框架鑄造工藝說明書

1、“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽參賽作品鑄件名稱：F件-框架自編代碼:方案編號:摘 要 皿1零件簡介111零件介紹 11.2生產(chǎn)方式的選擇32鑄造工藝設(shè)計(jì)42.1工藝方案的選擇 42.1.1分型面的選擇42.1.2澆注位置的選擇42.2鑄造工藝參數(shù)的確定62.2.1最小鑄出孔62.2.2加工余量與鑄造圓角62.2.3鑄造縮尺72.2.4鑄造斜度與分型負(fù)數(shù)72.2.5澆冒口的切割余量 92.2.6鑄件在砂型中的冷卻時間92.2.7砂芯設(shè)計(jì)93澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 103.1澆注系統(tǒng)的選擇原則10“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽3.2澆注系統(tǒng)的尺寸確定 104冒口的尺寸計(jì)算 13.4.

2、1鑄件冒口補(bǔ)縮設(shè)計(jì)原理 134.1.1基本條件 134.1.2選擇冒口位置的原則134.1.3補(bǔ)縮壓力 144.2鋁合金框架冒口設(shè)計(jì)方法 .144.2.1冒口有效補(bǔ)縮距離的確定 .145冷鐵設(shè)計(jì) 176砂箱設(shè)計(jì) 177工藝模擬 177.1軟件簡介187.2工藝模擬 .18參考文獻(xiàn) 20附 圖21第ii頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽框架零件的鑄造工藝設(shè)計(jì)摘要本文主要介紹了該鋁合金框架零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并通過工藝分析選擇了恰當(dāng)?shù)?砂型鑄造生產(chǎn)方式進(jìn)行小批量鑄造生產(chǎn)。通過計(jì)算機(jī)鑄造工藝模擬，驗(yàn)證了鑄造工 藝參數(shù)的合理性與鑄造工藝方案的可行性。關(guān)鍵字：鋁合金框架砂型鑄造鑄造工藝工藝模擬第I

3、II頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽The Desig n of the Framework Comp onen ts Foundry Tech niqueAbstractThe paper describers the structural characteristics ofalumi num alloy frame, and con firms sand cast ing as well as smallbatch production through proper process analysis. Then, the paper verifies the rati on

4、ality of casti ng process parameters and the feasibility of casti ng process by cast ing process simulati on.keywords: alumi num alloy frame; sand cast ing;cast ing process;process simulatio n第IV頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽1零件結(jié)構(gòu)與生產(chǎn)方式分析1.1零件介紹該框架零件屬于大中型鋁合金鑄件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，薄壁部分占較大比 例，而且質(zhì)量要求較高。由于有幾處復(fù)雜的內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)，在鑄造過程 中很

5、容易出現(xiàn)夾砂、氣孔等缺陷，因此在確定鑄造工藝的時候必須要全 面考慮與權(quán)衡。該鑄件所選材料為ZL114A，該牌號鋁合金在砂型鑄造中 的抗拉強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性能都相對較高，能夠滿足更高的使用要求。 從零件二維工程圖可以看出，該框架零件的尺寸規(guī)格為1320 mm X 1229 mm X 440 mm,根據(jù)二維CAD圖的各項(xiàng)尺寸，利用 UG三維造型模塊 進(jìn)行三維造型。還原出來的三維立體圖如圖1-1所示。然后利用體積工具 測出體積，把體積與ZL114A的密度2.68g/mm3相乘，得到零件的質(zhì)量在239Kg左右，屬于大中型零件。下圖為其三維造型圖以及局部中空部分第1頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)

6、計(jì)大賽第#頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽表示圖圖1-1 a零件三維圖視角第2頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽圖1-1 b零件三維圖視角二1-1 c零件三維圖視角三第3頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽圖1-2零件內(nèi)部局部中空部分表示圖1.2生產(chǎn)方式選擇由于該框架零件為大型設(shè)備配套件，根據(jù)實(shí)際需求，確定生產(chǎn)綱領(lǐng), 可知年產(chǎn)量不大，因此一般鑄造廠根據(jù)生產(chǎn)的實(shí)際情況應(yīng)采用單件小批 量的生產(chǎn)方式。根據(jù)目前各大廠家的生產(chǎn)水平，應(yīng)至少采用自硬樹脂砂 作為基本鑄造用砂，對于使用時用于成型鑄件內(nèi)部空腔的并要求有較高 表面質(zhì)量要求砂芯應(yīng)使用覆膜砂或者殼型。為提高效率和降低工作

