右铰接支架铸造工艺设计

/华中科技高校专业课程设计报告题目：右铰接支架铸件工艺设计学院：班级：分组组别名：组员：评分：评分人：目录任务书 3摘要 41. 零件分析 51.1. 设计要求 51.2. UG三维设计 51.1. 材料信息 61.2. UG厚度分析 62. 铸造方案确定 72.1. 造型方法 72.2. 金属合金球化与孕育处理 82.3. 分型面 82.4. 浇注位置确定 93. 铸造工艺参数设计 103.1. 铸件尺寸公差 103.2. 铸件重量公差 113.3. 机械加工余量 113.4. 铸造收缩率 123.5. 起模斜度 123.6. 最小铸出孔 123.7. 铸型、砂芯设计 133.7.1. 铸型设计 133.7.2. 砂芯设计 154. 浇注系统设计 164.1. 浇注温度 164.2. 浇注时间 164.3. 浇道截面积计算 174.3.1. 方案一 174.3.2. 方案二 195. 数值模拟与工艺优化 205.1. 模拟条件及材料物性参数 205.2. 铸件模拟 215.3. 冒口设计 225.4. 方案设计与优化 225.4.1. 方案一 225.4.2. 方案一优化设计 245.4.3. 方案二 255.4.4. 比较总结 266. 砂箱设计 276.1. 设计原则 276.2. 尺寸设计 277. 铸件清理 308. 铸造工艺卡 328.1. 方案一 328.2. 方案二 339. 总结 3310. 参考文献 3411. 附图 34

任务书设计题目和总体目标设计题目：右铰接支架的铸造工艺设计总体目标：运用UG、ProE等三维软件建立三维几何模型和铸造工艺，然后运用华铸CAE进行模拟，写出一个分析报告，进行答辩。设计任务和要求设计该零件的铸造生产工艺，编制其铸造工艺卡片，主要内容包含：铸件重量的计算、铸造合金确定、铸造方式的选择；工艺方案的确定：分型面的确定、加工余量的设计、浇注系统的设计和计算（压头计算、浇注时间的计算和确定、浇注温度的确定、直浇道的设计和面积计算、横浇道的设计和面积计算、内浇道的设计和面积计算等）、冒口的设计、冷铁的设计、砂芯的设计、型板的设计、外模和芯盒（砂芯模具）的设计（可选做），砂箱的设计等；铸件毛坯和工艺的二维工艺设计（红蓝铅笔在打印的图纸上画）；铸件毛坯和工艺的三维CAD设计（可选用任三维造型软件制图）；铸件工艺的CAE分析（在材料学院机房采纳华铸CAE进行模拟分析）；铸件工艺方案的确定，铸造工艺卡片的编制；分组进行设计，3-5人一组，要求每组每人至少提出一种工艺方案；采纳模拟软件进行工艺优化，每组确定一种可行的工艺方案；撰写专业课程设计报告；最终提交的材料包含：（1）专业课程设计报告电子文档和纸质材料各1份；（2）铸件毛坯及工艺3D造型文件、STL文件；（3）铸件毛坯及2D工艺纸质材料附录在报告后。

摘要（简要描述本专业课程设计的内容，过程，取得成果等）本次设计中，我们的任务是右铰接支架铸造工艺方案的设计，目的是通过对铸造工业设计方案的探究，得出一个比较合理的设计方案。首先针对铸件的结构和铸造工艺性进行分析，选择合适的铸造方案，并进行铸造工艺参数设计和工艺方案的初步确定，最终通过数值模拟软件对方案进行模拟分析，并进行优化设计。最终对各种方案进行比较，得到合理、可行的铸造工艺方案。设计过程中我们主要针对浇注位置和冒口形式的不同提出了三种方案，通过数值模拟后对方案进行比较，我们选择出了最佳设计方案【关键字】右铰接支架铸造工艺数值模拟

