材料成型及控制工程毕业设计论文初稿.docx

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材料成型及控制工程毕业设计论文初稿

摘要

本设计是对支承刀架进行铸造毛坯工艺设计。

首先，对设计任务进行分析。

根据支承刀架的使用条件、结构特点和生产批量情况，对铸件进行铸造工艺分析，明确零件的结构特点，找出可能存在的结构问题。

其次，根据支承刀架结构特点、技术要求、生产要求、生产批量和生产条件选择正确的铸造方法及造型方法。

由零件的结构特点，提出多种浇注位置和分型面选择为方案，综合对比分析，选择最为理想的浇注位置及分型面，制定出详细的铸造工艺方案。

再次，根据所确定的铸造工艺方案和零件的特点，选择正确的工艺参数，合理设计铸件的砂芯，设计正确的浇注系统并校核，再根据滚圆法结合生产经验设计冒口并校核。

最后进行砂箱、芯盒等相关工装设备设计。

关键字：

砂型铸造；工艺分析；铸造工艺设计；浇注系统

Abstract

Thedesignofthevalvecylindercastingblankprocessdesign.First,accordingtotheconditionsofuseofparts,structuralcharacteristicsandproductionvolume,combinedwiththeexistingplantequipmentforcastingthecastingprocessanalysis,clearpartsofthestructurecharacteristics,identifypossiblestructuralproblems.Secondly,accordingtothestructuralcharacteristicsofparts,technicalrequirements,productionrequirements,productionvolume,productionconditionsandmodelingcastingmethodselected.Bythepartsofthestructure,thispaperproposesavarietyofcastingandsub-typescheme,comprehensivecomparativeanalysis,selectthemostideallocationandcastingparting,todevelopadetailedcastingprocess.Again,accordingtothecastingprocessandthecharacteristicsofthepart,thechoiceofsuitableprocessparameters,thedesignofthesandcorecasting,castingsystem.Finally,sandbox,corebox,gatingsystem,riserandcoldiron,associatedtoolingandequipmentdesign.

Keywords：

sandcasting；technologyanalysis；castingtechnologydesign；gating

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前言

在现代科技进步与铸造业蓬勃发展情况下，不同的铸造方法需要做的铸型准备内容也有所不同。

当下应用最为广泛的还是砂型铸造，铸型准备工作主要有造型材料的准备和造型、造芯两大项。

砂型铸造中用来造型、造芯的各种原材料称为造型材料，主要有铸造原砂、型砂粘结剂和其他一些辅料，还有由它们配制成的型砂、芯砂、涂料等。

造型材料是根据铸件的要求、金属的性质来选择的，选择合适的原砂、粘结剂和辅料后，再按一定的比例把它们混合，使其成为具有一定性能的型砂和芯砂。

常用的混砂设备有碾轮式混砂机、逆流式混砂机和连续式混砂机。

混合化学自硬砂需要用连续式混砂机，其优点是连续混合，混砂速度快。

铸造工艺由铸造金属准备、铸型准备和铸件处理三个部分组成。

铸造金属是指浇注铸件所用的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，再加入其他金属或非金属元素而组成的合金，通常称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。

在确定好造型方法，准备好造型材料后，根据铸造工艺要求进行造型、造芯。

它决定铸件的精度和生产过程的经济效果，在现代化的铸造车间里，造型、造芯都已实现了机械化或自动化。

常用的砂型造型造芯设备有高、中、低压造型机、气冲造型机、无箱射压造型机、冷芯盒制芯机和热芯盒制芯机、覆膜砂制芯机等。

铸件浇注完成后，经一定时间冷却从铸型中取出，有浇口、冒口及金属毛刺披缝，砂型铸造时还粘附着砂子，因此必须经过清理工序。

这种工作需要用抛丸机、浇口冒口切割机等来完成。

有些铸件有特殊要求，还要进行热处理、整形、防锈处理、粗加工等处理[1]。

铸造的适用范围很宽，金属种类几乎不受限制，铸出的零件除具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是锻、轧、焊、冲等金属成形方法所做不到的。

