三角皮带轮铸造工艺设计

..三角皮带轮铸造工艺设计摘要皮带轮是带传动构造重要的零件之一，相比拟传统汽车乘用车发动机减震皮带轮,轻型柴油乘用车发动机减震皮带轮既可满足家用轿车发动机上,又可适用大型客车,大型货车,农用车上的发动机上,具有回收循环使用、重量轻、增强发动机的动力、降低油耗等优点。本文依照铸造工艺设计的一般程序对三角带轮进展了分析，从技术条件和构造着手，参考有关铸造手册和分析相关实例，确定了合理的铸造工艺方案，最终完成了其铸造工艺设计，这为我们今后设计铸造工艺奠定了理论和实践根底。1零件概述1.1零件根本信息零件名称：三角皮带轮零件材料：QT450-10产品生产纲领：大批量生产砂箱高度：250三角带轮零件图：图1三角带轮零件图1.2零件构造特征及作用本三角皮带轮采用腹板式构造，构造简单，且是左右上下对称的回转体，易于分型和铸造，大大提高生产效率，重复率高。1.3零件构造审查审查、分析铸件构造时应考虑以下几个方面：〔1〕铸件应有适宜的壁厚，为了防止浇不到、冷隔等缺陷铸件不应太薄。〔2〕铸件构造不应造成严重的收缩阻碍，注意壁厚过渡和圆角。〔3〕铸件壁应薄于外壁。〔4〕壁厚力求均匀，减少肥厚局部，防止形成热节。〔5〕利于补缩和实现顺序凝固。〔6〕防止铸件翘曲变形。〔7〕防止浇注位置上有水平的大平面构造。三角皮带轮零件轮廓尺寸为290mm*290mm*90mm，由"铸造工艺学"表2-1，知：砂型铸造时球墨铸铁铸件最小允许壁厚为4~8mm。而三角皮带轮的最小壁厚为11mm，符合要求。1.4零件技术要求铸造圆角R5，铸造斜度1:20，所有倒角2×45°，铸件除满足几何尺寸精度和材质要求外，没有其它的特殊要求。2铸造工艺方案设计2.1造型、造芯材料及方法零件轮廓尺寸为290mm*290mm*90mm，尺寸较小，属于中小型零件且需要大批量生产。采用湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料本钱低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。因此，采用湿型粘土砂机器造型，模样采用金属模是合理的。在造芯材料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料本钱较低，但是烘干后容易产生裂纹，容易变形。在大批量生产的条件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及保证铸件质量。选择使用射芯工艺生产砂芯，采用热芯盒制芯工艺热芯盒法制芯，是用液态固性树脂粘结剂和催化剂制成的一种芯砂，填入加热到一定的芯盒，贴近芯盒外表的砂芯受热，其粘结剂在很短的时间硬化。而且只要砂芯表层有数毫米的硬壳即可自芯取出，中心局部的砂芯利用余热可自行硬化。2.2浇注位置确实定铸件的浇注位置是浇注状态下铸件在铸型所处的位置。确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的在质量、铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。确定浇注位置时应注意以下几个原则：〔1〕铸件重要局部或主要加工面、耐磨面、受力部位等应位于下部或呈直立状态；〔2〕铸件局部薄壁部位或铸件大平面应朝下；〔3〕有利于铸件顺序凝固和补缩；〔4〕尽可能防止用吊砂、吊芯或悬壁式砂芯；〔5〕通常使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置一致。基于以上原则，铸件浇注位置如图2所示：图2三角带轮的浇注位置2.3分型面的选择分型面是指两半铸型相互接触的外表。分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、本钱和生产率。一般来说，选择分型面时应注意一下原则：1.应使铸件全部或大局部置于同一半型2.应尽量减少分型面的数目3.分型面应尽量选用平面4.便于下芯、合箱和检测5.不使砂箱过高6.受力件的分型面的选择不应削弱铸件构造强度7.注意减轻铸件清理和机械加工量2.4砂芯设计砂芯用来形成铸件腔或外形上有碍起模的局部凸凹部位。设计砂芯总的原则是：铸件腔尺寸准确、通气顺畅、芯盒构造简单。芯头的设计砂芯主要靠芯头固定在砂型上。