框架铸造工艺说明书

1、“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-框架自编代码:方案编号:摘 要 皿1零件简介111零件介绍 11.2生产方式的选择32铸造工艺设计42.1工艺方案的选择 42.1.1分型面的选择42.1.2浇注位置的选择42.2铸造工艺参数的确定62.2.1最小铸出孔62.2.2加工余量与铸造圆角62.2.3铸造缩尺72.2.4铸造斜度与分型负数72.2.5浇冒口的切割余量 92.2.6铸件在砂型中的冷却时间92.2.7砂芯设计93浇注系统设计 103.1浇注系统的选择原则10“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛3.2浇注系统的尺寸确定 104冒口的尺寸计算 13.4.

2、1铸件冒口补缩设计原理 134.1.1基本条件 134.1.2选择冒口位置的原则134.1.3补缩压力 144.2铝合金框架冒口设计方法 .144.2.1冒口有效补缩距离的确定 .145冷铁设计 176砂箱设计 177工艺模拟 177.1软件简介187.2工艺模拟 .18参考文献 20附 图21第ii页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛框架零件的铸造工艺设计摘要本文主要介绍了该铝合金框架零件的结构特点，并通过工艺分析选择了恰当的 砂型铸造生产方式进行小批量铸造生产。通过计算机铸造工艺模拟，验证了铸造工 艺参数的合理性与铸造工艺方案的可行性。关键字：铝合金框架砂型铸造铸造工艺工艺模拟第I

3、II页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛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页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛1零件结构与生产方式分析1.1零件介绍该框架零件属于大中型铝合金铸件，结构复杂，薄壁部分占较大比 例，而且质量要求较高。由于有几处复杂的内部中空结构，在铸造过程 中很

5、容易出现夹砂、气孔等缺陷，因此在确定铸造工艺的时候必须要全 面考虑与权衡。该铸件所选材料为ZL114A，该牌号铝合金在砂型铸造中 的抗拉强度、硬度等力学性能都相对较高，能够满足更高的使用要求。 从零件二维工程图可以看出，该框架零件的尺寸规格为1320 mm X 1229 mm X 440 mm,根据二维CAD图的各项尺寸，利用 UG三维造型模块 进行三维造型。还原出来的三维立体图如图1-1所示。然后利用体积工具 测出体积，把体积与ZL114A的密度2.68g/mm3相乘，得到零件的质量在239Kg左右，属于大中型零件。下图为其三维造型图以及局部中空部分第1页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设

6、计大赛第#页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛表示图图1-1 a零件三维图视角第2页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛图1-1 b零件三维图视角二1-1 c零件三维图视角三第3页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛图1-2零件内部局部中空部分表示图1.2生产方式选择由于该框架零件为大型设备配套件，根据实际需求，确定生产纲领, 可知年产量不大，因此一般铸造厂根据生产的实际情况应采用单件小批 量的生产方式。根据目前各大厂家的生产水平，应至少采用自硬树脂砂 作为基本铸造用砂，对于使用时用于成型铸件内部空腔的并要求有较高 表面质量要求砂芯应使用覆膜砂或者壳型。为提高效率和降低工作

7、强度, 一般采用机械台机器两箱造型、制芯，模型根据实际使用要求等情况选 择木模或金属模，并及时进行尺寸检测及调整。其他生产设备和生产流 程和工厂的实际水平情况进行匹配，尽量在满足生产要求的情况下降低 生产成本2铸造工艺设计2.1铸造工艺方案的选择2.1.1分型面的选择该零件几何结构较为复杂，主要存在框架、薄壁、中空等结构，其 装配面的精度要求较高。而且该零件的最大轮廓面在对称面上，因此在 制定工艺的时候优先选择对称面作为铸造分型面，如图 2-1所示。图2-1分型面的选择第5页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛第#页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛2.1.2浇注位置的选择该框架

