材料成形技术基础课程设计

1、材料成形工艺课程设计说明书题目： 圆柱齿轮铸造工艺设计 学院： 机械工程学院 专业： 材料成型及控制工程 班级： 1401 学号： 201402050103 学生姓名： 柏林辉 指导老师：董丽君、陈国强、高为国、罗智辉完成时间： 2016年12月 2材料成形工艺课程设计任务书题目： 圆柱齿轮铸造成型工艺设计 专业班级： 材料成型及控制工程1403 姓名： 柏林辉 学号：201402050103指导老师： 罗智辉、高为国、董丽君、陈国强 一、目的通过本次课程设计，应使学生具备以下基本技能：(1)巩固和加深本课程的基础知识，并能够运用所学知识，比较系统地掌握铸造成型工艺，使学生制订出比较合理的铸造

2、成型工艺；(2)使学生进一步提高运算、设计绘图和查阅铸造成型工艺设计手册和其他资料的基本技能，培养学生分析解决铸造生产实际问题的能力，也为毕业设计和工作打好基础。二、主要内容及任务（一）读图分析铸造工艺要求和特点（1）零件图应该标注主要尺寸，机械加工及公差要求，零件表面粗糙度，零件材质、性能及技术要求。（2）分析零件铸造承载与工作条件，零件生产按成批生产或大量生产进行设计。（3）确定铸造技术条件，包括铸件材质、合金牌号、化学成分、金相组织、机械性能和机械加工要求等等。（4）审查零件结构是否符合铸造成型工艺要求，对不合理结构、尺寸可提出修改意见。（5）分析该铸造成型零件易产生的铸造缺陷并提出消除

3、缺陷的相应工艺措施。（二）确定铸造成型工艺方案，绘制铸造工艺图（1）确定造型方法（2） 确定浇注位置和分型面（3） 确定工艺参数（4） 确定砂芯数目（5） 设计计算浇注系统、冒口等（6） 绘制铸件工艺图（三）任务（1）结构优化后的零件图一张（2） 铸造工艺图一张（3） 铸件图一张（4） 工艺卡一张（5） 说明书一份三、要求（1）在课程设计中独立思考和完成，熟练掌握铸造成型工艺设计的流程；（2）课程设计中的每一道环节都必须认真和严谨，计算和分析、画图需准确无误；（3）提交纸质课程设计说明书，说明书应涵盖整个课程设计的主要内容及主要结果，包括铸造工艺设计方法及分析，铸造工艺参数的确定、砂芯的设计、

4、浇注系统的设计等。说明书字数不少于3000字，并提交一张包括所有资料的刻录光盘，用课程设计资料袋装袋。（4）零件的几何参数根据学号查参数列表选取确定；四、时间安排2016.12.5:了解设计任务，读图，结构优化重新画零件图2016.12.6:确定工艺方案：包括造型方法、分型面选择、工艺参数、型芯数量、浇冒口设计计算等2016.12.7:绘制铸造工艺图2016.12.8:编写工艺卡片、设计说明书，准备答辩，提交指导老师检查2016.12.9:答辩目录第1章 绪论1第2章 零件的结构分析及优化2第3章 零件的铸造工艺设计43.1造型方法的选择43.2浇注位置的选择43.3分型面的选择53.3.1分

5、型面设计选择53.3.2确定方案5第4章 零件的铸造工艺参数确定74.1机械加工余量74.2铸件最小壁厚84.3最小铸出孔的确定84.4起模斜度的确定94.5铸铁的铸造收缩率94.6型芯及型芯头的确定104.6.1砂芯尺寸的确定104.6.2芯骨124.7浇注系统124.7.1 冒口的设计124.7.2 浇道的设计13结论14参考文献16附录明细17第1章 绪论铸造，是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件，即铸件，它是成形毛坯或零件的重要方法之一。与其他加工方法相比，铸造具有以下优点：1）最适合铸造形状复杂、特别是复杂内腔的铸件。如复杂箱体、机

6、架、阀体、泵体、缸体、叶轮、螺旋桨等。2）适应性广，工艺灵活性大。凡能融化成液态的金属均可铸造成型，如工业上常用的铸铁、碳素钢、合金钢、非铁合金金属材料。对于塑性很差的材料，铸造几乎是其唯一的成型方法，如铸铁等。3）成本较低。铸造所用原料大多来源广泛，价格较低，铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近，可节省材料和加工工时。铸造也有很多不足，如铸态组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷，导致铸件力学性能、特别是冲击性能低于塑性成型件；铸造涉及的工序很多，不易精确控制，铸件质量不稳定；由于目前仍以砂型铸造为主，自动化程度还不是很高，工作环境较差，大多数铸件只是毛坯件，需要经过切削加工才

