轴壳体铸造设计.docx

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轴壳体铸造设计

轴壳体铸造工艺设计

一.设计的背景

轴壳体起固定和保护轴正常工作，并使其在工作过程中不漏油的作用，每年我们国家需要数千万个轴和轴壳体，壳体结构需要严格的密封和高强度，耐磨性，耐腐蚀性。

在其保护零件损坏之前一般要求其质量完好，保证机器正常运行。

轴壳体用砂型铸造方法生产，其铸造工艺过程，造型材料，铸造合金，浇注系统等都会影响壳体质量。

为保证壳体质量，所以必须极好的运用并掌握铸造工艺过程，努力开发新材料，适应现代化农业生产。

二.铸造工艺方案的确定

1.轴壳体的生产条件及技术要求

（1）产品生产性质——中小批量生产

（2）零件材质——HT250

（3）轴壳体的外形轮廓尺寸为552×410×316mm，主要壁厚12mm，最大壁厚30mm，为一中小型铸件；铸件除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。

2．轴壳体结构的铸造工艺性

零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。

审查、分析应考虑如下几个方面：

（1）铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。

（2）铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。

（3）铸件内壁应薄于外壁铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。

（4）壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。

（5）利于补缩和实现顺序凝固。

（6）防止铸件翘曲变形。

（7）避免浇注位置上有水平的大平面结构。

对于轴壳体的铸造工艺性审查、分析如下：

轴壳体的轮廓尺寸为552×410×316mm。

砂型铸造条件下该轮廓尺寸允许的最小壁厚。

查表得：

最小允许壁厚为3～4mm。

而轴壳体的最小壁厚为10mm。

符合要求。

3.造型、造芯的方法选择

（1）铸造方法的选择

轴壳体的轮廓尺寸为552×410×316mm，铸件尺寸不太大，属于中小型零件。

零件形状比较复杂，但壁厚比较均匀，故毛坯生产方法为砂型铸造，砂型类型为湿砂。

（2）造型、造芯方法的选择

选择造型方法为手工造型，具体为两箱造型；造芯方法为手工芯盒造芯。

两箱造型示意图见下图；

4．浇注位置及分型面

1．铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。

确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量，铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。

确定浇注位置应注意以下原则：

（1.铸件的重要部分应尽量置于下部

（2.重要加工面应朝下或直立状态

（3.使铸件的答平面朝下，避免夹砂结疤内缺陷

（4.应保证铸件能充满

（5.应有利于铸件的补缩

（6.避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验

考虑到砂芯安放固定与排气、起模、充型等，选择将浇注位置确定为轴壳体底部。

2．分型面的确定

分型面是指两半铸型相互接触的表面。

分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。

分型面确定为输出轴壳体底部，以便顺利起模、下芯、充型，及铸造出质量和强度高的铸件。

5．砂箱中铸件数目

轴壳体的重量为77kg，"铸件质量"选择51-100kg，查得，"最小吃砂量"分别为"a=50mm，b=70mm，c=90mm，d或e=70mm，f=40mm，g=50mm"，砂箱尺寸为987.5mm（砂箱尺寸=（A+B）/2=（1030+945）/2=987.5mm，A、B分别为砂箱内框长宽及宽度）。

铸件本身的尺寸为552×410×317mm，因此在"915mm"的砂箱中只能放置一个铸件。

三．铸造工艺参数及砂芯设计

1.工艺设计参数

铸造工艺设计参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些数据，这些工艺数据一般都与模样及芯盒尺寸有关，及与铸件的精度有密切关系，同时也与造型、制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。

这些工艺数据主要是指加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔、型芯头尺寸、铸造圆角等。

工艺参数选取的准确、合适，才能保证铸件尺寸精确，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生产率，降低成本。

（1）铸件尺寸公差

铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许的极限尺寸之差。

在两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械加工，装配，和使用要求。

轴壳体为砂型铸造手工造型中小批量生产，查表得：

轴壳体的尺寸公差为CT13～15级，取CT13级。

轴壳体的轮廓尺寸为552×410×316mm，查表得：

铸件基本尺寸（mm）

公差等级CT（mm）

大于

至

13级

16

25

40

25

40

63

6

7

8

63

100

160

100

160

250

9

10

11

250

400

630

400

630

1000

12

14

16

（2）机械加工余量

机械加工余量是铸件为了保证其加工面尺寸和零件精度，应有加工余量，即在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度。

