零件結構的鑄造工藝

1、第一章簡介1.1 中國古代鑄造技術發(fā)展中華文明大致經(jīng)歷了石器時代、 銅器時代和鐵器時代三個歷史階段， 這三種材質的工具和技術的創(chuàng)造發(fā)明， 隨著人類的繁衍， 不斷推動人類文明向高級階段發(fā)展，金屬的應用使人類文明產生了根本性的飛躍， 而鑄造技術的運用和金屬的發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。 對古代很多務農的人來說， 鑄造技術是一門手藝。 據(jù)歷史考證，我國鑄造技術開始于夏朝初期，迄今已有 5000 多年。到了晚商和西周初期，青銅的鑄造技術得到了蓬勃發(fā)展， 形成了燦爛的青銅文化， 遺留到今天的有一批鑄造工藝水平較高的鑄造產品。中國古代的鑄造方法有： 石型即用石頭或石膏制作鑄型； 泥型古稱 “陶范”；金屬型古稱“鐵

2、范” ；失蠟型有出蠟法、走蠟法、脫蠟法或刻蠟法；砂型這種方法是伴隨泥型一起產生的。中國古代鑄造中的精品有：滄州鐵獅，司母戊方鼎，四羊方尊，曾侯乙尊盤，永樂大銅鐘，大型銅編鐘，銅車馬儀仗隊等。1.2 中國鑄造技術發(fā)展現(xiàn)狀盡管近年來我國鑄造行業(yè)取得迅速的發(fā)展 , 但仍然存在許多問題。 第一 , 專業(yè)化程度不高 , 生產規(guī)模小 。我國每年每廠的平均生產量是 815t, 遠遠低于美國的 4606t 和日本的 4878t 。第二 , 技術含量及附加值低。 我國高精度、 高性能鑄件比例比日本低約 20 個百分點。第三 , 產學研結合不夠緊密、 鑄造技術基礎薄弱。 第四 , 管理水平不高 , 有些企業(yè)盡管引

3、進了國外的先進的設備和技術 , 但卻無法生產出高質量鑄件 , 究其原因就是管理水平較低。第五 , 材料損耗及能耗高污染嚴重。中國鑄鐵件能耗比美國、日本高 70% 120%。第六 , 研發(fā)投入低、企業(yè)技術自主創(chuàng)新體系尚未形成。1.3 發(fā)達國家鑄造技術發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)達國家總體上鑄造技術先進、產品質量好、生產效率高、環(huán)境污染少、原輔材料已形成商品化系列化供應， 如在歐洲已建立跨國服務系統(tǒng)。 生產普遍實現(xiàn)機械化、自動化、智能化（計算機控制、機器人操作） 。在大批量中小鑄件的生產中， 大多采用微機控制的高密度靜壓、射壓或氣沖造型機械化、自動化高效流水線濕型砂造型工藝。 砂處理采用高效連續(xù)混砂機、人工智能型砂

4、在線控制專家系統(tǒng) , 制芯工藝普遍采用樹脂砂熱、 溫芯盒法和冷芯盒法。熔模鑄造普遍用硅溶膠和硅酸乙酯做粘結劑的制殼工藝。 鑄造生產全過程主動、從嚴執(zhí)行技術標準，鑄件廢品率僅 2%-5%；標準更新快（標齡 4-5 年）；普遍進行 ISO9000、ISO14000 等認證。重視開發(fā)使用互聯(lián)網(wǎng)技術， 紛紛建立自己的主頁、 站點。鑄造業(yè)的電子商務、遠程設計與制造、虛擬鑄造工廠等飛速發(fā)展。1.4 我國鑄造未來發(fā)展趨勢自中國加入 WTO以來 , 我國鑄造行業(yè)面臨機遇與挑戰(zhàn)。其未來發(fā)展將集中在以下幾方面。第一 , 鼓勵企業(yè)重組發(fā)展專業(yè)化生產 , 包括鑄件大型化和輕量化生產。第二 , 加大科技投入切實推動自主

