外体铸造工艺设计书.docx

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外体铸造工艺设计书

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一、零件铸造工艺要求和特点

1.零件的生产条件、结构及技术要求

●零件名称：

外体

●零件生产批量：

小批量生产

●零件材质：

ZL101-T10

●零件外形轮廓尺寸长为114.5mm，高为69mm,圆管直径为32mm，主要壁厚3-4mm，最小壁厚1.5mm，最大壁厚18mm，为一小型铸件；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。

2.零件的铸造工艺性

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）壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。

（4）利于补缩和实现顺序凝固。

（5）防止铸件翘曲变形。

（6）避免浇注位置上有水平的大平面结构。

对于零件的铸造工艺性审查、分析如下：

零件的轮廓尺寸为114.8mm

100mm

69mm。

砂型铸造条件下该轮廓尺寸的最小允许壁厚查《铸造工艺设计及铸件缺陷控制》表2-3得：

最小允许壁厚为4mm。

而设计零件的最小壁厚为3.5mm，对于一些难以达到要求的壁厚可以设计工艺余量已满足要求。

表1砂型铸造时铸件最小允许壁厚（mm）

合金种类

零件轮廓尺寸

最小允许壁厚

Zl104

100~200

4

从零件的整体结果及尺寸看，该零件的壁厚相差并不是很大，而且在壁厚不一致处的过度属于平缓过度，能够满足铸造生产的要求，因此，该零件的结构满足铸造工艺性要求。

二、零件铸造工艺方案

1．造型，造芯方法的选择

铸件尺寸较小，属于小型零件且小批量批生产。

采用湿型粘土砂造型灵活性大。

材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等。

因此，采用湿型粘土手工造型，模样采用木模。

采用树脂砂手工制芯。

2．浇注位置和分型面的确定

铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型所处的状态和位置。

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

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。

该零件的浇注位置可见铸件图。

将零件轴线水平放置，即砂芯水平放置，便于开型，但缺点是由于下部有壁厚较大部位控制铸件自下而上的凝固顺序困难。

分型位置也可见铸件图。

由于该铸件图比较复杂，开型困难，因此考虑设计两个分型面，即三箱造型。

铸件的重要部分大部分置于下部，这样置于下部的重要部分可以得到上部金属的静压力作用下凝固并得到补缩，组织致密。

三、铸造工艺参数设计

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。

3.1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，铸件可满足机械加工，装配，和使用要求。

零件为砂型铸造手工造型小批量生产，由零件要求得：

铸件的尺寸公差为：

GB6414-CT5级。

由《铸造工艺设计及铸件缺陷控制》查表3-4得：

铸件尺寸公差数值为0.36mm。

3.2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。

零件为砂型铸造机器造型大批量生产，由《铸造工艺课程设计》查表2-9得：

铸件的加工余量G级。

由《铸造工艺课程设计》查表2-8得：

铸件加工余量数值为1.5-3mm，因采用手工造型，金属模板，芯盒，铸件尺寸精度高，故加工余量选小2mm。

3.3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。

根据零件生产批量由《铸造工艺课程设计》查表2-16得：

最小铸出孔直径尺寸为15～30mm。

因此零件上的有些孔无需铸出，机械加工较为经济方便

3.4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。

设计采用木模，根据零件的结构及尺寸，采用“增加厚度法”设置拔模斜度，初步设计的起模斜度如下：

上模板外型模的高7mm的起模斜度由《铸造工艺设计及铸件缺陷控制》查表3-13得：

粘土砂造型外表面起模斜度为2°20＇,a=0.4mm表面起模斜度为2°35＇，a=0.6mm

下模板外型模高21mm的起模斜度由《铸造工艺设计及铸件缺陷控制》查表3-13得：

粘土砂造型外表面起模斜度为1°10＇,a=0.8mm表面起模斜度为2°20＇，a=1.6mm

木模样外型模高30mm的起模斜度由《铸造工艺设计及铸件缺陷控制》查表3-13得：

粘土砂造型外表面起模斜度为1°25＇,a=1mm表面起模斜度为2°50＇，a=2mm

符合同一铸件要尽量选用同一起模斜度，以免加工金属模时频繁的更换刀具原则。

3.5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

K=[（L1-L2）/L1]*100％

K—铸造收缩率

L1—模样长度

L2—铸件长度

零件受阻收缩率由《铸造工艺课程设计》查表2-12得：

表3铸铁的铸造收缩率

铸铁种类

线收缩率（%）

阻碍收缩

自由收缩