7、強(qiáng)度, 一般采用機(jī)械臺機(jī)器兩箱造型、制芯，模型根據(jù)實(shí)際使用要求等情況選 擇木?；蚪饘倌?，并及時進(jìn)行尺寸檢測及調(diào)整。其他生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)流 程和工廠的實(shí)際水平情況進(jìn)行匹配，盡量在滿足生產(chǎn)要求的情況下降低 生產(chǎn)成本2鑄造工藝設(shè)計(jì)2.1鑄造工藝方案的選擇2.1.1分型面的選擇該零件幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，主要存在框架、薄壁、中空等結(jié)構(gòu)，其 裝配面的精度要求較高。而且該零件的最大輪廓面在對稱面上，因此在 制定工藝的時候優(yōu)先選擇對稱面作為鑄造分型面，如圖 2-1所示。圖2-1分型面的選擇第5頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽第#頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽2.1.2澆注位置的選擇該框架

8、零件大體輪廓屬于扁平構(gòu)造，根據(jù)下芯方便以及確保重要面 的質(zhì)量等原則，結(jié)合分型面的選擇，決定采用平放立澆側(cè)進(jìn)的澆注方式, 澆注位置如圖2-2、2-3所示。十片狀直澆道橫澆道圖2-2鑄件澆注位置圖1JsDUl蘭210Ld=U=312RdJI= -=11112 J%卅圖2-3鑄件澆注位置圖222鑄造工藝參數(shù)的確定2.2.1 最小鑄出孔該框架零件屬于大件，對于鑄鋁件，一般最小鑄出孔為35m m,因此在鑄造時零件上的小孔均不鑄出，而改為機(jī)械加工，具體內(nèi)容詳見鑄造工藝圖。但是該零件有許多中空部分需要砂芯成型，為了固定砂芯，需要設(shè)置芯頭，根據(jù)零件結(jié)構(gòu)和實(shí)際需要，某些部分的孔雖然直徑小于35mm但是需要保留，

9、甚至在沒有孔洞的部位還要在不損壞零件強(qiáng)度的情 況下另外開孔。需要另外開孔的部位如圖 2-4所示。圖2-4需要另開孔222加工余量與鑄造圓角根據(jù)各表面尺寸及精度的不同，結(jié)合鑄件收縮時的傾向，應(yīng)選擇不 同的加工余量，范圍在 5-10mm之間，鑄件某一大圓柱孔的加工余量可 以達(dá)到11mm,具體內(nèi)容與尺寸詳見鑄造工藝圖。為了降低鑄造時的應(yīng)力與熱裂傾向，鑄件各拐角部分應(yīng)設(shè)置鑄造圓角以便圓滑過渡。鑄造圓角在鑄造工藝圖上有具體表示，未標(biāo)注鑄造圓角為R10 mm。2.2.3鑄造縮尺鑄鋁合金在凝固過程中產(chǎn)生較大的體收縮和線收縮，特別是結(jié)構(gòu)復(fù)雜的薄壁件，鑄造過程中的收縮情況復(fù)雜。結(jié)合鋁合金鑄造特點(diǎn)和零件 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

10、，根據(jù)工廠實(shí)際，初取收縮率為1.2%左右。框架內(nèi)圈由于收縮受阻較小，應(yīng)選用偏大值。用砂芯形成的內(nèi)孔給以較小的收縮量，形成 凹腔則應(yīng)給與較小的收縮量，再根據(jù)實(shí)際效果在鑄造過程中進(jìn)行修正。2.2.4鑄造斜度與分型負(fù)數(shù)以保證起模操作，應(yīng)設(shè)置鑄造斜度。在確定工藝的過程中，應(yīng)與模 具車間協(xié)商，具體要求按照工廠實(shí)際要求設(shè)置。為防止?jié)沧r從分型面炮火，合型時需要在分型面上放耐火泥條， 這樣會增加型腔高度，為了保證鑄件尺寸符合要求，應(yīng)設(shè)置分型負(fù)數(shù)。 但數(shù)值應(yīng)小于一般值。把相關(guān)工藝參數(shù)確定之后，畫好鑄造工藝圖，根據(jù)工藝圖的各項(xiàng)參 數(shù)指標(biāo)及要求，畫出鑄件三維圖，如圖 2-5所示。圖2-5鑄件三維圖1圖2-6 鑄件