5、創(chuàng)新 , 實現(xiàn)鑄件的精確化生產和數(shù)字化鑄造。第三 , 培養(yǎng)專業(yè)人才加強職工技術培訓。第四 , 大力降低能耗抓好環(huán)境保護 , 實現(xiàn)清潔化鑄造。15 ZL102材料名稱： ZAlSi5Cu1Mg合金代號： ZL105標準： GB/T 1173-1995特性及適用范圍：不可熱處理強化， 該合金的鑄造性能優(yōu)良 , 無熱裂及疏松傾向， 氣密性較高。其密度小，耐蝕性好，可在受大氣 . 海水腐蝕的環(huán)境中使用，可承受工業(yè)氣氛的環(huán)境中濃硝酸 . 過氧化氫等的腐蝕作用； 焊接性能也好。 但該合金的力學性能低，耐熱性和切削加工性差?；瘜W成份：硅 Si ：10.0-13.0鋁 Al ：余量鐵( 砂型鑄造 ) ：0.0

6、00 0.700鐵( 金屬型鑄造 ) ：0.000 1.000銅 Cu： 0.30( 雜質 )錳 Mn： 0.5( 雜質 )鎂 Mg：00.10 （雜質）鋅 Zn： 0.1( 雜質 )鈦 Ti ： 0.20( 雜質 )注：雜質總和 :( 砂型鑄造 ) 2.0;( 金屬型鑄造 ) 2.2力學性能：抗拉強度 b (MPa) ： 145伸長率 5 ( ) ：4硬度 (HB)： 50(5/250/30)鑄造方法：砂型鑄造加變質處理、金屬型鑄造加變質處理、熔模鑄造(F態(tài)第二章鑄造工藝方案的確定21 封閉開關外體的生產條件、結構及技術要求產品生產性質大批量生產零件材質 ZL102零件的外型示意圖如圖2.1

7、 所示，封閉開關外體的零件圖如圖2.2 所示，封閉開關外體的外形輪廓尺寸為260mm*104mm*85.5mm，主要壁厚 4mm，最大壁厚8mm，為一中小型鑄件；鑄件除滿足幾何尺寸精度及材質方面的要求外，無其他特殊技術要求。3根據(jù) ProE 實體圖的測量得鑄件的體積V= 311795mmZL102 密度由鑄造實用手冊查表1.1-90 得： q=2.7 g/cm 3鑄件質量為 m=0.84kg圖 2.1支座外型示意圖圖 2.2支座零件圖22 封閉開關外體結構的鑄造工藝性零件結構的鑄造工藝性是指零件的結構應符合鑄造生產的要求，易于保證鑄件品質，簡化鑄件工藝過程和降低成本。審查、分析應考慮如下幾個方

8、面：鑄件應有合適的壁厚，為了避免澆不到、冷隔等缺陷，鑄件不應太薄。鑄件結構不應造成嚴重的收縮阻礙，注意薄壁過渡和圓角，鑄件薄厚壁的相接拐彎等厚度的壁與壁的各種交接， 都應采取逐漸過渡和轉變的形式， 并應使用較大的圓角相連接，避免因應力集中導致裂紋缺陷。鑄件內壁應薄于外壁 鑄件的內壁和肋等，散熱條件較差，應薄于外壁，以使內、外壁能均勻地冷卻，減輕內應力和防止裂紋。壁厚力求均勻，減少肥厚部分，防止形成熱節(jié)。利于補縮和實現(xiàn)順序凝固。防止鑄件翹曲變形。避免澆注位置上有水平的大平面結構。對于支座的鑄造工藝性審查、分析如下：封閉開關外體的輪廓尺寸為 260mm*104mm*85.5mm。砂型鑄造條件下該輪

