CA6140车床拨叉铸造工艺设计.docx

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CA6140车床拨叉铸造工艺设计

摘要

铸造作为一门古老的加工方法，在其注入新的技术之后，已演变成多种加工工艺，压铸就是其中之一，由于现今对铸造质量、铸造精度、铸造成本和铸造自动化等要求的提高，铸造技术向着精密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展，例如我国这几年在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化和铸造成型模拟技术等方面发展迅速。

压铸工艺也不断地应用新的技术，来生产高品质的优良铸件，尤其是耐高压的压铸件。

本文通过使用挤压铸造技术对车床拨叉进行铸造，来表明铸造技术在机械方面的实用性。

际生产中，采用了具有封闭挤压型腔和气动顶件装置的模具结构。

这种模具结构既保证了CA6140车床的拨叉，它位于车床变速机构中，主要起换档，使主轴回转运动按照工作者的要求工作，获得所需的速度和扭矩的作用。

拨叉可以通过挤压成型铸造。

拨叉挤压成型模具决定了挤压件的表面质量，模具的使用寿命和生产速率，又决定着生产成本。

我们在实拨叉的表面质量，又可以大人提高模具的使用寿命和生产效率，取得了较好的,经济和社会效益。

关键词：

车床拨叉，挤压铸造，铸造工艺，模具设计

Abstract

Castingasoneoftheoldestprocessingmethod,initsinjectnewtechnology,hasevolvedintoavarietyofafterprocessingtechnology,die-castingisoneofthem,becausetoday'scastingquality,castingprecision,castingcostandcastingautomationrequirementsfortheenhancement,castingtechnologytowardprecision,largescale,highquality,automationandcleanthedirectionofdevelopment,forexampleinourcountrytheseyearsinprecisioncastingtechnology,thecontinuouscastingtechnology,specialcastingtechnology,castingautomationandcastingprocesssimulationtechnologyisdevelopingrapidly.Diecastingtechnologyconstantlydevelopnewtechnologyapplication,toproducehigh-qualityofcastings,especiallyhigh-pressureresistingdie-castingpieces.Thisarticlethroughtheuseofsqueezecastingtechnologyonthelathegearshiftforksforcasting,toindicatethefoundrytechnologyinengineeringpracticability.

CA6140lathegearshiftforks,itislocatedthelathegearmechanisms,mainlyonshift,makethespindle'sgyrationmovementaccordingtoworkerforwork,obtainthespeedandtorquerole.Dialtheforkmaythroughextrusioncasting.Dialtheforkextrusionmoldingdeterminestheextrusionpartssurfacequality,mouldusinglifeandproductionrate,alsodeterminestheproductioncost.Inouractualproduction,haveusedtheclosedextrusioncavityandpneumaticthetoppiecesdevicestructureofthedie.Themouldstructurenotonlyensurethegearshiftforks'ssurfacequality,butalsocanimprovethemouldadultsusinglifeandproductionefficiency,andhaveachievedgoodeconomicandsocialbenefits.