11、三維圖22.2.5澆冒口的切割余量對于鋁鑄件，非加工面應(yīng)清理到與鑄件表面齊平，待機(jī)加工面的澆冒口殘留量在6mm左右。2.2.6鑄件在砂型中的冷卻時間鑄件在砂型中的冷卻時間短，容易產(chǎn)生變形、裂紋等缺陷。為使鑄 件在出型時有足夠的強(qiáng)度和韌性，鑄件在砂型內(nèi)應(yīng)有足夠的冷卻時間。 具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)做相應(yīng)調(diào)整。2.2.7砂芯設(shè)計(jì)由于該框架零件有太多中空結(jié)構(gòu)，因此需要在鑄造時使用砂芯成型。 根據(jù)圖形可知，鑄造時需要至少 7個砂芯，砂芯編號與布置詳見鑄造工 藝圖。由于一號、四號、五號砂芯均屬于垂直砂芯，為了保證其軸線垂直、 牢固地固定在砂芯上，必須有足夠的芯頭尺寸。芯頭與芯頭座之間應(yīng)有 適宜的間隙

12、。以使砂型與砂芯的裝配。而且一號砂芯體積較大，需要內(nèi) 部放置芯骨并根據(jù)實(shí)際情況采取減輕砂芯自重及利于排氣的措施。二號、三號、六號、七號砂芯需要使用芯撐用來進(jìn)行支撐，所需芯 撐的數(shù)量與型號以及布局應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況來處理。二、三號砂芯的定位 和固定可以利用與一號砂芯的嵌入式配合以及二、三號砂芯上部芯頭靠 上型壓緊來實(shí)現(xiàn)。六、七號砂芯需要利用特殊芯撐以及上部芯頭靠上型 壓緊來實(shí)現(xiàn)定位和緊固。除一號砂芯外，其它砂芯均需采用覆膜砂造芯，以提高表面光潔度 和澆注時的發(fā)氣量。由于鑄造過程中各砂芯基本上被鋁液包裹，所以受 到的浮力較大，容易使砂芯產(chǎn)生偏移與旋轉(zhuǎn)，而且由于結(jié)構(gòu)的限制，芯 頭的結(jié)構(gòu)與尺寸均受到了限制

13、，因此需要使用特殊芯撐用來緊固定位。砂芯的拐角較多，鑄件容易產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此在砂芯的相關(guān)部位還 應(yīng)涂上適宜的激冷劑。3澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1澆注系統(tǒng)的選擇原則鋁合金質(zhì)輕，熱容量小，導(dǎo)熱快，溫度降低快，極易氧化和吸氣， 而且鋁合金凝固體收縮率大，易產(chǎn)生縮孔和縮松。因此對澆注系統(tǒng)的要 求是：快速、充型平穩(wěn)、不產(chǎn)生飛濺和渦流、有強(qiáng)的擋渣能力、有利于 順序凝固。鋁合金通常采用底注式。結(jié)合鑄件形狀，內(nèi)澆道應(yīng)開設(shè)在鑄件壁厚熱節(jié)處，以便于鑄件得到補(bǔ)縮。參考鑄造手冊.第六卷表4-15，澆注系統(tǒng)采用立澆側(cè)進(jìn)的方式。3.2澆注系統(tǒng)的尺寸確定根據(jù)鑄件質(zhì)量以及冒口尺寸，得出澆注重量為530Kg。鋁合金鑄件的澆注重量與直澆

14、道截面積的關(guān)系表3-1澆注重量與直澆道截面積的關(guān)系澆注質(zhì)量/ kg500直澆道截面積/ cm30由UG知，澆注質(zhì)量為530kg，所取片狀直澆道。一般通過一個直澆 道的鋁液不超過100kg，初步選取直澆道尺寸為35mmX11m m,十片平行 布局，間隔25mm,總面積為38.5cm2。橫澆道和內(nèi)澆道的橫截面均選用梯形截面，橫澆道具體尺寸選取為 a=h=75mm,b=60mm,R=3mm。橫澆道采用左右分流式，因此有兩條，總截 面積為 101.25cm2。內(nèi)澆道的具體尺寸為 a=h=45mm, b=38mm, R=3mm,在鑄件周圍布 局八條內(nèi)澆道，內(nèi)澆道總面積為149.4cm2。這樣算的各澆道截

