三角皮帶輪鑄造工藝設計

..三角皮帶輪鑄造工藝設計摘要皮帶輪是帶傳動構造重要的零件之一，相比擬傳統(tǒng)汽車乘用車發(fā)動機減震皮帶輪,輕型柴油乘用車發(fā)動機減震皮帶輪既可滿足家用轎車發(fā)動機上,又可適用大型客車,大型貨車,農(nóng)用車上的發(fā)動機上,具有回收循環(huán)使用、重量輕、增強發(fā)動機的動力、降低油耗等優(yōu)點。本文依照鑄造工藝設計的一般程序?qū)θ菐л嗊M展了分析，從技術條件和構造著手，參考有關鑄造手冊和分析相關實例，確定了合理的鑄造工藝方案，最終完成了其鑄造工藝設計，這為我們今后設計鑄造工藝奠定了理論和實踐根底。1零件概述1.1零件根本信息零件名稱：三角皮帶輪零件材料：QT450-10產(chǎn)品生產(chǎn)綱領：大批量生產(chǎn)砂箱高度：250三角帶輪零件圖：圖1三角帶輪零件圖1.2零件構造特征及作用本三角皮帶輪采用腹板式構造，構造簡單，且是左右上下對稱的回轉體，易于分型和鑄造，大大提高生產(chǎn)效率，重復率高。1.3零件構造審查審查、分析鑄件構造時應考慮以下幾個方面：〔1〕鑄件應有適宜的壁厚，為了防止?jié)膊坏健⒗涓舻热毕蓁T件不應太薄?！?〕鑄件構造不應造成嚴重的收縮阻礙，注意壁厚過渡和圓角。〔3〕鑄件壁應薄于外壁?！?〕壁厚力求均勻，減少肥厚局部，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。〔7〕防止?jié)沧⑽恢蒙嫌兴降拇笃矫鏄嬙?。三角皮帶輪零件輪廓尺寸?90mm*290mm*90mm，由"鑄造工藝學"表2-1，知：砂型鑄造時球墨鑄鐵鑄件最小允許壁厚為4~8mm。而三角皮帶輪的最小壁厚為11mm，符合要求。1.4零件技術要求鑄造圓角R5，鑄造斜度1:20，所有倒角2×45°，鑄件除滿足幾何尺寸精度和材質(zhì)要求外，沒有其它的特殊要求。2鑄造工藝方案設計2.1造型、造芯材料及方法零件輪廓尺寸為290mm*290mm*90mm，尺寸較小，屬于中小型零件且需要大批量生產(chǎn)。采用濕型粘土砂造型靈活性大，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，便于組織流水生產(chǎn)，易于實現(xiàn)機械化和自動化，材料本錢低，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。在造芯材料及方法選擇中，如用粘土砂制作砂芯原料本錢較低，但是烘干后容易產(chǎn)生裂紋，容易變形。在大批量生產(chǎn)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(chǎn)砂芯，以增加其強度及保證鑄件質(zhì)量。選擇使用射芯工藝生產(chǎn)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，貼近芯盒外表的砂芯受熱，其粘結劑在很短的時間硬化。而且只要砂芯表層有數(shù)毫米的硬殼即可自芯取出，中心局部的砂芯利用余熱可自行硬化。2.2澆注位置確實定鑄件的澆注位置是澆注狀態(tài)下鑄件在鑄型所處的位置。確定澆注位置是鑄造工藝設計中重要的環(huán)節(jié)，關系到鑄件的在質(zhì)量、鑄件的尺寸精度及造型工藝過程的難易程度。確定澆注位置時應注意以下幾個原則：〔1〕鑄件重要局部或主要加工面、耐磨面、受力部位等應位于下部或呈直立狀態(tài)；〔2〕鑄件局部薄壁部位或鑄件大平面應朝下；〔3〕有利于鑄件順序凝固和補縮；〔4〕盡可能防止用吊砂、吊芯或懸壁式砂芯；〔5〕通常使合型位置、澆注位置和鑄件冷卻位置一致。