鋁合金框架鑄造工藝說明書 - 圖文-

1、“永冠杯”第二屆中國大學生鑄造工藝設(shè)計大賽參賽作品鑄件名稱:F件-鋁合金框架自編代碼:BF0201JS方案編號:目錄1.生產(chǎn)條件及技術(shù)要求.- 3 -1.1.生產(chǎn)性質(zhì).- 3 -1.2.材質(zhì) .- 3 -1.3.結(jié)構(gòu)及使用條件 .- 3 -1.4.主要技術(shù)要求.- 3 -2.鑄造工藝方案的確定.- 3 -2.1.零件結(jié)構(gòu)及技術(shù)條件的審查.- 3 -2.2.從避免缺陷方面審查鑄件結(jié)構(gòu) .- 4 -2.3.從簡化鑄造工藝方面改進零件結(jié)構(gòu).- 4 -2.4.造型、造芯方法和澆注位置的確定.- 4 -2.4.1.澆注位置及內(nèi)澆口位置的選擇.- 5 -2.5.分型面的選擇.- 6 -2.6.砂芯設(shè)計.-

2、 6 -2.6.1.確定砂芯形狀及分盒面選擇的基本原則 .- 7 -2.6.2.芯頭設(shè)計 .- 7 -2.7.鑄造工藝設(shè)計參數(shù) .- 8 -2.8.澆注系統(tǒng)的設(shè)計 .- 10 -2.8.1.澆注時間的計算.- 10 -2.8.2.阻流截面面積的計算.- 11 -2.8.3.澆注系統(tǒng)各單元截面的確定.- 11 -2.8.4.直澆道設(shè)計 .- 12 -2.8.5.橫澆道設(shè)計 .- 12 -2.8.6.內(nèi)澆道設(shè)計 .- 12 -2.8.7.過濾器的設(shè)計.- 12 -2.9.冒口的設(shè)計.- 13 -2.10.出氣孔的設(shè)置.- 13 -2.11.冷鐵的設(shè)置 .- 14 -2.12.鑄造工藝全圖.- 14

3、 -3.鑄造工藝模擬及優(yōu)化.- 15 -3.1.凝固過程的數(shù)值模擬簡介.- 15 -3.2.前處理.- 15 -3.3.初始條件及邊界的確定.- 15 -3.4.充型過程分析.- 15 -3.5.鑄件的縮松縮孔模擬.- 16 -3.6.凝固過程模擬.- 17 -3.7.各內(nèi)澆口充填量模擬.- 18 -3.8.鑄造工藝特性分析 .- 18 -4.鑄造工裝設(shè)計.- 18 -4.1.模樣及模板.- 18 -4.1.1.模樣材料的選擇.- 18 -4.1.2.金屬模樣尺寸的確定.- 19 -4.1.3.金屬模樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計.- 19 -4.1.4.模板的設(shè)計 .- 20 -4.1.5.模板與砂箱的定位.

4、- 20 -4.1.6.模板的搬運結(jié)構(gòu).- 21 -4.2.砂箱的設(shè)計和選用 .- 21 -4.3.芯盒的設(shè)計.- 22 -4.3.1.芯盒的選材 .- 22 -4.3.2.分盒面的確定.- 22 -4.3.1.芯盒型腔尺寸的確定.- 22 -4.3.2.芯盒主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計.- 22 -4.3.3.芯盒外圍結(jié)構(gòu)設(shè)計.- 23 -4.4.澆口杯的設(shè)計.- 24 -參考文獻 .- 25 -1.生產(chǎn)條件及技術(shù)要求1.1.生產(chǎn)性質(zhì)小批量單件生產(chǎn),選用手工砂型鑄造。1.2.材質(zhì)材料選用ZL114A-T5,該種材料具有很高的力學性能和很好的鑄造性能,即很高的強度、好的韌性和很好的流動性、氣密性和抗熱裂性,

5、能鑄造復雜形狀的高強度鑄件,適用于各種鑄造方法(1。其成分見表1,經(jīng)過T5處理后的機械性能見表2表1化學成分主要元素(%雜質(zhì)含量(不大于% 鑄造方法熱處理狀態(tài)抗拉強度(bMPa斷后伸長率5(%硬度HBS砂型鑄造T5 290 2 851.3.結(jié)構(gòu)及使用條件該鋁合金框體用于某機床上,輪廓尺寸為:1300X800X360,平均辟厚為10-12mm,其中有四個軸安裝處較為厚大,工作時承受較大的載荷。鑄件結(jié)構(gòu)復雜,壁厚不均,砂芯多而復雜。1.4.主要技術(shù)要求鑄件不允許有縮孔、縮松等鑄造缺陷;不得有披縫、毛刺,鑄件表面光潔;不得有粘砂。 2.鑄造工藝方案的確定2.1.零件結(jié)構(gòu)及技術(shù)條件的審查零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)符

6、合鑄造生產(chǎn)的要求,易于保證鑄件品質(zhì),簡化鑄造工藝過程和降低成本。一般應(yīng)該經(jīng)過以下設(shè)計步驟:1.功用設(shè)計;2.依鑄造經(jīng)驗修改和簡化設(shè)計;3.冶金設(shè)計(鑄件材質(zhì)的選擇和適用性;圖1 增加鑄造工藝孔4. 考慮經(jīng)濟性。對該產(chǎn)品圖進行審查、分析時發(fā)現(xiàn)該零件滿足的其所需功用,而忽視了鑄造工藝要求。在審查過程中發(fā)現(xiàn)該鑄件有4個內(nèi)腔是完全中空的,在鑄造過程中無法設(shè)計芯頭。原設(shè)計增加了鑄造工藝孔,尺寸與鑄件內(nèi)的加強筋的孔一致。如圖1所示。2.2. 從避免缺陷方面審查鑄件結(jié)構(gòu)1. 鑄件壁厚為了避免澆不足、冷隔等缺陷,鑄件不能太薄,根據(jù)該鑄件的尺寸、材料及選擇的鑄造方法,其最小壁厚應(yīng)該不小于8 mm ,該鑄件設(shè)計的