Keywords：

lathegearshiftforks，squeezecasting，castingprocess，molddesign

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1机床铸件设计的重要性1

1.2铸造技术分析1

1.3机械铸造的发展2

2铸造工艺3

2.1铸造分类3

2.1.1砂型铸造3

2.1.2金属型铸造3

2.1.3挤压铸造4

2.2铸造材料4

2.3铸造工艺过程5

3拨叉零件分析7

3.1拨叉的作用7

3.2拨叉工艺分析7

4拨叉铸造工艺设计8

4.1铸造方案选择8

4.2铸造工艺设计9

4.2.1铸件在型腔中的位置设计9

4.2.2分型面位置设计9

4.2.3浇注系统设计10

4.3冒口的设计10

4.4工艺参数设计11

4.5模具设计11

4.5.1模具材料11

4.5.2锁型机构12

4.5.3抽芯机构12

4.5.4卸料机构与排气系统12

5挤压铸造工艺13

5.1挤压铸造的工艺特点及适用范围13

5.1.1挤压铸造与压力铸造工艺特点比较13

5.1.2挤压铸造与模锻工艺特点比较13

5.1.3挤压铸造工艺的适用范围13

5.2挤压铸造新技术的应用14

5.2.1实时监控与反馈技术的应用14

5.2.2真空压铸技术的应用15

5.2.3模温调节器的应用16

结论17

致谢18

参考文献19

1绪论

1.1机床铸件设计的重要性

机床的结构件和许多主要部件都是以铸件为坯料的，因此，机床用铸件的好坏，对机床的质量、寿命、精度的保持都有重要的影响。

数控机床对铸件则有更高的要求。

影响机床铸件质量的因素很多，第一，是机床铸件的设计工艺性。

进行设计时，除了要根据工作条件和金属材料性能来确定机床铸件几何形状、尺寸大小外，还必须从铸造合金和铸造工艺特性的角度来考虑设计的合理性，即明显的尺寸效应和凝固、收缩、应力等问题，以避免或减少铸件的成分偏析、变形，开裂等缺陷的产生。

第二，要有合理的铸造工艺，即铸件结构、重量和尺寸大小，铸造合金特性和生产条件，选择合适的分型面和造型、造芯方法，设置铸造筋、冷铁、冒口和浇注系统等，以保证获得优质铸件。

第三，铸造用原材料的质量，金属炉料、耐火材料、燃料、熔剂、变质剂以及铸造砂、型砂粘结剂、涂料等材料的质量不合标准，会使铸件产生气孔、针孔、夹渣、粘砂等缺陷，影响铸件外观质量和内部质量，严重时会使铸件报废。

第四，工艺，要制定合理的工艺操作规程，提高工人的技术水平，使工艺规程得到正确实施。

铸铁熔炼及浇注铁水质量对铸件表面质量影响，主要表现在两个方面：

一是，铁水中杂质的含量，特别是氧化铁含量，它极易在铸件表面产生夹渣或渣气孔；二是，铁水中气体含量，气体含量高易使铸件在表面或皮下产生气孔。

采取“高温静置，低温浇注”的浇注控制准则，以降低铸件的气孔、缩孔及表面粘砂缺陷，提高铸造技术水平，改善机床铸件表面质量。

1.2铸造技术分析

铸造技术是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是铸造机械工业重要的基础工艺，在国民经济中占有重要的位置。

我国铸造技术的现状是产量大，年产铸件约1,200万吨，厂点多，达2万多个，铸造技术的从业人员在120万人以上。

我国铸造技术行业的一大特色是改革开放以来乡镇企业迅猛发展，成为我国铸造技术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。

当前世界上工业发达国家铸造技术的发展归纳起来大致有四个目标，即：

①保护环境，减少以至消除污染；

②提高铸件质量和可靠性，生产优质近终形铸件；

③降低生产成本；

④缩短交货期。

我国铸造技术除厂点多，从业人员多，产量大以外，与发达国家相比，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，也为了铸造技术行业自身的存在与发展，我国的铸造技术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，打好基础，提高企业素质；调整铸造技术产业结构，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技术行业，实现清洁化生产，保证可持续发展。

1.3机械铸造的发展

“八五”期间铸造机械制造受到了高度重视，投入了建国以来最大的一次专项技改贷款和攻关费用，扶持了铸造机械行业产品的开发和发展。

“大型抛光清理落砂设备的制造”，“垂直分型无箱射压造型机”，“水玻璃砂旧砂再生设备的研制”，“金属型铸造设备”等等相继被开发应用。

“九五”期间，铸造行业承担并树立完成了“轿车铸件毛坯精化高效造型与清理成套技术与装备”的任务，“缸体高效连续抛光清理线的开发与研制”也取得圆满成功，1999年完成了国家攻关高水平的气冲造型线项目的成功。