未注铸造圆角R3未注壁厚及筋厚均为10制造拔模斜度不大于3°铸件表面应当光滑，去除毛刺和锐边，且不允许有砂眼、气孔、夹渣等明显的铸造缺陷漆以CA/C202乙按Q/CATBD12利用UG对零件进行三维造型得到如图1-1所示的图形：图1-1右铰接支架的三维造型图主要的参数见表1-1：表1-1右铰接支架的参数表名称右铰接支架外形尺寸424.5×363×152.5mm材料QT450-10（铁素体型）表面积2922.15cm²密度7.3g/cm3最大尺寸424.5mm体积1580.4cm3运用场合驾驶室质量11.537kg生产性质大批量材料名称：球墨铸铁（铁素体型）；牌号：QT450-10；标准：GB/T1348-2009(代替GB/T1348-1988）；化学成分：表1-2；表1-2QT450-10化学成分表碳C硅Si锰Mn硫S磷P镁Mg稀土Re碳当量3.70～4.00%2.15～2.93%0.46～0.66%0.010～0.016%0.027～0.035%0.027～0.050%0.026～0.043%4.3～4.6力学性能：表1-3；表1-3QT450-10力学性能表抗拉强度σb(MPa)条件屈服强度σ0.2(MPa)伸长率δ(%)硬度≥450≥310≥10160～210HB平均厚度9.46782，最大厚度23.3833mm，主体厚度余10～15mm，零件的厚度分布较为匀称，属于薄壁零件。壁厚分析如下图1-2：图1-2UG检查壁厚的分析球铁件的铸造工艺比较广泛，查相关资料可知，造型方法的选用原则为：（1）手工造型优先选用一般粘土湿砂型，这是由于一般粘土的吸湿性和修补性好。生产中小型铸件，无论从成本，环保，生产率考虑，湿型都是最有优势的。当湿型不能满意要求时在考虑运用表干砂型，干砂型或其它砂型。（2）造型方法及造芯方法的选择应和实际生产相适应。（3）造型方法应适应工厂条件。（4）要兼顾成本。目前，汽车、拖拉机、采油机等工业中，质量在300-500kg以下的薄壁铸铁件，目前均已胜利的采纳湿型铸造，湿型砂造型也是运用最广泛、最便利的造型方法，大约占全部砂型运用量的60%-70%。由于该零件属于中小型铸件，因此可以选用湿型砂型铸造，考虑到石墨的自补缩作用和削减缩孔、缩松等缺陷，须要砂型紧实度高，强度硬度高，故选用高压造型机，也可以满意批量生产的要求。造型方法：湿砂铸造，高压造型球墨铸铁须要在浇注前向铁液中加入纯镁或稀土镁合金，以阻挡铁液结晶时片状石墨析出，促进球状石墨生成。我国常采纳的球化剂有镁、稀土或稀土-硅铁-镁合金三种，纯镁的球化作用很强，球化率很高，但是纯镁又是剧烈阻碍石墨化的元素，有增大铸铁白口化的倾向，而且纯镁的沸点较低加入铁液中沸腾飞溅，烧损严峻。我国目前广泛应用的球化剂是稀土-硅铁-镁合金。主要成分为ωRe=17%～25%，ωMg=3%～12%，ωSi=34%～42%，ωFe=21%～22%。采纳这种球化剂时，由于镁含量低，球化反应平稳，通常采纳冲入法，即将球化剂放入浇包中，然后冲入铁液使球化剂渐渐熔化。孕育处理中，考虑到铋和稀土或钙复合可以显著增加石墨球数，适用于铸态薄壁铁素体球墨铸铁件，该铸件正是铸态铸态薄壁铁素体球墨铸铁件，故孕育剂选用铋。球化处理剂：稀土硅铁镁合金，冲入法孕育处理剂：铋分型面的选择原则有：1) 应保证模样能顺当的从铸型中取出2) 应尽量削减分型面的数量3) 应尽量使分型面是一个平直的面4）尽量将铸件全部或大部分放在同一个半型内依据选择原则和零件的特点，提出以下两种方案方案一:三箱造型（图2-1）图2-1三箱造型分型面优点：分型面均是平面，不须要设计砂芯，工艺较为简洁缺点：分型面较多，不易保证铸件精度；多个分型面不利于提高生产效率，假如是手工单件生产比较合理，方案二：两箱造型（图2-2）对于该铸件，我们提出了如图2-2所示的平面分型方式，在铸件的左侧设计砂芯。假如分型面设置在最大截面处，并且基准平面均位于下型，虽然分型面有错箱误差，分型面处会有痕迹，但对铸件的尺寸精度影响不大。