Zl101：

中小型铸件

0.6～1.0

0.9～1.1

受阻收缩率为1.0％。

3.6其他工艺参数的设计

本课程设计所进行的ZL101外体铸造工艺设计，由于属于小批量生产，因此，经过工艺优化之后，无需进行如“分型负数”、“分型负数”“反变形量”等工艺参数的设计

四、砂芯设计

砂芯的功用是形成铸件的腔、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。

由于外体型腔芯不好固定，故只采用一整体砂芯，采用树脂砂手工制芯。

4.1芯头的设计

砂芯主要靠芯头固定在砂型上。

对于垂直芯头为了保证其轴线垂直、牢固地固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸。

由于外体砂芯为一整体砂芯，只需将芯头做的稍长，调整重心，便于固定。

如图所示：

表4水平芯头的高度和芯头与芯座的配合间隙（JB/T5106-91）（mm）

D或

≤50

51~100

S

S

0.15~0.2

0.25

根据实际设计量取计算砂芯长度：

砂芯直径：

D=32mm

配合间隙由《铸造工艺学》查表7-3得：

S=0.6mm

4.2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，而且采用树脂砂，故砂芯强度较好，砂芯不用放置芯骨。

五、浇注系统设计

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、横浇道和浇道组成。

5.1浇注系统类型的选择

由于该铸件材质为ZL101，要求浇注系统撇渣能力较强，充型平稳，防止氧化所以选择半封闭式浇注系统，F横>F直>F，F为控流断面。

采用底注式浇注。

浇注系统的截面尺寸有不同的确定方法，比如：

计算法、图表法和经验法。

对于该铸件浇注系统截面尺寸的确定采用计算方法。

5.2铸件重量

通过用solidworks软件，绘出三维立体图，系统计算出出零件的重量为0.24kg

Fmin=KQ/Bh

式中：

Q:

铸件质量（kg）

K:

收缩率系数（1%）

Fmin：

浇道最小断面积

在本设计中铸件重0.24kg，浇注系统中金属初步按铸件重量的20%估算，则浇注重量G=0.24*（1+20%）=0.288kg。

5.3浇注时间

由于铸件为AL，查《铸造工艺学》8-5表得Vp=30mm/s

初步计算浇注时间由《铸造工艺学》P132页得：

t=Hc/Vp≈3.125s

5.4静压头的计算

对于中间注入式浇注系统，平均静压头HP可按如下公式计算：

H——浇道以上到浇口杯的高度

P——浇道以上型腔高度

C——铸件型腔的总高度

在本设计中，C=69mm、P=35.5mm、H0=100mm，代入上式计算得：

算的Hp=91mm。

5.5浇注系统各组元截面面积的计算

流量系数由《砂型铸造工艺设计》查表5-5得：

μ=0.67，浇注时间t=3.125s、平均静压头HP=91mm、金属液密度

=2.65*103kg/m浇注重量G=3*0.228kg代入：

F阻=G/（0.0443

Hp）==1.52cm2

由《铸造工艺学》表8-1可知：

取其浇道比如下：

直

横

=1:

2:

1.5

则计算得：

F直=1.52cm2

F横=2

F直=3.04cm2

F=1.5*F直=2.28cm2

直浇道的截面形状选择为圆锥，横浇道一般选择为高阶梯形，而浇道则一般选择为扁平梯形。

（a）（b）（c）

图3浇道（a）、横浇道（b）、直浇道（c）的截面形状

由《铸造工艺设计》查表5-40得：

浇道：

F=2.28cm2，a=18mm、b=14mm、c=9mm。

横浇道：

F横=3.04cm2，A=16mm、B=11mm、C=16mm。

直浇道：

F直=1.52cm2，D=10mm

5.6直浇道窝的设计

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下端直径两倍，因此D=2

10=20mm

浇口窝高度为横浇道高度两倍，因此h=2

16=32mm

5.7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6所示，由《铸造工艺课程设计》查表4-1得：

D1=66mmD2=62mmh=50mm

图4浇口杯截面示意图

5.8校核最小压力头

为了避免浇不足缺陷，直浇道应有足够的剩余压头，其定义为直浇道总高度与铸件制高点之差。

剩余压头为HM，浇口中心距铸件远端距离为L，

由《铸造工艺课程设计》查表4-19知压力角满足条件。

5.9冒口种类和尺寸

冒口的主要作用在于补偿铸件的液态和凝固时期的收缩，还可以排气，集渣和调节温度分布。

而铸钢的液态和凝固时期的体收缩率高，缩孔形成倾向大，需要保证铸件的顺序凝固，因而其冒口设计十分重要。

1）由铸造工艺分析，铸件下面的管状铸件部分不需采用冒口，而在顶部设置环形冒口,该帽口为明冒口。

比例法

确定冒口尺寸最常用的方法时比例发，尤其时铝镁合金铸件生产中得到广泛应用。

1.顶冒口尺寸的确定

（1）垂直补缩方式：

根据《铸造工艺学》表

Dy（T）

<30

30~40

40~70

>70

Hz/dy=2~3

dM/dy

1.4~1.5

1.2~1.3

1.2~1.3

1.1~1.2

Hz/dy=3~5

1.5~1.8

1.4~1.6

1.3~1.5

1.2~1.4

可知Dy（T）=4，Hz=19，Hz/dy=4.75故选择dM/dy=1.5~1.8，

算得dM=7.2，又根据生产经验，HM/dy=1.5~2.5,得HM=15.