“十五”期间，铸造机械行业主要经济指标的年均增长都在30%以上，高于机床工具全行业平均增长水平，特别是利润增长更快，年均利润增长高达46%，同时也保持较高的市场销售水平。

另外，树脂砂铸造成套设备，基本可以满足国内市场需求，改变了过去主要依赖进口的局面；已经能够生产出较高水平的铸造自动生产线，达到可部分替代进口的水平，部分的解决了轿车发动机缸体、缸盖等铸件毛坯也要进口的情况；高水平自动制芯机、自动铸件清理机如抛丸清理机、磨削清理自动线、自动砂处理机、大型自动压铸机以及精密铸造设备等铸造机械，国内基本上都能生产制造。

应当说“十五”期间铸造机械行业的产品水平有了很大提高，为中国铸造机械行业今后的进一步发展打下良好基础。

总的来说，“八五”至“十五”期间，中国铸造机械制造行业取得了一定的发展。

“十一五”期间，铸造机械行业在巨大市场需求的刺激下，仍将继续保持较高速度增长。

2铸造工艺

铸造工艺是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。

2.1铸造分类

2.1.1砂型铸造

砂型铸造是一种以砂作为主要造型材料，制作铸型的传统铸造工艺。

砂型一般采用重力铸造，有特殊要求时也可采用低压铸造、离心铸造等工艺。

砂型铸造的适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大批量都可采用。

砂型铸造用的模具，以前多用木材制作，通称木模。

旭东精密铸件厂为改变木模易变形、易损坏等弊病，除单件生产的砂型铸件外，全部改为尺寸精度较高，并且使用寿命较长的铝合金模具或树脂模具。

虽然价格有所提高，但仍比金属型铸造用的模具便宜得多，在小批量及大件生产中，价格优势尤为突出。

此外，砂型比金属型耐火度更高，因而如铜合金和黑色金属等熔点较高的材料也多采用这种工艺。

但是，砂型铸造也有一些不足之处：

因为每个砂质铸型只能浇注一次，获得铸件后铸型即损坏，必须重新造型，所以砂型铸造的生产效率较低；又因为砂的整体性质软而多孔，所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，表面也较粗糙。