7、能成为零件。铸造在工业生产中的应用非常广泛，而且随着特种铸造方法的发展，还可以生产出少或无切削加工的、力学性能更高的铸件。铸造可分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造：是将熔融金属浇入砂质铸型中，待冷却凝固后，取出铸件的铸造方法，是应用最广泛的铸造方法，它适用于各种形状、大小及常用合金铸件的生产。掌握砂型铸造技术是否合理选择铸造方法和正确设计零件结构的基础。但砂型铸件的精度低，表面粗糙，手工造型的生产率低，生产环境差，工人的劳动强度大。特种铸造：用砂较少或不用砂，采用特殊工艺装备的铸造方法。如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、实型铸造、挤压铸造等。第2章 零件的结构分析及优化

8、生产铸件，不仅需要采用先进的合理的铸造工艺和设备，而且还要使零件结构本身符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸造工艺过程和降低成本。对于此齿轮，材料为HT200，流动性好，收缩小，铸造过程中一般不会出现缩松、缩孔等缺陷。齿轮是个中心对称结构，开设的六个小孔、凹槽，主要是为了减少零件的重量，减少材料的浪费，同时又要保证齿轮的每个部位的受力强度达到所需要的要求。因为其不是齿轮的工作部位，对受力强度要求不高，又无精度要求，因此，可以在原零件图的基础上进行适当的优化，从而达到省时、省材料、省钱的目的，比如，凹槽部位属于非加工面，可以采用一定的斜度（结构斜度），一来方便造型，二来易于起模。综上，需

9、要对齿轮的结构进行优化。a：基本信息：零件：圆柱直齿轮成型方法：铸造零件材料：HT200毛坯重量：5.6KGb：技术要求铸件表面应平整、浇口、毛刺、粘砂等应清除干净。优化前与优化后的零件对比如图2-1、图2-2（优化的零件结构图见附录） 图2-1 原零件图 图2-2 优化零件图第3章 零件的铸造工艺设计3.1造型方法的选择该零件需批量生产，为中小型铸件，查铸造工艺设计手册表2-1采用手工造型，砂型铸造。湿型。表2-1 手工造型造型种类主要特点应用范围 按造型砂型铸造造型操作方便，劳动量少。大、中、小件的大批量，成批量生产。单件生产时应尽量使用车间已有砂型。一箱多铸一个沙箱内，同时做几个铸件。节

10、约金属和工时。用于小件，多是潮模。迭箱造型将几个甚至几十个造型，重叠起来浇注。节约金属和生产面积，对小件便于浇注。用于中、小件。特别是小的铸钢常用此法，用于潮模，半干模、干模水玻璃砂等劈箱造型将模箱和砂箱分成相应的几块，分别造型，造型方便，便于烘干，起重方便合型时便于检查铸型内部尺寸，制造模型工作量大，对砂箱等工艺装备精度要求高，砂箱一般必须刨口。用于大型、复杂的铸件。如车床床身。适用于大批量生产。3.2浇注位置的选择浇注位置选择原则：1）浇注位置应有利于所确定的凝固顺序，而且要有利于铸件的补缩以及冒口的安放2）铸件的重要部分应尽量置于下部3）重要加工面应朝下或呈直立状态4）应使铸件的大平面朝

11、下5）应保证铸件能充满6）应使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致综上所述：下型冷却速度快，上型冷却速度慢，气孔、缩松、缩孔等缺陷大部分存在上型，故决定把浇注口设在铸件最底部，并同时开设两个浇注口，减少浇注时间。金属液从下往上累积，直到金属液充满整个型腔，此时，型腔内金属液的温度相差不大，从而达到同时凝固的目的，减少缩松、缩孔、气孔等缺陷。另外，金属液从上往下浇注，选用此浇注位置，减少了流动的金属液对造好的型砂的破坏。浇注位置示意图如图3-1图3-1 浇注位置示意图3.3分型面的选择3.3.1分型面设计选择分型面选择原则：1）应使铸件全部或大部置于同一半型内2）应尽量减少分型面的的数目3）分

