三角皮带轮铸造工艺设计汇编.docx
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三角皮带轮铸造工艺设计汇编
三角皮带轮铸造工艺设计
目录
摘要………………………………………………………………………3
1零件概述………………………………………………………………3
1.1零件基本信息……………………………………………………3
1.2零件结构特征及作用……………………………………………4
1.3零件结构审查……………………………………………………4
1.4零件技术要求……………………………………………………5
2铸造工艺方案设计……………………………………………………5
2.1造型、造芯材料及方法…………………………………………5
2.2浇注位置的确定…………………………………………………6
2.3分型面的选择……………………………………………………7
2.4砂芯设计…………………………………………………………8
2.5铸造工艺设计参数……………………………………………11
3浇注系统……………………………………………………………15
3.1浇注系统类型选择……………………………………………15
3.2浇注系统结构设计……………………………………………15
3.3内浇口位置及数量的确定……………………………………15
3.4浇注系统尺寸计算……………………………………………16
3.5浇注系统各单元结构及尺寸…………………………………17
4.冒口的设计…………………………………………………………19
5冷铁的设计…………………………………………………………20
5.1冷铁放置位置的确定……………………………………………20
5.2冷铁尺寸的确定…………………………………………………21
5.3设计冷铁时注意事项……………………………………………21
6出气孔的设计………………………………………………………22
参考文献………………………………………………………………22
摘要
皮带轮是带传动结构重要的零件之一，相比较传统汽车乘用车发动机减震皮带轮,轻型柴油乘用车发动机减震皮带轮既可满足家用轿车发动机上,又可适用大型客车,大型货车,农用车上的发动机上,具有回收循环使用、重量轻、增强发动机的动力、降低油耗等优点。
本文依照铸造工艺设计的一般程序对三角带轮进行了分析，从技术条件和结构着手，参考有关铸造手册和分析相关实例，确定了合理的铸造工艺方案，最终完成了其铸造工艺设计，这为我们今后设计铸造工艺奠定了理论和实践基础。
1零件概述
1.1零件基本信息
零件名称：
三角皮带轮
零件材料：
QT450-10
产品生产纲领：
大批量生产
砂箱高度：
250
三角带轮零件图：
图1三角带轮零件图
1.2零件结构特征及作用
本三角皮带轮采用腹板式结构，结构简单，且是左右上下对称的回转体，易于分型和铸造，大大提高生产效率，重复率高。
1.3零件结构审查
审查、分析铸件结构时应考虑以下几个方面：
（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，注意壁厚过渡和圆角。
（3）铸件内壁应薄于外壁。
（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。
三角皮带轮零件轮廓尺寸为290mm*290mm*90mm，由《铸造
工艺学》表2-1，知：
砂型铸造时球墨铸铁铸件最小允许壁厚为4~8mm。
而三角皮带轮的最小壁厚为11mm，符合要求。
1.4零件技术要求
铸造圆角R5，铸造斜度1:
20，所有倒角2×45°，铸件除满足几何尺寸精度和材质要求外，没有其它的特殊要求。
2铸造工艺方案设计
2.1造型、造芯材料及方法
零件轮廓尺寸为290mm*290mm*90mm，尺寸较小，属于中小型零件且需要大批量生产。
采用湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。
因此，采用湿型粘土砂机器造型，模样采用金属模是合理的。
在造芯材料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料成本较低，但是烘干后容易产生裂纹，容易变形。
