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轴承座铸造工艺设计
河南机电高等专科学校
毕业设计
设计题目：
轴承座铸造工艺设计
系部材料工程系
专业材料成型与控制技术
班级材料111
学生姓名刘欢
学号111308103
指导教师邓想
xxxx年月日
轴承座铸造工艺设计
摘要：
本轴承座为一小型铸件，铸件材质为ZG230-450，结构简单，无复杂的型腔和阻碍起模的凸起。
铸件的外形尺寸为350mm×350mm×175mm，主要壁厚为30mm，壁厚根本均匀。
轴承座采用ZG230-450是一种铸造碳钢，是新牌号表示方法（GB11352-89），原牌号叫ZG25。
从轴承座的整体结构特点出发，进行铸造工艺设计分析，确定铸造方案，并进行铸造工艺参数和砂芯的设计，在此根底上再根据铸件的材质重量和浇注系统性能设计补缩系统。
采用水玻璃砂手工造型、制芯、木摸样和开放式浇注系统，设计时应综合考虑各方面因素，浇注系统不是简单地金属液流动通道，用solidworks三维造型后，采用华铸CAE软件对设计方案进行浇注、凝固模拟计算。
结果显示，浇注系统设计合理，缩松缩孔缺陷留在了冒口区。
关键词：
轴承座，工艺设计，华铸CAE
BEARINGCASTINGPROCESSDESIGN
ABSTRACT:
Thebearingasasmall-sizedcastings,castingmaterialofZG230-450,simplestructure,nocomplexcavityandobstaclestodraw.Theappearanceofthecastingsizeis350mm×350mm×350mm,themainwallthicknessof30mm,basicuniformwallthickness.BearingtheZG230-450isakindofcastingsteel,isanewbrandrepresentation（GB11352-89）,theoriginalbrandnameisZG25.Fromtheoverallstructureofthebearingcharacteristics,analysisofcastingprocessdesign,determinethecastingsolution,andcastingprocessparametersandthedesignofsandcore,onthisbasis,accordingtothematerialweightofthecastingandpouringsystemperformancedesignofthefeedingsystem.Usedsodiumsilicatesandhandmademoldingandcoremaking,woodtouchkindandopengatingsystem,thedesignshouldbeconsideredwhenthefactors,thegatingsystemisnotsimplythemetalliquidflowchannel,withsolidworks3dmodelling,theChinafoundryCAEsoftwareisadoptedtodesignplansforpouringandsolidificationsimulation.Resultsshowthatthepouringsystemdesignisreasonable,theshrinkageporositydefectontheKouOu.
KEYWORDS:
Bearingseat，Processdesign，ChinaCastingCAE
附图
1绪论
铸造是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械工业重要的根底工艺，在国民经济中占有重要的位置。