9、廓尺寸允許的最小壁厚查鑄造工藝學表 3-2-1 得：最小允許壁厚為 4mm。而設計支座的最小壁厚為 4mm。符合要求。封閉開關外體設計壁厚較為均勻， 兩壁相連初采用了加強肋， 可以有效構成熱節(jié)，不易產生熱裂。2.3 造芯方法的選擇封閉開關外體的輪廓尺寸為 260mm*104mm*85.5mm，鑄件尺寸較小， 屬于中小型零件且要大批量生產。 采用濕型粘土砂造型靈活性大， 生產率高，生產周期短，便于組織流水生產，易于實現(xiàn)機械化和自動化，材料成本低，節(jié)省烘干設備、燃料、電力等，還可延長砂箱使用壽命。因此，采用濕型粘土砂機器造型，模樣采用金屬模是合理的。在造芯用料及方法選擇中，如用粘土砂制作砂芯原料成

10、本較低，但是烘干后容易產生裂紋，容易變形。在大批量生產的條件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度， 此工藝所需的砂芯采用熱芯盒法生產砂芯， 以增加其強度及保證鑄件質量。 選擇使用射芯工藝生產砂芯。 采用熱芯盒制芯工藝熱芯盒法制芯，是用液態(tài)固性樹脂粘結劑和催化劑制成的一種芯砂， 填入加熱到一定的芯盒內， 貼近芯盒表面的砂芯受熱，其粘結劑在很短的時間內硬化。而且只要砂芯表層有數(shù)毫米的硬殼即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余熱可自行硬化。2. 4 澆注位置的確定鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在型內所處的狀態(tài)和位置。確定澆注位置是鑄造工藝設計中重要的環(huán)節(jié)， 關系到鑄件的內在質量， 鑄件的

11、尺寸精度及造型工藝過程的難易程度。初步對封閉開關外體對澆注位置的確定有：方案一如圖、方案二圖 2.4圖 2.3澆注位置確定方案一圖 2.4澆注位置確定方案二確定澆注位置應注意以下原則：1. 鑄件的重要部分應盡量置于下部2. 重要加工面應朝下或直立狀態(tài)3. 使鑄件的大平面朝下，避免夾砂結疤內缺陷4. 應保證鑄件能充滿5. 應有利于鑄件的補縮6. 避免用吊砂，吊芯或懸臂式砂芯，便于下芯，合箱及檢驗對于方案一如圖 2.3 進行綜合分析如下：1. 鑄件的重要加工面朝上放置容易產生氣孔、非金屬夾雜物等缺陷。2. 鑄件的重要部分也沒能全部置于下部。對于方案二如圖2.4 進行綜合分析如下：鑄件的重要部分全部

12、置于下部， 這樣置于下部的重要部分可以得到上部金屬的靜壓力作用下凝固并得到補縮，組織致密。綜合比較，方案二更加科學可行。2. 5 分型面的確定分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。分型面的優(yōu)劣在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、成本和生產率。選擇分型面時應注意一下原則：1. 應使鑄件全部或大部分置于同一半型內2. 應盡量減少分型面的數(shù)目3. 分型面應盡量選用平面4. 便于下芯、合箱和檢測5. 不使砂箱過高6. 受力件的分型面的選擇不應削弱鑄件結構強度7. 注意減輕鑄件清理和機械加工量初步對封閉開關外體進行分型方案如圖 2.5:圖 2.5分型面確定方案2. 6 砂箱中鑄件數(shù)量及排列方式確定封閉開關外體輪

13、廓尺寸為260mm*104mm*85.5mm，質量約為 0.84kg ，此鑄件為中小型簡單件且需要大批量生產，初步采用一箱6 件生產。第三章鑄造工藝參數(shù)及砂芯設計3. 1 工藝設計參數(shù)確定鑄造工藝設計參數(shù)通常是指鑄型工藝設計時需要確定的某些數(shù)據(jù)， 這些工藝數(shù)據(jù)一般都與模樣及芯盒尺寸有關， 及與鑄件的精度有密切關系， 同時也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過程有關。 這些工藝數(shù)據(jù)主要是指加工余量、 起模斜度、鑄造收縮率、最小鑄出孔、型芯頭尺寸、鑄造圓角等。工藝參數(shù)選取的準確、合適，才能保證鑄件尺寸精確，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生產率，降低成本。鑄件尺寸公差鑄件尺寸公差是指鑄件公稱尺寸的兩