轴壳体为砂型铸造手工造型中小批量生产，查表得：

轴壳体的加工余量为H级。

轴壳体的轮廓尺寸为552×410×316mm，查表得：

轴壳体加工余量数值为4-6mm，根据具体尺寸选取。

参考图如下图

（3）铸造收缩率

铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：

ε=[（L1-L2）/L1]*100％

ε—铸造收缩率

L1—模样长度

L2—铸件长度

查表得：

受阻收缩率为0.8-1.0％，自由收缩率为0.9-1.1%。

（4）起模斜度

为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。

这个斜度，称为起模斜度。

起模斜度应在铸件上没有结构斜度的，垂直于分型面的表面上应用。

初步设计的起模斜度如下：

轴壳体为一较复杂铸件，其本身就有斜度，部分铸孔需要起模斜度。

Φ120，h=50,а=5°

Φ100，h=25，а=7°

Φ90，h=12,а=7°

Φ50，h=60,а=7°

Φ46，h=49,а=7°

但有具体技术条件知道允许的拔模斜度为1-2°，所以均取拔模斜度为2°。

如下图

（5）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。

根据轴壳体的轮廓尺寸为552×410×316mm。

查表得：

单件小批量生产灰铸铁最小铸出孔直径为30-50mm。

铸件壁厚小于50mm时，灰铸铁应铸出的最小铸出孔约为30mm。

（6）铸件在砂型内的冷却时间

铸件在砂型内的冷却时间短，容易产生变形，裂纹等缺陷。

为使铸件在出型时有足够的强度和韧性，铸件在砂型内应有足够的冷却时间。

查表得：

当铸件质量在50-100kg时，壁厚小于30mm时的冷却时间为80～100min。

（7）铸件重量公差

铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。

轴壳体的公称重量约为77kg，尺寸公差为CT13级。

查表得：

轴壳体的重量公差为MT14级。

（8）工艺补正量

在单件小批量生产中，由于选用的缩尺与铸件的实际收缩率不符，或由于铸件产生了变形等原因，使得加工后的铸件某些部分的壁厚小于图样要求尺寸，严重时会因强度太弱而报废。

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。

但该轴壳体在大批量生产前的小批量试产过程中将进行调整，所以设计中不考虑工艺补正量。

（9）分型负数

干砂型、表面烘干型以及尺寸较大的湿砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接触面很不严。

为了防止浇注时炮火，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳、泥条等，这样在分型面处明显增加了铸件的尺寸。

为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。

而该轴壳体是湿型且是中小型铸件故不予考虑分型负数。

（10）反变形量

铸造较大的平板类、床身类等铸件时，由于冷却速度的不均匀性，铸件冷却后常出现变形。

为了解决挠曲变形问题，在制造模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，使其于变形量抵消，这样在模样上做出的预变形量称为反变形量。

而该轴壳体没有较大平板且有肋及圆柱结构故基本不会产生挠曲变形，所以不用设置反变形量。

2.砂型主体部位及心头斜度设计

（1）轴壳体中心部分

对于该轴壳体中心部分，其可以用一个整体砂芯来形成，因此为该中心部位单独设一个砂芯，以便下芯后检查并调整四周壁厚至均匀及方便。

芯头设计：

由设计资料得，芯头长度确定为l=60mm，а=7°，垂直芯头底面与芯座的间隙为S=2mm。

主砂芯形状

（2）两侧面肋及圆筒下部分

对于两侧面肋及圆筒下部分，两边砂芯采用相同的垂直芯头来定位和固定。

由设计资料得，芯头长度确定为l=35mm，а=7°，垂直芯头与芯座的间隙为S=2mm。

侧面砂芯形状

（3）轴壳体顶部部分

由设计资料得，芯头长度确定为l=40mm，а=7°，垂直芯头与芯座间隙为S=2mm

。

顶端砂芯形状

（4）压环、防压环和集砂槽芯头结构

在湿型大批量生产中，为了加速下芯、合芯及保证铸件质量，在芯头的模样上常常做出。

此造型为中小批量生产不需要压环、防压环和集砂槽。

（5）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。

因为砂芯尺寸为中小型，而且采用树脂砂，故砂芯强度较好，砂芯内不用放置芯骨。

（6）砂芯的排气

砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中的有机物要燃烧（氧化反应）放出气体，砂芯中的残余水分受热蒸发放出气体，如果这些气体排不出型外，则要引起铸件产生气孔。

