的设计包括金属型型体设计、金属型排气系统设计、和铸件顶出机构的设计。

4.1金属型型体设计

4.1.1型腔尺寸计算方法

型腔尺寸的计算，除了满足铸件公称尺寸及偏差外，还要考虑合金从固相线冷却到室温的收缩，涂料厚度和金属型材料从室温升至预热浇注温度的膨胀率。

计算公式Ax=（Ap+ApK±δ）±ΔAx

式中Ax——型腔平均尺寸，mm；

Ap——铸件平均的尺寸，mm；

K——综合线收缩率，%；

δ——涂料厚度，mm；

ΔAx——型腔尺寸制造公差，mm。

铸件平均尺寸Ap=Amin+

ΔA

其中Amin——铸件的最小极限尺寸，mm；

ΔAx——铸件尺寸公差，mm。

小型铸件金属型设计时，为了计算方便，K值取1%

涂料厚度δ，每边为0.1

0.3mm，型腔凹处取0.3mm，凸出取0.1mm。

模具型腔加工时，利用三维软件造出铸件的外形，将铸件模型放大铸件合金的收缩率，对铝合金可取1%，对实体扩大1%，然后输出程序导入到机床上进行数控加工，制造出型腔。

4.1.2金属型的壁厚

金属型壁厚太薄蓄热能力不好，冷却速度过快，太薄也会使金属型温度不均匀产生应力使模具变形，缩短使用寿命。

壁厚太厚，增加了铸型的重量。

设计铸型最薄处在底部厚60mm，型腔横向最深处为124mm，横向厚度取72mm，纵向最远处为芯头处，厚度取80mm，得到模具外型尺寸730mmX270mmX285mm

4.2型腔的排气

金属型最后充满处在冒口上，在冒口上开设直径为4mm的圆形排气孔。

由于采用的是砂芯，可以利用型芯座排气。

在芯头处开设直径为16mm的排气孔。

4.3金属型的定位，导向

在动模上装配四个φ22mm的合模导柱，相应地在定模上装配上合模导套。

4.4顶出、复位机构

顶杆顶出点布置，为了不影响铸件质量顶杆尽量开设在浇冒口和需机加工的部位，且冒口相较其他位置，不是圆柱形，夹紧力较大，因此在冒口、直浇道、横浇道和两侧待加工螺纹圆柱布置顶杆。

顶杆对称分布，设计了15个φ10mm的顶杆（冒口处4个，直浇道3个，横浇道4个，待加工螺纹圆柱4个），数量足够，保证顶出铸件时铸件受力均匀，能够顺利地顶出铸件。

顶杆安装在20mm厚的固定板上，用8个M6的螺钉将固定板固定在厚20mm的推板上。

合模时为了保证顶杆复位到准确位置上，在推板上安装4个φ16mm的复位杆，合模时复位杆顶到分模面时及可使顶杆回到准确位置。

4.5金属型底座

金属型安装在底座上，底座在连接到铸造机上。

底座厚40mm，底座与金属型壁用8个M20的螺栓固定[4]。

4.6模具装配图

模具装配图如下图4.1所示：

图4.1模具装配图

模具动作过程：

开模时，动模部分后退一定距离，然后依靠机床推出机构带动推板完成顶出模具动作；合模时，依靠合模导柱和合模导套使动、定模合拢，依靠复位杆使顶出机构恢复到原来位置。

5.芯盒设计

5.1芯盒类型

由于砂芯尺寸小，垂直芯盒结构简单，上砂芯采用垂直对开式，一盒两件。

下砂芯由于结构不对称垂直分盒不能顺利出芯只能采用水平分盒。

芯盒本体采用灰铸铁，合模导柱，顶芯杆，回位导杆用45钢，淬火达HRC50-55.以上砂芯芯盒设计为例。

5.2分盒面的确定

选用ZZ8612垂直式芯盒，分盒面在最大截面处向静芯盒偏移0.5mm。

5.3加热方式和芯盒厚

煤气加热虽然便宜，但不易控制，且欠卫生，电加热方便，清洁，容易控制，因此选用电加热。

使用9个φ20mm的电加热管，芯盒体制成厚实的立方体形，储热量大，使用中温度波动小。

将加热管直接放到芯盒里，最薄处在最大厚度处即φ124mm的圆柱处取80mm，底部与同样取80mm。

芯盒外形尺寸700mmX280mmX200mm[5]

5.4芯盒的导向、顶芯机构设计

用四个φ22mm的合模导柱和合模导套导向。

在静芯盒上装导套，在动芯盒上装导柱。

在砂芯最厚处和最长处设置φ10mm的顶杆，共6根。

顶杆固定在20mm厚的固定板上，在用12个M8的螺钉将固定板固定在推板上。

在推板上设置3个φ16的复位杆，保证合模时顶杆到达准确位置。

5.5射砂口和排气槽

射砂口开设在芯头处，顶部直径φ28mm，底部直径φ24mm，高50mm。

在分盒面处开设排气槽，最小间隙0.3mm，最大间隙1mm。

5.6芯盒装配图

芯盒装配图如下图5.1所示：

图5.1上砂芯芯盒装配图

芯盒动作过程：

开模时，动模部分后退一定距离，然后依靠机床推出机构带动推板完成顶出壳芯动作；合模时，依靠合模导柱和合模导套使动、定模合拢，依靠复位杆使顶出机构恢复到原来位置。

6.小结

参加本次铸造设计大赛，我们小组成员共完成C组零件的铸造工艺图，砂芯图，模具装配图，芯盒装配图。

这次的设计很辛苦，天气也还很寒冷，但我们还是坚持了下来，并最终完成了它。

因为我们都明白，这个设计过程能够培养我们的独立思考问题的能力，是来之不易的机会，我们需要抓住它。

通过这次设计，我们系统地掌握了铸造工艺与工艺设备的设计方法与设计流程，没有这个设计比赛，我们学过的知识终究还只是理论知识，不能用来指导实践。

虽然我们完成了设计的内容，但在设计过程中也存在不少问题。

比如我们对金属型铸造不是太了解，设计过程中比较抽象；而且C件零件图的三维图不是很好画，导致我们在上面花费了很多时间，以至于后来的procast模拟也出现不少错误，而导致不能网格划分。

总之，我们小组对这次的比赛还算满意。

大家齐心协力，起早贪黑在一起设计画图，有情有义，也为我们即将要面对的毕业设计增加了信心。

参考文献

[1]孙玉福主编.特种铸造技术问答[M].北京：

机械工业出版社，2010.3.第2页

[2]叶荣茂、吴维冈、高景艳编.铸造工艺课程设计手册[M].哈尔滨工业大学出版社，1989年4月第一版.第3~4页

[3]耿鑫明编著.金属型铸件生产指南[M].北京：

化学工业出版社，2008.4.第5~6页

[4]姜不居、吕志刚主编.铸造技术应用手册.第5卷,特种铸造[M].北京：

中国电力出版社，2010.第7页

[5]周述积、侯英玮、茅鹏主编.材料成型工艺[M].北京：

机械工业出版社，2005.7.第8~9页