铝合金框架铸造工艺说明书讲解.docx

1、铝合金框架铸造工艺说明书讲解“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛参赛作品铸件名称：F件-铝合金框架自编代码：BF0201JS方案编号：1. 生产条件及技术要求 - 3 -1.1. 生产性质 - 3 -1.2. 材质 - 3 -1.3. 结构及使用条件 - 3 -1.4. 主要技术要求 - 3 -2. 铸造工艺方案的确定 - 3 -2.1. 零件结构及技术条件的审查 - 3 -2.2. 从避免缺陷方面审查铸件结构 - 4 -2.3. 从简化铸造工艺方面改进零件结构 - 4 -2.4. 造型、造芯方法和浇注位置的确定 - 4 -2.4.1. 浇注位置及内浇口位置的选择 - 5 -2.5. 分

2、型面的选择 - 6 -2.6. 砂芯设计 - 6 -2.6.1. 确定砂芯形状及分盒面选择的基本原则 - 7 -2.6.2. 芯头设计 - 7 -2.7. 铸造工艺设计参数 - 8 -2.8. 浇注系统的设计 - 10 -2.8.1. 浇注时间的计算 - 10 -2.8.2. 阻流截面面积的计算 - 11 -2.8.3. 浇注系统各单元截面的确定 - 11 -2.8.4. 直浇道设计 - 12 -2.8.5. 横浇道设计 - 12 -2.8.6. 内浇道设计 - 12 -2.8.7. 过滤器的设计 - 12 -2.9. 冒口的设计 - 13 -2.10. 出气孔的设置 - 13 -2.11.

3、冷铁的设置 - 14 -2.12. 铸造工艺全图 - 14 -3. 铸造工艺模拟及优化 - 15 -3.1. 凝固过程的数值模拟简介 - 15 -3.2. 前处理 - 15 -3.3. 初始条件及边界的确定 - 15 -3.4. 充型过程分析 - 15 -3.5. 铸件的缩松缩孔模拟 - 16 -3.6. 凝固过程模拟 - 17 -3.7. 各内浇口充填量模拟 - 18 -3.8. 铸造工艺特性分析 - 18 -4. 铸造工装设计 - 18 -4.1. 模样及模板 - 18 -4.1.1. 模样材料的选择 - 18 -4.1.2. 金属模样尺寸的确定 - 19 -4.1.3. 金属模样的结构设

4、计 - 19 -4.1.4. 模板的设计 - 20 -4.1.5. 模板与砂箱的定位 - 20 -4.1.6. 模板的搬运结构 - 21 -4.2. 砂箱的设计和选用 - 21 -4.3. 芯盒的设计 - 22 -4.3.1. 芯盒的选材 - 22 -4.3.2. 分盒面的确定 - 22 -4.3.1. 芯盒型腔尺寸的确定 - 22 -4.3.2. 芯盒主体结构的设计 - 22 -4.3.3. 芯盒外围结构设计 - 23 -4.4. 浇口杯的设计 - 24 -参考文献 - 25 -1.生产条件及技术要求 1.1.生产性质 小批量单件生产，选用手工砂型铸造。1.2.材质材料选用ZL114A-T5

5、，该种材料具有很高的力学性能和很好的铸造性能，即很高的强度、好的韧性和很好的流动性、气密性和抗热裂性，能铸造复杂形状的高强度铸件，适用于各种铸造方法(1)。其成分见表1，经过T5处理后的机械性能见表2表1化学成分主要元素（%）杂质含量（不大于%）SiMgTiAlFeMnZnTiPbSn6.57.50.450.600.100.20余量0.20.10.10.20.030.01表2机械性能铸造方法热处理状态抗拉强度（bMPa）断后伸长率5（%）硬度HBS砂型铸造T52902851.3.结构及使用条件该铝合金框体用于某机床上，轮廓尺寸为：1300X800X360,平均辟厚为10-12mm，其中有四个轴