砂芯排气采用扎通气孔形式，通气孔大小及位置根据具体情况确定。

（7）砂芯负数

大型粘土砂芯在春砂过程中砂芯向四周涨开，刷涂料以及在烘干过程中发生的变形，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，这个被减去的量叫做砂芯负数。

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。

四．浇注系统及冒口、冷铁、出气孔等设计

1.浇注系统的设计

浇注系统是铸型中引导液体金属进入型腔的通道，它由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道组成。

2.选择浇注系统类型

浇注系统分为封闭式浇注系统，开放式浇注系统，半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。

因为封闭式浇注系统控流截面积在内浇道，浇注开始后，金属液容易充满浇注系统，呈有压流动状态。

挡渣能力强，但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。

适用于湿型铸件中小件。

而输出轴壳体就是采用湿型的铸件小件，所以选择封闭式浇注系统。

3.确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向

轴壳体为较复杂的壳体铸件，每个铸件上需要两个内浇道。

为了方便造型，内浇道开设在分型面上。

因为铸件采用铸件全部位于上箱的方式进行铸造，这样铸件充型平稳，可避免金属液发生喷溅、氧化及由此形成的铸件缺陷。

浇注系统的一般设计内容有:

浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道。

浇注系统截面积的大小对铸件质量也有很大影响。

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，又可能引起冲砂，带入熔渣和气体，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。

（1）浇注系统类型的选择

根据零件的结构选择封闭式（底注入式）浇注系统较好，因为封闭式浇注系统有较好的阻渣能力，可防止金属液卷入气体，消耗金属少，清理方便。

（2）浇注系统的设计与计算

按照铸件的基本尺寸（包括加工余量在内）计算出铸件的体积和铸件的质量。

此铸件为85kg，金属液总质量G为铸件的1.25倍，则金属液总质量为：

G=85kg×1.25=106.25kg

根据公式：

式中t--浇注时间

G--浇注重量,此时G=106.25kg

S--系数

查设计资料得，S=0.7

代入GL和S相应数值计算可得浇注时间:

t=7.22s

平均静压头Hp的确定：

选择μ=0.50，由设计资料查得。

选择浇注方式为底部注入式，运用平均静压力头高度计算公式：

Hp=H0-C/2

其中：

H0-浇口杯顶面到分型面的距离；C-铸件在铸型中的总高度。

Hp=H0-C/2=500-316/2=500-158=342mm。

运用灰铸铁件浇注系统内浇道的最小横截面积计算公式：

代入G、Hp、μ、t相应数值计算，得内浇道的最小控流截面积为5.39。

取F内=6cm²

对于封闭式浇注系统，中、小型铸铁件（砂型）直浇道截面积为内浇道截面积的1.15倍，横浇道截面积为内浇道截面积的1.1倍，即F直=1.15×6=6.9cm²,

F横=1.1×6=6.6cm²。

查表得各浇道的具体尺寸：

取两个F内=3cm²，a=28mm，b=24mm，c=12mm

F直=7.1cm2，直径d=30mm

F横=7cm²，a=28mm，b=18mm，c=30mm

（3）横浇道末端延长段设计

横浇道末端延长段，其功用为容纳最初浇注的低温、含气及渣污的金属液，防止其进入型腔；吸收液流动能，使金属液平稳进入型腔。

末端呈坡形可阻止金属液流到末端时出现折返现象。

末端延长段长度为75—150mm，铸件大取上限。

本件取80mm。

（4）计算直浇道锥度及长度

直浇道的功用是从浇口杯引导金属液向下，进入横浇道、内浇道或直接进入型腔。

并提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服各种流动阻力充型。

由于设计直浇口有一个，由于取S直=7.1cm²

直浇道形状取圆形截面形状如图

查表得：

圆形断面大小D=30mm

为了使直浇道充满直浇道做成上大下小的圆锥形，（通常锥度取1/50）。

因此直浇道上端是直径约为：

D1=30+（1/50）*400=38mm

（5）浇口窝的设计

浇口窝对于来自直浇道的金属有缓冲作用，能缩短直——横浇道拐弯处的紊流区，改善横浇道内的压力分布，并能浮出金属液中的气泡。

浇口窝直径为直浇道上端宽度B的2.5倍，因此D=2.2*18=45mm

浇口窝高度等于横浇道高度，因此h=30mm

浇口窝底部放置耐火砖防止充型。

（6）浇口杯的设计

浇口杯是用来承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注，并可以减轻金属液对型腔的冲击，还可分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔。