2.1.2金属型铸造

金属型铸造是用耐热合金钢制作铸造用中空铸型模具的现代工艺。

金属型既可采用重力铸造，也可采用压力铸造。

金属型的铸型模具能反复多次使用，每浇注一次金属液，就获得一次铸件，寿命很长，生产效率很高。

金属型的铸件不但尺寸精度好，表面光洁，而且在浇注相同金属液的情况下，其铸件强度要比砂型的更高，更不容易损坏。

因此，在大批量生产有色金属的中、小铸件时，只要铸件材料的熔点不过高，一般都优先选用金属型铸造。

但是，金属型铸造也有一些不足之处：

因为耐热合金钢和在它上面做出中空型腔的加工都比较昂贵，所以金属型的模具费用不菲，不过总体和压铸模具费用比起来则便宜多了。

对小批量生产而言，分摊到每件产品上的模具费用明显过高，一般不易接受。

又因为金属型的模具受模具材料尺寸和型腔加工设备、铸造设备能力的限制，所以对特别大的铸件也显得无能为力。

因而在小批量及大件生产中，很少使用金属型铸造。

此外，金属型模具虽然采用了耐热合金钢，但耐热能力仍有限，一般多用于铝合金、锌合金、镁合金的铸造，在铜合金铸造中已较少应用，而用于黑色金属铸造就更少了。

2.1.3挤压铸造

挤压压铸的工艺特征是：

普通压铸充型，挤压铸造补缩。

它是在压铸充型之后通过增加挤压补缩工步，以解决传统压铸、真空压铸技术普遍存在的气密性（主要是缩孔与缩松）质量问题，消除各种收缩性缺陷。

挤压压铸也可说是在压铸机上实现挤压铸造的技术。

这项挤压压铸技术不仅提出了一项工艺原理，更重要的是提出了实现工艺的装备，它简单实用，使挤压压铸工艺的技术与经济价值得到最充分的表达。

挤压压铸的工艺流程是：

合模、锁模、压射缸压射充型、主缸动力挤压补缩、开锁、分模、顶出、复位。

以主缸动力挤压补缩，是该技术区别于现有以压射机构同时作为挤压补缩机构的“挤压铸造机”或“精、速、密压铸机”最大的技术特征。

挤压压铸的技术经济指标达到：

可用主缸动力对全零件投影面积进行挤压补缩，挤压补缩比压最低50MPa，最高1000MPa以上；充型比压（压铸比压）从0—150MPa（或更高）连续无级可调，充型速度无级可调，其工艺特性覆盖普通压铸、挤压铸造、低压铸造、差压铸造、重力铸造范围，可实现与上述设备的兼容设计；模具可设计安装的面积就是零件最大可充型面积（以低压铸造充型，挤压铸造补缩的工艺实现），比传统压铸工艺提高50—100倍；具有挤压与锁模双动力机构，挤压主缸动力与锁模力相同，设备成本的提高可控制在5%以内。

传统压铸机可改造成为挤压压铸机；可压铸带型芯铸件，铸件可进行固溶强化热处理，挤压压铸件的车间成本与传统压铸件基本相同。

2.2铸造材料

铸造用材料可分别选用木材、可加工塑料、铝合金、铸铁、钢材等，木模目前仍广泛应用于手工造型或单件小批量生产中，但随着环境保护要求和木材加工性能差的限制，取而代之的将是实型铸造。

实型铸造以泡沫塑料板材为材料，裁减粘贴成模样，然后浇注而成铸件，该方法较之用木模，周期短、费用低。

热点模具塑料模的应用呈上升趋势，尤其是可加工塑料的应用日益广泛。

铝合金模由于重量轻尺寸精度较高，因此应用较广泛。

但近来应用有减少趋势，部分已被塑料模和铸铁模所取代。

铸铁模是大批量铸造生产的首选，并被大量使用。

它具有强度高、硬度高、加工性好、成本低、使用寿命长等优点。

近几年来，由于铸造水平的提高，已有越来越多的模样、模底板、型板框等采用强度和耐磨性更高的球铁或高强度合金灰铸铁制作，而耐热疲劳性能更好的蠕墨铸铁也被用于制作热芯盒材料。