基于以上原則，鑄件澆注位置如圖2所示：圖2三角帶輪的澆注位置2.3分型面的選擇分型面是指兩半鑄型相互接觸的外表。分型面的優(yōu)劣在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、本錢和生產(chǎn)率。一般來說，選擇分型面時應注意一下原則：1.應使鑄件全部或大局部置于同一半型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構造強度7.注意減輕鑄件清理和機械加工量2.4砂芯設計砂芯用來形成鑄件腔或外形上有礙起模的局部凸凹部位。設計砂芯總的原則是：鑄件腔尺寸準確、通氣順暢、芯盒構造簡單。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、結實地固定在砂型上，必須有足夠的芯頭尺寸。垂直芯頭的設計數(shù)據(jù)包括上、下芯頭高度和芯頭斜度、芯頭間隙、上部壓緊環(huán)與下部集砂槽等。詳細數(shù)據(jù)可查標準/T5106-1991。1．芯頭高度對于φ60mm的孔，L=90mm，D=60mm，查"鑄造工藝學"表6-17知，芯頭高度h=25~30mm，取h=30mm。因為帶輪的垂直砂芯是上、下對稱的，且產(chǎn)品是大量生產(chǎn)的，故上、下芯頭可采用一樣的高度。對于φ42mm×6均勻分布的孔，L=18mm，D=42mm，查表6-17知，芯頭高度h=15~20mm,取h=20mm。2.芯頭斜度為防止合型時上芯頭和鑄型相碰，上芯頭和上芯座的應大一些。查"鑄造工藝學"表6-18知，上芯頭α=10o，下芯頭α=5o。3.芯頭與芯座間的間隙機器造型時，制芯時間隙一般較小，常用間隙為0.5mm~1mm。4.壓緊環(huán)濕型鑄造時，為阻止金屬液沿間隙鉆入芯頭堵塞通氣孔，應在上芯座上安置一圈凸起的砂環(huán)，稱為壓緊環(huán)。合型后它能將砂芯壓緊，能有效阻止金屬液鉆入芯頭中心通氣道中。5.集砂槽集砂槽用來存放遺漏的散落殘砂或小砂塊，可防止芯頭與芯座因殘砂墊起而位置不正。集砂槽一般深2~5mm，寬3~6mm，主要用于機器造型。芯頭承壓面積的核算芯頭的承壓面積應足夠大，以保證在金屬液最大浮力作用下不超過鑄型許用壓應力。芯頭的承壓面積S應滿足S≧k F芯/[σ壓]式中，F(xiàn)芯——所要計算的最大浮芯力，應為砂芯所排開金屬液的重力〔N〕；K——平安系數(shù)，k=1.3~1.5；[σ壓]——鑄型許用應力〔MPa〕，對于濕型，[σ壓]可取〔40~60MPa〕。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(chǎn)常在砂芯中埋置芯骨，以提高其剛度和強度。用水玻璃砂和樹脂砂制作中、小砂芯時，通常采用圓鋼作為芯骨。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，砂芯中的剩余水分受熱蒸發(fā)放出氣體，如果這些氣體排不出型外，則要引起鑄件產(chǎn)生氣孔。為此，應采用透氣性好的芯砂。砂芯中應開設排氣道，芯頭尺寸要足夠大，以利于氣體的排出?？捎萌缦路椒ㄩ_設砂芯排氣道：用通氣孔、通氣模板，用蠟線、尼龍管，用手工開挖法。砂芯負數(shù)大型粘土砂芯在春砂過程中砂芯向四周漲開，刷涂料以及在烘干過程中發(fā)生的變形，使砂芯四周尺寸增大。為了保證鑄件尺寸準確，將芯盒的長、寬尺寸減去一定量，這個被減去的量叫做砂芯負數(shù)。