铸造成型是制造复杂零件的最灵活的方法，先进制造技术的应用给制造工业到来了新的活力，为数众多的软件问世和计算机技术的迅猛开展使得为生产在几何形状、尺寸、使用性能等当面都符合要求的铸件提出确切可靠的信息成为可能。
铸造厂在其用户进行产品设计和开发阶段就能成为后者在CAD层次上一个有力的伙伴，与此同时，铸造厂也遇到了来自铸造行业内部和外部的巨大挑战。
或许可以说，各国铸造厂都把下述四工程标作为自己的主要任务：
〔1〕提高铸件质量和可靠性，生产优质铸件；
〔2〕加强环保，实现可持续性开展；
〔3〕降低生产本钱；
〔4〕缩短交货日期。
不言而喻，其中的第一项为哪一项最重要的，如果不能生产出优质铸件，其他目标就无从谈起。
国外铸造技术开展现状
1〕信息技术在铸造生产中得到广泛应用
由计算机、网络技术、传感技术、人工智能所构成的信息技术近年来在铸造生产中得到更为广泛的应用，这正在改变着铸造生产的面貌，可以说现代铸造技术的主要特征就是将传统的铸造工艺与信息技术融为一体。
快速原型技术在铸造生产中的应用也有了新的开展，它除了可应用于制造新产品试制用的摸样及熔模铸造的蜡模外，还可用于直接造出酚醛树脂壳型、壳芯，他们可直接用来装配成砂型。
2〕粘土砂湿型造型设备有新的提高
在德国震压造型正在逐步被其它先进的造型设备所取代，而到1999年垂直分型无箱射压造型、气流——气压造型、空气冲压造型这三类造型线的生产能力之和已占有77%，居于主导地位。
3〕型砂处理向智能化质量控制方向开展
国外近年来在智能化型砂质量控制方面有很大开展，特点是利用计算机辅助对型砂质量进行预防性控制。
4〕树脂自硬砂设备日趋完善
经过探索，国内外市场已经推出了多种型砂性能在线检测装置，它们的一些共同特点是：
检测的工程主要是紧实率和湿强度并采用气功。
我国铸造技术的现状
我国铸造业的现状是生产量大，年产铸件约1，200万吨，厂点多，达2万多个，铸造业的从业人员在120万人以上。
我国铸造行业的一大特色是改革开放以来乡镇企业迅猛开展，成为我国铸造行业的一支重要力量。
乡镇铸造厂点数已超过国有铸造厂点，乡镇铸造厂点的铸件产量约占全国铸件总产量的一半。
我国铸造产量从2000超越美国已连续六年稳居世界第一，根据全球主要生产国2004年的产量统计可以看出，我国铸造行业除厂点多，从业人员多，产量大以外，与兴旺国家相比，在质量、效率、能源与材料消耗、劳动条件与环境保护等方面都存在差距。
造成这些差距的原因是铸造厂点规模小，经济实力差，工艺和设备落后，管理水平低，从业人员素质不高。
为了消除这些差距，为了满足我国经济建设的需要，也为了铸造行业自身的存在与开展，我国的铸造行业应以提高铸件质量和经济效益为中心，面向国内和国际两个市场；加强管理，打好根底，提高企业素质；调整产业结构，合理配置资源，提倡适度规模经营；继续以适用先进的生产工艺和技术装备改造铸造行业，实现清洁化生产，保证可持续开展。
铸造工艺设计的根本知识
铸造的生产过程，从零件图开始，一直到铸件成品验收合格入库为止，要很多道工序，涉及到合金熔炼、造型〔造芯〕材料的配置、工艺装备的准备铸型的制造、合型、浇注、落砂和清理等许多方面。
人们把铸件的生产过程为铸造生产工艺过程。
对某一个铸件，编制出其铸造生产工艺过程的技术就是铸造工艺设计。
其中，工艺设计的依据包括：
〔1〕生产任务和要求〔主要是产品零件图样、零件的技术要求、产品数量和交货期〕；〔2〕车间条件〔主要是车间设备、原材料的应用和供给情况、车间生产工人的技术水平和生产经验和制造模具等工艺装备车间的加工能力〕。
工艺设计的程序一般是：
对零件图样进行审查和进行铸造工艺性分析，选择造型方法；确定铸造工艺方案；绘制铸造工艺图；填写铸造工艺卡。
铸造工艺设计的重要性
我国自从参加WTO以后正逐步成为世界制造业中心之一，随着国民经济和世界经济的开展，对铸件的需求将越来越多，铸件的优质化程度越来越高，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。
2铸造方案确实定
零件的材质分析
铸件成型材料为ZG230-450，ZG230-450是一种铸造碳钢，是新牌号表示方法（GB11352-89），原牌号叫ZG25。