15、面尺寸之比為As : A : Ag=1:2.61:3.88Ag：內(nèi)澆道截面積；Aru橫澆道截面積；As直澆道截面積第11頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽該澆道截面之比在合理范圍之內(nèi)，因此可以選取圖3-2澆注系統(tǒng)圖1第12頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽由于直澆道的高度較高，因此應(yīng)在直澆道下面設(shè)置直澆道窩和集渣 包，還要在直澆道與橫澆道結(jié)合部位放置過濾網(wǎng)。為了減少充型過程中 的雜質(zhì)，在流動的最末端即直澆道對面的鑄件旁邊還應(yīng)開設(shè)集渣包。圖3-3澆注系統(tǒng)圖2由于澆注的鑄件質(zhì)量較大，為了降低鋁液的氧化程度和減少雜質(zhì)，需要在直澆道上部設(shè)置一個澆口箱。 澆口箱的底面尺寸為900mM

16、 600mm 高度為400mm澆注前應(yīng)先將直澆道口用鋁片封好，然后將鋁液倒入澆口箱，利用鋁片融化后將鋁液澆入直澆道進(jìn)行充型澆注。鋁片的厚度選擇 應(yīng)適中，同時應(yīng)注意清潔度。4冒口的尺寸計(jì)算冒口是鑄型內(nèi)用以儲存金屬液的空腔，在鑄件形成時補(bǔ)給金屬，有 防止縮孔、縮松、排氣和集渣的作用。4.1鑄件冒口補(bǔ)縮設(shè)計(jì)原理4.1.1基本條件1）冒口凝固時間大于或等于鑄件被補(bǔ)縮部分的凝固時間2）有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件的液態(tài)收縮和凝固收縮，補(bǔ)償澆注后 型腔擴(kuò)大的體積3）在凝固期間，冒口和補(bǔ)縮部位之間存在補(bǔ)縮通道，擴(kuò)張角向著 冒口4.1.2選擇冒口位置的原則1）冒口應(yīng)就近設(shè)在鑄件熱節(jié)的上方或側(cè)旁2）冒口應(yīng)盡量設(shè)在鑄件

17、最咼、最厚的部位。3）冒口不應(yīng)設(shè)在鑄件重要的、受力大的部位，以防組織粗大，降 低強(qiáng)度。4）冒口位置不要選在鑄造應(yīng)力集中處，應(yīng)注意減輕對鑄件的收縮 阻礙，以免引起裂紋。5）盡量用一個冒口同時補(bǔ)縮幾個熱節(jié)。6）冒口布置在加工面上，可節(jié)約鑄件精整工時，零件外觀好。7）不同高度上的冒口，應(yīng)用冷鐵使各個冒口的補(bǔ)縮范圍隔開。8）冒口的位置應(yīng)偏離鑄件的幾何熱節(jié)，以減小冒口與鑄件連接處 形成的接觸熱節(jié)對鑄件凝固偶的熱干擾。4.1.3補(bǔ)縮壓力冒口體內(nèi)要有足夠的補(bǔ)縮壓力頭，以克服補(bǔ)縮液態(tài)的流動阻力，同時保證鑄件在凝固過程中一直處于正壓狀態(tài)。為了充分發(fā)揮冒口的有效 補(bǔ)縮作用，獲得致密鑄件，常常需要采用補(bǔ)貼、冷鐵等工

18、藝措施，增加 有效補(bǔ)縮距離延長冒口的凝固補(bǔ)縮時間。4.2鋁合金框架冒口設(shè)計(jì)方法4.2.1冒口有效補(bǔ)縮距離的確定冒口的有效補(bǔ)縮距離為冒口作用區(qū)與末端區(qū)長度之和，它是確定冒口 數(shù)目的依據(jù)，與鑄件結(jié)構(gòu)、合金成分及凝固特性、冷卻條件、對鑄件質(zhì) 量要求的高低等多種因素有關(guān)。鑄件材料為ZL114，為共晶型鋁合金，去冒口補(bǔ)縮距離為 4.5T（T 鑄件壁厚）。該鑄件為薄壁大型件，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。為保證充型效果良好，結(jié)合工廠生產(chǎn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，冒口重量應(yīng)占整個澆注重量的50%左右。故設(shè)計(jì)鑄件的冒口數(shù)目和位置如下圖4-1所示。r冒口 5(1)旨口 6 ( 2令)圖4-1冒口數(shù)量與位置5冷鐵設(shè)計(jì)為增加鑄件局部冷卻速度，在