图2-2两箱造型分型面优点：相比于三箱造型，分型面较少，加工基准面都位于下型，有利于提高加工精度，同时可采纳机械造型，提高生产效率。缺点：须要设计砂芯综上所述：我们选择两箱造型的分型面浇注位置是指浇注是铸件在铸型中所处的位置。选择浇注位置时，以保证铸件质量为前提，同时尽量简化造型工艺和浇注工艺。确定浇注位置是应考虑一下原则：铸件的重要部分应尽量置于下部重要加工面应朝下或呈直立状态使铸件的大平面朝下，避开夹砂结疤类缺陷应保证铸件能充溢应有利于铸件的补缩应是合箱位置合理、浇注位置和铸件冷却位置相一样由于本铸件壁厚较匀称，在选择浇注位置时主要保证铸件的重要部位、受力部位和主要加工面等位于下箱，此铸件上凸台，吊耳，以及端部等为重要部位，将内浇口位置选择在支架大平板的侧面，且选择在没有吊耳的一面，接近最大壁厚处，侧面较平整，便于精整，浇注位置和内浇口位置如图2-3所示：图2-3浇注位置查《铸造手册—铸造工艺》表3-40、3-41，铸件材料为球墨铸铁，采纳砂型机器造型，选择公差等级为CT10，主要尺寸公差数值为2.2mm查《铸造手册—铸造工艺》表3-44，质量公差的选择应当和尺寸公差相对应，故质量公差为MT10，该铸件质量上下偏差之和为12%。查《HB6103-2004铸件尺寸公差和机械加工余量》附录表B.1，铸造工艺为砂型机械造型，选择等级F级，零件最大尺寸为424.5，故加工余量为3mm。查《铸造手册—铸造工艺》表3-50，铸件为铁素体球墨铸铁，收缩形式为受阻收缩：取0.9%。查《铸造手册—铸造工艺》表3-54，选择铸件起模斜度选择为1°查阅《铸造手册--铸造工艺》表3-77，故零件除了直径100的孔外，其余的孔均不须要铸造出来。总结：加入机械加工余量和起模斜度之后铸件的信息为：密度=7.3kg/cm3体积=1759270mm3面积=295945mm2质量=12.8kg由于铸件的较小，因此我们选用了一箱两件的铸造工艺。（1）吃砂量查《铸造手册--铸造工艺》表3-37，依据铸件确定吃砂量。吃砂量：铸件质量为13kg，故a=60，b=60，c=40，d=50，e=50，f=30(2)平均水安静压头H均铸件全部位于下型时的平均静压头高度由《铸造手册第五卷铸造工艺》表3-135查出：铸件高度为145mm，上砂型高度为150mm，故H均=30cm。（3）铸型尺寸将吃砂量以及平均水安静压头的尺寸结合，最终确定铸型的尺寸如图3-1所示。方案一方案二图3-1铸型尺寸（1）尺寸设计砂芯主要用来形成铸件的内腔、空洞和凹坑，在浇注时，它的大部分或部分表面被液态金属包围，经受金属液的热作用和机械作用剧烈，排气条件差，出砂及清理困难。因此，对砂芯的性能要求一般比型砂高。因此我们选用了树脂砂芯。其尺寸信息如图3-2所示。水平芯头以及间隙尺寸如图3-3所示：图3-2砂芯图3-3水平芯头和间隙尺寸（2）排气设计由于砂芯外形比较简洁，所以通气针扎出排气道即可。依据球墨铸铁的常用浇注温度，该铸件的浇注温度限制在1350℃左右。由于在球墨铸铁球化、孕育处理过程中要加入确定的球化剂，因此为了保证球化孕育的效果（球化剂的熔化），浇注温度不能太低。但是另一方面避开球化衰退、孕育衰退、石墨漂移等缺陷，浇注温度不能太高。综上所述，铁液处理温度限制在1420～1460℃。球墨铸铁的浇注时间可依据灰铸铁件浇注时间计算公式确定浇注时间，然后削减1/2～1/3。灰铸铁浇注时间计算公式为t=SG，故球墨铸铁t=式中t——浇注时间G——型内金属总重量，包括浇冒口系统S——系数，取决于铸件壁厚，可由表查出G：在浇注系统尺寸计算中，须要知道充入型腔内金属液的重量。由于浇冒口系统重量计算困难，所以可以通过工艺出品率来进行估算。工艺出品率铸件的工艺出品率查《铸造手册第五卷铸造工艺》表3-138，工艺出品率取70%，铸件质量为13Kg，故单件生产总重量G=18.6kg：两件生产总重量G=37.2kgS：查《铸造手册第五卷铸造工艺》表3-129，铸件主要壁厚为10mm，故S取2.2将G和S的数值带入公式单件生产：t=铸件浇注时间为5s两件生产：t=铸件浇注时间为7s铸件采纳的是封闭、顶注式浇注系统，首先依据奧赞公式计算最小阻流截面积。