6、安装处较为厚大，工作时承受较大的载荷。铸件结构复杂，壁厚不均，砂芯多而复杂。1.4.主要技术要求图1 增加铸造工艺孔铸件不允许有缩孔、缩松等铸造缺陷；不得有披缝、毛刺，铸件表面光洁；不得有粘砂。2.铸造工艺方案的确定2.1.零件结构及技术条件的审查零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸造工艺过程和降低成本。一般应该经过以下设计步骤：1.功用设计；2.依铸造经验修改和简化设计；3.冶金设计（铸件材质的选择和适用性）；4.考虑经济性。对该产品图进行审查、分析时发现该零件满足的其所需功用，而忽视了铸造工艺要求。在审查过程中发现该铸件有4个内腔是完全中空的，在铸造过程中无法设计芯头。

7、原设计增加了铸造工艺孔，尺寸与铸件内的加强筋的孔一致。如图1所示。2.2.从避免缺陷方面审查铸件结构1.铸件壁厚 图2 局部截面图为了避免浇不足、冷隔等缺陷，铸件不能太薄，根据该铸件的尺寸、材料及选择的铸造方法，其最小壁厚应该不小于8 mm，该铸件设计的最小壁厚为10 mm，满足了铸造要求。2.铸件的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、外壁均匀地冷缺，这样可以减轻内应力和防止裂纹。将图2局部截面图所示的加强肋为 10mm，外壁为12mm，满足设计要求。3.避免铸件尖角铸件有凹尖角时易产生应力集中而导致开裂。铸件未注圆角为R10，能做大的部位将圆角做大，铸件上不允许

8、有凹尖角存在。2.3.从简化铸造工艺方面改进零件结构1.有利于砂芯的固定和排气图3所示的1#砂芯只有单头出芯头，需在铸件上增加工艺孔，这样不仅增加了砂芯的芯头的支撑点，也利于砂芯的排气。2.减少清理铸件的工作量铸件的清理包括：清除表面粘砂、内部残留砂芯、去除浇注系统、冒口和飞翅等操作。这些操作劳动量大且环境恶劣。铸件的结构设计应该尽量减轻清理的工作量，如图4所示，增加工艺平台，减少冒口清理困难。2.4.造型、造芯方法和浇注位置的确定造型、造芯方法的选择1.优先采用湿型在考虑应用湿型时应注意以下情况。1)铸件过高，金属静压力超过湿型的抗压强度时，应考虑使用干砂型或自硬砂型等。2)浇注位置上铸件有

9、较大的平壁时，用湿型砂容易引起夹砂缺陷，应考虑使用其他砂型。3)造型过程长或需要长时间等待浇注的砂型不宜用湿型。4)型内放置冷铁较多时，应避免使用湿型。2.造型、造芯方法就和生产批量相适应。3.要兼顾铸件的精度要求和成本。4.造型方法应适合工厂条件。 综合以上情况，该铸件表面质量要求高，且结构多处有较大平壁；为单件小批量生产，考虑选用湿型。制芯方法选用手工制芯。2.4.1.浇注位置及内浇口位置的选择铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型中的位置。浇注位置一般于选择造型方法之后确定 。先确定出铸件中品质要求高的部位（如重要的加工面、受力较大的部位、承受压力的部位等）。结合生产条件估计主要的废品倾向和

10、容易发生缺陷的部位，如厚大部位容易出现收缩缺陷。大平面上易产生夹渣结疤。薄壁部位容易发生浇不到、冷隔。薄厚相差悬殊的部位应力集中，易发生裂纹等。这样在确定浇注位置时，就应使重要部位处于有利的状态，并针对容易出现的缺陷，采取相应的工艺措施予以防止（2）。确定浇注位置时，很大程度上取决于控制铸件的凝固，实现顺序凝固的铸件，可消除缩孔、缩松，保证获得致密的铸件。在这种条件下，浇注位置的确定应有利于安放冒口；实现顺序凝固的铸件，内应力小、变形小，金相组织比较一致。确定浇注位置应考虑以下原则：1.铸件的重要部位、重要加工面应该朝下或呈直立状态；铸件下部金属在上部金属的静压力作用下凝固并得到补缩，组织致密