ZG代表铸钢的拼音缩写，230是指这种材料的最低屈服强度为230Mpa，450是指这种材料的最低抗拉强度为450Mpa。
ZG230-450有一定的强度和良好的塑韧性，良好的焊接性，被切削性能尚好。
用于受力不大，要求韧性的各种机械零件，如砧座、轴承盖、外壳、底板、阀体等。
其化学成分：
〔见下表2-1〕，其工艺性能包括：
一般用电炉冶炼，冶炼容易掌握；铸造性能较好，熔点较高，实际流动性较差，易氧化，铸造缩水率约1.5%～2.0%，凝固收缩约4.2%，浇注温度约1500～1550℃；焊接性良好，用E5015〔E7015〕、E5016〔E7016〕等焊条，焊前不预热或100～150℃低温预热，焊后去应力处理；被切削性能尚可，无需热处理也可直接进行机加工。
需考前须知：
相对上限每减少0.01%的碳，允许增加0.04%的Mn，但Mn含量最高至1.20%。
表2-1ZG230-450的化学成分（%）
化学成分
C
Si
Mn
S
P
含量
≤
≤
≤
≤0.04
≤
2.2轴承座工艺设计的内容和要求
产品生产性质:
大批量生产；
材料:
ZG230-450；
轴承座的零件示意图如图2—1所示，零件的外形结构示意图如图2—2所示。
轴承座的轮廓尺寸为350mm×350mm×175mm，主要壁厚30mm，最大壁厚45mm，为一小型铸件，铸件除满足几何尺寸精度及材质方面要求外，无其他特殊要求。
图2-1轴承座零件图
图2-2轴承座三维图
2.3轴承座结构的铸造工艺性分析
零件结构的铸造工艺性分析是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件的质量，简化铸造工艺分析过程和降低本钱。
分析零件结构的铸造工艺性主要考虑的内容：
1〕零件应有适宜的壁厚为防止冷隔，浇不到铸件铸件不能太薄，铸件太厚尺寸太大超过临界壁厚时易产生缩孔缩松，最大壁厚以最小壁厚的3倍来考虑；
2）铸件壁厚均匀防止热解；
3）有适宜的铸造圆角防止缩孔缩松；
4）改良阻碍起模的凸台凸缘和肋板；
5）取消铸件外表侧凹；
6〕利于砂芯的固定和排气。
轴承座的铸造工艺审查分析如下：
轴承座最小壁厚为25mm，查表2-2可知，铸钢砂型铸造允许的最小壁厚为10—12mm。
轴承座最小壁厚满足要求，最大壁厚为45mm，超过了临界壁厚，工艺设计时应采取措施加以躲避。
轴承座壁厚根本均匀，无阻碍起模的凸台和肋板结构，型腔外形结构简单，直径为18mm的孔较小,为了方便造型、减少砂芯，可以不铸出。
表2-2砂型铸件最小壁厚单位〔mm〕
铸造方法
铸件尺寸
铸钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铝合金
镁合金
砂型
≈200×200
>200×200~500×500
500×500
8
10~12
15~20
6
>6~10
15~20
6
12
—
5
8
—
3
4
6
—
3
—
2.4造型造芯方法的选择
制造铸型和型芯的工艺过程称为造型和造芯。
造型、造芯是砂型铸造的最根本的工序，造型时用模样形成砂型的型腔，浇注后形成铸件外部轮廓。
造芯时用芯盒制成型芯，置于铸型中经浇注后大多形成铸件的内部轮廓。
通常分为手工造型和机器造型两大类。
砂型铸造工艺设计中依据实际的生产条件和生产批量，在保证交货期限的，质量要求下选择本钱最低，生产组织最便捷的造型及制芯方法。
根据所在工厂的实际情况确定要用水玻璃砂进行手工造型造芯，以水玻璃为粘结剂，造型后吹入二氧化碳，1-3分钟砂型硬化，砂型强度高，不需烘干，但浇注后结成硬块，退让性较差，大大的降低了清理铸件的效率。
铸件的浇注位置是指铸件在浇注时在铸型中所处的位置。
考虑的原那么:
铸件的主要加工面、主要工作面和受力面应尽量放在底部或侧面，以防止产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷；对于凝固体收缩率较大的铸造合金，应满足顺序凝固的原那么，铸件厚实局部应尽可能置于上方，利于设置冒口补缩；有利于砂芯的定位、固定和排气，尽量防止吊芯和悬臂砂芯；大平面应置于下部或倾斜位置，一方夹砂等缺陷。