（2）水平补缩方式：

水平补缩的冒口直径要比垂直的大dM/dy的比值约在1.1~2.3，算的dM=8.所以得HM=16

综上：

最终取dM=8HM>16。

5.10工艺出品率

铸件质量为0.228千克，铸件加浇注系统的总质量为0.298千克。

则工艺出品率为：

M铸/M总=0.2288/0.3388=76.5%，合格。

5.11.砂箱尺寸选择

外体尺寸为114.5mm

100mm

69mm，单件质量为0.228kg，因此看铸件为小型简单件。

初步选取砂箱尺寸由《铸造工艺课程设计》查表6-63得：

上箱为300

250

75mm，下箱为300

250

75mm

在结合已经确定分型面及浇注位置以及砂箱尺寸，基本确定铸件在砂箱的排列如图7所示，由《铸造工艺课程设计》查表1-12得：

模样的吃砂量基本确定为：

表9模型的最小吃砂量

最小吃砂量

砂箱尺寸

模样高

40

50

60

70

80

吃沙量

32

35

38

40

45

300～500

图5砂箱中铸件示意图

5.12.冷铁的设计

冷铁的作用：

1）与浇注系统和冒口配合控制逐渐的凝固次序。

2）加速逐渐的凝固速度，细化晶粒组织，提高铸件力学性能。

3）还可划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口补缩围，提高冒口补缩效率。

本铸件由于存在壁大厚出所以需要安放冷铁加快其冷却，防止浇不足等缺陷。

六、模板模样设计绘制模板装配图

包括：

模底板、模样（包括浇冒口）及模样的定位，紧固定装置，砂箱定位装置等。

6.1.设计原则

1）要求模板有足够的强度与刚度；

2）有良好的耐磨性，较高的表面光洁度及尺寸精度；

3）力求结构简单、合理、安装维修方便；

6.2.模板模具设计

6.2.1选择模板类型、结构

由《砂型铸造工装设计》查表10-1得：

选择装配式模板，结构为单面模板顶箱式。

6.2.2设计模底板、材料、结构尺寸及定位销，销耳尺寸

对模底板材料的要有足够的强度，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HT150作为模底板的材料。

由《砂型铸造工装设计》查表10-1得：

①模底板平面尺寸的确定：

模底板的平面尺寸根据所选用的造型机和已定的砂箱尺寸确定。

A0=320mm

B0=265mm

2模底板壁厚：

根据模底板平均轮廓尺寸和底板所选用的材料，由《铸件工艺学》查表11-3得：

铸钢模底板壁厚δ=11mm

6.2.3设计金属模样结构及尺寸，包括铸件模样、浇口、冒口、出气口孔及芯头模样，凡形成铸件轮廓尺寸的均应放缩尺；芯头尺寸，压紧环，集砂槽以及浇冒口系统模样不放缩尺，只需按工艺图上给出的尺寸绘制。