在大批量生产的条件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及保证铸件质量。
选择使用射芯工艺生产砂芯，采用热芯盒制芯工艺热芯盒法制芯，是用液态固性树脂粘结剂和催化剂制成的一种芯砂，填入加热到一定的芯盒内，贴近芯盒表面的砂芯受热，其粘结剂在很短的时间内硬化。
而且只要砂芯表层有数毫米的硬壳即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余热可自行硬化。
2.2浇注位置的确定
铸件的浇注位置是浇注状态下铸件在铸型内所处的位置。
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。
确定浇注位置时应注意以下几个原则：
（1）铸件重要部分或主要加工面、耐磨面、受力部位等应位于下部或呈直立状态；
（2）铸件局部薄壁部位或铸件大平面应朝下；
（3）有利于铸件顺序凝固和补缩；
（4）尽可能避免用吊砂、吊芯或悬壁式砂芯；
（5）通常使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置一致。
基于以上原则，铸件浇注位置如图2所示：
图2三角带轮的浇注位置
2.3分型面的选择
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。
一般来说，选择分型面时应注意一下原则：
1.应使铸件全部或大部分置于同一半型内
2.应尽量减少分型面的数目
3.分型面应尽量选用平面
4.便于下芯、合箱和检测
5.不使砂箱过高
6.受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度
7.注意减轻铸件清理和机械加工量
2.4砂芯设计
砂芯用来形成铸件内腔或外形上有碍起模的局部凸凹部位。
设计砂芯总的原则是：
铸件内腔尺寸准确、通气顺畅、芯盒结构简单。
2.4.1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。
垂直芯头的设计数据包括上、下芯头高度和芯头斜度、芯头间隙、上部压紧环与下部集砂槽等。
详细数据可查标准JB/T5106-1991。
1．芯头高度
对于φ60mm的孔，L=90mm，D=60mm，查《铸造工艺学》表6-17知，芯头高度h=25~30mm，取h=30mm。
因为带轮的垂直砂芯是上、下对称的，且产品是大量生产的，故上、下芯头可采用相同的高度。
对于φ42mm×6均匀分布的孔，L=18mm，D=42mm，查表6-17知，芯头高度h=15~20mm,取h=20mm。
2.芯头斜度
为避免合型时上芯头和铸型相碰，上芯头和上芯座的应大一些。
查《铸造工艺学》表6-18知，上芯头α=10º，下芯头α=5º。
3.芯头与芯座间的间隙
机器造型时，制芯时间隙一般较小，常用间隙为0.5mm~1mm。
4.压紧环
湿型铸造时，为阻止金属液沿间隙钻入芯头堵塞通气孔，应在上芯座上安置一圈凸起的砂环，称为压紧环。
合型后它能将砂芯压紧，能有效阻止金属液钻入芯头中心通气道中。
5.集砂槽
集砂槽用来存放遗漏的散落残砂或小砂块，可避免芯头与芯座因残砂垫起而位置不正。
集砂槽一般深2~5mm，宽3~6mm，主要用于机器造型。
2.4.2芯头承压面积的核算
芯头的承压面积应足够大，以保证在金属液最大浮力作用下不超过铸型许用压应力。
芯头的承压面积S应满足
S≧kF芯/[σ压]
式中，F芯——所要计算的最大浮芯力，应为砂芯所排开金属液的重力（N）；
K——安全系数，k=1.3~1.5；
[σ压]——铸型许用应力（MPa），对于湿型，[σ压]可取（40~60MPa）。
2.4.3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。
用水玻璃砂和树脂砂制作中、小砂芯时，通常采用圆钢
作为芯骨。
2.4.4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。
为此，应采用透气性好的芯
砂。
砂芯中应开设排气道，芯头尺寸要足够大，以利于气体的排出。
可用如下方法开设砂芯排气道：
