吸阀壳体的铸造工艺设计

PAGE\*Arabic1PAGE\*Arabic1学校代码：号学号：课程设计说明书题目：吸阀壳体的铸造工艺设计学生姓名：学院：班级：指导教师：年12月30日课程设计任务书课程名称：铸造工艺学课程设计学院：班级：学生姓名：学号：__指导教师：题目吸阀壳体的铸造工艺课程设计二、目的1、使学生掌握选择铸造工艺参数、制定铸造工艺方案、设计浇冒系统和模板、芯盒等基本技能。2、使学生在计算机（CAD、PRO/E、 PROCAST等）、绘图、资料（手册、规范、标准）查阅方面进行一次基本技能训练。3、培养学生独立地运用所学知识进行综合分析和解决实际生产问题的能力，为学生今后从事铸造生产技术工作奠定基础。三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等）1）、本设计面对砂型铸造。2）、本设计适用于Z148B造型机或其他造型机批量生产。3）、所用砂箱为Z148或其他造型机专用标准砂箱，不考虑熔炼。4）、采用手工制芯工艺。5）绘制铸造工艺图、模具装配图、芯盒图、砂箱图四、工作内容、进度安排1、绘制铸件CAD图，PRO/E图；3天2、铸件工艺性分析、铸件浇注位置、分型面选择；2天3、铸造工艺参数选择，砂芯设计；2天4、浇注系统、冒口、冷铁设计；3天5、浇注、凝固过程数值模拟，优化；5天6、绘制铸造工艺图以及上下模具装配图、芯盒图、砂箱图（4选1）；2天7、编写铸造工艺卡与设计说明书。3天五、主要参考资料（1）《铸造工艺设计简明手册》哈尔滨工业大学叶荣茂主编（2）苏仕方.《铸造手册》(第5卷).北京.,机械工业出版社.2021审核批准意见系（教研室）主任（签字）指导教师签发日期年月日指导教师签字：_______________吸阀壳体铸造工艺设计摘要本文研究了吸阀壳体的铸造制作工艺。利用二维制图软件ug制出吸阀壳体三维图,使用二维制图软件cad作出零部件图和吸阀壳体三维铸造的工艺图;确定了砂型材料、砂型制造方案,对分型面、浇注位置等进行了多种方案对比分析,完成了铸造过程中各工艺参数确定,机械加工剩余量、收缩率、起模倾斜度、浇注系统等。在工艺设计中分析了金属液与铸件的结构,确定了金属液分型面,采取了底注式的浇注系统,确定了将金属液直接引入到各种金属型腔中的具体位置,选取浇口比为Σ：Σ：Σ=1.0：2.0：1.5，对内浇道、横浇道、直浇道各截面尺寸计算，设置排气孔、模样的结构尺寸、模板的材料与定位、砂箱尺寸、材料、定位，合箱等工装设计。全套设计加QQ11970985或197216396PAGE\*Arabic3PAGE\*Arabic3目录TOC\o第二章机用吸阀壳体工艺分析 32.1零件图与技术要求 32.2吸阀壳体结构分析 32.3吸阀壳体的工艺分析 4第三章铸造工艺方案设计 63.1造型及砂芯制造方法选择 63.2铸型类型的选择 63.3浇注位置的选择 63.4分型面的确定 83.5砂箱中铸件数量和吃砂量的确定 93.6铸造工艺参数的确定 103.6.1铸件机械加工余量公差 103.6.2机械加工余量的选择 113.6.3铸件收缩率 113.6.4起模斜度 113.6.5最小孔铸出及槽 123.7砂芯的设计 12第四章浇注系统的设计 164.1浇注系统类型的选择 164.2浇注时间的的计算 164.3浇注系统尺寸的确定 174.4冒口的设计 194.5浇口杯的设计 194.6冷铁的设计 204.7出气孔的设计 20第五章铸造工艺装备的设计 215.1模板的设计 215.1.1模样材料的选择 215.1.2模样结构 215.2砂箱的设计 225.2.1模底板的壁厚和加强肋设计与确定 225.2.2砂箱 225.3芯盒的设计 23结论 25致谢 26参考文献 27PAGE\*Arabic4·PAGE\*Arabic4第二章吸阀壳体工艺分析2.1零件图与技术要求吸阀壳体零件图如图2.1所示。