钢材以往在砂型铸造模具上主要用于制作标准件及结构件，较少用于制作铸造模具本体，因为碳钢使用寿命并不高于球铁或低合金灰铸铁，而合金钢又十分昂贵。

随着模具加工技术的提高及对铸模尺寸稳定性要求的提高，一些模具钢、铬钼合金钢，如H13钢，也开始用于制作热芯盒和铸模本体。

在压铸模具中衬模材料早期主要采用3Cr2W8V，近年来较多地采用H13、瑞典的8407、DIVER等热作模具钢。

压铸模具其他部分材料有碳钢、工具钢，也有一些铸铁。

2.3铸造工艺过程

铸造生产是一个复杂的多工序组合的工艺过程，它包括以下主要工序：

1）生产工艺准备，根据要生产的零件图、生产批量和交货期限，制定生产工艺方案和工艺文件，绘制铸造工艺图（如图2-1所示）；

图2-1铸造工艺流程图

2）生产准备，包括准备熔化用材料、造型制芯用材料和模样、芯盒、砂箱等工艺装备；

3）造型与制芯；

4）熔化与浇注；

5）落砂清理与铸件检验等主要工序。

铸件一般作为毛坯经切削加工成为零件。

但也有许多铸件无需切削加工就能满足零件的设计精度和表面粗糙度要求，直接作为零件使用。

3拨叉零件分析

3.1拨叉的作用

CA6140车床的拨叉，它位于车床变速机构中，主要起换档，使主轴回转运动按照工作者的要求工作，获得所需的速度和扭矩的作用。

零件上方的Φ20孔与操纵机构相连，下方的Φ50半孔则是用于与所控制齿轮所在的轴接触。

通过上方的力拨动下方的齿轮变速，如图3-1所示，为拨叉零件图。

图3-1拨叉零件图

3.2拨叉工艺分析

零件的材料为HT200，灰铸铁生产工艺简单，铸造性能优良，但塑性较差、脆性高，不适合磨削，为此以下是拨叉需要加工的表面以及加工表面之间的位置要求：

1、小头孔Φ20以及与此孔相通的Φ8的锥孔、M6螺纹孔。

2、大头半圆孔Φ50。

3、拨叉底面、小头孔端面、大头半圆孔端面，大头半圆孔两端面与小头孔中心线的垂直度误差为0.07mm，小头孔上端面与其中心线的垂直度误差为0.05mm。

4拨叉铸造工艺设计

CA6140车床的拨叉，它位于车床变速机构中，主要起换档，使主轴回转运动按照工作者的要求工作，获得所需的速度和扭矩的作用，其零件主视图，如图4-1所示：

图4-1拨叉零件视图

4.1铸造方案选择

鉴于普通的砂型铸造的拨叉难以满足机床对拨叉的磨损程度，并且铸件易出现气孔，不能热处理，难以生产出高性能合格铸件。

因此，采用挤压铸造。

具体模具结构如图4-2所示。

1-顶塞，2-下模，3-侧芯，4-上模

图4-2挤压模具示意图

整个型腔由上模、下模、顶塞和侧芯构成。

挤压铸造时，首先把灰铸铁熔液浇人由下模、顶塞形成的储液室内，下降上模压紧下模，放人侧芯并锁紧，上升顶塞，使灰铸铁熔液从内浇道压人型腔，在较高的机械压力下成形和凝固，从而获得所需的铸。

采用挤压铸造方案的优点如下：

（1）压力直接加在铸件热节处，作用时间长，加压效果好。

铸件组织致密，晶粒细化，力学性能有时接近甚至达到同种合金锻件的性能水平。

（2）内浇道截面大，浇道短，充型速度较低，充型过程中不会产生卷气现象，铸件可进行热处理。

（3）铸件尺寸精度高，对灰铸铁熔液定量浇注要求不严。

4.2铸造工艺设计

4.2.1铸件在型腔中的位置设计

铸件在型腔中位置是指铸件在挤压铸造模具中所处的位置，对模具加工、灰铸铁熔液充型和产品性能有较大的影响。

铸件位置的选择主要取决于产品结构特点和挤压铸造方式。

设计中遵循了以下原则：

（1）铸件在铸型内平放，使其在浇注状态下的高度较低，减少灰铸铁熔液对型腔和型芯的冲击，提高模具的使用寿命。

（2）厚大部位（Φ40mm的环状柱体）靠近浇道，创造有力的加压和补缩条件，从而获得组织致密的铸件。

（3）把铸件不便脱模部分放在下模，在浇道的共同作用下，铸件被卡在下模中，便于用顶塞脱模，方便模具设计和加工。

4.2.2分型面位置设计

组成挤压铸造模具的各模块在铸件上的分界面叫分型面（如图4-3所示）。

铸件位置确定以后，分型面的位置主要受挤压铸造方式及铸件结构的影响，设计时遵守了以下原则。

（1）沿Φ40mm的环状柱体轴线垂直分型，方便模具加工，保证尺寸精度，容易取出铸件。

（2）在上、下模外侧设计凹、凸槽，防止灰铸铁熔液从分型面处直接喷出。

图4-3分型面设计图

4.2.3浇注系统设计

浇注系统的设计主要包括浇道系统和撇渣系统。

浇道系统是引导金属液以一定的方式填充型腔的通道，对灰铸铁熔液的流动方向、排气条件、模具的热状态、压力的传递、填充时间的长短、以及灰铸铁熔液通过浇道处的速度等各个方面起着重要的控制作用和调节作用。