7、最小壁厚為10 mm ,滿足了鑄造要求。 2. 鑄件的內(nèi)壁應(yīng)薄于外壁鑄件的內(nèi)壁和肋等,散熱條件較差,應(yīng)薄于外壁,以使內(nèi)、外壁均勻地冷缺,這樣可以減輕內(nèi)應(yīng)力和防止裂紋。將圖2局部截面圖所示的加強肋為 10mm ,外壁為12mm ,滿足設(shè)計要求。3. 避免鑄件尖角鑄件有凹尖角時易產(chǎn)生應(yīng)力集中而導致開裂。鑄件未注圓角為R10,能做大的部位將圓角做大,鑄件上不允許有凹尖角存在。 2.3. 從簡化鑄造工藝方面改進零件結(jié)構(gòu)1. 有利于砂芯的固定和排氣圖3所示的1#砂芯只有單頭出芯頭,需在鑄件上增加工藝孔,這樣不僅增加了砂芯的芯頭的支撐點,也利于砂芯的排氣。2. 減少清理鑄件的工作量鑄件的清理包括:清除表面

8、粘砂、內(nèi)部殘留砂芯、 去除澆注系統(tǒng)、冒口和飛翅等操作。這些操作勞動量大且環(huán)境惡劣。鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該盡量減輕清理的工作量,如圖4所示,增加工藝平臺,減少冒口清理困難。 2.4. 造型、造芯方法和澆注位置的確定造型、造芯方法的選擇1. 優(yōu)先采用濕型圖3 1# 砂芯結(jié)構(gòu)圖圖4 增加工藝平臺圖2 局部截面圖在考慮應(yīng)用濕型時應(yīng)注意以下情況。1鑄件過高,金屬靜壓力超過濕型的抗壓強度時,應(yīng)考慮使用干砂型或自硬砂型等。2澆注位置上鑄件有較大的平壁時,用濕型砂容易引起夾砂缺陷,應(yīng)考慮使用其他砂型。3造型過程長或需要長時間等待澆注的砂型不宜用濕型。4型內(nèi)放置冷鐵較多時,應(yīng)避免使用濕型。2.造型、造芯方法就和生產(chǎn)

9、批量相適應(yīng)。3.要兼顧鑄件的精度要求和成本。4.造型方法應(yīng)適合工廠條件。綜合以上情況,該鑄件表面質(zhì)量要求高,且結(jié)構(gòu)多處有較大平壁;為單件小批量生產(chǎn),考慮選用濕型。制芯方法選用手工制芯。2.4.1.澆注位置及內(nèi)澆口位置的選擇鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在鑄型中的位置。澆注位置一般于選擇造型方法之后確定。先確定出鑄件中品質(zhì)要求高的部位(如重要的加工面、受力較大的部位、承受壓力的部位等。結(jié)合生產(chǎn)條件估計主要的廢品傾向和容易發(fā)生缺陷的部位,如厚大部位容易出現(xiàn)收縮缺陷。大平面上易產(chǎn)生夾渣結(jié)疤。薄壁部位容易發(fā)生澆不到、冷隔。薄厚相差懸殊的部位應(yīng)力集中,易發(fā)生裂紋等。這樣在確定澆注位置時,就應(yīng)使重要部位處于

10、有利的狀態(tài),并針對容易出現(xiàn)的缺陷,采取相應(yīng)的工藝措施予以防止(2。確定澆注位置時,很大程度上取決于控制鑄件的凝固,實現(xiàn)順序凝固的鑄件,可消除縮孔、縮松,保證獲得致密的鑄件。在這種條件下,澆注位置的確定應(yīng)有利于安放冒口;實現(xiàn)順序凝固的鑄件,內(nèi)應(yīng)力小、變形小,金相組織比較一致。確定澆注位置應(yīng)考慮以下原則:1.鑄件的重要部位、重要加工面應(yīng)該朝下或呈直立狀態(tài);鑄件下部金屬在上部金屬的靜壓力作用下凝固并得到補縮,組織致密。2.使鑄件的大平面朝下,既可以避免氣孔和夾渣,又可以防止在大平面上形成砂眼缺陷。3.應(yīng)該保證鑄件能充滿,澆注薄壁件時要求金屬液到達薄壁處所經(jīng)過的路程或所需的時間越短越好。4.應(yīng)該有利于

11、鑄件的補縮,厚大部分盡可能安放在上部位置。5.避免用吊砂、吊芯或懸臂式砂芯,便于下芯、合箱及檢驗。應(yīng)使合箱位置、澆注位置和鑄件的冷卻位置相一致。圖5 內(nèi)澆口進料位置圖綜合以上設(shè)計原則,將鑄件的內(nèi)澆口位置選擇在鑄件的中間框的內(nèi)下側(cè)中間,選用兩個直澆道;進料口放置在產(chǎn)品的主軸孔側(cè)邊緣底部,共設(shè)置6處進料。具體內(nèi)澆口位置如圖5所示(為方便觀看,將澆注狀態(tài)的下面朝上了。2.5. 分型面的選擇分型面是指兩個半鑄型相互接觸的表面。選擇分型面時,應(yīng)做到“四少兩便”,即:少用芯、少用活塊、少用三箱、少用分型面、便于清理、便于合箱。分型面選擇的基本原則如下:1. 鑄件全部或大部分置于同一半型內(nèi)。 為了保證鑄件精