因為砂芯負數(shù)只用于大型粘土砂芯，本設計中的砂芯為中小型砂芯，故不設計砂芯負數(shù)。2.5鑄造工藝設計參數(shù)鑄造工藝參數(shù)指鑄型工藝設計中需要確定的合理工藝數(shù)據(jù)，一般包括鑄件尺寸公差，機械加工余量，最小鑄出孔、槽，起模斜度，鑄造收縮率及各種工藝補正量。鑄件尺寸公差鑄件尺寸公差是指鑄件各局部尺寸所允許的極限偏差，鑄件生產(chǎn)過程中的很多因素都會影響鑄件尺寸公差，同時鑄件尺寸公差在一定圍會對鑄件生產(chǎn)本錢產(chǎn)生極大影響。查"鑄造工藝學"表6-1知，大批量生產(chǎn)的球墨鑄鐵毛坯鑄件的公差等級為CT8~CT12，取帶輪的公差等級為CT10。機械加工余量機械加工余量指鑄件預加工外表上留出為進展最終機械加工所需的金屬層厚度。加工余量過大，浪費金屬和機械加工工時，增加零件本錢；過小，則不能完全除去鑄件外表的缺陷，甚至露出鑄件表皮，達不到產(chǎn)品設計要求。查表2-4知，帶輪機械加工余量為6.0mm。最小鑄出孔查表2-5知，球墨鑄鐵鑄件大量生產(chǎn)時最小鑄出孔直徑為12~15mm，因為帶輪的最小孔直徑為42mm，故需要將其鑄造出來。起模斜度為使模樣容易從鑄型中取出或砂芯自芯盒中脫出，不致?lián)p壞砂型和砂芯，應該在平行于起模方向上使模樣和芯盒壁具有一定的斜度。這個斜度，稱為起模斜度。起模斜度應在鑄件上沒有構造斜度的、垂直于分型面的外表上應用。初步設計的起模斜度如下：外形模的A面〔如圖5所示〕，高度為85mm，查"鑄造工藝學"表6-11知，粘土砂造型時模樣的起模斜度為α=0°30′，a=1.0mm。外形模的B面〔如圖5所示〕，高度為2.5mm，查表6-11知，粘土砂造型時模樣的起模斜度為α=2°20′，a=0.4mm。腔的C面〔如圖5所示〕，高度為90mm，查表6-11知，粘土砂造型時模樣的起模斜度為α=0°30′，a=1.0mm。但是同一鑄件要盡量選用同一起模斜度，以免加工金屬模時頻繁更換刀具。且起模斜度應小于或等于產(chǎn)品圖上所規(guī)定的起模斜度值，以防止零件在裝配或中工作與其他零件相阻礙。因為帶輪零件圖上規(guī)定鑄造斜度為1:20，腔錐度為1:10，所以選用同一起模斜度為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，故起模斜度的形式選用增加壁厚法。而B面為非加工面，故起模斜度的形式選用加減壁厚法。圖5模樣起模斜度示意圖鑄造圓角鑄件上相鄰兩壁間的交接角，應做出鑄造圓角，帶輪零件圖要求鑄造圓角為R5。工藝補正量在單件小批量生產(chǎn)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(chǎn)生了變形等原因，使得加工后的鑄件*些局部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相應的非加工壁厚上增加層厚度稱為工藝補正量。但帶輪在大批量生產(chǎn)前的小批量試制和試產(chǎn)過程中將進展調(diào)整尺寸變化，所以設計中不考慮工藝補正量。鑄造收縮率鑄造收縮率K的定義是K=〔LM-Lj〕/Lj×100％式中LM——模樣〔或芯盒〕工作面的尺寸；Lj——鑄件尺寸。通常，灰鑄鐵K=0.7％~1.0％。分型負數(shù)干砂型、外表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分型面跑鐵液，合箱前需要在分型面之間墊以石棉繩或耐火泥條，這樣在分型面處明顯增加了鑄件的尺寸。