8、零件大体轮廓属于扁平构造，根据下芯方便以及确保重要面 的质量等原则，结合分型面的选择，决定采用平放立浇侧进的浇注方式, 浇注位置如图2-2、2-3所示。十片状直浇道横浇道图2-2铸件浇注位置图1JsDUl兰210Ld=U=312RdJI= -=11112 J%卅图2-3铸件浇注位置图222铸造工艺参数的确定2.2.1 最小铸出孔该框架零件属于大件，对于铸铝件，一般最小铸出孔为35m m,因此在铸造时零件上的小孔均不铸出，而改为机械加工，具体内容详见铸造工艺图。但是该零件有许多中空部分需要砂芯成型，为了固定砂芯，需要设置芯头，根据零件结构和实际需要，某些部分的孔虽然直径小于35mm但是需要保留，

9、甚至在没有孔洞的部位还要在不损坏零件强度的情 况下另外开孔。需要另外开孔的部位如图 2-4所示。图2-4需要另开孔222加工余量与铸造圆角根据各表面尺寸及精度的不同，结合铸件收缩时的倾向，应选择不 同的加工余量，范围在 5-10mm之间，铸件某一大圆柱孔的加工余量可 以达到11mm,具体内容与尺寸详见铸造工艺图。为了降低铸造时的应力与热裂倾向，铸件各拐角部分应设置铸造圆角以便圆滑过渡。铸造圆角在铸造工艺图上有具体表示，未标注铸造圆角为R10 mm。2.2.3铸造缩尺铸铝合金在凝固过程中产生较大的体收缩和线收缩，特别是结构复杂的薄壁件，铸造过程中的收缩情况复杂。结合铝合金铸造特点和零件 结构特点

10、，根据工厂实际，初取收缩率为1.2%左右。框架内圈由于收缩受阻较小，应选用偏大值。用砂芯形成的内孔给以较小的收缩量，形成 凹腔则应给与较小的收缩量，再根据实际效果在铸造过程中进行修正。2.2.4铸造斜度与分型负数以保证起模操作，应设置铸造斜度。在确定工艺的过程中，应与模 具车间协商，具体要求按照工厂实际要求设置。为防止浇注时从分型面炮火，合型时需要在分型面上放耐火泥条， 这样会增加型腔高度，为了保证铸件尺寸符合要求，应设置分型负数。 但数值应小于一般值。把相关工艺参数确定之后，画好铸造工艺图，根据工艺图的各项参 数指标及要求，画出铸件三维图，如图 2-5所示。图2-5铸件三维图1图2-6 铸件

11、三维图22.2.5浇冒口的切割余量对于铝铸件，非加工面应清理到与铸件表面齐平，待机加工面的浇冒口残留量在6mm左右。2.2.6铸件在砂型中的冷却时间铸件在砂型中的冷却时间短，容易产生变形、裂纹等缺陷。为使铸 件在出型时有足够的强度和韧性，铸件在砂型内应有足够的冷却时间。 具体数值应根据经验和实际生产做相应调整。2.2.7砂芯设计由于该框架零件有太多中空结构，因此需要在铸造时使用砂芯成型。 根据图形可知，铸造时需要至少 7个砂芯，砂芯编号与布置详见铸造工 艺图。由于一号、四号、五号砂芯均属于垂直砂芯，为了保证其轴线垂直、 牢固地固定在砂芯上，必须有足够的芯头尺寸。芯头与芯头座之间应有 适宜的间隙

12、。以使砂型与砂芯的装配。而且一号砂芯体积较大，需要内 部放置芯骨并根据实际情况采取减轻砂芯自重及利于排气的措施。二号、三号、六号、七号砂芯需要使用芯撑用来进行支撑，所需芯 撑的数量与型号以及布局应根据实际情况来处理。二、三号砂芯的定位 和固定可以利用与一号砂芯的嵌入式配合以及二、三号砂芯上部芯头靠 上型压紧来实现。六、七号砂芯需要利用特殊芯撑以及上部芯头靠上型 压紧来实现定位和紧固。除一号砂芯外，其它砂芯均需采用覆膜砂造芯，以提高表面光洁度 和浇注时的发气量。由于铸造过程中各砂芯基本上被铝液包裹，所以受 到的浮力较大，容易使砂芯产生偏移与旋转，而且由于结构的限制，芯 头的结构与尺寸均受到了限制