12、度,如果做不到上述要求,也應(yīng)盡可能把鑄件的加工面和加工基準面放在同一個半型內(nèi)。分型面主要是為了取出模樣而設(shè)置的,但對鑄件精度會造成損害。一方面會使鑄件產(chǎn)生錯邊,另一方面由于合箱不嚴,在垂直分型面方面總會保持一定“厚度”,在最小的情況下約為0.38mm 。2. 盡量減少分型面的數(shù)目。分型面少,鑄件的精度容易保證,且砂箱數(shù)目少。3. 分型面盡量選用平面。平直分型面可簡化造型過程和底板制造,易于保證鑄件精度。4. 便于下芯、合箱和檢查型腔尺寸。在手工造型中,模樣及芯盒尺寸精度不高。在下芯、合箱時,造型工需要檢查型腔尺寸,再調(diào)整砂芯位置,才能保證壁厚均勻。為此盡量把主要砂芯放在下半型中。5. 不使砂箱

13、過高。分型面通常選在鑄件最大截面上,以使砂箱不致過高。高砂箱,造型困難,填砂、緊實、起模、下芯都不方便。6.受力件的分型面的選擇不應(yīng)削弱鑄件的結(jié)構(gòu)強度。 7. 注意減輕鑄件清理和機械加工量。結(jié)合以上原則,該件采用兩箱造型,主分型面選擇在中間四主軸通孔的大平面上。2.6. 砂芯設(shè)計砂芯的功用是形成鑄件的內(nèi)腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位。砂芯應(yīng)該滿足以下要求:砂芯的形狀、尺寸及在砂型中的位置應(yīng)符合鑄件要求具有足夠的強度和剛度,在鑄件形成過程中砂芯所產(chǎn)生的氣體能及時排出型外,鑄件收縮時阻力小和容易清砂。2.6.1. 確定砂芯形狀及分盒面選擇的基本原則總的原則是:使砂芯到下芯的整個過程方便,鑄件內(nèi)腔尺

14、寸精確,不致造成氣孔等缺陷,使芯合結(jié)構(gòu)簡單。1.保證鑄件內(nèi)腔尺寸精度。 2.保證操作方便。 3. 保證然件壁厚均勻。 4.應(yīng)盡量減少砂芯數(shù)目。 5.填砂面應(yīng)寬敞,烘干支撐面是平面。 6. 分型面選擇應(yīng)優(yōu)先保證鑄件質(zhì)量、并方便造型下芯。7. 砂芯形狀適應(yīng)造型、制芯方法。結(jié)合以上原則,該鑄件要設(shè)計15個砂芯,其中1#芯、2#芯、3#芯、4#芯及5#芯每個鑄件上要各用兩個砂芯。砂芯結(jié)構(gòu)如圖6所示。2.6.2. 芯頭設(shè)計 對芯頭的要求是:固定砂芯,使砂芯在鑄型中有準確的位置。并能承受砂芯重力及澆注時液體金屬對砂芯的浮力,使之不致破壞;芯頭就能及時排出澆注后砂芯所產(chǎn)生的氣體;上下芯頭容易識別,不致下錯方

15、向或芯號;下芯、合型方便,芯頭應(yīng)有適當斜度和間隙。1. 芯頭組成主要包括芯頭長度、斜度、間隙、壓環(huán)、防壓環(huán)和積砂槽等。(1 芯頭長度 芯頭長度的確定要根據(jù)砂芯的大小來確定,芯頭不能過高。對于直徑小于160mm和長度小于1m 的砂芯芯頭長度取20100mm 之間。(2 芯頭斜度 對垂直芯頭,上、下芯頭都應(yīng)設(shè)有斜度,為了方便合箱,上芯頭和上芯頭座的斜度要大一些。對水平芯頭,如果造芯時芯頭不留斜度就以能順利從芯盒中取出,那么芯頭可以不留斜度。芯座-模樣的芯頭總是留有斜度的,上箱斜度要比下箱斜度大。下型的單邊斜度取3°(3 芯頭間隙 為了方便下芯,通常在芯頭和芯座之間留有間隙。間隙的大小取決

16、于鑄型種類、砂芯大小、精度和芯座本身的精度 。對于本產(chǎn)品的芯頭間隙,定位的橫向及縱向取單邊0.4 mm ,高度方向上取單邊0.2 mm 。非定位的與上箱接觸處的芯頭間隙單邊0.5 mm ,高度方向上取單邊1 mm ,端面非定位方向上取單邊2 mm 。圖6 砂芯結(jié)構(gòu)圖(4壓環(huán)又稱壓緊環(huán),在上模樣芯頭上車削一道半圓凹溝(r=25mm,造型后在上芯座上凸起一環(huán)型砂,合箱后它能把砂芯壓緊,避免液體金屬沿間隙鉆入芯頭,堵塞通氣道。(5防壓環(huán)在不平芯頭靠近模樣的根部,設(shè)置凸起圓環(huán)。造型后,相應(yīng)部位形成下凹的環(huán)狀縫隙,下芯及合箱時,可以防止此處砂型壓塌,起到防止掉砂缺陷。該模樣的防壓環(huán)的高度為1mm,寬度為