為了保證鑄件尺寸準確，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)。而帶輪是濕型且是小型鑄件，故不予考慮分型負數(shù)。3澆注系統(tǒng)3.1澆注系統(tǒng)類型選擇澆注系統(tǒng)分為封閉式澆注系統(tǒng)、開放式澆注系統(tǒng)、半封閉式澆注系統(tǒng)和封閉-開放式澆注系統(tǒng)。因為封閉式澆注系統(tǒng)控流截面積在澆道，澆注開場后，金屬液容易充滿澆注系統(tǒng)，呈有壓流動狀態(tài)。擋渣能力強，但充型速度快，沖刷力大，易產(chǎn)生噴濺，金屬液易氧化。適用于濕型鑄件小件。而帶輪就是采用濕型的鑄件小件，所以選擇封閉式澆注系統(tǒng)。3.2澆注系統(tǒng)構造設計采用頂注式澆注系統(tǒng)，澆道設在鑄件頂部，金屬液由頂面流入型腔。易于充滿，有利于鑄件形成自下而上的凝固順序，補縮效果好。澆注系統(tǒng)簡單，造型及清理方便，金屬液消耗少。3.3澆口位置及數(shù)量確實定帶輪構造較為簡單且是小型件，故每個鑄件上只用一個澆道。為了方便造型，澆道開設在分型面上。因為鑄件全部位于下箱，這樣鑄件凝固順序為由下至上凝固，這樣有利于帶輪的重要局部先凝固并得到補縮，如此澆道則開設在厚壁處引入金屬液，如圖6所示。圖6澆口位置3.4澆注系統(tǒng)尺寸計算直澆道的位置與高度實踐證明，直澆道過低會使充型及液態(tài)補縮壓力缺乏，容易出現(xiàn)鑄件棱角和輪廓不清晰、澆不到、上外表縮沉等缺陷。初步設計直澆道高度等于上沙箱高度250mm。但應檢驗該高度是否足夠。檢驗依據(jù)：剩余壓力應滿足與壓力角的如下關系，即HM≥Ltanα式中HM——最小剩余壓力頭；L——直澆道中心到鑄件最高且最遠點的水平投影距離；α——壓力角。查表3-9知，α為6~7，取7°。Ltanα=145×tan7°mm≈18mm因為鑄件全部位于下箱，所以剩余壓力頭HM等于上箱高度290mm，經(jīng)過驗證剩余壓力頭滿足壓力角的要求。計算澆注時間并核算金屬上升速度根據(jù)鑄件圖計算單個鑄件的體積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"鑄造實用手冊"相關表知，球墨鑄鐵的密度為7.3g/cm3,則單個鑄件的質(zhì)量m=ρV=3220.6*7.3=23.5kg。帶輪大批量生產(chǎn)的工藝出品率約為85%，可估計鑄型中鐵水總重量GG=23.5/85%≈28kg由"鑄造工藝學"知，球墨鑄鐵鑄件的澆注時間t=s1*(δG)1/3=2.0*〔37*28〕1/3≈20s計算鐵水液面上升速度ν上升=C/t=90/20mm/s=4.5mm/s核算鑄鐵液上升速度，由表3-2知，型鑄鐵液最小上升速度為8~10mm/s，計算值小于核算值。由于此鑄件快澆有些困難，工裝條件又不允許直立或側立澆注，便將鑄型傾斜15°。此時鑄件高度由C〔90mm〕變?yōu)镃1，C1值可作近似計算：C1=90+290sin15°=165mm，并可求出v≈8.3mm/s。根本上滿足了對上升速度的要求。3.4.3計算阻流截面積F查"材料成形工藝"圖3-16知，球墨鑄鐵件流量系數(shù)μ=0.6根據(jù)水力學計算公式：F阻=G/[0.31τμ(H均)1/2]式中F阻——澆注系統(tǒng)阻流〔最小〕截面積〔cm2〕;G——流經(jīng)阻流面積的金屬液總質(zhì)量〔kg〕；τ——澆注時間〔s〕；μ——流量系數(shù)；Hp——充填型腔時的平均靜壓頭(cm)，對于頂注式H均=Ho，本例中H均=29cm。