12、型面应尽量选用平面4）分型面通常选在铸件的最大截面处，尽量不使砂箱高5）分型面应尽量平直6)尽量使铸件重要加工面与加工基准面置于同一砂箱3.3.2确定方案方案：如图1，以齿轮中间平面为分型面，且为最大截面。此方案采用了分模造型，将模样最大截面处均分为两半，型腔分别位于上、下两个半型内，上下砂箱对称分布，造型简单，节省工时。以此平面为分型面，方便型芯的取放，定位，容易保证浇注质量，减少不必要的缺陷。但是铸件易产生错型缺陷。考虑到中间孔可以通过加工余量、型芯矫正，六个减轻重量小孔属于非加工面，无关紧要。方案：如图1，以顶面为分型面，采用了整模造型，型腔全部在下半型内，上半型无型腔，造型简单，铸件不

13、会产生错型缺陷；铸件在同一型腔内，铸件质量得到保证；但是以此平面为分型面，需要添置活块，放置在型腔中的型芯不易取出，容易破坏砂型，妨碍起模，不能保证尺寸精度。方案：如图1，以通过轴孔中心线为的平面为分型面，采用了分模造型，如同方案二，放置在型腔中的型芯取不出，容易破坏砂型，妨碍起模，不能保证尺寸精度，同时，容易产生错型缺陷，不易保证精度。综上，选择方案。铸件分型面示意图如图3-2 图3-2 铸件分型面示意图第4章 零件的铸造工艺参数确定4.1机械加工余量机械加工余量是指在铸件加工表面上留下的、准备用机械加工方法切去的金属层的厚度，目的是获得精确的尺寸和光洁的表面，以符合设计的要求。 铸件加工余

14、量的大小，要根据铸件的合金种类，生产方法，尺寸大小和复杂程度，以及加工面的要求和所处的浇注位置等因素来确定。二级精度灰铸铁件 的机械加工余量查材料成型技术基础表 1-6 得。表 1-6 二级精度灰铸铁件机械加工余量（mm）铸件最大尺寸浇注位置公称尺寸5050-120120-260120-260顶面4.05.04.55.05.05.5底，侧面3.04.03.54.04.04.5考虑到铸件气孔、缩松、缩孔等缺陷的影响，查表得，铸件的加工余量为：顶面5mm ，侧面3mm， 底面3.5mm， 如图 4-1 所示。图 4-1 铸件加工余量示意图4.2铸件最小壁厚 为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄

15、。铸件的最小允许壁厚与铸造的流 动性密切相关。在普通砂型铸造的条件下，铸件最小允许壁厚见铸造工艺设计手册表2-1。表 2-1. 铸件最小允许壁厚引材料铸件轮廓尺寸/mm200x200 以下200x200500x500500x500 以上铸钢810121520铸铁566101520球 墨 铸 铁612查得灰铁铸件在 100200mm 的轮廓尺寸下，最小允许壁厚为 56mm。由零 件图可知，零件中不存在壁厚小于设计要求的结构，在设计过程中，也没有出现 壁厚小于最小壁厚要求的情况。表 2-1. 铸件最小允许壁厚引材料铸件轮廓尺寸/mm200x200 以下200x200500x500500x500 以

16、上铸钢810121520铸铁566101520球 墨 铸 铁6124.3最小铸出孔的确定查材料成型技术基础表 1-7 可知，对于成批量生产的灰铁铸件来说，最小铸出孔的直径为 1530mm，在零件上，最小的孔径为 26mm，可以选择铸出，也可以选择机加工出来。但考虑到一个齿轮六个孔，成批量制造齿轮，从经济的角度分析，该孔选择铸出。表1-7 铸件毛坯的最小铸出孔生产批量最小铸出孔直径d灰铸件铸钢件大量生产1215-成批生产15303050单间、小批量生产3050504.4起模斜度的确定 为了在造型和制芯时便于起模而不致损坏砂型和砂芯，应该在模样或芯盒的出模方向带有一定的斜度。如果零件本身没有设计出

17、相应的结构斜度时，就在铸型工艺设计时给出起模斜度。在铸造工艺图上，加工表面的起模斜度应结合加工余量直接表示出，而不加工面的斜度（称之为结构斜度）仅用文字注明即可齿轮的顶面，底面，齿面及最中间孔面都是加工面，有加工精度要求，故起模斜度结合机械加工余量直接表示出。齿轮上六个减轻重量的小孔无需加工，但优化后的小孔设计了结构斜度，易于起模，故也不需要表示。4.5铸铁的铸造收缩率 铸件在冷却和凝固过程中，体积一般都要收缩。由于铸件的固态收缩(线收缩）使铸件各部分的尺寸小于模样原来的尺寸，为了使铸件冷却后的尺寸与铸件 图示尺寸一致，则需要在模样或者芯盒上加上其收缩的尺寸。增加的这部分尺寸 为铸件的收缩量，