有时为了方便造型，可采用“横做立浇〞、“平做立浇〞的方法；铸件的薄壁局部应置于铸件的底部或侧面，以防浇不到、冷隔等缺陷；在大批量生产中，应使铸件的飞翅、毛刺最少与易于去除；要防止厚实铸钢件冒口下面的受力面产生偏析；尽量使冒口置于加工面上，以减少铸件清整工作量。
方案一
方案二
图2—3浇注位置的选择
分析：
方案一：
顶注式是从铸件上部引入钢液，钢液从上向下流动，易于充满铸型，有利于温度自下而上递增促进铸件的顺序凝固，补缩效果好，能减少缩松、缩孔缺陷，但是浇注过程中，钢液流从高处下落，不平稳、冲击大，易损坏铸型，造成砂眼、铁豆等缺陷，同时也易使钢液氧化和卷入气体。
此类浇注系统多用于铸件高度较低，结构简单的铸件，薄壁件或需要用顶部冒口补缩的致密性要求较高的中、小型厚壁铸件。
方案二：
底注式浇注系统是从铸件底部引入型腔，钢液充型平稳，排气方便，无冲砂，无飞溅，不易氧化。
但不利于自上而下的顺序凝固和补缩。
复杂的薄壁件不易充满，多用于结构复杂，厚壁的大中型铸件。
综上分析方案二较好。
分型面的选择很大程度上影响着铸件的尺寸精度，生产本钱和效率。
确定分型面时遵循的原那么：
1）尽量使铸件全部或大部置于同一半型内；
2）尽量减少分型数目；
3）分型面尽量选平面；
4）注意降低沙箱的高度；
5）便于下芯合箱检查型腔尺寸；
6）为便于起模分型面应在铸件最大截面处；
7）注意减轻铸件清理和机加工余量。
图2—4分型面的选择
分析：
方案一铸件没有全部在同一铸型内，这样容易产生错箱。
方案二铸件在同一铸型内，合箱时不容易错箱，提高了铸件的质量。
综合考虑选择方案二。
轴承座轮廓尺寸350mm×350mm×175mm。
为一小型铸件，轴承座结构简单，如采用一箱一件，效率太低，所以采用一箱四件，采用通用性砂箱尺寸为1300mm×1300mm×280mm。
3铸造工艺参数确实定
铸造工艺参数是指铸造工业设计时需要确定的工艺参数，工艺参数的选择是铸造工艺设计的重要内容。
对指导铸造工艺设计与铸造生产具有重要作用，主要包括以下内容：
3.1铸件最小铸出壁厚
轴承座的最小壁厚为25mm，由?
铸造工艺设计?
表3-1知该零件符合要求。
表3-1砂型铸件最小壁厚单位〔mm〕
铸件轮廓尺寸
铸件材质
铸钢
灰铸铁
球铁
可锻铸铁
铝合金
镁合金
≤200×200
8
≈6
6
5
3
—
>200×200-500×500
10-12
6-10
12
8
4
3
>500×500
15-20
15-20
—
—
6
—
3.2最小铸出的孔和槽
铸件上的孔和槽是否铸出，要根据具体情况而定，一般较大的孔和槽直接铸出来，以节约金属减少机械加工，较小的孔和槽那么不宜铸出。
生产批量
最小铸出孔的直径d
灰铸铁件
铸钢件
大批量生产
12~15
—
成批量生产
15~30
30~50
单件,小批量生产
30~50
50
表3-2最小铸出的孔
由表3—2可知：
轴承座上直径为18mm的孔不应铸出。
铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。
在这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。
影响铸件尺寸精度的主要原因有：
铸造合金，铸件的结构，铸造方法，铸造工艺设计水平，操作水平，造型、造芯设备及工装的精度，造型、造芯材料的性能，铸件的精整和外表质量，生产技术管理和质量控制手段等等。
铸件尺寸精度要求越高，对上述影响因素的要求和控制应越严，但铸件的本钱也越高。
因此，产品设计，必须用价值工程的理念考虑铸件的尺寸公差等级；生产厂家必须从实际出发综合考虑各种因素，到达既保证铸件质量又不过多的增加生产本钱的目的。
总的来说，提高铸件尺寸精度是一项系统工程，要有方案的去做逐步提高，只有提高了产品质量，只有性价比合理的产品，在市场上才有竞争力。
铸件尺寸公差代号CT，所规定的公差等级由精到粗16级，即CT1—CT16，查?