17、10 mm。如圖7所示。(6積砂槽在下芯座模樣的邊緣上設(shè)一道凸環(huán),造型后砂型內(nèi)形成一環(huán)凹槽,用來存放個別的散落砂粒。該產(chǎn)品在下箱芯頭底部邊緣設(shè)置一圖7 防壓環(huán)結(jié)構(gòu)尺寸圖周截面深為5 mm,寬為6 mm,單邊斜度為3°的積砂槽。2.芯頭承壓面積的核算芯頭的承壓面積應(yīng)足夠大,以保證在金屬液的最大浮力作用下不超過鑄型的許用壓應(yīng)力。由于砂芯的強度大于鑄型,一般只核算鑄型的許用應(yīng)力即可。綜合以上,其中為了減少芯盒的數(shù)量,將1#、2#、3#、4#的砂芯與上箱及下箱定位處設(shè)置成對稱的結(jié)構(gòu),這樣14#的砂芯就可以形成對稱的兩個型腔,5#砂芯是兩個相同的機加工軸孔,兩邊對稱處共用一個砂芯。這樣有5對都

18、是兩兩通用的結(jié)構(gòu)的砂芯。各砂芯完成芯頭設(shè)計后的砂芯造型如下頁圖8所示(其中紅色面處為填砂面。2.7.鑄造工藝設(shè)計參數(shù)鑄造工藝設(shè)計參數(shù)通常是指鑄造工藝設(shè)計時需要確定的某些數(shù)據(jù)。工藝參數(shù)選取準確、合適,才能保證鑄件尺寸(形狀準確,使造型、制芯、下芯、合箱方便,提高生產(chǎn)率,降低成本。工藝參數(shù)主要包括以下內(nèi)容:1.鑄件尺寸公差按CT11級精度制造。具體要求見:GB/T 6414-1999。2.鑄件重量公差以GB/T 1135-1989 MT11級為標準執(zhí)行。3.機械加工余量以GB/T 6414-1999 H級為標準執(zhí)行,四外側(cè)面加工量為7mm,四圓柱孔內(nèi)為5mm,其它部位為5mm。4.鑄造收縮率根據(jù)鑄

19、件材料及造型、造芯方法,將鑄造收縮率定為1.1%。5.起模斜度 b 2#砂芯結(jié)構(gòu)圖 a 1#砂芯結(jié)構(gòu)圖 c 3#砂芯結(jié)構(gòu)圖d 4#砂芯結(jié)構(gòu)圖 e 5#砂芯結(jié)構(gòu)圖 g 7#砂芯結(jié)構(gòu)圖f 6#砂芯結(jié)構(gòu)圖h 8#砂芯結(jié)構(gòu)圖i 9#砂芯結(jié)構(gòu)圖 j 10#砂芯結(jié)構(gòu)圖起模斜度應(yīng)該小于或等于產(chǎn)品圖上所規(guī)定的起模斜度值,盡量使鑄件內(nèi)、外壁的模樣和芯盒的斜度取值相同,方向一致,以使鑄件壁厚均勻。在鑄件的加工面上增加鑄件尺寸法,對鑄件不與其加工表面上,可采用增加、增加和減少或減少鑄件尺寸法。具體斜度大小按起模面高度的大小選取0.53°之間。6.最小鑄出孔一般直徑小于1015mm的孔不鑄出,該鑄件上直徑小

20、于15mm的孔不鑄出。7.分型負數(shù)根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu)及砂箱的類型,將分型負數(shù)設(shè)定為1mm。8.分芯負數(shù)根據(jù)該砂芯的制芯方法及砂芯結(jié)構(gòu),將分芯負數(shù)定為0.5mm。2.8.澆注系統(tǒng)的設(shè)計澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔的通道,通常由澆口杯、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道等單元組成。對澆注系統(tǒng)的基本要求如下:1.應(yīng)在一定的澆注時間內(nèi),保證充滿鑄型,保證鑄件輪廓清晰,防止出現(xiàn)澆不足缺陷。2.應(yīng)能控制液體金屬流入型腔的速度和方向,盡可能使金屬平穩(wěn)流入型腔,防止發(fā)生沖擊、飛濺和旋渦等不良現(xiàn)象,以免鑄件產(chǎn)生氧化夾渣、氣孔和砂眼等缺陷。3.應(yīng)能把混入金屬流入型腔的熔渣和氣體擋在澆注系統(tǒng)里。4.應(yīng)能控制鑄件凝固的溫度分布

21、。5.澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)力求簡單,簡化造型、減少清理工作量和液體金屬的消耗。澆注系統(tǒng)的計算主要包括確定澆注時間、阻流截面面積和澆注系統(tǒng)的各基元的比例等內(nèi)容。有關(guān)澆注系統(tǒng)的計算方法很多,但都是經(jīng)驗公式或選取經(jīng)驗系數(shù)按近似的公式運算的,至今還沒有精確、統(tǒng)一的理論計算方法。2.8.1.澆注時間的計算合適的澆注時間與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄型工藝條件、合金種類及選用的澆注系統(tǒng)類型等有關(guān),對于每一個鑄件在已經(jīng)確定的鑄造工藝條件下都應(yīng)該有其適宜的澆注時間。常用公式如下: =(1s式中澆注時間(s;G包括冒口在內(nèi)的鑄件總重量(kg;鑄件壁厚(mm;s1系數(shù)。該鑄件毛坯重G1為270kg,則G=KG1,其中當有冒口時,K取1.