图2.1吸阀壳体零件图零件技术要求1.材质：ZL114;2.未注圆角R5;3.螺纹孔倒角均为C5;4.铸件应人工时被处理;5.造型材料：树脂砂此次分析的吸阀壳体铸件结构简单，壁厚均匀，且生产批量小。这里为保证生产效率，降低制造成本，在这里使用了砂型铸造工艺。使用树脂砂的造型的好处：(1)树脂砂与粘土砂相比尺寸精度更高，表面粗糙度较低，可以降低废品率。(2)能够常温自硬成型，价格比较低廉。2.2吸阀壳体结构分析吸阀壳体是一种筋板的主要部分，如图2.2所示，材料为ZL114，成批生产。铸件底部会承受一定载荷，因此要求铸件内部不能有缩孔、裂纹等缺陷。图2.2吸阀壳体铸件三维图通过对铸件结构的分析，功能的质量要求，应用范围以及材料研究，作出铸造方案和工艺设计。一般情况下，铸件可能存在的缺陷涉及到缩孔、缩松、夹渣、气孔、砂眼等,这其中80%的缺陷都是可以通过改善铸造工艺来避免的，也可以通过后期的处理来消除。2.3吸阀壳体的工艺分析砂型铸造工艺的方案包括有造型与制芯方法的抉择，铸造工艺的参数，浇注系统设计等一些内容。如果想要指定最佳的方案，一开始应该对零件的结构能够详细的进行铸造工艺性分析[1]。机用吸阀壳体零件最大轮廓尺寸为729X352X368mm，整体结构对称，壁厚整体均匀(最小壁厚参考表2.1），属于小型铸件。对于ZL114材质来说，这种结构与壁厚可以满足铸造工艺对材料流动性的要求，铸件壁厚均匀，也不会有大热节造成铸件缩孔缩松。表2.1合金铸铁铸件最小壁厚参考（mm）铸钢种类铸件的最大轮廓尺寸＜200200～400400～800800～12001250～2000合金钢ZL1148.07～99.09～1011.012141616～1820ZL114材料性能及参数如下：牌号：ZL114标准：GB/T9439-2010ZL114有六个牌号，其中ZL是合金铝合金的缩写，114指最小抗拉强度。其性能优点在于：铸造与缓震性能，具有一定的抗拉特点，主要作为生产受较大压力和振动零件的材料。第三章铸造工艺方案设计3.1造型及砂芯制造方法选择砂型在铸造过程中，最初要进行的程序是造型（芯），这个是最基础的。一般情况下分为手工和机器两种造型。手工的工艺装备比较基础，操作比较灵活且很好适应；机器对人力的使用较少，能达到很好的品质要求和尺寸的精度，但是需要最先做好准备工作，一般对于生产量大的零件适合。此零件生产的批次是批量生产，因此是机器造型最常用的方法。3.2铸型类型的选择不论从费用、生产时间、操作水平程度等考虑都需要优先使用湿型浇注。目的是得到质量比较好的铸件并且经济效益取得最高的，另外还考虑到材料的成本和来源、工业卫生及环保方面的要求，综合这些因素，因此会优先选择湿型的粘土砂，同时要求型砂具备良好的流动性、透气性，为了能够得到光滑的铸件表面，型砂的砂粒应当细小一些，可使用中粒偏细的砂，额外加上一定量的煤粉。3.3浇注位置的选择由铸件结构进行分析，铸件的其他加工表面都与底部的操作端有关。如何将铸件放入砂箱，放置方位，合理的浇注位置对分模、砂型的造型、砂芯的设置、铸后的开模、型砂后期的清理等各个环节都有重要影响。铸造位置的确定是铸造工艺设计的重要组成部分。正确的铸造位置应确保铸件的成型、制芯以及清洁的方便。合理的铸造位置的选择关系到铸件的内在质量、尺寸精度和易成形性。根据铸件结构特点，选择正确合理的浇注位置，促进浇注时金属液能顺利进入型腔，及时充满型腔，凝固时保证各部位区域能顺利凝固，冒口设置也是直接与浇注位置相关，可以肯定的浇注位置是铸造工艺设计的第一步，也是重要的一步，对铸造出完整、质量优异的铸件毛坯至关重要。该吸阀壳体零件，整体尺寸不大，零件特征主要以平面构成，浇注位置方案如图3-1所示，列举了如下3种方案：（a）浇注位置方案一（b）浇注位置方案二图3-1浇注位置示意图如图3-1（a）所示，方案一把吸阀壳体侧放，外部结构比较简易，适用两箱造型，但重要复杂部分都在上砂型。