奧赞公式：F式中F阻——最小阻流截面积，对于封闭式浇注系统，为内浇道截面积t——浇注时间，5sG——型内金属总重量，包括浇冒口系统ρ——铸件密度，7.3g/cm2g——重力加速度，9.8m/s2H均——平均计算静压头μ——流量系数流量系数μ值：查《铸造手册第五卷铸造工艺》表3-127和3-128初步确定为0.42，修正之后最终确定值为0.7。将数值带入公式：F查《铸造手册第五卷铸造工艺》表3-152常用球墨铸铁浇注系统尺寸表，得出内浇道、横浇道、直浇道的尺寸信息，如图4-1所示：内浇道两个，a=28，b=26，c=9，内浇道截面积为4.8；横浇道a=24，b=18，c=26，横浇道截面积5.4；直浇道d=29，横浇道截面积6.3；图4-1方案一浇道截面积浇口杯尺寸选择浇口杯尺寸浇口杯直径(或宽度)至少要比金属液流直径大一倍;其顶部宽度要比直浇道直径大一倍;沿浇注方向的长度要两倍于宽度;而深度可等于宽度;浇日杯中容纳的金属液量应比直浇道的容量大。中、小型浇口杯的尺寸可依据直浇道直径或铸件重量，用查表法确定。确定一般漏斗形浇口杯依据《铸造手册第五卷铸造工艺》表3-217选出浇口杯尺寸，如图4-2所示：图4-2浇口杯计算方法和方案一相同，干脆写出计算结果：(1)F(2)内浇道、横浇道、直浇道的尺寸信息，如图4-3所示：内浇道一个，a=38，b=35，c=11，内浇道截面积为3.84；横浇道a=23，b=15，c=25，横浇道截面积4.8；直浇道d=27，横浇道截面积5.7；图4-3方案二浇道截面(3)浇口杯尺寸选择，图4-4图4-4浇口杯本设计运用华铸CAE铸造工艺分析软件，模拟了球墨铸铁QT450-10湿型铸造金属液的充型和凝固的过程，并依据软件所预料的铸件上缩孔、缩松等铸造缺陷的分布状况，对浇注方案及冒口进行优化整改，最终尽可能削减铸造缺陷。模拟条件及材料物性参数参见表5-1。表5-1材料物性参数及模拟条件材料物性参数铸件（QT450-10）空气铸型（湿型）密度（g/cm3）7.30.001211.600000导热系数（cal/s·m·℃）0.0650970.0000620.001680热容（cal/g·℃）0.1844220.240.270000初始温度（℃）135020.020模拟条件浇注温度（℃）1350．0环境温度（℃）20.0临界固相率0.70潜热（cal/g）55.0液相线（℃）1209.680054固相线（℃）1086.829956热辐射系数0.375000液相收缩率（1/℃）0.000040相变收缩率0.010000只对铸件进行纯凝固CAE模拟，找出缩孔、缩松集中的地方，找寻铸件的热节，然后在热节附件添加冒口工艺。模拟结果如图5-1所示。从模拟的凝固过程以及图5-1中我们可以看出，铸件的热节也就是缩松缩孔集中的部位有两处。为了后续探讨的便利，我们将这两个部位分别命名为“热节1”和“热节2”，我们在工艺设计过程中在这两个部位设计了冒口，来对铸件进行补缩。热节2热节1热节2热节1图5-1注：图中，紫红色部分表示的是缩松缺陷，黑色部分表示的是缩孔缺陷。球墨铸铁具有糊状凝固的特性，易产生分散性缩松，对于湿型铸造模数Mc=0.48~2.5cm的球墨铸铁件，可以设计限制压力冒口。限制压力冒口：浇注结束后，冒口补给铸件的液态体收缩，在铸件发生共晶膨胀初期冒口颈畅通，可使铸件内铁液回填冒口以释放“压力”，应用合理的冒口颈尺寸，使共晶膨胀未结束之前冒口颈就适时地冻结以限制回填程度，或者以确定的暗冒口容积限制回填程度，利用部分共晶膨胀在铸件内建立适度的内压以抵消二次收缩缺陷，从而获得既无缩孔和缩松，又能避开胀大变形的铸件。冒口以暗边冒口为宜，安放在铸件的厚大部位。下面利用模数法对冒口尺寸进行计算：M冒=1.2M，M颈=0.67M冒热节一：可采纳圆柱形暗冒口对其进行补缩。