对于垂直芯头为了保证其轴线垂直、结实地固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸。垂直芯头的设计数据包括上、下芯头高度和芯头斜度、芯头间隙、上部压紧环与下部集砂槽等。详细数据可查标准/T5106-1991。1．芯头高度对于φ60mm的孔，L=90mm，D=60mm，查"铸造工艺学"表6-17知，芯头高度h=25~30mm，取h=30mm。因为带轮的垂直砂芯是上、下对称的，且产品是大量生产的，故上、下芯头可采用一样的高度。对于φ42mm×6均匀分布的孔，L=18mm，D=42mm，查表6-17知，芯头高度h=15~20mm,取h=20mm。2.芯头斜度为防止合型时上芯头和铸型相碰，上芯头和上芯座的应大一些。查"铸造工艺学"表6-18知，上芯头α=10º，下芯头α=5º。3.芯头与芯座间的间隙机器造型时，制芯时间隙一般较小，常用间隙为0.5mm~1mm。4.压紧环湿型铸造时，为阻止金属液沿间隙钻入芯头堵塞通气孔，应在上芯座上安置一圈凸起的砂环，称为压紧环。合型后它能将砂芯压紧，能有效阻止金属液钻入芯头中心通气道中。5.集砂槽集砂槽用来存放遗漏的散落残砂或小砂块，可防止芯头与芯座因残砂垫起而位置不正。集砂槽一般深2~5mm，宽3~6mm，主要用于机器造型。芯头承压面积的核算芯头的承压面积应足够大，以保证在金属液最大浮力作用下不超过铸型许用压应力。芯头的承压面积S应满足S≧k F芯/[σ压]式中，F芯——所要计算的最大浮芯力，应为砂芯所排开金属液的重力〔N〕；K——平安系数，k=1.3~1.5；[σ压]——铸型许用应力〔MPa〕，对于湿型，[σ压]可取〔40~60MPa〕。芯骨设计为了保证砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不开裂、不变形、不被金属液冲击折断，生产常在砂芯中埋置芯骨，以提高其刚度和强度。用水玻璃砂和树脂砂制作中、小砂芯时，通常采用圆钢作为芯骨。砂芯的排气砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中的有机物要燃烧〔氧化反应〕放出气体，砂芯中的剩余水分受热蒸发放出气体，如果这些气体排不出型外，则要引起铸件产生气孔。为此，应采用透气性好的芯砂。砂芯中应开设排气道，芯头尺寸要足够大，以利于气体的排出。可用如下方法开设砂芯排气道：用通气孔、通气模板，用蜡线、尼龙管，用手工开挖法。砂芯负数大型粘土砂芯在春砂过程中砂芯向四周涨开，刷涂料以及在烘干过程中发生的变形，使砂芯四周尺寸增大。为了保证铸件尺寸准确，将芯盒的长、宽尺寸减去一定量，这个被减去的量叫做砂芯负数。因为砂芯负数只用于大型粘土砂芯，本设计中的砂芯为中小型砂芯，故不设计砂芯负数。2.5铸造工艺设计参数铸造工艺参数指铸型工艺设计中需要确定的合理工艺数据，一般包括铸件尺寸公差，机械加工余量，最小铸出孔、槽，起模斜度，铸造收缩率及各种工艺补正量。铸件尺寸公差铸件尺寸公差是指铸件各局部尺寸所允许的极限偏差，铸件生产过程中的很多因素都会影响铸件尺寸公差，同时铸件尺寸公差在一定围会对铸件生产本钱产生极大影响。查"铸造工艺学"表6-1知，大批量生产的球墨铸铁毛坯铸件的公差等级为CT8~CT12，取带轮的公差等级为CT10。机械加工余量机械加工余量指铸件预加工外表上留出为进展最终机械加工所需的金属层厚度。加工余量过大，浪费金属和机械加工工时，增加零件本钱；过小，则不能完全除去铸件外表的缺陷，甚至露出铸件表皮，达不到产品设计要求。查表2-4知，带轮机械加工余量为6.0mm。最小铸出孔查表2-5知，球墨铸铁铸件大量生产时最小铸出孔直径为12~15mm，因为带轮的最小孔直径为42mm，故需要将其铸造出来。起模斜度为使模样容易从铸型中取出或砂芯自芯盒中脱出，不致损坏砂型和砂芯，应该在平行于起模方向上使模样和芯盒壁具有一定的斜度。这个斜度，称为起模斜度。起模斜度应在铸件上没有构造斜度的、垂直于分型面的外表上应用。初步设计的起模斜度如下：外形模的A面〔如图5所示〕，高度为85mm，查"铸造工艺学"表6-11知，粘土砂造型时模样的起模斜度为α=0°30′，a=1.0mm。外形模的B面〔如图5所示〕，高度为2.5mm，查表6-11知，粘土砂造型时模样的起模斜度为α=2°20′，a=0.4mm。腔的C面〔如图5所示〕，高度为90mm，查表6-11知，粘土砂造型时模样的起模斜度为α=0°30′，a=1.0mm。