14、個允許的極限尺寸之差。在兩個允許極限尺寸之內，鑄件可滿足機械加工，裝配，和使用要求。封閉開關外體為砂型鑄造機器造型大批量生產，由鑄造工藝設計查表1-10 得：封閉開關外體的尺寸公差取CT10級。封閉開關外體的輪廓尺寸為260mm*104mm*85.5mm，由鑄造工藝設計查表 1-9 得：封閉開關外體尺寸公差數(shù)值為4.4mm。機械加工余量機械加工余量是鑄件為了保證其加工面尺寸和零件精度，應有加工余量， 即在鑄件工藝設計時預先增加的，而后在機械加工時又被切去的金屬層厚度。封閉開關外體為砂型鑄造機器造型大批量生產，由鑄造工藝設計查表1-13 得：封閉開關外體的加工余量為G級。封閉開關外體的輪廓尺寸為

15、260mm*104mm*85.5mm，由鑄造工藝設計查表 1-12 得：封閉開關外體的加工余量為 3.5mm但在分型面及澆注系統(tǒng)設置中， 不得已將重要加工面底面朝上放置， 這樣使其容易產生氣孔、 非金屬夾雜物等缺陷， 所以將采取適當加大加工余量的方法使其在加工后不出現(xiàn)缺陷。將底面的加工余量調整為 4.5mm。鑄造收縮率鑄造收縮率又稱鑄件線收縮率， 用模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分比表示： = （ L1-L2 ）/L1*100 鑄造收縮率L1模樣長度L2鑄件長度封閉開關外體受阻收縮率由鑄造工藝設計查表1-14 得：受阻收縮率為 0.8 1.0 自由收縮率為 1.0 1.2 起模斜度為了方便

16、起模， 在模樣、芯盒的出模方向留有一定斜度， 以免損壞砂型或砂芯。這個斜度，稱為起模斜度。起模斜度應在鑄件上沒有結構斜度的，垂直于分型面的表面上應用。初步設計的起模斜度如下：選用同一起模斜度為 =5°起模斜度的形式選用增加和減少鑄件尺寸的方法。最小鑄出孔和槽零件上的孔、槽、臺階等，究竟是鑄出來好還是靠機械加工出來好，這應該從品質及經(jīng)濟角度等方面考慮。一般來說，較大的孔、槽等應該鑄出來，以便節(jié)約金屬和加工工時，同時還可以避免鑄件局部過厚所造成熱節(jié)，提高鑄件質量。較小的孔、槽或則鑄件壁很厚則不易鑄出孔，直接依靠加工反而方便。根據(jù)封閉開關外體的輪廓尺寸260mm*104mm*85.5mm由

17、鑄造工藝設計查表 1-5 得：最小鑄出孔約為15mm。封閉開關外體的孔 14、 7、 10、 5.3 、1.5 顯然不應該鑄出，機械加工較為經(jīng)濟方便。鑄件重量公差鑄件重量公差是以占鑄件公稱重量的百分比表示的鑄件重量變動的允許范圍。封閉開關外體的公稱重量約為由鑄造工藝設計查表 1-57 封閉開關外體的重量公差數(shù)值為0.84kg ，尺寸公差為 CT10 級。得：封閉開關外體的重量公差為12%。MT7級。工藝補正量在單件小批量生產中， 由于選用的縮尺與鑄件的實際收縮率不符， 或由于鑄件產生了變形等原因， 使得加工后的鑄件某些部分的壁厚小于圖樣要求尺寸， 嚴重時會因強度太弱而報廢。 因此工藝需要在鑄件

