行星架铸造工艺设计说明书

1、 DATE yy-M-d 21-11-4 DATE yy-M-d 21-11-4铸造工艺课程设计说明书PAGE 21工学硕士学位论文PAGE II铸造工艺课程设计说明书设计题目行星架铸造工艺设计学 院年 级专 业学生姓名学 号指导教师目 录 TOC o h z HYPERLINK l _Toc59545907 摘 要 PAGEREF _Toc59545907 h 5 HYPERLINK l _Toc59545908 1 设计方案 PAGEREF _Toc59545908 h 6 HYPERLINK l _Toc59545909 1.1 零件结构工艺性分析 PAGEREF _Toc5954590

2、9 h 6 HYPERLINK l _Toc59545910 1.1.1 零件基本信息及技术要求 PAGEREF _Toc59545910 h 6 HYPERLINK l _Toc59545911 1.1.2 零件结构组成分析 PAGEREF _Toc59545911 h 7 HYPERLINK l _Toc59545912 1.1.3 零件所用材质性能的分析 PAGEREF _Toc59545912 h 7 HYPERLINK l _Toc59545913 1.2 造型方法与铸型种类选择 PAGEREF _Toc59545913 h 7 HYPERLINK l _Toc59545914 1.

3、2.1 造型方法 PAGEREF _Toc59545914 h 8 HYPERLINK l _Toc59545915 1.2.2 铸造种类 PAGEREF _Toc59545915 h 8 HYPERLINK l _Toc59545916 1.3 砂芯种类与制芯方法的选择 PAGEREF _Toc59545916 h 8 HYPERLINK l _Toc59545917 1.4 分型面和浇注位置确定 PAGEREF _Toc59545917 h 8 HYPERLINK l _Toc59545918 1.4.1 浇注位置的确定 PAGEREF _Toc59545918 h 8 HYPERLINK

4、 l _Toc59545919 1.4.2 分型面的确定 PAGEREF _Toc59545919 h 9 HYPERLINK l _Toc59545920 2 铸造工艺参数的确定 PAGEREF _Toc59545920 h 11 HYPERLINK l _Toc59545921 2.1 尺寸公差和加工余量的确定 PAGEREF _Toc59545921 h 11 HYPERLINK l _Toc59545922 2.1.1 尺寸公差的确定 PAGEREF _Toc59545922 h 11 HYPERLINK l _Toc59545923 2.1.2 机械加工余量等级的确定 PAGEREF

5、 _Toc59545923 h 11 HYPERLINK l _Toc59545924 2.2 机械加工余量和铸件基本尺寸的确定 PAGEREF _Toc59545924 h 12 HYPERLINK l _Toc59545925 2.2.1 机械加工余量的确定 PAGEREF _Toc59545925 h 12 HYPERLINK l _Toc59545970 2.3 收缩率和起模斜度的确定 PAGEREF _Toc59545970 h 13 HYPERLINK l _Toc59545971 2.3.1 收缩率的确定 PAGEREF _Toc59545971 h 14 HYPERLINK l

6、 _Toc59545972 2.3.2 起模斜度的确定 PAGEREF _Toc59545972 h 14 HYPERLINK l _Toc59545973 2.4 最小铸出孔的确定 PAGEREF _Toc59545973 h 14 HYPERLINK l _Toc59545974 3 砂芯设计 PAGEREF _Toc59545974 h 15 HYPERLINK l _Toc59545975 3.1 砂芯材料的选用 PAGEREF _Toc59545975 h 15 HYPERLINK l _Toc59545976 3.2 芯头设计 PAGEREF _Toc59545976 h 15 H

7、YPERLINK l _Toc59545977 4 浇注系统的设计 PAGEREF _Toc59545977 h 16 HYPERLINK l _Toc59545978 4.1 浇注系统的作用 PAGEREF _Toc59545978 h 16 HYPERLINK l _Toc59545979 4.2 浇注系统类型的选择 PAGEREF _Toc59545979 h 16 HYPERLINK l _Toc59545980 4.3 浇注时间的确定 PAGEREF _Toc59545980 h 17 HYPERLINK l _Toc59545981 4.4 阻流元（内浇道）截面的计算 PAGERE