铸造生产在不断提高机械化自动化程度同时，将更多地向柔性生产方面发展，以实现不同批量和多品种的生产。

铸造产品发展的趋势是使铸件的质量更好，有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的表面。

此外，还要开发新的铸造合金，研究冶炼新工艺和新设备，以实现节能减排和恢复自然环境，减少对大气的污染。

1绪论

1.1概述

铸造生产是指将液态合金注入铸型中，经过冷却、凝固形成金属产品的方法，简称铸造，所铸出的金属制品称为铸件。

铸件绝大多数只能用作毛坯，经过机械加工后才能成为合格的机器零件；少数铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，才可作为成品或零件直接应用到机械设备中。

铸造生产具有适用范围广、铸件的尺寸精度高、可制造各种合金铸件、成本低廉等特点。

1.2国内铸造行业的现状及发展趋势

铸造是国民经济中的基础产业，在制造业中占有重要地位，在汽车、机床、航空、航天、国防以及人们的日常生活中的用品都需要铸件。

因此，铸造业的发展程度标志着一个国家的生产实力。

有资料表明，我国铸造生产中，材料和能源的投人之比可占到产值的55%到70%。

我国铸件总产量到2009年底已连续10年居世界首位。

从2000年到2009年的10年间，我国铸件产量以平均每年10.9%的速度增加，我国2009年铸件总产量已达3530万吨，铸造厂点近3万家，从业人员约200万人[2]，在国际市场中也具备了一定的竞争能力。

我国在大量引进国外的先进技术和设备后,加强自主技术的开发,中国的铸造技术取得了明显的进展[3~4],主要体现在造型材料、铸造工艺、铸造设备、铸造合金材料、熔炼以及计算机等新技术在铸造中的应用等。

我国的铸造行业经过近些年的发展,逐渐在各地区形成了以铸造产业为核心的铸造产业集群[5]。

铸造行业也成为了当地的支柱性行业,如机械、冶金、汽车、建筑等的配套行业,呈现明显的地区性特征。

我国铸造行业的地理分布主要分布在辽宁省、山东省、珠江三角洲、长江三角洲和山西省5个区域,我国大约一半的铸件产自这5个区[6]。

中国已是铸造大国,但远非铸造强国[7]。

首先，我国的铸件质量与发达国家相比有较大差距。

铸件尺寸精度普遍低1~2级，表面粗糙度差1~2级，铸件壁厚也厚得多。

中国的铸件材料仍以灰铸铁为主，约占铸件总产量的61.9%，球墨铸铁占16.7%，远低于世界平均值20%，远低于日本（30.8%）、美国（29.6%）。

中国合金钢在铸钢件中的比例为25%，国外先进水平为42%~60%。

中国有色金属铸件为7.9%，国外先进水平为11%~20%[8]。

其次，我国铸造行业铸造成本比其他国家相对较低,但生产率却只有每人每年20t,远远美国的133t和日本的140.85t。

此外，材料成分、组织和性能的一致性、稳定性也与发达国家存在较大差距[9]。

综上所述，我国必须克服现实的能源、资源、人才瓶颈和环境问题的困扰，才能从铸造大国转型为铸造强国。

因此，必须研究开发高新技术以提升铸件质量和铸造企业的实力，改变铸上技术含量不高、价格低廉的现状[10]。

要扶持一批能带动中国铸件出口的铸造企业，使之成为具有国际竞争力的龙头企业。

1）大力支持企业、研究机构或学校研究铸造新工艺、新材料、新设备。

企业应与研究机构学校等开展深度合作，使生产实践与理论研究更好的结合，共同研究铸造新工艺、新材料、新设备。

2）开发新型、环保原辅材料。

大力开发旧砂重复利用新技术，环保型砂处理及再生技术；研究清洁无毒的原辅材料并推广使用，使用无毒无味的变质剂、精炼剂、粘结剂，开发环保型砂芯无机粘结剂；用湿型砂无毒无污染粉料光洁剂代替煤粉等；发展循环经济，以“减量化、再利用、再循环”为行业准则（3R原则），走集约化清洁生产之路。