铸造工艺设计?
知：
铸钢的公差等级为11-14，选CT10，铸件的根本尺寸为361、237、163、145、133、75的孔公差数值分别为4.4mm、4.4mm、4.0mm、3.6mm、3.6mm、3.2mm。
机械加工余量是指为了保证铸件加工面尺寸和零件精度，工艺设计时，在铸件代加工面上预先增加的而在机械加工时切削掉的厚度。
机械加工余量值由精到粗分为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K共十个等级。
轴承座的轮廓尺寸为：
350mm×350mm×175mm,查?
铸造工艺学?
知：
该轴承座的机械加工余量等级为G－K,上面的加工余量等级取H，加工余量为5mm,下面和侧面的加工余量等级取G，加工余量为3.5mm。
铸造收缩率又称铸件的线收缩率，用模样与铸件的长度之差除以模样长度的百分比表示：
ε=【〔L1-L2〕/L1】×100%
式中ε是铸造收缩率〔%〕
L1是模样长度〔mm）
L2是铸件长度〔mm）
铸造收缩率与铸造的合金种类、铸件结构、浇冒口系统结构、铸型的种类等因素有关。
铸造合金由凝固态变为固态要产生收缩；合金成分与其含量不同，其收缩率也不同，这是铸造合金的特性。
铸件结构复杂，浇冒口结构阻碍收缩，砂型和砂芯的退让性差，都要阻碍铸件由液态转变为固态的收缩。
简单厚实的铸件，其铸造收缩率比结构复杂的铸件大。
结构复杂的大型铸件，其立体三维方向上的线收缩率各不相同。
因此，铸造收缩率是综合了各种因素之后，形成的铸件尺寸的实际收缩率。
做模样时，称它为缩尺或放缩。
为了获得尺寸精确的铸件，必须选择适宜的铸造收缩率。
根据工厂里的铸造工程师的经验知铸钢的收缩率为2.0%。
起模斜度
为了方便起模，在模样，芯盒的出模方向留一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。
这个斜度，称为起模斜度。
起模斜度应设计在铸件没有结构斜度，并垂直于分型面的外表上，其大小依起模高度。
模样外表粗糙度值以及造型、芯的方法而定。
在平行于起模方向的模样壁上所增加的斜度，用角度ɑ或宽度a表示。
查?
铸造工艺学?
可知：
A、B两面的起模斜度均为a=2.0mmα=0°40′，采用增加铸件法。
如图3-1所示：
图3-1起模斜度
浇注温度和冷却时间
铸钢230-450的出炉温度一般为1580℃，浇注温度一般为1530-1550℃.
从?
铸造工艺学?
中可得此轴承座的的冷却时间为40-50分钟。
4砂芯设计
砂芯的根本知识
型芯是铸型的一个重要组成局部，型芯的作用是形成铸型的内腔，孔洞，阻碍起模局部的外形以及铸型中有特殊要求的局部。
型芯应满足以下要求：
型芯的形状，尺寸以及在铸型中的位置应符合铸件的要求，具有足够的强度和刚度；在铸件形成过程中型芯所产生的气体能及时排出型外；铸件收缩时阻力小；造芯，烘干，组合装配和铸件清理等工序操作简单。
砂芯的设计，主要包括芯头的设计、芯骨的设计、砂芯排气设计。
必要时，仍有选用及安置芯撑的的设计。
砂芯数目的选择
在铸件的浇注位置和分型面等工艺方案确定后，就可根据铸件结构来确定砂芯如何分块和各个分块砂芯的结构形态，确定时的总准那么是：
〔1〕保证铸件内腔尺寸精确；
〔2〕应使操作简单；
〔3〕应使芯盒捣砂面敞开且砂芯烘干支持面最好为平面；
〔4〕使造芯和下芯过程方便，铸件内腔尺寸精确，不致造成气孔等缺陷，芯盒结构简单。
芯头设计
芯头是指伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯局部。
它本身不形成铸件的轮廓。
芯头的作用是固定，支撑和排气，芯头可以分为垂直芯头和水平芯头，由前面的浇注位置的选择可知：
应该是选择垂直芯头。
4.4芯头尺寸确实定
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，牢固地固定在型上，必须有足够的芯头尺寸。
轴承座采用的是垂直砂芯，需确定砂芯的高度和芯头于芯座的间隙。
查?