8、F _Toc59545981 h 18 HYPERLINK l _Toc59545982 4.5 浇道的设计 PAGEREF _Toc59545982 h 18 HYPERLINK l _Toc59545983 5 冒口的设计 PAGEREF _Toc59545983 h 19 HYPERLINK l _Toc59545984 6 铸造工艺设备设计 PAGEREF _Toc59545984 h 20 HYPERLINK l _Toc59545985 6.1 工艺装备 PAGEREF _Toc59545985 h 20 HYPERLINK l _Toc59545986 6.2 工艺装备的选用 P

9、AGEREF _Toc59545986 h 20 HYPERLINK l _Toc59545987 6.2.1 模样 PAGEREF _Toc59545987 h 20 HYPERLINK l _Toc59545988 6.2.2 砂箱的设计 PAGEREF _Toc59545988 h 20 HYPERLINK l _Toc59545989 致 谢 PAGEREF _Toc59545989 h 21 HYPERLINK l _Toc59545990 参 考 文 献 PAGEREF _Toc59545990 h 22摘 要铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后

10、得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了制作时间铸造是现代装置制造工业的基础工艺之一。本文主对ZG35CrMo材质行星架零件进行铸造工艺设计，在分析零件结构及材料特性的基础上进行零件的铸造工艺设计，选定了造型、造芯方法，确定了分型面及浇注位置，设计了浇注系统、铸造工艺设备。在采用三维设计软件Creo平台上绘制铸件、砂型、砂芯、装配、等实体图，又采用华铸CAE软件对充型过程进行模拟，根据模拟结果进行铸造工艺优化，以获得最优工艺方案，最终得出零件的铸造工艺设计。关键词：行星架；铸造工艺设计；ZG35CrMo； 设

11、计方案 零件基本信息及技术要求行星架零件图如图1.1所示，图1.1 行星架零件图技术要求：（1）铸造尺寸公差和加工余量按照GB/T6414-2007铸件尺寸公差和机械加工余量的要求执行；（2）铸件不允许有气孔、夹砂、夹渣、疏松等影响使用功能的缺陷；（3）热处理采用淬火加回火。 零件结构组成分析工艺设计零件总高647mm，直径为1260mm的圆形类零件。铸件质量约为1424kg。在结构上有长轴、短轴、上辐板、下辐板、三角形空心柱立筋组成。各个部分相对独立, 下辐板和立筋补缩通道不够顺畅。零件壁厚不均匀，最厚处为91mm，最薄处为40mm，壁厚偏差过大，拐角处壁厚不均匀，导致冷却速度不均匀，易产生

12、热节，又因铸件采用铸钢材料，热烈倾向较大，故需要采取相应措施防止缩松、缩孔、开裂等缺陷。铸件整体有一定的表面精度要求。 零件所用材质性能的分析零件所用材质为ZG35CrMo，化学成分及主要力学性能如表1.1所示。35CrMo合金结构钢，有很高的静力强度、冲击韧性及较高的疲劳极限，淬透性较40Cr高，高温下有高的蠕变强度与持久强度，长期工作温度可达 500；冷变形时塑性中等，焊接性差。低温至-110摄氏度，并具有高的静强度、冲击韧度及较高的疲劳强度、淬透性良好，无过热倾向，淬火变形小，冷变形时塑性尚可，切削加工性中等，但有第一类回火脆性，焊接性不好，焊前需预热至150400摄氏度，焊后热处理以消

13、除应力，一般在调质处理后使用，也可在高中频表面淬火或淬火及低、中温回火后使用。本铸件采用调质处理。表1.1 ZG35CrMo化学成分及力学性能牌号化学成分/%力学性能ZG35CrMoCSiMnSPCrNiMoRr0.2/MpaRm/MpaA%冲击功（-40）/J0.300.370.300.500.500.800.0350.801.200.200.304506451527本铸件要求砂型铸造，单件小批量生产。造型方法根据手工造型和机器造型的特点，手工造型适应各种要求，比较灵活，不要求很多工艺装备，成本小，且该砂芯难以使用造型机，选择手工造型。 铸造种类选用水玻璃砂，吹CO2方法硬化。砂芯选择水玻璃