∴F阻=28/(0.31*20*0.6*(29)1/2)=1.4cm2確定各組元截面積比封閉式澆注系統(tǒng)組元截面比一般為：∑A直：∑A橫：∑A=1.15：1.1:13.5澆注系統(tǒng)各單元構造及尺寸澆口杯構造及尺寸澆口杯用來承接來自澆包的金屬液并引入直澆道，以防金屬液飛濺和外溢，有利于澆注并能別離浮渣和氣泡等。因為漏斗形澆口杯構造簡單，制作方便，其本身消耗金屬液少，主要用于小型鑄件，在機器造型中廣泛使用，故采用漏斗形澆口杯。其斷面形狀如圖7所示：圖7澆口杯截面示意圖澆口杯截面尺寸由"鑄造技術應用手冊"表4-4查得，D1=68mm，D2=64mm，h=52mm直澆道的構造及尺寸直澆道將金屬液導入型腔，提供壓力頭以克制流動阻力充滿型腔。直澆道一般為圓形。機器造型機上使用直澆道多是上小下大的倒錐形，這時要靠增加直澆道的出口阻力，如在直澆道中增加濾網(wǎng)。由于設計直澆口有一個，因此S直=1.15*1.4=1.61cm2，直澆道截面尺寸如圖8所示：圖8直澆道截面尺寸圓形斷面大小由"鑄造工藝設計"查表3-240得：D=15mm為了方便取模，直澆道通常做成上小下大的倒圓錐形，〔通常錐度取1/50〕，因此直澆道上端是直徑約為：D1=15+〔1/50〕*250=20mm橫澆道構造及尺寸橫澆道起使金屬液流平穩(wěn)和擋渣的作用。為加強橫澆道的擋渣效果，可采取阻流式的擋渣措施，即在橫澆道中底局部別設置一水平縫隙阻流和一垂直狹小截面的阻流片。液流先通過阻流后又突然擴大，流量不變，流速減小，有利于雜質(zhì)上浮。由于設計橫澆道有一個，因此S橫=1.1*1.4=1.54cm2，橫澆道形狀取梯形斷面形狀如圖9所示：圖9橫澆道截面尺寸查"鑄造工藝設計"表3-241知，A=15mm，B=10mm，C=16mm澆道構造及尺寸澆道的功能是控制充型速度和方向，分配金屬，調(diào)節(jié)鑄件各部位的溫度和凝固順序，澆注系統(tǒng)的金屬液通過澆道對鑄件有一定的補縮作用。由于設計澆口有一個，因此S=1.4cm2，澆道形狀取梯形斷面形狀如圖10所示：圖10澆道截面尺寸查"鑄造工藝設計"表3-242知，a=20mm，b=18mm，c=8mm4冒口的設計冒口是鑄型用于儲存金屬液的空腔，在鑄件形成時補給金屬，有防止縮孔、縮松、排氣、集渣的作用。由于實用冒口的工藝出品率高，鑄件質(zhì)量好，本錢低，比通用冒口更實用，應選用實用冒口。鑄件的散熱面積A=3.14*〔60*60-30*30〕+3.14*〔145*145-118*118〕=307.8cm2，所以鑄件的模數(shù)M=V/A=3220.6/307.8=10.5cm，故球墨鑄鐵鑄件選用直接實用冒口。4.1冒口的體積對于QT450-10鑄件，從澆注溫度〔tp〕冷卻到共晶溫度〔1150°C〕的體收縮率依下式計算得ε液=〔90+30*3.6〕〔{tp}-1150〕×10-6+0.9×10-2冒口體積比鑄件所需補縮的鐵液量要大些。為了更好地發(fā)揮直接實用冒口的補縮作用，可采用大氣壓力冒口的形式，在冒口頂部放置大氣壓力砂芯或造型時做出錐頂砂凸。4.2冒口頸的計算冒口頸的模數(shù)Mn的計算公式：Mn=Mc(tp-1150)/(tp-1150+L)式中Mn——冒口頸模數(shù)；Mc——鑄件的"關鍵〞模數(shù)；tp——澆注溫度；L——鑄鐵的熔化熱，其值為209J/g。冒口頸的位置，可選在最關鍵局部或更厚的任何局部上。冒口設在最高部位能節(jié)約金屬。5冷鐵的設計5.1冷鐵放置位置確實定外冷鐵的位置和激冷能力的選擇，保證補縮通道暢通，防止在