3）改善车间环境。

铸造行业对环境产生的污染严重，同时工人工作的车间条件也非常恶劣。

因此，应加大管理力度，使技术得到改造、设备进行升级。

4）注重自主创新。

调整铸造企业结构，进行专业化生产，实现地域化聚集，发展壮大龙头企业，使中小企业围绕龙头企业形成产业链。

在集聚企业、产品的同时，还要实现信息的集聚、人才的集聚、技术的集聚，甚至竞争的集聚，产生规模效应。

要合理地购买技术、设备和产品，加强自主创新，生产更多满足国民经济和国防安全的高质量铸件，并融入新材料的研究，具有国际竞争力。

1.3发达国家铸造业现状及发展趋势

近些年来，全世界铸造业持续增长。

巴西铸件产量增长最快，达到25.8%。

而发达国家的铸件增长率普遍较低。

自2000年以来，美国铸件产量已经退居到第2位。

2004年美国铸件总产量为1231万t，其中灰铁件占35%、球铁件占33%、铸钢件占8.4%、铝合金件占16%。

从需求上看，球铁铸件和铝铸件的需求有所增长。

2003年进口铸件占总需求的15%，进口铸件的价格比美国国内低20%~50%[11]。

近年来由于铸造环保要求高、能源消耗大、劳动力昂贵等因素，导致美国大型汽车公司生产普通汽车铸件的铸造厂纷纷关闭，逐步将铸件的生产转向发展中国家，如中国、印度、墨西哥、巴西等。

总体上，发达国家的铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料的商品化系列化供应已形成。

生产普遍实现了机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。

铸铁熔炼使用大型、高效、除尘、微机测控、外热送风无炉衬水冷连续作业冲天炉，普遍使用铸造焦，冲天炉或电炉与冲天炉双联熔炼，采用氮气连续脱硫或摇包脱硫使铁液中硫含量达0.01%以下；熔炼合金钢精炼多用AOD、VOD等设备，使钢液中H、O、N达到几个或几十个10-6的水平。

在重要的铸件生产中，对材质要求很高，通过采用先进的无损检测技术来有效控制铸件的质量。

大多采用液态金属过滤技术，过滤器能适应钴基、镍基合金及不锈钢液的高温的过滤。

过滤后可使钢铸件射线探伤A级合格率提高13%，铝镁合金经过滤，抗拉强度提高50%、伸长率提高100%以上[12]。

大量应用了合金包芯线处理技术，使球铁、蠕铁和孕育铸铁工艺更稳定、合金元素收得率高、无污染的处理过程，实现了计算机机自动化控制。

铝基复合材料被广泛重视并日益转向工业规模化应用，其优越性能可满足汽车驱动杆、缸体、缸套、活塞、连杆等各种重要部件的制作，并已在高级赛车上应用；在汽车向轻量化发展的进程中，用镁合金材料制作各种重要汽车部件的量已仅次于铝合金。

在大批量中小铸件的生产中，普遍采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺，通过采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统进行砂处理，通过采用树脂砂、温芯盒法和冷芯盒法制芯工艺制芯[13]。

熔模铸造的制壳工艺普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂。

铸铝缸体、缸盖用自动化压铸机生产，已经建成多条铁基合金低压铸造生产线[14]。

特种铸钢件用差压铸造生产。

所生产的各种口径的离心球墨铸铁管占铸铁管总量95%以上，球铁管占球铁年产量30%~50%。

铸造生产全过程中从严执行技术标准，铸件废品率仅为2%~5%；标准更新快（标龄4~5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证[15]。

开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。

铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂通过使用身临其境的虚拟环境系统，可以学习通过多媒体先进的产品技术和体验的技巧和诀窍通过虚拟技术实现，这些新技术都在飞速发展。

我国铸造业作为世界铸造产业之林中一支重要的力量，在世界上的影响力还相当的微弱，中国市场无法容纳国内铸造产业庞大的生产能力，因此，我国铸造产业必须要到世界市场中寻求发展空间。