14、砂。根据零件的各种性能得到制芯方法选择手工制芯。浇注位置的确定逐渐的浇注位置是指铸件在型内所处的位置和状态。确定浇注位置在很大程度上着眼于控制铸件的凝固，实现顺序凝固的铸件可消除缩松、缩孔，保证获得致密铸件。对于合金凝固理论的研究和生产经验，确定浇注位置时应考虑以下原则：（1）铸件的重要位置应置于下部；（2）铸件加工面应朝下或呈直立状态；（3）使铸件的大平面朝下，避免夹砂结巴类缺陷；（4）应保证铸件能充满；（5）应有利于铸件的补缩；（6）避免用吊砂、吊芯、或悬臂芯，便于下芯、合箱及检验；（7）因使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置一致。最终选择的浇注位置如图1.1所示。图 SEQ 图 * ARA

15、BIC 1.1 浇注位置分型面的确定分型面是指两半型相互接触的表面。分型面的确定应该遵循以下原则： （1）应使铸件全部或大部分处于同一半型内；（2）应尽量减少分型面的数目；（3）分型面应尽量选用平面；（4）便于下型、合箱及检查型腔尺寸；（5）不使砂箱过高；（6）受力件的分型面选择不应该削弱铸件结构强度；（7）注意减轻铸件清理和机械加工余量。综合浇注位置及分型面的选择原则初步制定了以下方案，如图1.2所示，图 1.1 分型面方案1采用水平浇注的方式，将铸件正放进行浇注，法兰盘朝下，采用底注浇注系统，2个内浇道，2个暗冒口。浇注时铁液从底面开始充型，充型平稳，没有紊流，而且中心圆柱形型芯通过芯头支

16、撑，整体砂芯易于固定支撑，由于重要（法兰盘）处于底部，凝固后铸件缺陷少。方案2，由于分型面在中间，安放型芯不方便，不容易定位。故最终选择方案1。铸造工艺参数的确定根据技术要求：铸造尺寸公差和加工余量按照表2.1铸件尺寸公差和机械加工余量 GB/T6414-2007的要求执行。表2.1 铸件尺寸公差和机械加工余量 GB/T6414-2007砂型铸造造型方法铸件尺寸公差等级DCTG造型材料钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金轻金属合金镍基合金钴基合金手工造型粘土砂13151315131513151315111313151315化学粘结剂砂12141113111311131012101212141214根

17、据零件尺寸选取铸件公差等级为DCTG13级。 尺寸公差的确定铸件尺寸公差是指允许的铸件尺寸变动量。公差就是最大极限尺寸与最小极限尺寸 代数和的绝对值。铸件尺寸保持在两个允许的极限尺寸之内，就可以满足加工、装配和 使用的要求。 机械加工余量等级的确定加工余量等级由精到粗共分为A、B、C、D、E、F、G、H和J9个等级，根据表2.2选取零件加工余量等级为13级。表2.2 加工余量等级对照表造型材料加 工 余 量 等 级铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁钢合金轻合金金属干、湿砂型131513151315131513151自硬砂111111机械加工余量的确定在毛坯件上为了随后可用机械加工方法去除铸造对金属表面

18、的影响，并使之达到所要求的表面特征和必要的尺寸精度而留出的金属余量。机械加工余量值由精到粗共分为十个等级：A、B、C、D、E、F、G、H、J 和 K级。对于单件小批生产的铸件，不同的加工表面允许采用相同加工余量数值。表2.3 机械加工余量等级及其对应加工余量值铸件公称尺寸铸件的机械加工余量等级RMAG及对应的机械加工余量RMA大于至ABCDEFGHJK-400.10.10.20.30.40.50.50.711.440630.10.20.30.30.40.50.711.42631000.20.30.40.50.711.422.841001600.30.40.50.81.11.52.2346160

19、2500.30.50.711.422.845.582504000.40.70.91.31.82.53.557104006300.50.81.11.52.234691263010000.60.91.21.82.53.5571014100016000.71.01.422.845.541116160025000.81.11.62.23.24.5691318250040000.91.31.82.53.5571014204000630011.422.845.581116226300100001.11.52.234.569121724图3 零件加工余量图表2.4 加工面与加工余量对照表铸造收缩率的定义为：