铸造工艺学?
得：
轴承座砂芯上芯头高h1=40mm，下芯头高h=40mm；芯头于芯座的间隙S=1.0mm，S2=1.0mm。
其芯头的结构如图4—1所示：
图4—1芯头的结构
砂芯要求定位准确，不允许沿芯头轴向移动或绕芯头轴向转动，对于形状不对称的砂芯，为了定位准确必须做出定位芯头。
由于此砂芯对称所以没必要做出定位芯头。
4.6芯骨
放在砂芯中以强化砂芯整体强度并具有一定形状的金属构件称为芯骨。
轴承座的砂芯较小，烘干后能满足其强度要求不需要增设芯骨。
砂芯在砂型中主要靠芯头固定，但有时砂芯只靠心头难于稳固，因此在生产中场采用芯撑加固，以起到辅助支撑的作用。
轴承座砂芯尺寸较小，砂芯结构简单，烘干后芯头的稳固性能满足要求，不需再设芯撑。
砂芯在高温金属作用下，其粘接剂和砂芯中的有机物要燃烧放出气体，砂芯中的剩余水分受热蒸发放出气体，如果这些气体不排除型外，那么会产生气孔等缺陷。
轴承座的砂芯较小不宜开设排气通道，可在铸型上增设排气孔加以补偿。
5浇注系统及冒口、冷铁、出气孔的设计
浇注系统是铸型中引导液态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，其根本结构如图5-1所示：
图5-1浇注系统的根本结构
浇口杯的作用是承接金属液，并将其导入直浇道。
浇口杯分漏斗形和盆形两大类。
漏斗形浇口杯又分成两类，一类是中小型铸铁件和非铁合金铸件用的漏斗形浇口杯；一类是铸钢件用的漏斗形浇口杯。
中、小型铸铁件和非铁合金铸件用的漏斗形浇口杯，通常采用在浇口杯箱内用型砂制成。
供中、小型铸钢件用的浇口杯，用水玻璃砂舂制而成；供中、大型铸钢件用的漏斗形浇口杯是用耐火材料制作并经过烧结的漏斗砖砌成。
浇口盆用于中、大型铸铁件和中大型非铁合金件。
~2倍，高度为横浇道2倍，将型砂舂实紧，与直浇道和横浇道的过渡区防止有尖角。
横浇道的作用除了将金属液引入内浇道外，主要是撇渣〔浇口杯往往起不到很好的撇渣作用〕。
因此，它应有一定的长度和高度。
封闭式浇注系统，一般要求横浇道为窄、高形的横截面，它的高度应为内浇道高度的4~6倍，以使横浇道的吸动作用达不到横浇道的顶面，防止将浮渣吸入铸件。
横浇道的末端长度应距最后一道内浇道的距离不少于75mm。
必要时，横浇道末端可设一个集渣包。
在浇注系统设计中，将横浇道设计成平稳、缓速、近似层流地输送金属液，对捕渣是非常重要的。
内浇道的用途是控制金属液流入型腔的速度和方向，调节铸件各局部的热差。
封闭式浇注系统的内浇道应位于横浇道的下部，且和横浇道具有同一底面。
让最初进入横浇道的污冷金属液靠惯性力流过内浇道，集于末端延长段或集渣包，而不进入型腔内。
开放式浇注系统的内浇道应位于横浇道的顶部，内浇道的顶面不能和横浇道的顶面在同一水平面上，而要位于横浇道的顶上，以防横浇道还未充满时，浮渣就进入内浇道而不滞留在横浇道顶面。
横浇道的横截面可做的矮些、宽些。
内浇道的横截面有多种形式，视各种铸造厂家
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