11、。2.使铸件的大平面朝下，既可以避免气孔和夹渣，又可以防止在大平面上形成砂眼缺陷。3.应该保证铸件能充满，浇注薄壁件时要求金属液到达薄壁处所经过的路程或所需的时间越短越好。4.应该有利于铸件的补缩，厚大部分尽可能安放在上部位置。5.避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯、合箱及检验。应使合箱位置、浇注位置和铸件的冷却位置相一致。图5 内浇口进料位置图综合以上设计原则，将铸件的内浇口位置选择在铸件的中间框的内下侧中间，选用两个直浇道；进料口放置在产品的主轴孔侧边缘底部，共设置6处进料。具体内浇口位置如图5所示（为方便观看，将浇注状态的下面朝上了）。2.5.分型面的选择分型面是指两个半铸型相互接触

12、的表面。选择分型面时，应做到“四少两便”，即：少用芯、少用活块、少用三箱、少用分型面、便于清理、便于合箱。分型面选择的基本原则如下：1.铸件全部或大部分置于同一半型内。 为了保证铸件精度，如果做不到上述要求，也应尽可能把铸件的加工面和加工基准面放在同一个半型内。分型面主要是为了取出模样而设置的，但对铸件精度会造成损害。一方面会使铸件产生错边，另一方面由于合箱不严，在垂直分型面方面总会保持一定“厚度”，在最小的情况下约为0.38mm。2.尽量减少分型面的数目。分型面少，铸件的精度容易保证，且砂箱数目少。3.分型面尽量选用平面。平直分型面可简化造型过程和底板制造，易于保证铸件精度。4.便于下芯、合

13、箱和检查型腔尺寸。 在手工造型中，模样及芯盒尺寸精度不高。在下芯、合箱时，造型工需要检查型腔尺寸，再调整砂芯位置，才能保证壁厚均匀。为此尽量把主要砂芯放在下半型中。5.不使砂箱过高。 分型面通常选在铸件最大截面上，以使砂箱不致过高。高砂箱，造型困难，填砂、紧实、起模、下芯都不方便。6.受力件的分型面的选择不应削弱铸件的结构强度。7.注意减轻铸件清理和机械加工量。 结合以上原则，该件采用两箱造型，主分型面选择在中间四主轴通孔的大平面上。2.6.砂芯设计砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。砂芯应该满足以下要求：砂芯的形状、尺寸及在砂型中的位置应符合铸件要求具有足够的强度和刚度，

14、在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外，铸件收缩时阻力小和容易清砂。2.6.1.确定砂芯形状及分盒面选择的基本原则总的原则是：使砂芯到下芯的整个过程方便，铸件内腔尺寸精确，不致造成气孔等缺陷，使芯合结构简单。1.保证铸件内腔尺寸精度。2.图6 砂芯结构图保证操作方便。3.保证然件壁厚均匀。4.应尽量减少砂芯数目。5.填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面。6.分型面选择应优先保证铸件质量、并方便造型下芯。7.砂芯形状适应造型、制芯方法。结合以上原则，该铸件要设计15个砂芯，其中1#芯、2#芯、3#芯、4#芯及5#芯每个铸件上要各用两个砂芯。砂芯结构如图6所示。2.6.2.芯头设计对芯头的要求是

15、：固定砂芯，使砂芯在铸型中有准确的位置。并能承受砂芯重力及浇注时液体金属对砂芯的浮力，使之不致破坏；芯头就能及时排出浇注后砂芯所产生的气体；上下芯头容易识别，不致下错方向或芯号；下芯、合型方便，芯头应有适当斜度和间隙。1.芯头组成主要包括芯头长度、斜度、间隙、压环、防压环和积砂槽等。(1)芯头长度 芯头长度的确定要根据砂芯的大小来确定，芯头不能过高。对于直径小于160mm和长度小于1m的砂芯芯头长度取20100mm之间。(2)芯头斜度 对垂直芯头，上、下芯头都应设有斜度，为了方便合箱，上芯头和上芯头座的斜度要大一些。对水平芯头，如果造芯时芯头不留斜度就以能顺利从芯盒中取出，那么芯头可以不留斜度