利用UG分析出体积和散热表面积，求出模数M1V1=132cm3S1=224cm2M1=V1/S1=0.59cmM冒1=0.7cmM颈1=0.67M冒1=0.48cm查阅《铸造手册第五卷铸造工艺》表3-250：M冒1=0.83，d=h=50mm。热节二：用一个暗冒口对其进行补缩：V2=124cm3S2=176.33cm2M2=V2/S2=0.7cmM冒2=1.2M2=0.84cmM颈2=0.67M冒2=0.56m查阅《铸造手册第五卷铸造工艺》：圆柱形冒口：M冒1=0.83，d=h=50mm腰形暗冒口：M冒2=1.12cm，a=50mm，b=h=75mm一箱两件，采纳顶注式浇注系统，圆柱形冒口，铸件工艺如下图所示：图5-2利用华铸CAE对该铸造方案进行模拟，模拟结果如图5-3所示：图5-3注：图中，紫红色部分表示的是缩松缺陷，黑色部分表示的是缩孔缺陷。从模拟结果中可以看出，铸件基本上没有大面积的缺陷，只有少量的缩松和一点缩孔。“热节2”处的冒口颈处有少量的缩孔。从充型凝固过程来看，产生缺陷的缘由是冒口的补缩距离不够。冒口颈过早的凝固。针对在这种缺陷我们进行了方案的进一步改进。“热节1”处，我们将冒口改到中间位置后，缺陷消逝。而对于“热节2”的缩孔，通过增加冒口的高度以及变更冒口的位置都没有较大的改善，所以我们将冒口的形式修改为腰形暗冒口，从而得到了方案一的优化设计方案。采纳顶注式浇注系统，针对方案一进行改进。“热节1”处圆柱形冒口据中间，“热节2”处设置腰形暗冒口。如图5-4所示。图5-4利用华铸CAE对该铸造方案进行模拟，模拟结果如图5-5所示：图5-5注：图中，紫红色部分表示的是缩松缺陷，黑色部分表示的是缩孔缺陷。从上图中可以看出，铸件几乎没有缩孔缩松，保证了铸件重要受力面和加工面的精度和性能。相比于方案一，铸件的质量改善。采纳底注式浇注系统，单件生产，冒口设计同方案二，如图5-6。图5-6利用华铸CAE对该铸造方案进行模拟，模拟结果如图5-7所示：图5-7注：图中，紫红色部分表示的是缩松缺陷，黑色部分表示的是缩孔缺陷。从图5-7中可以看出，铸件没有成型缺陷，铸件的质量较好。比较各种浇注系统：（1）顶注式浇注系统：以浇注位置为基准，金属液从铸件型腔顶部引入的浇注系统，其优点是：液态金属从铸型的型腔顶部引入，在浇注和凝固的过程中，铸件上部的温度高于铸件下部，有利于铸件自下而上依次凝固，能够有效发挥顶部冒口的补缩作用。液流流量大，充型时间段，充型实力强。造型工艺简洁，模具制造便利，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理简洁。顶注式浇注系统最大的缺点是，液体金属进入型腔后，从高处落下，对铸型冲击大，简洁导致液态金属的飞溅、氧化和卷入气体，形成氧化夹渣和气孔缺陷。顶注式浇注系统主要用于质量不大，高度不高，形态简洁的中小铸件。（2）底注式浇注系统：内浇道设置在铸件底部。其优点是：1)合金从下部充填型腔，流淌平稳。2）无论浇口多大，横浇道基本处于充溢状态，有利于挡渣。型腔内的气体能顺当排出。这种浇注系统缺点：充型后铸件的温度分布不利于自下而上的依次凝固，减弱了顶部冒口的补缩作用铸件底部尤其是内浇道旁边简洁过热，使铸件易产生缩松、缩孔、晶粒粗大等缺陷。充型实力差，对大型薄壁铸件简洁产生冷隔和浇不足的缺陷。铸造工艺困难，金属消耗量大。底注式浇注系统广泛应用和镁铝合金铸件的生产，也适用于形态困难、要求高的各种黑色金属的铸造。右铰接支架铸件质量较小，属于中小型铸件，铸件壁厚较为匀称，铸件高度也较小，采纳顶注式浇注系统，不会对铸型造成很大的冲刷，能够保证铸件满意质量要求。从铸件质量来看，方案一和方案二都能够很好的满意铸件质量的要求。从铸件工艺出品率来看，方案一为75%，方案二为63.8%，虽然方案一是一箱两件的生产，但是底注式浇注系统本身金属消耗量比较大，一般不采纳。综上所述，方案一较好。设计和选用砂箱的基本原则