业内相关专家表示，国内铸造产业必需要走向世界才能更好的发展，必须要加快实施铸造产业走出去战略。

我国自改革开放以来,铸造业的发展有十分大的变化，包括技术水平、质量、服务等方面.我国的铸件质量显著有所提高。

主要表现在在铸件生产过程中产生的废品相比以前下降了很多；然后是是很多种铸件的精度（几何精度、尺寸精度）表面粗糙、度力学性能等达到了国际水平。

铸造企业已经拥有能力在我国及外国展览会上展出自己的铸件,并获得较高认可。

除此之外，我国铸造技术大大提高，已经可以和国外发达国家相匹敌.改革开放以来，原来许多企业采用砂型铸造工艺，而现在已经开始向数控化、自动化、智能化、机械化的方向挺进。

我国是铸造大国，我国要转型为铸造强国必须克服资源、能源、人才和环境问题，追求高效、优质、环保等方向。

所以，必须利用高新技术提升铸件质量,改变中国铸件在国际市场上技术含量不高，价格低廉的状况。

目前，我国铸造行业正在面临着良好的发展机遇。

一是是我国经济的高速发展使得我国各领域也都进入高速发展状态;然后是经济全球化导致各个国家铸造业都发展的很成熟，带动了我国进入全球化。

中国加入世界贸易组织后，必将从中受益匪浅，学到了先进的科学技术，管理方法等。

这些机遇给中国铸造行业实现由铸造大国转向铸造强国的转变提供了极好的机会。

铸造业也将向着下面的方向发展。

1.4本课题的研究内容

本次毕业设计的题目是：

支承刀架铸造工艺设计。

经过查阅了相关论文和书籍后，分析设计任务，审视阀缸零件图，对零件铸造工艺性进行了分析，进行铸造工艺设计以及铸造工艺装备设计。

首先，要确定零件图上零件的结构、尺寸是否正确，是否符合铸造工艺性的要求，接下来选择正确的浇注位置，分型面以及造型、造芯的方法；其次，选择正确的铸造工艺参数以及合理的设计砂芯，还要进行浇注系统以及冒口的设计；最后，还要正确的选择设计铸造工艺装备。

对工艺设计图及设计方案进行一定的改进，使设计更合理规范，更符合实际生产条件，并减少和避免铸件缺陷，从而提高铸件质量和工作性能。

2设计任务分析

2.1　审图及零件的技术要求

1）审阅零件图

零件名称：

支承刀架

零件材料：

铸钢

生产批量：

单件生产

铸件质量：

15kg

2）零件的技术要求

技术要求：

1、支承刀架重量15Kg，重量偏差小于0.1kg

2、25D7槽∇5面对A面的平行度及等高度允差0.05mm测量长度不小于85mm

3、Φ16D4孔的同心度允差0.03mm

4、Φ20D4孔的同心度允差0.03mm

5、尺寸41两平面对Φ20D4孔的不垂直度允差0.05mm

6、108两平面对Φ16D4孔Φ20D4孔与25D7槽的不垂直度允差0.05mm

7、其余铸造圆角半径为R3mm

支承刀架的零件图如图2-1所示：

支承刀架的外形轮廓尺寸为290mm×200mm×120mm，主要壁厚15mm，为一个小型铸钢件。

支承刀架中间有伸出的两个小圆柱，铸造时需要设置砂芯，此位置为重要加工处，而且在铸造时有可能影响起膜，铸造时需要考虑如何放置才有利于保证质量，确定浇注位置时也需要考虑。