16、。芯座-模样的芯头总是留有斜度的，上箱斜度要比下箱斜度大。下型的单边斜度取3(3)芯头间隙 为了方便下芯，通常在芯头和芯座之间留有间隙。间隙的大小取决于铸型种类、砂芯大小、精度和芯座本身的精度 。对于本产品的芯头间隙，定位的横向及纵向取单边0.4 mm，高度方向上取单边0.2 mm。非定位的与上箱接触处的芯头间隙单边0.5 mm，高度方向上取单边1 mm，端面非定位方向上取单边2 mm。(4)压环 又称压紧环，在上模样芯头上车削一道半圆凹沟（r=25mm），造型后在上芯座上凸起一环型砂，合箱后它能把砂芯压紧，避免液体金属沿间隙钻入芯头，堵塞通气道。(5)图7 防压环结构尺寸图防压环在不平芯头靠

17、近模样的根部，设置凸起圆环。造型后，相应部位形成下凹的环状缝隙，下芯及合箱时，可以防止此处砂型压塌，起到防止掉砂缺陷。该模样的防压环的高度为1 mm，宽度为10 mm。如图7所示。(6)积砂槽 在下芯座模样的边缘上设一道凸环，造型后砂型内形成一环凹槽，用来存放个别的散落砂粒。该产品在下箱芯头底部边缘设置一周截面深为5 mm，宽为6 mm，单边斜度为3的积砂槽。2.芯头承压面积的核算 芯头的承压面积应足够大，以保证在金属液的最大浮力作用下不超过铸型的许用压应力。由于砂芯的强度大于铸型，一般只核算铸型的许用应力即可。综合以上，其中为了减少芯盒的数量，将1#、2#、3#、4#的砂芯与上箱及下箱定位处

18、设置成对称的结构，这样14#的砂芯就可以形成对称的两个型腔，5#砂芯是两个相同的机加工轴孔，两边对称处共用一个砂芯。这样有5对都是两两通用的结构的砂芯。各砂芯完成芯头设计后的砂芯造型如下页图8所示（其中红色面处为填砂面）。2.7.铸造工艺设计参数铸造工艺设计参数通常是指铸造工艺设计时需要确定的某些数据。工艺参数选取准确、合适，才能保证铸件尺寸（形状）准确，使造型、制芯、下芯、合箱方便，提高生产率，降低成本。工艺参数主要包括以下内容：1.铸件尺寸公差按CT11级精度制造。具体要求见：GB/T 6414-1999。2.铸件重量公差以GB/T 1135-1989 MT11级为标准执行。3.机械加工余

19、量以GB/T 6414-1999 H级为标准执行，四外侧面加工量为7mm，四圆柱孔内为5mm，其它部位为5mm。4.铸造收缩率根据铸件材料及造型、造芯方法，将铸造收缩率定为1.1%。5.起模斜度图8 砂芯结构图b) 2#砂芯结构图a)1#砂芯结构图c) 3#砂芯结构图d) 4#砂芯结构图e) 5#砂芯结构图g) 7#砂芯结构图f) 6#砂芯结构图h) 8#砂芯结构图i) 9#砂芯结构图j) 10#砂芯结构图它零件配合的非起模斜度应该小于或等于产品图上所规定的起模斜度值，尽量使铸件内、外壁的模样和芯盒的斜度取值相同，方向一致，以使铸件壁厚均匀。在铸件的加工面上增加铸件尺寸法，对铸件不与其加工表面

20、上，可采用增加、增加和减少或减少铸件尺寸法。具体斜度大小按起模面高度的大小选取0.53之间。6.最小铸出孔 一般直径小于1015mm的孔不铸出，该铸件上直径小于15mm的孔不铸出。7.分型负数根据该铸件的结构及砂箱的类型，将分型负数设定为1mm。8.分芯负数根据该砂芯的制芯方法及砂芯结构，将分芯负数定为0.5mm。2.8.浇注系统的设计浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道，通常由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等单元组成。对浇注系统的基本要求如下：1.应在一定的浇注时间内，保证充满铸型，保证铸件轮廓清晰，防止出现浇不足缺陷。2.应能控制液体金属流入型腔的速度和方向，尽可能使金属平稳流入型腔，防