18、一般用铸造收缩率表示：k=(L 模样一 L 铸件)/L 铸件 X 100%式中：L 模样模样尺寸；L 铸件铸件尺寸。 铸造收缩率主要和铸造合金的种类及成分有关，同时还取决于铸件在收缩时受到阻碍的大小等因素。由材料成型技术基础表 1-2， 可知， 本设计中选用中小型灰铸铁件受阻收缩， 其收缩率为 0.9%。表1-2 铸件收缩率合金种类铸造收缩率%自由收缩受阻收缩灰铸铁、中小型铸件1.00.9中大型铸件0.90.8特大型铸件0.80.7筒型铸件、长度方向0.90.8直径方向0.70.54.6型芯及型芯头的确定型芯主要靠芯头固定在砂型上，对于垂直砂芯，为了保证其轴线垂直、牢固的固定在砂型上，必须有足

19、够的芯头尺寸。对于水平砂芯，必须有足够的芯头长度，以承受砂型的重力和金属液的浮力。芯头与芯头座之间应有适宜的间隙，以使砂型与砂芯的装配，但又能确保铸件的尺寸精度。经过仔细分析，决定采用垂直芯头。如图4-64.6.1砂芯尺寸的确定 根据铸件浇注位置、分型面以及内腔的形状，确定在此铸件中只需设计一个砂芯就可达到铸造工艺要求，即中间孔需要型芯。其他孔及凹槽采用自带型芯。查铸造工艺设计表1-31、表1-32、表1-33得表1-31 垂直芯头高度和芯头与芯座的间隙L砂型类别D（铸件轴孔大小）5051100SHSH50湿型0.215200.330干型0.20.5自硬型0.20.551100湿型0.2253

20、00.32530干型0.20.5自硬型0.20.5表1-32 垂直芯头顶面与芯座的间隙间隙砂型类别D(铸件轴孔大小)5051100S2湿型00.5干型0.51自硬型0.51表1-33 垂直芯头斜度芯头位置芯头高度h、h140mm4163mm64100mm100mm芯头斜度上芯头1/（）1010881/mm7111423下芯头1/）77661/mm581117经查表查得：h=h1=25 s=0.2 1=10 =5 s2=0 图4-6 垂直芯头的摆放、尺寸及间隙大小示意图4.6.2芯骨对于小砂芯或砂芯的细薄部分，通常采用易弯曲成形、回弹性小的退火铁丝制作芯骨，可防止砂芯在烘干过程中变形或干裂。由于

21、本设计中砂芯没有细薄 部分，所以芯骨的设计可以不考虑。4.7浇注系统 浇注系统是砂型中引导液态合金流入型腔的通道。生产中常常因浇注系统设计安排不合理，造成砂眼、夹砂、气孔、粘砂、缩孔、缩松、浇不足、变形、 裂纹、偏析等缺陷。浇注系统与获得优质铸件，提高生产效率和降低铸件成本的 关系是密不可分的。常用的浇注系统大多由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等 部分组成。本设计采用浇口杯。4.7.1 冒口的设计 常见的铸造缺陷如缩孔、缩松、裂纹等都与铸件的凝固和收缩有关，在铸件的厚实部位常设置冒口，并按顺序凝固原则使冒口最后凝固。灰铸铁的结晶范 围窄，更接近于层状凝固。凝固时的膨胀和液态收缩趋于相互补偿。故

22、灰铸铁件 补缩所需要的铁水的量少，铸型刚度要求较低，一般灰铸铁件可不设置冒口。4.7.2 浇道的设计浇注系统截面的选择：如铸造工艺设计手册表 2-8 示。表2-8. 浇注系统截面浇注系统分为开放式，封闭式，半封闭式，封闭一开放式几种类型，由于 铸件的材质为灰铁，要求浇注系统撇渣能力较强，铁水充型平稳，所以，选择半 封闭式浇注系统， F 横F 直F 内，F 内为控流断面。浇注开始时液态金属很快充满 浇注系统，铸件成品率高，撇渣能力较强，浇注初期也有一定的撇渣能力13结论通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关铸造方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检

23、查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。过而能改，善莫大焉。在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟这种方法，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。同时，设计让我感触很深。使我对抽象的理论有了具体的认识。通过这次课程设计，我掌握了砂型铸造的原理和方法，了解了分型面的选用原则以及如何进行工艺设计等等。我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很