对于拨叉采用的挤压铸造工艺，设计时遵循以下原则。

①尽量避免灰铸铁熔液正面冲击型芯和型壁，以防止受冲击面部位过热，从而引起粘附金属和铸件疏松。

②采用单浇道，以防止多股合金液发生撞击，产生包气现象。

③浇道应尽可能短，以防止合金液流动性能的损失。

④浇道设计在铝合金拨叉厚大部位，以实现顺序凝固和压力传递。

⑤浇道设计在Φ40mm的环状柱体上端，容易从铸件上除去。

⑥在浇道上方设计了半圆形撇渣系统。

4.3冒口的设计

铸造过程中一定伴有收缩现象，然而，只要采用合理的工艺措施，恰当地控制铸件的凝固方向，仍可以获得无缩孔的致密铸件，其具体办法是：

采用冒口和冷铁实现定向凝固。

在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安放冒口（如图4-4所示），使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位后凝固，冒口本身最后凝固。

定向凝固使铸件最先凝固部位的收缩由后凝固部位的金属液来补缩，后凝固部位的收缩由冒口中的金属液补充，最后将缩孔转移到冒口之中。

图4-4冒口位置图

4.4工艺参数设计

（1）铸造收缩率：

挤压铸造过程中，灰铸铁熔液与型腔紧密接触，铸件尺寸与型腔尺寸基本一致。

由于铸造脱模温度较高，冷却至室温后，由于收缩导致尺寸变小。

此收缩除主要取决于合金线收缩率外，还和铸件结构及工艺参数控制等因素有关。

设计过程中铸件线收缩率为0.5%。

（2）工艺余量：

拨叉圆柱处的产品尺寸为Φ50mm,为了保证铸件的顺序凝固，防止圆柱下方的热节处出现缩孔和疏松，在毛坯设计时适当加大了该处的加工余量，实际尺寸为Φ40mm，超出机械加工余量的部分为工艺余量。

（3）铸造斜度：

拨叉平放在铸型中Φ40mm的轴线于分型面平行，上、下型均为圆孤形，便于脱模。

仅在下端平直处设计了1o的铸造斜度。

（4）配合间隙：

模具设计时具有相对位移的模块间均采用间隙配合。

顶塞与下型的间隙主要防止顶塞变热膨胀后互相擦伤或“咬死”，侧芯与上、下型的间隙是为了抽芯方便和排出型腔中的气体。

考虑到上述作用和防止灰铸铁熔液从间隙处挤出，配合间隙为0.15~0.20mm

4.5模具设计

4.5.1模具材料

挤压铸造过程中，模具在高温、高压下和灰铸铁熔液接触，工作环境比较苛刻，所用材料在高温下应有较高的强度、硬度和抗热疲劳性能，能抵抗灰铸铁熔液的粘熔侵蚀，并且淬透性、热处理稳定性好，易于机械加工。

研究中采用的模具材料及热处理见表4-1。

表4-1模具材料及热处理

名称

材料

热处理

硬度

上模、下模、顶塞

4Cr5MoSiV1

淬火、回火

HRC48~52

导柱

T10

淬火、回火

HRC52~57

导套

T10

淬火、回火

HRC47~52

模座、压板

45钢

调质

HCR28~32

4.5.2锁型机构

挤压铸造过程中，模具要承受灰铸铁熔液的动压力和静压力，必须设计锁型机构，防止灰铸铁熔液从分型面溢出。

由于上、下模直接安装在压力机上滑块、下平台上，在其公称力的作用下可使上、下型夹紧，分型处间隙紧密，并在一定程度上防止模具翘起和变形。

另外，侧芯采用螺栓锁紧，简单易行。

4.5.3抽芯机构

在上述设计中，侧芯在挤压铸造过程中被灰铸铁熔液包紧，并阻碍铸件从型腔内取出。

因此，侧芯在开模前