用通气孔、通气模板，用蜡线、尼龙
管，用手工开挖法。
2.4.5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，本设计中的砂芯为中小型砂芯，故不设计砂芯负数。
2.5铸造工艺设计参数
铸造工艺参数指铸型工艺设计中需要确定的合理工艺数据，一般包括铸件尺寸公差，机械加工余量，最小铸出孔、槽，起模斜度，铸造收缩率及各种工艺补正量。
2.5.1铸件尺寸公差
铸件尺寸公差是指铸件各部分尺寸所允许的极限偏差，铸件生产过程中的很多因素都会影响铸件尺寸公差，同时铸件尺寸公差在一定范围内会对铸件生产成本产生极大影响。
查《铸造工艺学》表6-1知，大批量生产的球墨铸铁毛坯铸件的公差等级为CT8~CT12，取带轮的公差等级为CT10。
2.5.2机械加工余量
机械加工余量指铸件预加工表面上留出为进行最终机械加工所需的金属层厚度。
加工余量过大，浪费金属和机械加工工时，增加零件成本；过小，则不能完全除去铸件表面的缺陷，甚至露出铸件表皮，达不到产品设计要求。
查表2-4知，带轮机械加工余量为6.0mm。
2.5.3最小铸出孔
查表2-5知，球墨铸铁铸件大量生产时最小铸出孔直径为12~15mm，因为带轮的最小孔直径为42mm，故需要将其铸造出来。
2.5.4起模斜度
为使模样容易从铸型中取出或砂芯自芯盒中脱出，不致损坏砂型和砂芯，应该在平行于起模方向上使模样和芯盒壁具有一定的斜度。
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：
外形模的A面（如图5所示），高度为85mm，查《铸造工艺学》表6-11知，粘土砂造型时模样的起模斜度为α=0°30′，a=1.0mm。
外形模的B面（如图5所示），高度为2.5mm，查表6-11知，粘土砂造型时模样的起模斜度为α=2°20′，a=0.4mm。
内腔的C面（如图5所示），高度为90mm，查表6-11知，粘土砂造型时模样的起模斜度为α=0°30′，a=1.0mm。
但是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更换刀具。
且起模斜度应小于或等于产品图上所规定的起模斜度值，以防止零件在装配或中工作与其他零件相妨碍。
因为带轮零件图上规定铸造斜度为1:
20，内腔锥度为1:
10，所以选用同一起模斜度为α=2°20＇,a=0.4mm。
由于A、C面都是和其他零件配合的重要加工面，故起模斜度的形式选用增加壁厚法。
而B面为非加工面，故起模斜度的形式选用加减壁厚法。
图5模样起模斜度示意图
2.5.5铸造圆角
铸件上相邻两壁间的交接角，应做出铸造圆角，带轮零件图要求铸造圆角为R5。
2.5.6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。
但带轮在大批量生产前的小批量试制和试产过程中将进行调整尺寸变化，所以设计中不考虑工艺补正量。
2.5.7铸造收缩率
铸造收缩率K的定义是
K=（LM-Lj）/Lj×100％
式中LM——模样（或芯盒）工作面的尺寸；
Lj——铸件尺寸。
通常，灰铸铁K=0.7％~1.0％。
3.5.7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。
为了防止浇注时分型面跑铁液，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳或耐火泥条，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。
而带轮是湿型且是小型铸件，故不予考虑分型负数。
3浇注系统
3.1浇注系统类型选择
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。
适用于湿型铸件小件。
而带轮就是采用湿型的铸件小件，所以选择封闭式浇注系统。
3.2浇注系统结构设计
采用顶注式浇注系统，内浇道设在铸件顶部，金属液由顶面流入型腔。
易于充满，有利于铸件形成自下而上的凝固顺序，补缩效果好。
浇注系统简单，造型及清理方便，金属液消耗少。
3.3内浇口位置及数量的确定
带轮结构较为简单且是小型件，故每个铸件上只用一个内浇道。