21、止发生冲击、飞溅和旋涡等不良现象，以免铸件产生氧化夹渣、气孔和砂眼等缺陷。3.应能把混入金属流入型腔的熔渣和气体挡在浇注系统里。4.应能控制铸件凝固的温度分布。5.浇注系统结构力求简单，简化造型、减少清理工作量和液体金属的消耗。浇注系统的计算主要包括确定浇注时间、阻流截面面积和浇注系统的各基元的比例等内容。有关浇注系统的计算方法很多，但都是经验公式或选取经验系数按近似的公式运算的，至今还没有精确、统一的理论计算方法。2.8.1.浇注时间的计算合适的浇注时间与铸件结构、铸型工艺条件、合金种类及选用的浇注系统类型等有关，对于每一个铸件在已经确定的铸造工艺条件下都应该有其适宜的浇注时间。常用公式如下

22、： (1)式中 浇注时间（s）； G包括冒口在内的铸件总重量（kg）；铸件壁厚（mm）；s1系数。该铸件毛坯重G1为270kg，则G=KG1，其中当有冒口时，K取1.52，暂取K为1.6，则G为432kg；铸件壁厚为10mm，则s1取3.6（3），代入公式（1）得=58.6（s），选60s。计算所得的浇注时间是否合适，通常以型内金属液面上升速度来验证，一般铝合金液面的上升速度在15cm/s以下。型内液面上升速度可按式（2-2）计算： (2)式中：v型内液面上升速度 HP平均压头（cm）； 浇注时间（s）。其中HP为43.5cm，上面取值为60s，代入式（2）计算得v=0.725cm/s，满足铝

23、合金在型内的上升速度。2.8.2.阻流截面面积的计算阻流的截面面积的大小实际上反映了浇注时间的长短。在一定的压头下，阻流截面大，浇注时间就短，反之浇注时间就长。根据流量方程和伯努利方程可推导出浇注系统阻流截面面积计算公式如（3-3）： (3)式中：F阻阻流截面积（cm2）； G包括冒口在内的铸件总重量（kg）； 浇注时间（s）； 系数，通常取0.040.07（明冒口小，通气性差，液流阻力大应取下限）。根据该铸件的情况，取0.05，将上面的G及代入式(3)得F阻为21.83 cm2。铸件浇注质量与直浇口总截面面积关系如表3所示（3）：表3 铝铸件浇注质量与直浇道总截面积关系浇注质量（kg）551

24、010151530305050100100250250500500直浇口总截面面积（cm2）1.53.03.04.04.05.05.07.07.01010151520203030浇口直径（mm）142020222225253030352X(2530)2X(3035)2X(3540)2X45由于该铸件的阻流截面即为直浇口截面，故根据表（3）将内直浇口直径选为40mm，选择两个直浇道。则阻流截面面积为2512 cm2。2.8.3.浇注系统各单元截面的确定该铸件属于大型铝合金铸件，选用开放式浇注系统，可以将直浇口、横浇口及内浇口的截面面积比定为1：2 3：24。根据该铸件结构，初步确定为开设六个内浇

25、口，内浇口厚度一般应为铸件相连接处的对应的铸件壁厚的50%80%，为使铸型热分布合理，开在铸件的薄壁部位的内浇口，可从多处引入，并且宽厚比越大，铸型热分布越均匀（4）。2.8.4.直浇道设计直浇道最小截面已经确定为40 mm，对于直径大于25 mm的直浇道不可只设计成圆柱型，这样容易在浇注过程中产生涡流，会导致金属液流中产生中空现向，易卷入气体造成氧化夹渣。对于该大型铸件，将单个直径为40 mm的直浇口设置成三个片状直浇道。每片宽度为12 mm，长度为40 mm，每组3片，两组直浇道共6片。在片状直浇道最上端，为方便浇杯浇注，将3个片状直浇道联成一组。具体直浇道结构尺寸如图9所示。2.8.5.