刀架作为数控车床的重要配置，在机床运行工作中起着至关重要的作用，一旦出现故障很可能造成工件报废，甚至造成卡盘与刀架碰撞的事故。

它是车床的支撑部件之一，其中起支撑、刀具装夹作用；同时它也是进给系统的一部分。

最重要的是在工件加工过程中还提供切削力、定位精度。

铸钢作为材料，这种设计有与对铸件形状和大小有最大的选择自由度，尤其是复杂的形状和空心部分，而且钢铸件可以由核心铸件的独特工艺制造。

易成型和易改变形状并可以快速根据图纸制作出成品可以提供快速响应并缩短交货时间。

图2-1支承刀架图

Fig2-1Valvecylinderpartschart

2.2　零件结构的铸造工艺性分析

零件结构的铸造工艺性指的是零件的结构应符合铸造生产的要求，有利于保证铸件的质量，进而使铸造工艺过程简化和成本降低[17]。

零件一旦设计成型，其结构一般情况下是不能修改的，所以必须在铸造工艺上采取各种措施，最终实现用户对零件提出的各项技术要求。

除非在不能保证铸件质量时，或在使用性能不受影响的情况下又可简化生产工艺时，但也要征得用户同意，才能更改铸件的结构。

铸造零件的设计结构除了使机器设备本身的使用性能和机械加工的要求得到满足外，还要满足铸造工艺的要求。

铸件结构的合理性，直接影响铸造合金的种类、产量的多少、铸造方法和生产条件等。

审查、分析应考虑如下两个方面。

2.2.1　从避免铸件缺陷方面确定铸件的结构

合理的零件结构可以消除许多铸造缺陷。

为保证获得质量优良的铸件，对零件结构的要求要从以下几个方面考虑：

1）铸件应该有合适的壁厚，为了防止浇不到、冷隔等缺陷的产生，铸件壁厚不应太薄。

支承刀架的外形轮廓尺寸为290mm×200mm×120mm，主要壁厚15mm。

砂型铸造条件下该轮廓尺寸允许的最小壁厚查表2-1得：

最小允许壁厚为4~5mm。

而支承刀架的最小壁厚为15mm，从零件的整体结果及尺寸看，支承刀架的设计壁厚均匀，不易产生热裂，因此，该零件的结构满足铸造工艺性要求。

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过度。

铸件薄、厚壁的相接，拐弯等壁厚的壁与壁的各种连接，都采用铸件过渡转变的形式，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。