18、相應的非加工壁厚上增加層厚度稱為工藝補正量。但支座封閉開關外體在大批量生產前的小批量試產過程中將進行調整，所以設計中不考慮工藝補正量。分型負數(shù)干砂型、表面烘干型以及尺寸較大的濕砂型， 分型面由于烘烤， 修整等原因一般都不很平整， 上下型接觸面很不嚴。 為了防止?jié)沧r炮火， 合箱前需要在分型面之間墊以石棉繩、 泥條等，這樣在分型面處明顯增加了鑄件的尺寸。 為了保證鑄件尺寸精確，在擬定工藝時為抵掉鑄件增加的尺寸而在模樣上減去相應的尺寸稱為分型負數(shù)。而封閉開關外體是濕型且是小型鑄件故不予考慮分型負數(shù)。反變形量鑄造較大的平板類、 床身類等鑄件時， 由于冷卻速度的不均勻性， 鑄件冷卻后常出現(xiàn)變形。 為了

19、解決撓曲變形問題， 在制造模樣時， 按鑄件可能產生變形的相反方向做出反變形模樣， 使其于變形量抵消， 這樣在模樣上做出的預變形量稱為反變形量。而封閉開關外體沒有較大平板故基本不會產生撓曲變形， 所以不用設置反變形量。非加工壁厚負余量在手工粘土砂造型、制芯過程中，為了取出木模，要進行敲模，木模受潮時將發(fā)生膨脹， 這些情況均會使型腔尺寸擴大，從而造成非加工壁厚的增加，使鑄件尺寸和重量超過公差要求。 為了保證鑄件尺寸的準確性， 凡形成非加工壁厚的木?；蛐竞袃鹊睦甙搴穸瘸叽鐟摐p少，即小于圖樣尺寸。 為減少的厚度尺寸稱為非加工壁厚的負余量。封閉開關外體砂芯屬于機器造芯，造型屬于機器造型。故不用設置非加

20、工壁厚負余量。3. 2 砂芯設計砂芯的功用是形成鑄件的內腔、 孔和鑄件外型不能出砂的部分。 砂型局部要求特殊性能的部分有時也用砂芯。支座砂芯的外型如圖3.1 所示。圖 3.1砂芯外型示意圖芯頭的設計砂芯主要靠芯頭固定在砂型上。對于垂直芯頭為了保證其軸線垂直、牢固地固定在砂型上，必須有足夠的芯頭尺寸。根據(jù)實際設計量取計算砂芯高度： L=260mm砂芯直徑： D=65mm形狀：圓柱形出于考慮分型面的選取等因素綜合芯頭選用垂直芯頭。芯頭長度初步選取由鑄造工藝設計查表1-31 得：下芯頭 h=3545mm 取 h=40mm上芯頭高度 h1=25。芯頭間隙初步選取由鑄造工藝設計查表1-31 得：s=0.

21、5mm芯頭斜度選取由鑄造工藝設計查表1-32 得：上芯頭 =7下芯頭 =3.5砂芯的定位結構砂芯要求定位準確， 不允許沿芯頭軸向移動或繞芯頭軸線轉動。對于形狀不對稱的砂芯，為了定位準確，需要做出定位芯頭。定位芯頭結構如圖3.2圖 3.2定位芯頭結構圖壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽芯頭結構在濕型大批量生產中， 為了加速下芯、 合芯及保證鑄件質量， 在芯頭的模樣上常常做出壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽。壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽尺寸由鑄造工藝設計查表1-38 得：e=1.5mmf=3mmr=1.5mm芯骨設計為了保證砂芯在制芯、搬運、配芯和澆注過程中不開裂、不變形、不被金屬液沖擊折斷，生產中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其剛度和強度。因為砂芯尺寸較小，而且采用樹脂砂，故砂芯強度較好，砂芯內不用放置芯骨。砂芯的排氣砂芯在澆注過程中， 其粘結劑及砂芯中的有機物要燃燒（氧化反應） 放出氣體，砂芯中的殘余水分受熱蒸發(fā)放出氣體，如果這些氣體排不出型外， 則要引起鑄件產生氣孔。封閉開關外體的砂芯由于直徑較大，因此需用排氣裝置， 由鑄造工藝設計表 1-44 得用扎排氣孔，既能提高效率，又能使排氣裝置準確，深度適宜。砂芯負數(shù)大型粘土砂芯在