为了方便造型，内浇道开设在分型面上。
因为铸件全部位于下箱，这样铸件凝固顺序为由下至上凝固，这样有利于带轮的重要部分先凝固并得到补缩，如此内浇道则开设在厚壁处引入金属液，如图6所示。
图6内浇口位置
3.4浇注系统尺寸计算
3.4.1直浇道的位置与高度
实践证明，直浇道过低会使充型及液态补缩压力不足，容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到、上表面缩沉等缺陷。
初步设计直浇道高度等于上沙箱高度250mm。
但应检验该高度是否足够。
检验依据：
剩余压力应满足与压力角的如下关系，即
HM≥Ltanα
式中HM——最小剩余压力头；
L——直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离；
α——压力角。
查表3-9知，α为6~7，取7°。
Ltanα=145×tan7°mm≈18mm
因为铸件全部位于下箱，所以剩余压力头HM等于上箱高度290mm，经过验证剩余压力头满足压力角的要求。
3.4.2计算浇注时间并核算金属上升速度
根据铸件图计算单个铸件的体积V=[3.14*（602-302）]*90+[3.14*（682-602）]*18+[3.14*（1452-1182）*85]+[3.14*（1452-1102）*18]mm3≈3220.6cm3
由《铸造实用手册》相关表知，球墨铸铁的密度为7.3g/cm3,则单个铸件的质量m=ρV=3220.6*7.3=23.5kg。
带轮大批量生产的工艺出品率约为85%，可估计铸型中铁水总重量G
G=23.5/85%≈28kg
由《铸造工艺学》知，球墨铸铁铸件的浇注时间
t=s1*（δG）1/3=2.0*（37*28）1/3≈20s
计算铁水液面上升速度ν上升=C/t=90/20mm/s=4.5mm/s
核算铸铁液上升速度，由表3-2知，型内铸铁液最小上升速度为8~10mm/s，计算值小于核算值。
由于此铸件快浇有些困难，工装条件又不允许直立或侧立浇注，便将铸型倾斜15°。
此时铸件高度由C（90mm）变为C1，C1值可作近似计算：
C1=90+290sin15°=165mm，并可求出v≈8.3mm/s。
基本上满足了对上升速度的要求。
3.4.3计算阻流截面积F阻
查《材料成形工艺》图3-16知，球墨铸铁件流量系数μ=0.6
根据水力学计算公式：
F阻=G/[0.31τμ（H均）1/2]
式中F阻——浇注系统阻流（最小）截面积（cm²）;
G——流经阻流面积的金属液总质量（kg）；
τ——浇注时间（s）；
μ——流量系数；
Hp——充填型腔时的平均静压头（cm），对于顶注式H均=Ho，本例中H均=29cm。
∴F阻=28/（0.31*20*0.6*（29）1/2）=1.4cm2
3.4.4确定各组元截面积比
封闭式浇注系统组元截面比一般为：
∑A直：
∑A横：
∑A内=1.15：
1.1:
1
3.5浇注系统各单元结构及尺寸
3.5.1浇口杯结构及尺寸
浇口杯用来承接来自浇包的金属液并引入直浇道，以防金属液飞溅和外溢，有利于浇注并能分离浮渣和气泡等。
因为漏斗形浇口杯结构简单，制作方便，其本身消耗金属液少，主要用于小型铸件，在机器造型中广泛使用，故采用漏斗形浇口杯。
其断面形状如图7所示：
图7浇口杯截面示意图
浇口杯截面尺寸由《铸造技术应用手册》表4-4查得，
D1=68mm，D2=64mm，h=52mm
3.5.2直浇道的结构及尺寸
直浇道将金属液导入型腔，提供压力头以克服流动阻力充满型腔。
直浇道一般为圆形。
机器造型机上使用直浇道多是上小下大的倒锥形，这时要靠增加直浇道的出口阻力，如在直浇道中增加滤网。
由于设计直浇口有一个，因此S直=1.15*1.4=1.61cm²，直浇道截面尺寸如图8所示：
图8直浇道截面尺寸
圆形断面大小由《铸造工艺设计》查表3-240得：
D=15mm
为了方便取模，直浇道通常做成上小下大的倒圆锥形，（通常锥度取1/50），因此直浇道上端是直径约为：
D1=15+（1/50）*250=20mm
3.5.3横浇道结构及尺寸
横浇道起使金属液流平稳和挡渣的作用。
为加强横浇道的挡渣效果，可采取阻流式的挡渣措施，即在横浇道中底部分别设置一水平缝隙阻流和一垂直狭小截面的阻流片。