22、52,暫取K為1.6,則G為432kg;鑄件壁厚為10mm,則s1取3.6(3,代入公式(1得=58.6(s,選60s。計算所得的澆注時間是否合適,通常以型內(nèi)金屬液面上升速度來驗證,一般鋁合金液面的上升速度在15cm/s 以下。型內(nèi)液面上升速度可按式(2-2計算:PH v =(2式中:v 型內(nèi)液面上升速度 H P 平均壓頭(cm ; 澆注時間(s 。其中H P 為43.5cm ,上面取值為60s ,代入式(2計算得v=0.725cm/s ,滿足鋁合金在型內(nèi)的上升速度。 2.8.2.阻流截面面積的計算阻流的截面面積的大小實際上反映了澆注時間的長短。在一定的壓頭下,阻流截面大,澆注時間就短,反之澆

23、注時間就長。根據(jù)流量方程和伯努利方程可推導出澆注系統(tǒng)阻流截面面積計算公式如(3-3:=F 阻 (3 式中:F 阻阻流截面積(cm 2;G 包括冒口在內(nèi)的鑄件總重量(kg ; 澆注時間(s ;系數(shù),通常取0.040.07(明冒口小,通氣性差,液流阻力大應(yīng)取下限。根據(jù)該鑄件的情況,取0.05,將上面的G 及代入式(3得F 阻為21.83 cm 2。 鑄件澆注質(zhì)量與直澆口總截面面積關(guān)系如表3所示(3:表3 鋁鑄件澆注質(zhì)量與直澆道總截面積關(guān)系澆注質(zhì)量(kg 5 510 1015 1530 305050100 100250 250500 >500 直澆口總截面面積(cm 21.53.0 3.04.

24、0 4.05.0 5.07.0 7.010 1015 15202030>30澆口直徑(mm 142020222225253030352X(2530 2X(3035 2X(3540>2X45由于該鑄件的阻流截面即為直澆口截面,故根據(jù)表(3將內(nèi)直澆口直徑選為40mm ,選擇兩個直澆道。則阻流截面面積為2512 cm 2。 2.8.3.澆注系統(tǒng)各單元截面的確定該鑄件屬于大型鋁合金鑄件,選用開放式澆注系統(tǒng),可以將直澆口、橫澆口及內(nèi)澆口的截面面積比定為1:23:24。根據(jù)該鑄件結(jié)構(gòu),初步確定為開設(shè)六個內(nèi)澆口,內(nèi)澆口厚度一般應(yīng)為鑄件相連接處的對應(yīng)的鑄件壁厚的50%80%,為使鑄型熱分布合理,開

25、在鑄件的薄壁部位的內(nèi)澆口,可從多處引入,并且寬厚比越大,鑄型熱分布越均勻(4。2.8.4.直澆道設(shè)計直澆道最小截面已經(jīng)確定為40 mm,對于直徑大于25 mm的直澆道不可只設(shè)計成圓柱型,這樣容易在澆注過程中產(chǎn)生渦流,會導致金屬液流中產(chǎn)生中空現(xiàn)向,易卷入氣體造成氧化夾渣。對于該大型鑄件,將單個直徑為40 mm的直澆口設(shè)置成三個片狀直澆道。每片寬度為12 mm,長度為40 mm,每組3片,兩組直澆道共6片。在片狀直澆道最上端,為方便澆杯澆注,將3個片狀直澆道聯(lián)成一組。具體直澆道結(jié)構(gòu)尺寸如圖9所示。2.8.5.橫澆道設(shè)計橫澆道在澆注過程中起緩沖、穩(wěn)流和擋渣的作用,并將直澆道的金屬液分配給內(nèi)澆道。單個

26、橫澆道取高25mm,寬35mm,單邊5度。整組橫澆道結(jié)構(gòu)如圖10所示。2.8.6.內(nèi)澆道設(shè)計內(nèi)澆道直接與鑄件相連,起著控制金屬液流動速度和方向的作用。內(nèi)澆道的設(shè)計考慮到連接橫澆道與鑄件,力求使金屬液流動平穩(wěn)且均衡鑄型的熱量分配,現(xiàn)確定內(nèi)澆口厚度為8mm,單個長度為90mm,共6處。其內(nèi)澆道截面形狀如圖11所示。2.8.7.過濾器的設(shè)計現(xiàn)常用的過濾器有鐵絲網(wǎng)、硅酸鋁纖維過濾網(wǎng)、網(wǎng)格型陶瓷過濾器及泡沫陶瓷過濾器?？紤]到該澆注系統(tǒng)的擋渣性差,選用泡沫陶瓷過濾器(其產(chǎn)品實物如圖12所示。泡沫陶瓷過濾器具有獨特的三維邊通曲孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)使其具高達70%90%的開口孔隙率(5。 圖12 泡沫陶瓷過濾器實物圖9

27、 直澆道結(jié)構(gòu)形狀圖11 內(nèi)澆道及內(nèi)澆口截面形狀 圖10 橫澆道結(jié)構(gòu)圖泡沫陶瓷過濾器對鋁液不但有過濾氧化夾雜的作用,還可以使得通過過濾器的金屬液的紊流流動狀態(tài)變得趨于層流流動狀態(tài);使得流經(jīng)過濾器的金屬液平穩(wěn)充型,避免了二次氧化和裹氣(6。泡沫陶瓷過濾器的安放位置有很多種,對于該產(chǎn)品可以放置在橫澆道上。其過濾器澆注系統(tǒng)截面積比一般來說,可以設(shè)置為:A 1:A 2:A 3:A 4=1:4.5:2.6:1.1 (4式中:A 1橫澆道原始截面積;A 2過濾器進入面的最大有效截面積; A 3過濾器出口處的有效截面積; A 4橫澆道出口截面積。由橫澆道截面大小高25mm ,寬35mm ,單邊8度代入式(4得