但是同一铸件要尽量选用同一起模斜度，以免加工金属模时频繁更换刀具。且起模斜度应小于或等于产品图上所规定的起模斜度值，以防止零件在装配或中工作与其他零件相阻碍。因为带轮零件图上规定铸造斜度为1:20，腔锥度为1:10，所以选用同一起模斜度为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，故起模斜度的形式选用增加壁厚法。而B面为非加工面，故起模斜度的形式选用加减壁厚法。图5模样起模斜度示意图铸造圆角铸件上相邻两壁间的交接角，应做出铸造圆角，带轮零件图要求铸造圆角为R5。工艺补正量在单件小批量生产中，由于选用的缩尺与铸件的实际收缩率不符，或由于铸件产生了变形等原因，使得加工后的铸件*些局部的壁厚小于图样要求尺寸，严重时会因强度太弱而报废。因此工艺需要在铸件相应的非加工壁厚上增加层厚度称为工艺补正量。但带轮在大批量生产前的小批量试制和试产过程中将进展调整尺寸变化，所以设计中不考虑工艺补正量。铸造收缩率铸造收缩率K的定义是K=〔LM-Lj〕/Lj×100％式中LM——模样〔或芯盒〕工作面的尺寸；Lj——铸件尺寸。通常，灰铸铁K=0.7％~1.0％。分型负数干砂型、外表烘干型以及尺寸较大的湿砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接触面很不严。为了防止浇注时分型面跑铁液，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳或耐火泥条，这样在分型面处明显增加了铸件的尺寸。为了保证铸件尺寸准确，在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。而带轮是湿型且是小型铸件，故不予考虑分型负数。3浇注系统3.1浇注系统类型选择浇注系统分为封闭式浇注系统、开放式浇注系统、半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。因为封闭式浇注系统控流截面积在浇道，浇注开场后，金属液容易充满浇注系统，呈有压流动状态。挡渣能力强，但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。适用于湿型铸件小件。而带轮就是采用湿型的铸件小件，所以选择封闭式浇注系统。3.2浇注系统构造设计采用顶注式浇注系统，浇道设在铸件顶部，金属液由顶面流入型腔。易于充满，有利于铸件形成自下而上的凝固顺序，补缩效果好。浇注系统简单，造型及清理方便，金属液消耗少。3.3浇口位置及数量确实定带轮构造较为简单且是小型件，故每个铸件上只用一个浇道。为了方便造型，浇道开设在分型面上。因为铸件全部位于下箱，这样铸件凝固顺序为由下至上凝固，这样有利于带轮的重要局部先凝固并得到补缩，如此浇道则开设在厚壁处引入金属液，如图6所示。图6浇口位置3.4浇注系统尺寸计算直浇道的位置与高度实践证明，直浇道过低会使充型及液态补缩压力缺乏，容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到、上外表缩沉等缺陷。初步设计直浇道高度等于上沙箱高度250mm。但应检验该高度是否足够。检验依据：剩余压力应满足与压力角的如下关系，即HM≥Ltanα式中HM——最小剩余压力头；L——直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离；α——压力角。查表3-9知，α为6~7，取7°。Ltanα=145×tan7°mm≈18mm因为铸件全部位于下箱，所以剩余压力头HM等于上箱高度290mm，经过验证剩余压力头满足压力角的要求。计算浇注时间并核算金属上升速度根据铸件图计算单个铸件的体积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"铸造实用手册"相关表知，球墨铸铁的密度为7.3g/cm3,则单个铸件的质量m=ρV=3220.6*7.3=23.5kg。带轮大批量生产的工艺出品率约为85%，可估计铸型中铁水总重量GG=23.5/85%≈28kg由"铸造工艺学"知，球墨铸铁铸件的浇注时间t=s1*(δG)1/3=2.0*〔37*28〕1/3≈20s计算铁水液面上升速度ν上升=C/t=90/20mm/s=4.5mm/s核算铸铁液上升速度，由表3-2知，型铸铁液最小上升速度为8~10mm/s，计算值小于核算值。