这种方案吸阀壳体侧面朝下，零件大平面质量较高。但是内腔的砂芯比较难于固定。如图3.1（b）所示，方案二铸件放置方法与方案一不同，也同样采用两箱造型，轮廓结构简单，不用设计吊芯。为了不产生砂眼，夹渣等缺陷，内部和侧面砂芯易于固定和制造。如图3.1（C）所示，方案二铸件放置方法与方案一不同，也同样采用两箱造型，轮廓结构简单，底部浇筑易于产品成型和沙孔不易产生，不用设计吊芯。为了不产生砂眼，夹渣等缺陷，内部和侧面砂芯易于固定和制造。系统的比较以上3种方案优点和缺点，选择方案3。3.4分型面的确定分型面设置是便于砂型的造型，模样的设计与后期模样的设计，它影响到浇注系统的设计，砂芯的设置等，对铸件精度及铸件质量有重要影响。分型面是铸造部件之间的接触面，通常情况下在设计分型面时需遵守一部分原则。如：应把铸件主要部分放在同一个砂型，尽量减少分型面的数量，最大可能的选在零件的最大截面部位等原则。砂型铸造工艺设计中，对分型面的选择积累了很多实用、成熟的经验，这里列举如下：①分型面的定位，需要最大可能的把零件的重要部分或者全部放在一个砂型中，这样有利于砂型制造。②分型面数目的一般原则，分型面少，便于铸件储存精度，砂箱数量少。③分型面一般选择零件的大截面或平面，要确保分型面设置合理，砂箱高度要求适中。④分型面的设置就决定了铸型结构与砂芯安装与定位方式，因此，必须保证砂芯的安装方式，定位可靠，且便于检查型腔尺寸。⑤分型面是砂箱合箱位置，分型面既不能削弱铸件本身的强度，又要保证加工余量适中，要求便于砂箱的开模，各浇道与型砂的定时清理。此吸阀壳体零件底面需要与机床工作台接触良好，也要为保证零件重要表面铸造质量。根据前面分析的浇注位置，设计了两种分型面方案。(a)分型面方案一(b)分型面方案二图3-2铸件分型面分型面a与b方案对铸件有不同的影响，a所示零件位于不同一砂箱内，中间会因为砂型错位造成的偏差，工件对半分开，有利于减少砂芯的数量。方案b把分型面设计到吸阀壳体的下部台阶面，使用两箱造型，使砂型制造难度降低，这种设置，把铸件的重要部分都放在了下砂型，使铸件出现较少的缺陷。也利用顶部设置冒口对于铸件进行补缩。综上，本设计中的吸阀壳体铸件的分型面选择分案二。3.5砂箱中铸件数量和吃砂量的确定下一步的方案要确定铸件在压槽中的数量，在选择工艺方案时要确定防止几个铸件在一个砂箱中，这是设计浇注冒口的基础。为了降低成本，提升出件效率，在满足良好的工艺要求和良好的质量条件下，箱中放置的铸件多了会更好。由模样平均轮廓尺寸确定吃砂量。模样平均轮廓尺寸计算[17]:（3-1）式中：A—模样平均轮廓尺寸（mm）；L—模样在分型面的最大长度（mm）；B—模样在分型面的最大宽度（mm）；由上式可得模样平均轮廓尺寸为732mm。由《铸造手册》[17]查表3-55确定吃砂量为50，采用一箱一件。表3.1中小型砂箱平面的尺寸。表3.1推荐中小型砂箱尺寸砂箱尺寸(mm)500×400600×500800×6001000×8001200×1000造型机ZZ145Z146AZB148AZB1410砂箱高度要根据模样高度、直浇道压头来确定，零件总体尺寸为732X362X368mm。在生产线浇注系统。使用的是树脂自硬砂造型制芯，上下砂箱的高度可以不一样。3.6铸造工艺参数的确定3.6.1铸件机械加工余量公差这儿的机械的加工剩余量简单称为加工余量，为了让铸件加工尺寸更加精确，铸造工艺设计中预先添加的金属量，而且在物理加工中需要切割的金属的尺寸，其等于铸件公称尺寸减去零件公称尺寸，其主要受铸造合金，工装设备水平，浇注位置等影响。铸件的尺寸公差