19、型腔內(nèi)部及工作表面安放的金屬塊稱為冷鐵。冷鐵的作用有：1）在冒口難于補(bǔ)縮的部位防止縮孔、縮松。2）防止壁厚交叉部位及急劇變化部位產(chǎn)生裂紋。3）與冒口配合使用，加強(qiáng)鑄件的順序凝固，擴(kuò)大冒口補(bǔ)縮距離或范 圍，減少冒口的數(shù)目或體積。4）用冷鐵加速個別熱節(jié)的冷卻，使整個鑄件接近于同時凝固。既可 防止或減輕鑄件變形，又可提高工藝出品率。5）改善鑄件局部的金相組織和力學(xué)性能、6）減輕或防止厚壁鑄件中的偏析。鑄件無氣隙型采用直接外冷鐵，激冷效果好。冷鐵材料采用銅鋅合 金，冷鐵位置見下圖:H 圖5-1冷鐵的布局與數(shù)量冷鐵的尺寸見下圖6砂箱設(shè)計(jì)砂箱的選擇首先應(yīng)聯(lián)系工廠實(shí)際，根據(jù)現(xiàn)場的砂箱進(jìn)行選擇匹配，如果工廠沒

20、有能滿足生產(chǎn)要求規(guī)格的砂箱，再進(jìn)行設(shè)計(jì)制作。第19頁“永冠杯”第二屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計(jì)大賽7工藝模擬7.1軟件簡介AnyCasting是一個鑄造專家系統(tǒng)，是鑄造工程師的得力助手。它借 助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，再現(xiàn)鑄造工程師的工作成果，輔助他們高效快捷 地完成工作任務(wù)，實(shí)現(xiàn)鑄造成型工藝的完美化。它能優(yōu)化鑄造企業(yè)的生 產(chǎn)過程，最大程度地減少鑄造生產(chǎn)過程中的試模次數(shù)，提高鑄造生產(chǎn)效 率和鑄件質(zhì)量，降低鑄造生產(chǎn)成本。AnyCasting是一個便于使用的系統(tǒng)。 它的模塊化設(shè)計(jì)是面向鑄造成型過程的，即使是沒有專業(yè)的鑄造知識和 數(shù)值模擬技術(shù)，也能方便的使用它。AnyCasting的主要特色：基于 MSWin

21、dows平臺的新一代軟件系統(tǒng) : 界面友好，圖形顯示使用了真正基于 Ope nGL的三維圖形技術(shù)；使用方 便，流程化的智能向?qū)В痪W(wǎng)格劃分采用變網(wǎng)格技術(shù)，劃分速度極快，在 幾秒種之內(nèi)可生成、刪除上千萬的網(wǎng)格；參數(shù)設(shè)置方便，完全面向鑄造工藝過程，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)自動設(shè)置 ；求解器模型先進(jìn)，計(jì)算速度極快， 可讓您在一個工作日內(nèi)做出決定 ；真正的關(guān)系性數(shù)據(jù)庫，內(nèi)含上百種材 料，也可自建用戶數(shù)據(jù)庫，原廠商支持；后處理功能強(qiáng)大，多模型分析, 綜合評價鑄件質(zhì)量，圖片、動畫自動輸出。7.2工藝模擬將澆注所需三維實(shí)體導(dǎo)出為 STL模型，分別有鑄件，冒口，直澆道, 橫澆道，內(nèi)澆道，冷鐵。然后進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，澆注溫度為 700C，澆注速度定為0.3m/s 澆注時間初步算出為38s，然后運(yùn)行求解，得出的充型時間和凝固時間及 分布，如圖所示I/38,017434. 217930.415426. 618922. 819419. 019915. 22m11.42097. 62143 819Filling Tie電38 0174圖7-1充型時間模擬結(jié)果顯示充型時間在38s多一點(diǎn)，而且沒有澆不足的情況，而且 金屬液能順利地進(jìn)入各個內(nèi)澆道，充滿型腔，最后才對冒口充型，因此， 符合生產(chǎn)實(shí)際，滿足生產(chǎn)要求。ZSolidification Time638. B13