浇口杯选用普通漏斗形浇口杯，其断面形状如图所示

浇口杯断面大小为：

D1=70mm,D2=66mm,H=70mm

4.冒口及冷铁

由于该铸件是中小型件，材料为灰铸铁（HT250），铸件壁厚较为均匀，且无厚大壁，固不易产生裂纹缩松等缺陷。

而且设置冷铁会增加生产工序，使成本增大。

因此，在铸造时不需要冒口和冷铁，石墨化膨胀前的液态收缩由浇注系统补给。

为了防止铸件浇不足和产生气孔缺陷，须设计出气孔，以排除型内的气体。

5.出气孔

出气孔用于排出型腔内的气体，改善金属液充填能力、排除先冲到型腔中的过冷金属液与浮渣，还可作为观察金属液充满型腔的标志。

出气孔设置位置详见工艺图。

防止出气孔过大导致铸件形成热节，以至产生缩孔，出气孔根部直径，不应大于设置处铸件壁厚的0.5倍。

即出气孔直径应小于15mm（0.5*30mm）和小于13mm（0.5*26mm）。

防止出气孔过小导致型内气压过份增大，出气孔根部总截面接应大于内浇口总截面积6cm²。

因此设计出气孔根部直径为两个为12mm，另外四个为12mm，一箱1件共6个出气孔。

为方便取模采用上小下大的锥形，斜度为起模斜度а=1°

出气孔总截面积为3.14*（1.2/2）²*6=6.78cm²

五．铸造工艺装备

铸造工艺装备是造型、造芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。

1．模样

（1）模样材料的选用

模样是造型工艺过程必须的工艺装备，用来形成铸型的型腔，因此直接关系着铸件的形状和尺寸精确度。

支座为大批量生产，所以用金属模样，该金属模样的材料选用如下：

模样：

铝合金（质轻、不生锈，加工性能好，加工后表面光滑，并有一定的耐磨性，但耐磨性较差）

出气针、气孔针：

45号钢

（2）金属模样尺寸的确定

模样尺寸＝铸件尺寸

（1＋K），（模样尺寸精确到小数点后两位）

注：

K铸件线收缩率

轴壳体的收缩率按K=0.9%

（3）壁厚与加强筋

模样壁厚由公式6-1计算的得：

（1．上模样壁厚α（1+0.0008L）=6×（1+0.0008×481）=8.31α—系数，铸铝模样为6，铸铁和铸铜为5.L—模样平均轮廓尺寸，L=（A+B）/2

由于其模样较高为190，所以扩大模型壁厚取δ=12mm。

查表得：

A=552mm，B=410，A/B=1.35。

安A/B=1.25计算a=140mm，b=175mm。

模样壁厚为12mm时，肋厚度10mm，铸造圆角半径为6，斜度1°

如下图所示：

上模样剖面图

（2．下模样主要作用为放置芯头，取其壁厚为10mm。

其形状见下图；

2.金属模样的技术要求

模样的尺寸精度、表面光洁度是影响铸件质量的一个重要因素，因此对其表面光洁度和尺寸偏差应严格控制。

查表得：

模样工作表面的粗糙度为3.2-6.3，模样与模板接触面的粗糙度为12.5。

模样定位销孔粗糙度为3.21-1.6.