20、 = ( ） 100% （2-1）式中模样（或芯盒）工作面的尺寸； 铸件尺寸。 铸造收缩率与铸造合金种类、浇冒口系统结构、铸件结构、铸型种类（含砂型和砂 芯的退让性）等因素有关。铸造合金从凝固状态转变为固态会产生收缩；合金的成分与 其含量不同，其收缩率同样会发生变化，这是铸造合金的特性。浇冒口结构阻碍收缩，铸件结构的复杂性，砂型和砂芯的退让性差，都会阻碍到铸件由液态变为固态的收缩。因此，实际的铸造收缩率是由上述各种因素综合形成的。收缩率的确定根据行星架的相关数据得知，收缩率为2%。起模斜度的确定为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。这 个斜度，称为起模斜度。根据

21、铸造手册的表2.5，选取起模斜度为2，铸孔起模斜度为4。表2.5 起模斜度铸孔直径铸 孔 高 度2021404160619091120121150151200201250起 模 斜 度30108315010851708877110077661011306655513116066543043041612005543043044330201250554443303303302513505444330330330335044330330330333查表可知该铸件孔应该全部铸出。表2.6 铸件最小铸出孔尺寸生 产 批 量最 小 铸 出 孔 直 径(mm)灰铸铁件铸钢件大量生产1215成批生产15303

22、050单件、小批生产305050砂芯设计砂芯的功用是形成铸件内腔、孔和铸件外形不能铸出砂的部位。砂型局部要求特殊 性能的部分，有时也用砂芯。 对砂芯的要求主要是：（1）砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置均应保证铸件的形状和尺寸符合要求；（2）具有足够的强度和刚度；（3）在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外；（4）铸件收缩时的阻力小，容易清砂。采用水玻璃砂制作，吹CO2的方法硬化。查铸造手册，可确定1号芯芯头上下分别为65mm、8，35mm、14， 2号芯芯头上下分别为65mm、8，35mm、14，3号芯芯头上下分别为40mm、7，25mm、5。浇注系统的设计浇注系统是铸型中液态金属流

23、入型腔的总称。主要由浇口杯、直浇道、横浇道、和 内浇道4个部分组成。浇注系统设计的合理与否对铸件质量影响很大，大约 30%的铸件废品是由于浇注系统设计不当导致的。设计时应根据铸件的结构特点、合金种类、技术 要求合理地设计浇注系统。设计浇注系统应遵守以下原则：（1）金属液的充型过程中应控制金属液的流动方向和速度，尽可能使金属液平稳， 连续地充满型腔；（2）在合适的时间内充满型腔，避免形成夹砂、冷隔、皱皮等缺陷，保证铸件轮廓 清晰、完整； （3）调节铸型内的温度分布，有利于强化铸件的补缩、减少铸造应力，防止铸件出 现变形、裂纹等缺陷； （4）浇注系统应具备挡渣、溢渣、净化金属液的能力； （5）浇注

24、系统应该结构简单、可靠、减少金属液的消耗，且便于清理。浇注系统的分类方式基本为两种：一种是按照各组元的断面积比例关系不同大致分为封闭式和开放式等浇注系统。故本次浇注方案采 用开放式浇注系统。 另一种是按照内浇道在铸件上的相对位置不同，分为顶注式、底注式、中间注入式 和分层注入式等几种浇注系统。顶注式由于内浇道开在铸件顶部，浇注时液流对铸型底部的冲击力较大，流股与空气接触面积大，金属液会产生激溅、氧化，易造成砂眼、气孔氧化夹渣等缺陷。底注式浇注系统充型时内浇道基本在淹没状态下工作，充型平稳，可避免金属液发 生激溅、氧化及由此形成的铸造缺陷；且横浇道基本处于充满的状态下，有利于挡渣， 型腔内空气容