分析阀缸的零件图可知，零件的各边缘部分均采用了圆角过渡，这一点也符合铸造工艺要求。

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。

本设计中，阀缸的主要壁厚度为7mm，底部壁厚度10mm，右侧外壁厚为14mm，满足冷却要求。

4）壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节

薄厚不均的铸件在冷却过程中会有较大的内应力产生，在热节处容易产生成缩孔、缩松和热裂纹等缺陷，因此应取消那些不必要的厚大部分。

因零件的结构要求铸件的内外壁形状不可改变，不可能完全达到厚度均匀，因此，铸件各个部分不同壁厚的连接采用的是逐渐过渡。

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。

2.2.2　从简化铸造工艺方面改进零件结构

当不能保证铸件质量，或在不影响使用性能的条件下又可简化生产工艺时，可改变零件结构，使制造工艺过程简化，使产品质量稳定，提高生产效率和降低成本。

其主要改进方法如下：

1）改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋板的结构。

2）尽量减少砂芯数目，以降低成本并提高生产率。

铸件内腔的肋条，常是造成砂芯多、工艺复杂的重要原因。

改进后可以使工艺、工装设计简化，进而降低铸件成本。

3）有利于砂芯的固定和排气。

若铸件必须采用不平分型面，增加了制造模样和模板的工作量，尽量改进用一平直的分割面进行造型。

4）减少和简化分型面。

工艺图上需要使用多个砂芯时，尽量使多个砂芯连成一体，变成一个砂芯，取消芯撑。

5）减少铸件清理的工作量。

铸件清理包括：

消除表面粘砂、内部残留砂芯，去除浇注系统、冒口和飞刺等操作。

这些操作劳动量大且环境恶劣，铸件结构设计应使清理的工作量减少。

6）简化模具的制造。

单件、小批生产中，铸件成本中模样和芯盒的费用占很大比例。

为使模具制造工时减少和节约材料，应将铸件设计成规则的、容易加工的形状。

7）大型复杂件的分体铸造和简单小件的联合铸造。

有些大而复杂的铸件可考虑分成几个简单的铸件，铸造后再用焊接方法或用螺栓将其连接起来。

这次设计的铸件为小型铸铝件，所以不需联合铸造。

通过以上分析，再根据对阀缸零件结构的分析可知，阀缸的零件结构符合铸造工艺生产的要求。

3铸造工艺方案的确定

3.1造型方法的选择

铸型按其型体构成材料可分为砂型、金属型、熔模型、压力型、陶瓷型和快速成形RP技术等。

其中，最常用的是砂型，因为砂型一般不受零件形状、尺寸大小及复杂程度限制。

尽管有诸多缺点，但其制造材料来源广、适应性强、见效快、成本低，生成的铸件约占铸件总产量的80%以上，因此到目前为止仍是生产中应用最广泛的铸造方法。

3.1.1按铸型种类分类

砂型按铸型种类不同，可分为干型、湿型和水玻璃砂型、黏土砂型、表面烘干型、双快水泥砂型和石灰石砂型等。

所以，本次设计铸件技术要求不是很高，中和成本，故采用的是黏土砂型。

3.1.2按模样材料分类

砂型按模样材料不同，可分为金属模造型、塑料模造型和木模造型。

金属模样使用寿命长，表面光滑易起模，造型方便，铸件尺寸精度高但成本高，用于大量、成批生产的大、中、小件；塑料模样轻，造型方便，因有脆性修整不便，铸件尺寸精度较高，使用寿命也较长，用于大量、成批生产的中、小简单件；木模易吸潮变形，生产准备周期短，不易起模，铸件尺寸精度不高，用于单件、小批生产。

本次设计的是单件生产的小件，故采用木模造型。

3.1.3按砂型紧实成型方式分类

造型是砂型铸造最基本的工序，通常按砂型紧实成型方式不同，可分为手工造型、机器造型两大类。

手工造型操作灵活、适应性强、工艺装备简单，因此本次设计采用手工造型法中的砂箱造型。

3.2造芯方法的选择

总体上可分为手工制芯和机器制芯，本次采用的是手工制芯。

手工造芯还可分为：

芯盒造芯和刮板造芯。

芯盒造芯是用芯盒内表面形成砂芯的形状，砂芯尺寸准确，可制造小而复杂的砂芯，各种形状、尺寸和批量的砂芯均可采用；刮板造芯与刮板造型相似，用于单件小批生产，形状简单或回转体砂芯。

由于阀缸的生产，为小铸件单件生产，故采用的造芯方法为芯盒制芯。

砂芯的材料选择黏土砂型。

3.3浇注位置及分型面的选择

3.3.1浇注位置的确定

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。

铸件的浇注位置应根据零件的结构特点、技术要求、铸型合金的特性、零件尺寸、重量及铸造方法、车间条件等因素综合考虑。

它直接影响到铸件的质量好坏，也涉及到铸件的尺寸精度以及造型工艺的过程。

根据对合金凝固理论的研究和实际生产经验，确定浇注位置时，应考虑原则如下[14]：

1）浇注位置应有利于所确定的凝固顺序；

2）铸件的重要部位应尽量置于下部；

3）重要加工面应朝下或呈直立状；

4）铸件大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷；

5）应保证铸件能充满；

6）避免吊砂、吊芯或悬臂式砂；

7）应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致。

综合考虑以上原则，本次设计的阀缸的浇注位置为以下方案：

图3-1浇注位置确定方案一

Fig3-1Schemetoapouringposition

方案一：

如图3-1所示，分析可知：

铸件处于这种浇注位置时，支承刀架旋转180度放置，复杂部分放下面。

有利于支承的起模，而且只做中间一个整体砂芯，从而减少了砂芯数量，还可以防止吊芯。

而且铸件全部位于下砂箱中，浇注时需要采取顶铸式，利于浇筑和铸液凝固，本铸件属于小型铸钢件，高度不大，可以保证铸件的质量，铸造相对简单。

3.3.2分型面的选择

分型面