13、，因此需要使用特殊芯撑用来紧固定位。砂芯的拐角较多，铸件容易产生热应力。因此在砂芯的相关部位还 应涂上适宜的激冷剂。3浇注系统设计3.1浇注系统的选择原则铝合金质轻，热容量小，导热快，温度降低快，极易氧化和吸气， 而且铝合金凝固体收缩率大，易产生缩孔和缩松。因此对浇注系统的要 求是：快速、充型平稳、不产生飞溅和涡流、有强的挡渣能力、有利于 顺序凝固。铝合金通常采用底注式。结合铸件形状，内浇道应开设在铸件壁厚热节处，以便于铸件得到补缩。参考铸造手册.第六卷表4-15，浇注系统采用立浇侧进的方式。3.2浇注系统的尺寸确定根据铸件质量以及冒口尺寸，得出浇注重量为530Kg。铝合金铸件的浇注重量与直浇

14、道截面积的关系表3-1浇注重量与直浇道截面积的关系浇注质量/ kg500直浇道截面积/ cm30由UG知，浇注质量为530kg，所取片状直浇道。一般通过一个直浇 道的铝液不超过100kg，初步选取直浇道尺寸为35mmX11m m,十片平行 布局，间隔25mm,总面积为38.5cm2。横浇道和内浇道的横截面均选用梯形截面，横浇道具体尺寸选取为 a=h=75mm,b=60mm,R=3mm。横浇道采用左右分流式，因此有两条，总截 面积为 101.25cm2。内浇道的具体尺寸为 a=h=45mm, b=38mm, R=3mm,在铸件周围布 局八条内浇道，内浇道总面积为149.4cm2。这样算的各浇道截

15、面尺寸之比为As : A : Ag=1:2.61:3.88Ag：内浇道截面积；Aru横浇道截面积；As直浇道截面积第11页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛该浇道截面之比在合理范围之内，因此可以选取图3-2浇注系统图1第12页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛由于直浇道的高度较高，因此应在直浇道下面设置直浇道窝和集渣 包，还要在直浇道与横浇道结合部位放置过滤网。为了减少充型过程中 的杂质，在流动的最末端即直浇道对面的铸件旁边还应开设集渣包。图3-3浇注系统图2由于浇注的铸件质量较大，为了降低铝液的氧化程度和减少杂质，需要在直浇道上部设置一个浇口箱。 浇口箱的底面尺寸为900mM

16、 600mm 高度为400mm浇注前应先将直浇道口用铝片封好，然后将铝液倒入浇口箱，利用铝片融化后将铝液浇入直浇道进行充型浇注。铝片的厚度选择 应适中，同时应注意清洁度。4冒口的尺寸计算冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有 防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。4.1铸件冒口补缩设计原理4.1.1基本条件1）冒口凝固时间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的液态收缩和凝固收缩，补偿浇注后 型腔扩大的体积3）在凝固期间，冒口和补缩部位之间存在补缩通道，扩张角向着 冒口4.1.2选择冒口位置的原则1）冒口应就近设在铸件热节的上方或侧旁2）冒口应尽量设在铸件

17、最咼、最厚的部位。3）冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防组织粗大，降 低强度。4）冒口位置不要选在铸造应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩 阻碍，以免引起裂纹。5）尽量用一个冒口同时补缩几个热节。6）冒口布置在加工面上，可节约铸件精整工时，零件外观好。7）不同高度上的冒口，应用冷铁使各个冒口的补缩范围隔开。8）冒口的位置应偏离铸件的几何热节，以减小冒口与铸件连接处 形成的接触热节对铸件凝固偶的热干扰。4.1.3补缩压力冒口体内要有足够的补缩压力头，以克服补缩液态的流动阻力，同时保证铸件在凝固过程中一直处于正压状态。为了充分发挥冒口的有效 补缩作用，获得致密铸件，常常需要采用补贴、冷铁等工