25、易顺序排出。但内浇道附近容易过热，导致缩孔、缩松和晶粒粗大等缺陷，高大薄壁浇注时金属液面在上升过程中容易结皮，形成浇不到，冷隔等缺陷。中间注入式浇注系统中，对于内浇道以下的型腔来说，相当于顶注式浇注系统；对 于内浇道以下的型腔而言，则相当于底注式浇注系统。因此，兼具两种浇注系统的优缺点。浇注时间公式： 式中：GL型内钢液重量，含胀箱和冒口中重量，胀箱率见表4.1；N同时浇注的漏包数量（个）；n一个漏包内的漏孔数量（个）；q平均浇注流量（kg/s)。表 4.1 不同漏孔直径浇注流量q平均值漏孔直径d/mm303540455055607080100流量q/（kg/s）102027425572901

26、20150195实选漏孔直径为55mm的浇包，可计算浇注时间：t=1637根据钢液液面在型腔内的上升速度校验浇注时间是否合适。液面上升速度太慢，可能产生氧化膜或结壳，易产生冷隔、皱皮；型腔顶面和侧面因长时间受钢液烘烤，容易开裂、掉砂、脱壳，易产生夹砂、粘砂、结疤，验算方法如下：v=Ct 式中：v钢液在型腔内的上升速度(mm/s)；C铸件在型腔内的高度(mm)；t浇注时间（s）。将以上两式联立得： v=CNnqGL 可得浇注速度约为23mm/s。经表4.2可知上升速度满足表中所规定的数值，故所选定的漏孔直径和数量是合适的。表4.2 钢液在型内的最小允许上升速度铸件浇注重量GL/t51515353

27、56565100100铸件结构允许最小上升速度v/(mm/s)复杂结构252016141210中等复杂结构2015121098简单结构15108876上一节已选定漏孔直径为50mm，则浇包漏孔总截面积为1962.5mm2。按表4.3里的关系式计算浇注系统各单位的总截面积。表4.3各浇道截面积选取A 位置数量/个面积截面直径包口11962.5 mm250直浇道13925 mm270横浇道13532.5mm268内浇道24906.25 mm256冒口的设计设置冒口/常用的铸造工艺措施，主要用于防止缩松、缩孔、裂纹和变形等铸件缺陷。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液，用防止缩松

28、、缩孔、排气和集渣的作用。审查铸件图，可发现在长轴与上辐板交界处易产生热节，需要安放冒口进行补缩。铸件模数计算： 式中：a长轴厚度；b长轴高度；c长轴与辐板交界处厚度。计算得铸件模数为4.59cm。冒口模数M冒=1.2M件=1.2*4.59=5.5cm。依工厂暗冒口的形状和冒口尺寸、重量、模数表，查得M冒为5.5cm时，冒口尺寸B=240mm，A=480mm，H=310mm，每个冒口重320千克，拟采用两个冒口。工艺出品率计算，铸件重量/浇注金属液重量。计算可得工艺出品率为61%。铸造工艺设备设计铸造工艺装备是造型、制芯、合箱及浇注过程中使用的模具和装置的总称，铸造工 装设计对于保证铸件质量，

29、提高劳动生产效率，减轻劳动轻度起很大作用。设计工装设 备既要满足工艺要求，又要便于加工制造。模样模样用来形成铸型的型腔，是砂型铸造中不可缺少的工艺装备。模样的设计质量， 不仅关系着铸件的几何形状、尺寸精度和表面质量，而且直接地影响着模样制造工艺、 经济性、模样的使用性能与寿命。因此，模样材料的选择与形状尺寸的确定都极为重要。 本次工艺中设计模样形状如图 4所示：图 3 模样图砂箱的设计砂箱是铸造车间造型所必需的工艺装备，用于制造和运输砂型，砂箱结构要符合造 型、运输设备的要求。正确地设计砂箱的结构和尺寸，对于保证铸件的质量，提高生产 效率，减轻劳动强度以及保证生产安全，都有重要的意义，根据吃砂量及工厂常用砂箱尺寸，上箱选用1500mmx1500mmx700mm，下箱选用1500mmx1500mmx600mm的砂箱。致 谢本文是在李俊刚教授的悉心指导下完成的。在铸造工艺的选择分析、设计上无不倾注着李俊刚教授的心血。李俊刚渊博的知识、严谨的治学态度、诲人不倦的精神、平易近人的人生态度，将使我终生受益。经过本次实践，我铸造工艺设计有了一定的认识，增强了自己的动手