28、,A2為3600mm2,則可以選用截面大小為65X65mm ,厚度為20mm ,公稱孔尺寸為15ppi 的泡沫陶瓷過濾器。過濾器處的橫澆道結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖13所示。2.9. 冒口的設(shè)計 冒口設(shè)計的基本條件: 1.冒口的凝固時間必須大于或等于鑄件被補縮部分的凝固時間。 2.有足夠的金屬液補充鑄件在冷卻過程中的收縮所需的金屬液。 3.在凝固補縮期間,冒口和鑄件被補縮部位之間必須存在補縮通道,擴張角向冒口張開。冒口的作用一方面是補縮,另一方面的作用是排氣及集渣,澆鑄時是充滿鑄型的標志。到目前為止,冒口的設(shè)計在鑄造行業(yè)中大多數(shù)以經(jīng)驗為基礎(chǔ)(7。冒口高度一般為60200mm 范圍內(nèi),冒口的直徑一般不超過10

29、0mm 為宜。尺寸過小,補縮效果不好了;尺寸過大,浪費金屬液,甚至會引起其他鑄造缺陷。對于該鑄件,在10個小圓柱上分別設(shè)置10個冒口。為在4個軸孔上方設(shè)置4個冒口,具體尺寸形狀如圖14所示。2.10. 出氣孔的設(shè)置鑄件的出氣孔有明出氣孔和暗出氣孔兩種,設(shè)置出氣孔的目的是為了更好的排出型腔內(nèi)氣體,改善金屬液充型能力。出氣孔應(yīng)該設(shè)置在鑄件澆注位置的最高點和氣體最后聚集處即型腔內(nèi)氣體難以排出的“死角”處;出氣孔通常不宜設(shè)置在鑄件的熱節(jié)和厚壁處,以免因出氣孔冷卻快而導致鑄件在該圖13 過濾器處橫澆道結(jié)構(gòu)圖14 冒口結(jié)構(gòu)圖 圖15 冷鐵位置結(jié)構(gòu)圖 處產(chǎn)生收縮缺陷。對于砂芯芯頭部位,為了將砂芯在澆注過程中

30、產(chǎn)生的氣體及時排出,設(shè)置直徑為15mm 的排氣孔。2.11. 冷鐵的設(shè)置冷鐵的作用有: 1. 減小冒口尺寸,提高工藝出品率;2.在鑄件難以設(shè)置冒口的部位,放置冷鐵要防止縮孔、縮松; 3.在局部使用冷鐵可控制鑄件的順序凝固,增加冒口的補縮距離。 4.消除局部熱應(yīng)力,防止裂紋。綜合以上,在鑄件的下平面厚大部位(四個軸孔的兩側(cè)及窗口兩側(cè)面對應(yīng)的底面設(shè)置冷鐵,加強鑄件無法直接補縮部位的快速冷卻,改善鑄件組織。避免鑄造缺陷的產(chǎn)生。具體位置尺寸如圖15所示(現(xiàn)圖中有冷鐵的面在澆注狀態(tài)時是下平面。2.12. 鑄造工藝全圖如圖16所示3. 鑄造工藝模擬及優(yōu)化3.1. 凝固過程的數(shù)值模擬簡介近年來,伴隨著計算機

31、技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機及其軟件被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計、分析制造工藝等方面,已成為近代工業(yè)提升競爭力的主要方法。對于鑄造業(yè)來講也不例外,計算機技術(shù)在鑄造領(lǐng)域已獲得廣泛應(yīng)用。只要將鑄件圖紙、鑄型材料、鑄造合金熱物性和凝固特性以及質(zhì)量要求輸入計算機就能根據(jù)相應(yīng)的數(shù)學模型對可能出現(xiàn)的缺陷位置及程度進行全面評估。因此鑄造工藝的計算機輔助工程及其相應(yīng)的基礎(chǔ)理論理所當然的成為鑄造領(lǐng)域研究的前沿。本產(chǎn)品采用MAGMASOFT 模擬軟件對初制定的鑄造工藝首先進行粗模擬,對缺陷進行大致判斷。而后確定鑄造工藝進行精確模擬,分析得到的結(jié)果,經(jīng)反復模擬直至得出滿意的工藝為止(8。3.2. 前處理前處理的主要工作是建立

32、實體模型,并對模型進行網(wǎng)格剖分。根據(jù)鑄件建立的UG 三維造型,并存儲為*.STL 格式。將三維造型文件導入MAGMA軟件,導入順序為:INLET -澆注系統(tǒng)-冒口-冷鐵-鑄件- 鑄型(也可以在MAGMA 里創(chuàng)建,通過布爾運算求得,這樣做的目的是如果幾何體有重疊,則按布爾運算規(guī)則,由后面的幾何體來減前面的幾何體,所以建議把鑄件等放在鑄型后面,內(nèi)澆口等放在鑄件前;導入后實體進行網(wǎng)格剖分,剖分結(jié)果如圖17所示。3.3. 初始條件及邊界的確定鑄型、砂芯、冷鐵及鑄件材料在MAGMA 的材料庫里調(diào)用,澆注溫度設(shè)為710,鑄型、芯及冷鐵初始溫度為25,充型時間設(shè)為80S 。鑄件與冷鐵及鑄型之間的熱轉(zhuǎn)換設(shè)為系