由于此铸件快浇有些困难，工装条件又不允许直立或侧立浇注，便将铸型倾斜15°。此时铸件高度由C〔90mm〕变为C1，C1值可作近似计算：C1=90+290sin15°=165mm，并可求出v≈8.3mm/s。根本上满足了对上升速度的要求。3.4.3计算阻流截面积F查"材料成形工艺"图3-16知，球墨铸铁件流量系数μ=0.6根据水力学计算公式：F阻=G/[0.31τμ(H均)1/2]式中F阻——浇注系统阻流〔最小〕截面积〔cm²〕;G——流经阻流面积的金属液总质量〔kg〕；τ——浇注时间〔s〕；μ——流量系数；Hp——充填型腔时的平均静压头(cm)，对于顶注式H均=Ho，本例中H均=29cm。∴F阻=28/(0.31*20*0.6*(29)1/2)=1.4cm2确定各组元截面积比封闭式浇注系统组元截面比一般为：∑A直：∑A横：∑A=1.15：1.1:13.5浇注系统各单元构造及尺寸浇口杯构造及尺寸浇口杯用来承接来自浇包的金属液并引入直浇道，以防金属液飞溅和外溢，有利于浇注并能别离浮渣和气泡等。因为漏斗形浇口杯构造简单，制作方便，其本身消耗金属液少，主要用于小型铸件，在机器造型中广泛使用，故采用漏斗形浇口杯。其断面形状如图7所示：图7浇口杯截面示意图浇口杯截面尺寸由"铸造技术应用手册"表4-4查得，D1=68mm，D2=64mm，h=52mm直浇道的构造及尺寸直浇道将金属液导入型腔，提供压力头以克制流动阻力充满型腔。直浇道一般为圆形。机器造型机上使用直浇道多是上小下大的倒锥形，这时要靠增加直浇道的出口阻力，如在直浇道中增加滤网。由于设计直浇口有一个，因此S直=1.15*1.4=1.61cm²，直浇道截面尺寸如图8所示：图8直浇道截面尺寸圆形断面大小由"铸造工艺设计"查表3-240得：D=15mm为了方便取模，直浇道通常做成上小下大的倒圆锥形，〔通常锥度取1/50〕，因此直浇道上端是直径约为：D1=15+〔1/50〕*250=20mm横浇道构造及尺寸横浇道起使金属液流平稳和挡渣的作用。为加强横浇道的挡渣效果，可采取阻流式的挡渣措施，即在横浇道中底局部别设置一水平缝隙阻流和一垂直狭小截面的阻流片。液流先通过阻流后又突然扩大，流量不变，流速减小，有利于杂质上浮。由于设计横浇道有一个，因此S横=1.1*1.4=1.54cm²，横浇道形状取梯形断面形状如图9所示：图9横浇道截面尺寸查"铸造工艺设计"表3-241知，A=15mm，B=10mm，C=16mm浇道构造及尺寸浇道的功能是控制充型速度和方向，分配金属，调节铸件各部位的温度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过浇道对铸件有一定的补缩作用。由于设计浇口有一个，因此S=1.4cm²，浇道形状取梯形断面形状如图10所示：图10浇道截面尺寸查"铸造工艺设计"表3-242知，a=20mm，b=18mm，c=8mm4冒口的设计冒口是铸型用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。由于实用冒口的工艺出品率高，铸件质量好，本钱低，比通用冒口更实用，应选用实用冒口。铸件的散热面积A=3.14*〔60*60-30*30〕+3.14*〔145*145-118*118〕=307.8cm²，所以铸件的模数M=V/A=3220.6/307.8=10.5cm，故球墨铸铁铸件选用直接实用冒口。4.1冒口的体积对于QT450-10铸件，从浇注温度〔tp〕冷却到共晶温度〔1150°C〕的体收缩率依下式计算得ε液=〔90+30*3.6〕〔{tp}-1150〕×10-6+0.9×10-2冒口体积比铸件所需补缩的铁液量要大些。为了更好地发挥直接实用冒口的补缩作用，可采用大气压力冒口的形式，在冒口顶部放置大气压力砂芯或造型时做出锥顶砂凸。4.2冒口颈的计算冒口颈的模数Mn的计算公式：Mn=Mc(tp-1150)/(tp-1150+L)式中Mn——冒口颈模数；Mc——铸件的"关键〞模数；tp——浇注温度；L——铸铁的熔化热，其值为209J/g。冒口颈的位置，可选在最关键局部或更厚的任何局部上。冒口设在最高部位能节约金属。5冷铁的设计5.1冷铁放置位置确实定外冷铁的位置和激冷能力的选择，保证补缩通道畅通，防止在