18、艺措施，增加 有效补缩距离延长冒口的凝固补缩时间。4.2铝合金框架冒口设计方法4.2.1冒口有效补缩距离的确定冒口的有效补缩距离为冒口作用区与末端区长度之和，它是确定冒口 数目的依据，与铸件结构、合金成分及凝固特性、冷却条件、对铸件质 量要求的高低等多种因素有关。铸件材料为ZL114，为共晶型铝合金，去冒口补缩距离为 4.5T（T 铸件壁厚）。该铸件为薄壁大型件，且结构复杂多变。为保证充型效果良好，结合工厂生产设计经验，冒口重量应占整个浇注重量的50%左右。故设计铸件的冒口数目和位置如下图4-1所示。r冒口 5(1)旨口 6 ( 2令)图4-1冒口数量与位置5冷铁设计为增加铸件局部冷却速度，在

19、型腔内部及工作表面安放的金属块称为冷铁。冷铁的作用有：1）在冒口难于补缩的部位防止缩孔、缩松。2）防止壁厚交叉部位及急剧变化部位产生裂纹。3）与冒口配合使用，加强铸件的顺序凝固，扩大冒口补缩距离或范 围，减少冒口的数目或体积。4）用冷铁加速个别热节的冷却，使整个铸件接近于同时凝固。既可 防止或减轻铸件变形，又可提高工艺出品率。5）改善铸件局部的金相组织和力学性能、6）减轻或防止厚壁铸件中的偏析。铸件无气隙型采用直接外冷铁，激冷效果好。冷铁材料采用铜锌合 金，冷铁位置见下图:H 图5-1冷铁的布局与数量冷铁的尺寸见下图6砂箱设计砂箱的选择首先应联系工厂实际，根据现场的砂箱进行选择匹配，如果工厂没

20、有能满足生产要求规格的砂箱，再进行设计制作。第19页“永冠杯”第二届中国大学生铸造工艺设计大赛7工艺模拟7.1软件简介AnyCasting是一个铸造专家系统，是铸造工程师的得力助手。它借 助于现代计算机技术，再现铸造工程师的工作成果，辅助他们高效快捷 地完成工作任务，实现铸造成型工艺的完美化。它能优化铸造企业的生 产过程，最大程度地减少铸造生产过程中的试模次数，提高铸造生产效 率和铸件质量，降低铸造生产成本。AnyCasting是一个便于使用的系统。 它的模块化设计是面向铸造成型过程的，即使是没有专业的铸造知识和 数值模拟技术，也能方便的使用它。AnyCasting的主要特色：基于 MSWin

21、dows平台的新一代软件系统 : 界面友好，图形显示使用了真正基于 Ope nGL的三维图形技术；使用方 便，流程化的智能向导；网格划分采用变网格技术，划分速度极快，在 几秒种之内可生成、删除上千万的网格；参数设置方便，完全面向铸造工艺过程，界面传热系数自动设置 ；求解器模型先进，计算速度极快， 可让您在一个工作日内做出决定 ；真正的关系性数据库，内含上百种材 料，也可自建用户数据库，原厂商支持；后处理功能强大，多模型分析, 综合评价铸件质量，图片、动画自动输出。7.2工艺模拟将浇注所需三维实体导出为 STL模型，分别有铸件，冒口，直浇道, 横浇道，内浇道，冷铁。然后进行相应的参数设置，浇注温度为 700C，浇注速度定为0.3m/s 浇注时间初步算出为38s，然后运行求解，得出的充型时间和凝固时间及 分布，如图所示I/38,017434. 217930.415426. 618922. 819419. 019915. 22m11.42097. 62143 819Filling Tie电38 0174图7-1充型时间模拟结果显示充型时间在38s多一点，而且没有浇不足的情况，而且 金属液能顺利地进入各个内浇道，充满型腔，最后才对冒口充型，因此， 符合生产实际，满足生产要求。ZSolidification Time638. B13