33、統(tǒng)內(nèi)定為ZL114A-COAT 及ZL114A-CORE 。3.4. 充型過程分析通過模擬得出充型過程速度場,如圖18所示,顏色從深到淺表示速度從0100cm/s 變化。從模擬結(jié)果可以看出,充型過程中,直澆口處鋁液速度較大,且在內(nèi)澆口處型腔內(nèi)鋁液充型速度較大;但整個型腔內(nèi)的鋁液基本是以不超過80cm/s 的速度上升,充型過程中型腔中鋁液上升平穩(wěn),沒有產(chǎn)生飛濺。鋁液通過橫澆道上泡沫陶瓷過濾器的過濾后充型狀態(tài)較為合理。但內(nèi)澆口對應(yīng)的型腔處鋁液充型速度略大,在組芯合箱前可以考慮將砂箱及砂芯對應(yīng)內(nèi)澆口部位刷上防粘砂涂料。以防止內(nèi)澆口處充型速度快,粘砂嚴重。圖17 網(wǎng)格剖分結(jié)果3.5. 鑄件的縮松縮孔模

34、擬該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征是4個主軸孔部位較為厚大,且在鑄件上10個圓柱,容易產(chǎn)生鑄造缺陷,如圖19鑄件的縮松及縮孔傾向所示,鑄件在4個主軸孔部位易產(chǎn)生鑄造縮孔縮松,尤其以5#芯對應(yīng)的兩主軸孔上部出現(xiàn)鑄造缺陷的傾向較為嚴重,在實際生產(chǎn)中要考慮到該部位一方面采用在5#芯上做冷鐵,加強快速凝固;另一方面考慮提高冒口的保溫效果,增強補縮,以此來改善此處的溫度場,從而形成順序凝固。 對于該模擬結(jié)果中10個圓柱出現(xiàn)的縮孔縮松傾向性,雖然在對應(yīng)的圓柱上增加了冒口,但由于該圓柱總高度有380 mm 左右,上面增加的小冒口無法實現(xiàn)足夠補縮;在實際生產(chǎn)中可以考慮在對應(yīng)的砂箱及砂芯部位涂刷激冷涂料,加強冷卻,減少產(chǎn)生縮孔

35、及縮松的傾向性。另外還可以考慮在對應(yīng)下箱設(shè)置一鋁棒做為冷鐵,在澆注過程中,鋁棒外表面可以與熱的金屬液熔為一體。鋁棒的定位方式可以考慮插入到下箱中,其長度可以初定為圓柱高度的一半,直徑可以初設(shè)為8mm 。具體結(jié)構(gòu)尺寸要在實際生產(chǎn)中驗證后確定其鋁棒冷鐵的長度和直徑。圖18 充型速度場 a 充型27.5%時 b 充型50%時 c 充型65%時d 充型92.5%時 圖19 鑄件縮孔縮松傾向圖3.6. 凝固過程模擬圖20直觀地表示出鑄件的凝固溫度場分布,右側(cè)標尺表示溫度在280710之間。由模擬結(jié)果可以看出,充型結(jié)束后的溫度場分布是比較均勻的,鑄件由遠離冒口處開始冷卻凝固。由于 采用低注式澆注工藝, 底

36、注充型,底部靠近澆口處冷卻速度相對較慢,溫度比其他部位略高,但在凝固后期,冷卻速度加快;4個主軸孔因為結(jié)構(gòu)厚大,凝固速度相對其它部位較慢,由于上a 凝固50s 時b 凝固2min07s 時c 凝固4min08s 時d 凝固6min36s 時f 凝固12min05s 時g 凝固45min53s 時圖20鑄件凝固溫度場部有冒口補縮,使得在主軸孔部位,由下而上形成順序凝固的溫度場。3.7. 各內(nèi)澆口充填量模擬 該澆注系統(tǒng)設(shè)計了6個內(nèi)澆口,各澆口在充型過程中進料量如圖21所示;右側(cè)標尺表示從6個內(nèi)澆口充填到型腔內(nèi)金屬的顏色。從充型結(jié)果來看,各個內(nèi)澆口充填到型腔內(nèi)的金屬量相對比較均勻;說明內(nèi)澆口設(shè)計較為

37、合理。 3.8. 鑄造工藝特性分析由圖22所示,可以看出鑄件、澆道、及冒口體積重量,由圖中數(shù)據(jù)可以算出該設(shè)計的工藝方案的工藝出品率為78%。4. 鑄造工裝設(shè)計4.1. 模樣及模板4.1.1. 模樣材料的選擇模樣是用來形成鑄型型腔和鑄件表面,是砂a 充型20%時b 充型42.5%時c 充型62.5%時d 充型87.5%時圖21 鑄件各內(nèi)澆口充填量圖22 鑄件工藝特性分析型鑄造中必不可少的工藝裝備。目前制作模樣的材料多種多樣,有灰鐵、木材料、塑木、鋁合金、銅合金等。對于該鑄件,可以考慮使用鋁合金材料ZL101來制作。4.1.2. 金屬模樣尺寸的確定金屬模樣的尺寸除了要考慮產(chǎn)品零件的尺寸外,還要考慮

38、零件的鑄造工藝尺寸及零件材料的鑄造收縮率。凡是形成鑄件的模樣尺寸,一律要根據(jù)鑄件尺寸依鑄造收縮率進行放大,金屬模樣的尺寸可由式(5求得:=A A A 件藝模(1+K (5 式中:A 模模樣上的尺寸;A 件零件尺寸;A 藝零件的鑄造工藝尺寸;K 鑄件的線收縮率。對于模樣的毛坯多數(shù)是鑄造出來的,鑄造金屬模樣的毛坯稱為母模,鑄造母模時,相當于把它看作是鑄造零件進行工藝設(shè)計,其尺寸大小為零件尺寸放大兩次收縮率。4.1.3. 金屬模樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計金屬模樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計在滿足工藝要求,保證鑄件質(zhì)量的前提下,盡可能要制造簡便。其壁厚應(yīng)越小越好,以減輕重量和節(jié)約金屬。對于該產(chǎn)品的模樣壁厚可以取12mm ,為保證模樣