26、横浇道设计图10 横浇道结构图横浇道在浇注过程中起缓冲、稳流和挡渣的作用，并将直浇道的金属液分配给内浇道。单个横浇道取高25mm，宽35mm，单边5度。整组横浇道结构如图10所示。2.8.6.内浇道设计内浇道直接与铸件相连，起着控制金属液流动速度和方向的作用。内浇道的设计考虑到连接横浇道与铸件，力求使金属液流动平稳且均衡铸型的热量分配，现确定内浇口厚度为8mm，单个长度为90mm，共6处。其内浇道截面形状如图11所示。2.8.7.过滤器的设计现常用的过滤器有铁丝网、硅酸铝纤维过滤网、网格型陶瓷过滤器及泡沫陶瓷过滤器。考虑到该浇注系统的挡渣性差，选用泡沫陶瓷过滤器（其产品实物如图12所示）。泡沫

27、陶瓷过滤器具有独特的三维边通曲孔网状结构使其具高达70%90%的开口孔隙率（5）。泡沫陶瓷过滤器对铝液不但有过滤氧化夹杂的作用，还可以使得通过过滤器的金属液的紊流流动状态变得趋于层流流动状态；使得流经过滤器的金属液平稳充型，避免了二次氧化和裹气（6）。泡沫陶瓷过滤器的安放位置有很多种，对于该产品可以放置在横浇道上。其过滤器浇注系统截面积比一般来说，可以设置为：A1：A2：A3：A4=1：4.5：2.6：1.1 （4）式中：A1横浇道原始截面积； A2过滤器进入面的最大有效截面积；A3过滤器出口处的有效截面积；A4横浇道出口截面积。图14 冒口结构图由横浇道截面大小高25mm，宽35mm，单边8

28、度代入式（4）得，A2为3600mm2,则可以选用截面大小为65X65mm，厚度为20mm，公称孔尺寸为15ppi的泡沫陶瓷过滤器。过滤器处的横浇道结构设计如图13所示。2.9.冒口的设计冒口设计的基本条件：1.冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间。2.有足够的金属液补充铸件在冷却过程中的收缩所需的金属液。3.在凝固补缩期间，冒口和铸件被补缩部位之间必须存在补缩通道，扩张角向冒口张开。 冒口的作用一方面是补缩，另一方面的作用是排气及集渣，浇铸时是充满铸型的标志。到目前为止，冒口的设计在铸造行业中大多数以经验为基础（7）。冒口高度一般为60200mm范围内，冒口的直径一般不超过1

29、00mm为宜。尺寸过小，补缩效果不好了；尺寸过大，浪费金属液，甚至会引起其他铸造缺陷。对于该铸件，在10个小圆柱上分别设置10个冒口。为在4个轴孔上方设置4个冒口，具体尺寸形状如图14所示。2.10.出气孔的设置铸件的出气孔有明出气孔和暗出气孔两种，设置出气孔的目的是为了更好的排出型腔内气体，改善金属液充型能力。出气孔应该设置在铸件浇注位置的最高点和气体最后聚集处即型腔内气体难以排出的“死角”处；出气孔通常不宜设置在铸件的热节和厚壁处，以免因出气孔冷却快而导致铸件在该处产生收缩缺陷。对于砂芯芯头部位，为了将砂芯在浇注过程中产生的气体及时排出，设置直径为15mm的排气孔。2.11.图15 冷铁位

30、置结构图冷铁的设置冷铁的作用有：1.减小冒口尺寸，提高工艺出品率；2.在铸件难以设置冒口的部位，放置冷铁要防止缩孔、缩松；3.在局部使用冷铁可控制铸件的顺序凝固，增加冒口的补缩距离。4.消除局部热应力，防止裂纹。综合以上，在铸件的下平面厚大部位（四个轴孔的两侧及窗口两侧面对应的底面）设置冷铁，加强铸件无法直接补缩部位的快速冷却，改善铸件组织。避免铸造缺陷的产生。具体位置尺寸如图15所示（现图中有冷铁的面在浇注状态时是下平面）。2.12.铸造工艺全图如图16所示图16 铸造工艺全图冷铁内浇道横浇道直浇道窝过滤器位置直浇道铸件冒口3.铸造工艺模拟及优化3.1.凝固过程的数值模拟简介近年来，伴随着计算机技术的飞速发展，计算机及其软件被广泛应用于产品开发设计、分析制造工艺等方面，已成为近代工业提升竞争力的主要方法。对于铸造业来讲也不例外，计算机技术在铸造领域已获得广泛应用。只要将铸件图纸、铸型材料、铸造合金热物性和凝固特性以及质量要求输入计算机就能根据相应的数学模型对可能出现的缺陷