液流先通过阻流后又突然扩大，流量不变，流速减小，有利于杂质上浮。
由于设计横浇道有一个，因此S横=1.1*1.4=1.54cm²，横浇道形状取梯形断面形状如图9所示：
图9横浇道截面尺寸
查《铸造工艺设计》表3-241知，A=15mm，B=10mm，C=16mm
3.5.4内浇道结构及尺寸
内浇道的功能是控制充型速度和方向，分配金属，调节铸件各部位的温度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过内浇道对铸件有一定的补缩作用。
由于设计内浇口有一个，因此S内=1.4cm²，内浇道形状取梯形断面形状如图10所示：
图10内浇道截面尺寸
查《铸造工艺设计》表3-242知，a=20mm，b=18mm，c=8mm
4冒口的设计
冒口是铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。
由于实用冒口的工艺出品率高，铸件质量好，成本低，比通用冒口更实用，故选用实用冒口。
铸件的散热面积A=3.14*（60*60-30*30）+3.14*（145*145-118*118）=307.8cm²，所以铸件的模数M=V/A=3220.6/307.8=10.5cm，故球墨铸铁铸件选用直接实用冒口。
4.1冒口的体积
对于QT450-10铸件，从浇注温度（tp）冷却到共晶温度（1150°C）的体收缩率依下式计算得
ε液=（90+30*3.6）（{tp}-1150）×10-6+0.9×10-2
冒口体积比铸件所需补缩的铁液量要大些。
为了更好地发挥直接实用冒口的补缩作用，可采用大气压力冒口的形式，在冒口顶部放置大气压力砂芯或造型时做出锥顶砂凸。
4.2冒口颈的计算
冒口颈的模数Mn的计算公式：
Mn=Mc（tp-1150）/（tp-1150+L）
式中Mn——冒口颈模数；
Mc——铸件的“关键”模数；
tp——浇注温度；
L——铸铁的熔化热，其值为209J/g。
冒口颈的位置，可选在最关键部分或更厚的任何部分上。
冒口设在最高部位能节约金属。
5冷铁的设计
5.1冷铁放置位置的确定
外冷铁的位置和激冷能力的选择，保证补缩通道畅通，避免在热节处形成缩孔。
当冷铁和冒口配合使用时，冷铁离冒口不能太近，否则会加速冒口冷却。
尽量把外冷铁放在铸件的底部和侧面。
顶部外冷铁不易固定，且常影响型腔排气。
综合以上考虑，最终冷铁放置的位置如图11所示：
图11冒口和冷铁的位置
5.2冷铁尺寸的确定
查《铸造工艺学》表4-7知，板形冷铁直径B=10mm，长度L=50mm，间距为6mm。
查表4-7知，外冷铁的厚度δ=（0.3~0.8）T，T为铸件热节圆的直径。
5.3设计冷铁时注意事项
1.外冷铁的位置和激冷能力的选择，不应破坏顺序凝固条件，不应堵塞补缩通道。
2.每块冷铁勿过大、过长，冷铁之间应留间隙。
3.尽量把外冷铁放在铸件的底部和侧面。
顶部外冷铁不易固定，且常影响型腔排气。
4.外冷铁工作表面应平整光洁，不得有气孔、缩凹等缺陷，去除油污和锈蚀，涂以涂料并烘干，以免使铸件产生气孔。
5.铸铁外冷铁多次使用后，易使铸件产生气孔，用于要求高的铸件应限制使用次数。
6出气孔的设计
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。
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17mm（0.5*34mm）。
防止出气孔过小导致型内气压过分增大，出气孔根部总截面应大于内浇口总截面积1.4cm²。
因此设计出气孔根部直径为16mm，每个铸件一个出气孔。
为方便取模采用上小下大的锥形，斜度为起模斜度α=2°20＇，
出气孔总截面积为3.14*（16/2）²=0.2cm²。
参考文献
[1]周述积，候英玮，茅鹏.材料成形工艺[M].北京：
机械工业出版社，2005.7.
[2]董选晋，李继强.铸造工艺学[M].北京：
化学工业出版社，2009.8.
[3]大连理工大学工程图学教研室.机械制图[M].北京：
高等教育出版社，2007.7.
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