模样尺寸=铸件尺寸×（1+K）K为收缩率，取值1%

铸件尺寸=零件尺寸+加工余量+拔模斜度

七、设计绘制芯盒装配图

7.1芯盒材料的选择

采用ZL101，自由线收缩率0.9～1.1%，标准：

GB1173-74。

7.2芯盒分盒面的设计

芯盒1和芯盒2分型面方案图，芯盒结构如下图所示：

图13

（1）

图13

（2）

7.3芯盒腔尺寸的确定

芯盒腔尺寸=（零件尺寸±工艺尺寸）（1+K）

7.4芯盒的定位与夹紧

由于芯盒较小采用止口定位，即在分盒面上加工出止口，依靠止口将两半芯

盒定位。

然后再用螺母将其锁紧，螺母尺寸由《砂型铸造工装设计》查表11-27得。

图14螺栓夹紧装置的结构和主要尺寸

7.5金属芯盒的尺寸偏差

分开式芯盒分盒面之间的间隙取0.1mm。

在分盒面上芯盒腔错位的允许偏差为0.1mm.芯盒上定位销孔距公差为±0.25mm。

7.6芯盒的搬运

芯盒的搬运：

本芯盒体积小，所以不设置手柄和吊轴，直接用芯盒边缘实现搬运过程

八、铸件缺陷分析与解决方案

铸造工艺设计的是否合理，影响到是否能够获得合格的、高质量的铸件。

此次设计铸件可能存在一些缺陷：

金属液进入型腔，如果太快会冲击芯子，出现夹杂等，影响铸件质量。

因此需控制金属液的流速，保证金属液平稳充型。

九、设计总结

怎么说呢！

这几周课程设计于我来说，有太多的感慨，当然也有太多的辛酸与汗水。

然而从这期间所学到的东西，将会让我受益终身啊。

回顾大学三年来，也许从来都没有过这种孜孜不倦的激情和学习的浓厚兴趣。

对图形的思考、和同学的讨论、听老师的悉心指教都给我留下了深刻的印象，对铸造工艺设计也有了深层次的学习和了解。

当然这里我不得不承认，由于考研在即，自己有点心急乱了分寸，总担心时间不够，以至于忽视了自己的专业课-铸造工艺学的学习，连自己将来的饭碗，却都没好好把握，现在想来不禁让人羞愧不已，尤其，在这次课程设计的过程中体现的淋漓精致，从分型面的选择到浇注系统的确定，我无一不是落在最后面的，甚至于老师都觉得我没怎么用心呀，当然这都是事出有因的啊。

在这里我要十分的感徐志峰老师啊，如果没有徐老师的和蔼可亲，就不会有我一而再而三的问一些简单到可笑的问题的勇气，如果不是徐老师的严格到有些苛刻的要求，就不会有我一遍又一遍翻书查资料的耐心，真的，我打心里觉得我这个一个星期所学到的知识与充实可以敌的过这整个学期，这都是徐老师督促的功效啊。

与我这种自制力不强的人来说，有人管是一种福气呀。

因为有了人管，自己才会重视，重视了就会用心，用心了才有可能学好知识呀。

这几个星期，几乎大多数晚上都是子时以后睡觉的，因为自己也是一个要强的人啊，但基础又差，不想老是成为老师批评的对象，因此就不得不花别人更多的时间啊，对数据的反反复复的计算、一遍又一遍的核实、对图形一次又一次的修改、还有那参考资料的翻阅，无一，我不是投入了大量的时间啊，说实话，这次课程设计对于自己真是一种极大的考验啊，然而就是那些个老师也说过的难熬的挣扎的时刻锻炼到了自己，几周累积下来，不仅充实了我所学过的知识，也培养了我与同学交流的能力，更使我养成了一种看待问题的逻辑思维，从如何去做一件事情，到如何去把握一件事情，到最后如何去完成一件事情，这些无疑都是知识之外的最珍贵经验与财富呀。

通过这次课程设计，我可以很自信的讲我学到了知识，多方面的能力也都得到了提高。

通过AutoCAD与SolidWorks这两种软件将自己专业所学过的课程理论和生产实际知识综合的运用起来，进行了一次设计工作的实际训练。

当我拿到打印图纸的那一时刻，我有一种自己已经是一位出色的工程师的成就感。

最起码自己还是能做出点事情来的，从来没有那么一个时刻我觉得自己离成功那么近。

再次感徐志峰老师啊.徐老师为人的和蔼可亲与做事的严谨细致，将我一点一点引入了知识的海洋，并不是所有的老师都会有这种苦苦的用心呀，碰上了，那就叫福气啊，自己是幸运的。

在此我我也要感学校，感那些决策者们，他们没有忘记我们学生啊，甚至还为我们提供了这么一个宝贵的锻炼学习机会，多门难得，希望学校给予的这种恩赐能越来越多。

说慢那也快呀，三个星期一晃就过去啦，终于，我也在同学的悉心帮助下，老师的耐心教导下，自己不懈努力下，完成了自己的课程设计，虽然说不上很圆满，至少也还算顺利吧。

然而，由于自己的设计能力终究有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师多多包涵与指正。

十、参考文献

【1】贾志宏、傅明喜.铸造工艺设计简明手册.【M】.：

化学工业，1996

【2】叶荣茂..金属材料液态成型工艺.【M】.：

机械工业，1998

【3】航空铸造工艺手册.【M】.：

国营洪都机械厂，1980年10月

【4】龙文元、卢百平.金属液态成型模具设计.【M】.：

化学工业2010年4月

【5】曲卫涛.铸造工艺学.【M】.：

西北工业大学，1994年4月

【6】魁盛铸造工艺学.【M】.：

机械工业，1989年6月

【7】严青松.铸造工艺学.【M】.：

航空大学铸造教研室，2007年1月