1)满意铸造工艺要求。如砂箱和模样间应有足够的吃砂量、箱带不阻碍浇冒口的安放、

不严峻阻碍铸件收缩等。

2)尺寸和结构应符合造型机、起重设备、烘干设备的要求。砂箱尺寸、形态是设计或选

购造型机的主要依据。为此。大量生产中应对安排在造型线上生产的全部铸件逐一进行铸造

工艺分析，以确定共用砂箱的尺寸和形态。

3)有足够的强度和刚度，运用中保证不断裂或发生过大变形。

4)对型砂有足够的附着力，运用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂。为此，只在大的砂

箱中才设置箱带。

5)经久耐用，便于制造。

6)应尽可能标准化、系列化和通用化砂箱是用于制作砂型和运输砂型的工艺装备，设计砂箱时必需使砂箱既符合铸造工艺的要求，又符合车间造型和运输的要求。因此，正确的选择和设计砂箱的结构，对保证铸件质量，提高生产效率，降低成本等有重要的意义。上下箱材料均选HT150砂箱的内框尺寸，主要依据零件工艺布置图和吃砂量来确定。然后再依据通用砂箱规格系列表来选择和确定合适的砂箱内框尺寸。砂箱把采纳整铸式，砂箱把和砂箱连接处采纳圆角链接以削减铸造应力等缺陷。砂箱两侧边上边沿打有排气孔，可加快铸造时气体的排出。方案一砂箱内框尺寸为1000×550×350mm。（上下箱高度分别为200和150）如图6-1所示上箱下箱整体装配图图6-1砂箱方案二砂箱内框尺寸为650×550×350mm。（上下箱高度分别为200和150）如图6-2所示上箱下箱整体装配图图6-2砂箱铸件的设计要求中说明，铸件表面应当光滑，去除毛刺和锐边，且不允许有砂眼、气孔、夹渣等明显的铸造缺陷，因此在铸造完成后进行铸件清理必不行少。铸件的清理包括表面清理和出去多余的金属两部分。前者是除去铸件表面的砂子和氧化皮，后者主要是去除浇冒口、飞边毛刺。（1）表面清理：由于铸件较为简洁，故选用抛丸清理，装备选用间歇作业式抛丸清理滚筒（一般用于清理小于300kg、