39、的強度,要設(shè)置加強筋,其加強筋寬度為10mm 。加強筋的高度,根據(jù)模底板高度、材料和使用要求決定,一般情況下取H 50mm (9;加強筋的間距可以取150 mm 。加強筋未注圓角為R10;金屬模樣加強筋的結(jié)構(gòu)尺寸如圖23所示。為簡化金屬模樣的制作,對下模樣上的澆道、產(chǎn)品上圓柱及芯頭定位處,為方便后續(xù)更改,做成鑲塊的形式。上模樣的澆道采用鑲塊的形式,冒口采用活塊的形式,與上模樣采用定位銷的方式定位,造型后從砂箱的另一側(cè)取出。模樣及鑲塊與模板或模樣之間的定位方式選用定位銷,緊固方式用螺栓。圖23金屬模樣加強筋結(jié)構(gòu)圖 a 下模樣b 上模樣圖24 模樣結(jié)構(gòu)圖為防止掉砂,在芯頭及澆道根部設(shè)置R1的圓角。

40、最終上下模樣結(jié)構(gòu)如圖24所示。4.1.4. 模板的設(shè)計模板一般是由鑄件的模樣、芯頭模樣和澆冒口系統(tǒng)模樣與模底板通過螺釘、螺栓、定位銷等裝配而成的,但也有整鑄的。對于該產(chǎn)品選用單面模板,模樣與模板考慮設(shè)計成平面式裝配 的凸耳結(jié)構(gòu),模板材料選用HT250,模板的大小要與選配砂箱來確定。在上模板上要設(shè)置防壓環(huán)。防壓還的寬度為10mm ,高度為1mm.。模板的高度、壁厚及加強筋的尺寸根據(jù)其大小、材料及強度可將高度定為100mm.,壁厚選22mm ,加強筋的頂部尺寸選20 mm ,加強筋根部尺寸定為24 mm 。具體形狀如圖25所示。模板與模樣的定位方式選用定位銷,緊固方式選用螺釘。模板的結(jié)構(gòu)如圖26所

41、示。4.1.5. 模板與砂箱的定位模板與砂箱的定位方式選用定位銷和套,在設(shè)計定位銷長度時為防止在起模時碰壞鑄型和在模板上放置砂箱時撞擊模樣,定位銷的導向部分長度要比模樣高出2025mm 。上模樣最高處為320mm ,下模樣最高230mm ;側(cè)上模板定位銷L 取345mm ,下模板定位銷L 取250mm ?？紤]到該模板較大,為了保證模板與砂箱定位的準確性,每個模板上設(shè)置2個定位銷孔,分別設(shè)置在模板的兩端中間 部位。定位銷及套的材料選用T10AHRC30-35。具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖27所示。砂箱上定位銷套結(jié)構(gòu)如圖28所示;其中D 為40mm ,D 1為50 mm ,D 2為60 mm ,B 為28mm

42、 ,L 為35 mm 。圖25 模板厚度及加強筋結(jié)構(gòu)圖圖26 模板結(jié)構(gòu)圖圖27 模板定位銷結(jié)構(gòu)圖4.1.6. 模板的搬運結(jié)構(gòu)對于該中大型模板的搬運結(jié)構(gòu)一般選用吊軸結(jié)構(gòu),吊軸與模板采用鑄接式結(jié)構(gòu),其材料選用A 3,大小為直徑45mm ,長度為150mm ,每個模板設(shè)置4件。具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖29所示。4.2. 砂箱的設(shè)計和選用砂箱的設(shè)計和選用原則:1.滿足鑄造工藝要求。 2.有足夠的強度和剛度。 3.對型砂有足夠的附著力。 4. 尺寸和結(jié)構(gòu)符合造型機、起重設(shè)備、烘干設(shè)備的要求。5.經(jīng)久耐用,便于制造。 6. 應(yīng)盡可能標準化、系列化和通用化。 對于該產(chǎn)品的砂箱,考慮使用手工造型砂箱,砂箱的長和寬最好

43、設(shè)計成50mm 或100mm 的倍數(shù)。高度應(yīng)該是20mm 或50mm 的倍數(shù)。吃砂量根據(jù)模樣的高度選為60mm 。根據(jù)該鑄件的結(jié)構(gòu)大小,砂箱選用1600X1500mm ,下箱高度選用300mm ,上箱高度選用320mm 。砂箱的材料選用ZG35。箱壁的斷面形狀和尺寸是影響砂箱強度和剛度的決定性因素,根據(jù)砂箱的工作條件、內(nèi)框尺寸、高度和砂箱選用的材料來確定。設(shè)計的箱壁結(jié)構(gòu)如圖30所示。箱帶的作用是增加型砂對砂箱的附著力, 提高鑄型的整體強度和整體圖28砂箱定位銷套結(jié)構(gòu)圖圖29 模板搬運軸結(jié)構(gòu)圖 圖30砂箱壁結(jié)構(gòu)圖剛度,保證鑄型在吊運、翻箱、合箱、澆注過程中鑄型完整 不掉砂,不塌箱。在設(shè)計箱帶時要便于舂砂和落砂,且要保證適當?shù)某陨傲?不能妨礙澆冒口的安放。砂箱的定位方式采用圓形定位銷,在砂箱上裝有定位銷套。砂箱的夾緊用螺栓緊固,在砂箱的外緣設(shè)置有凸耳,凸耳