3.金属模样的生产方法

为增加材料浇注后的致密度，现将材料制作成与该模样形状类似的腔体，然后进行热处理，以增加其硬度，增加抗磨损能力，然后在用机器按模样的尺寸加工成模样的形状。

4.模样在模底板上的装配

本铸件采用平放式装配方式。

具体形式见下图；

上模样与模底板装配图

下模样与模底板装配图

5.模板的设计

模板也称型板，是由摸底板和模样、浇冒口系统及定位销等装配而成。

模底板用来连接与支承模样、浇冒系统、定位销等。

本设计采用单面模底板，其工作面是平面。

（1）模底板材料的选用

对模底板材料的要求是有足够的强度，有良好的耐磨性，抗震耐压，铸造和加工性。

根据模样的结构及生产要求，选用铸造铝合金作为模底板的材料。

（2）模底板尺寸的确定

模底板长＝砂箱长＋2×砂箱分型面出边缘厚度

＝1030＋2×50=1130mm

模底板宽＝砂箱宽＋2×砂箱分型面出边缘厚度

＝945＋2×50＝1045mm

查表得：

模底板的壁厚为16-20mm取为18mm。

摸底板加强肋间距K=350mm，K1=300mm。

加强肋示意图

（3）模底板与砂箱的定位

模底板与砂箱之间采用定位销与销套定位。

上、下模底板图如下；

6..芯盒的类型和材质

采用手工芯盒，芯盒材料为铝合金。

7.芯盒的结构设计

轴壳体结构比较复杂，为了方便起模本铸件设置了三种型芯，所以需要三种芯盒。

（1）芯盒的壁厚由查表6-43得：

（mm）

芯盒平均轮廓尺寸（A+B）／2

芯盒壁厚t

铸铝

＜300

6-8

300-500

8-10

500-800

10-12

800-1250

12-14

考虑到周转及使用周期本铸件的所有芯盒壁厚均取14mm。

其具体尺寸有设计图形及设计工艺性确定。

（2）芯盒边缘及防磨片

为了增强芯盒的强度及刚度，芯盒边缘应加厚一些。

铝质芯盒的刮板面应设防磨片，其材料采用30钢或其他低碳钢。

防磨片厚度均取3mm，埋头螺钉取M6×14。

其边缘形式见下图；

（3）主芯盒设计

其尺寸根据型芯确定。

主芯盒需要设计活块其活块形式及结构参数见下图；

（4）2号和3号芯盒设计

其边缘形式和防磨片与主芯盒相同，其具体尺寸见芯盒图。

8.砂箱的设计

砂箱的设计内容有：

选择类型和材质，确定砂箱尺寸。

结构设计，定位及紧固等。

（1）砂箱的材质及尺寸

轴壳体零件机械造型用砂箱可选用的材料牌号由查表得：

HT15-33,HT20-40,QT45-5,QT60-2,QT40-10,ZG15～ZG45。

选择HT200为砂箱材料，需进行人工时效或退火处理。

根据通用砂箱的规格尺寸选砂箱的尺寸：

上箱为1030*945*500mm下箱为1030*945*200mm

（2）砂箱型壁

普通机械造型砂箱常用向下扩大的倾斜壁，底部设突缘，防止塌箱，保证刚性，便于落砂，箱壁上流出气孔。

（3）砂箱排气孔尺寸

查表得：

C1=60mm,d1=16mm，d=28mm

C2=50mm，d2=16mm，d=30mm

上箱通气孔共5排，下箱通气孔共3排，具体尺寸见铸型装配图，其大至形式如下图所示；

六．砂型铸造设备选用

1.造型工部设备选用

工艺分析确定采用上砂箱内尺寸为1030×945×500/200mm的微振压手工造型线生产输出轴壳体。

选择这种造型线组织造型生产，在技术上是先进的，经济上是合理的。

选用半自动气动微震压实造型机（型号ZB148B）进行造型。

2.制芯工部设备选用

为了提供造型用的强度高、尺寸精确的砂芯及方便下芯和活块，采用手工生产树脂砂芯，此零件的砂芯属于小砂芯。

3.溶化工部设备选用

根据车间的生产纲领、设备资源情况、投资等因素，确定采用冲天炉融化蠕墨铸铁。

4.砂处理工部设备选用

混砂装备选用碾轮式混砂机，该型混砂机的混砂质量较好。

制备型（芯）砂所需要的各种原材料、如新砂、煤粉、粘土等一般都经过烘干后使用，在批量较大的铸造车间多采用卧式烘干滚筒。

松砂是很重要的工艺环节。

生产批量较大的铸造车间，采用双轮松砂机。

5.清理工部设备选用

为了减轻清理工段的劳动强度，改善劳动条件，提高铸件清理质量和清理速度，设计中采用双行程连续抛丸室和Q118抛丸清理滚筒进行铸件的表面清理；采用M3040固定式砂轮机、M3140悬挂式砂轮机铸件的飞边毛刺。