CT，其精度等级从高到低有1、2、3……16共16个等级；加工余量由代号RMA所表示，它分为十个等级，分别为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K。表3.2为砂型铸造一般情况下要求的铸件机械加工余量等级和其公差等级表。表3.2砂型铸造铸件公差等级造型材料CT/MA铸钢ZL114球墨铸铁可锻铸铁铜合金轻金属合金干、湿砂型13-15/J13-15/H13-15/H13-15/H13-15/H12-14/H自硬砂12-14/J11-13/H11-13/H11-13/H10-12/H9-11/H单件和小批生产时铸件公差等级及与之配套的加工余量等级（摘自GB/T1350-89）铸件材质为ZL114，由于该铸件材料为ZL114，并且采用机械造型湿砂型铸造方法，查表3.2选用公差等级CT13-CT15，考虑到工厂的生产效率和操作的工艺性，故选择CT13。根据最大尺寸、砂型手工造型、零件尺寸公差以及公差等级进行查询。查表（GB/T6414－1999）得机械加工余量等级为K取13mm。3.6.2机械加工余量的选择为了确保零件的加工精度，在这个过程中，增加了一层金属厚度，可以在加工过程中去除。这一层金属称为加工余量。它一共有十个级别：A，B，C，D，E，F，G，H，J和K，用“RMA”表示[3]。查表（GB/T6414－1999）得机械加工余量等级为K取5mm，如图3-3所示需要加工的表面均留加工余量的位置。图3-33.6.3铸件收缩率根据产品大小，产品壁厚，综合线收缩率包括铸件收缩和砂型膨胀。铸件收缩率又叫做铸件线收缩率或者铸件比例尺，是用外观长度与铸件长度之差除以铸件长度的百分比来表示的[12]：(3-2)ε—铸造收缩率；—模样长度；—铸件长度；通过《铸造手册》表3-67；来看，中小型铝合金它的收缩率为0.8~1.0%，本工艺取1.0%.3.6.4起模斜度为了便于造型和砂芯的取出，并且不让造型和砂芯由于起模时因为结构问题受到破坏。为了防止这个现象的发生，应该在起模的地方留一定的斜度。这个斜度称为起模或拔模斜度[12]。为方便铸件能顺利从铸型中脱离出来，模样的拔模斜度必须要与出模方向保证相同方向。铸件中部起升高度341mm，尺寸公差等级CT12。根据表3-14，铸件的提升坡度为1.2，铸件的提升坡度为2。均满足零件的技术要求。由于铸件壁厚较大，选用材料厚度较小的铸件角。3.6.5最小孔铸出及槽砂型铸造太小的孔一般不铸出，可根据表3.5选择。表3.5砂型铸件内孔最小最小尺寸表生产批量最小铸出孔直径灰口铸铁件铸钢件大量生产成批生产单件、小批生产12～1515～3030～50－30～5050该零件为单件小批量生产零件材料为ZL114孔最小直径>30mm，从零件图上看零件其中中心孔位置用砂芯铸造出来，其余面孔位置均选择不铸造出。3.7砂芯的设计砂芯是用砂芯在芯盒内制成的一种芯。作用是用来形成铸件的内腔、成型孔和铸件形状不能成型的零件。有时可以用砂芯来替代砂型中有特殊要求的部分[4]。砂芯设计必须遵守的一些原则有：尽量降低砂芯的数量，对于铸件壁厚要保证均匀，要选择合适的砂芯形状，也要保证砂芯有一定的强度哥硬度。另外要特别注意在其过程中砂芯内气体的排放等。而且铸件最后冷却时不能有太大阻力，否则会影响其收缩；也需要考虑其后续清理操作。型芯是铸造型材外的砂芯，与型腔内的液态金属不接触的部分。它的作用有定位和排出砂芯内气体的功能，有水平芯头和垂直芯头两种，本文中把砂芯设计为水平芯头和垂直芯头都需要用到，以此来提高砂芯的稳定性。本铸件的芯头高度各参数如图3.6所示：图3.6芯头与芯座的间隙芯头斜度图3.7芯头斜度芯头斜度如图3.7所示，通过表3.5得上芯头斜度为15°，下芯头斜度为15°。表3.5水平芯头斜度芯头高h152025303540506070用a/h表示斜度用角度α表示时上芯头234567911121/510°下芯头11.522.533.54561/105°压环、防压环和集砂槽的设计是为了很快的下芯、合型和保证铸件的精度要求。图3.8通过查铸造手册表2-4得，。砂芯如图3.9所示，下方蓝色部分是方形的砂芯，需要定位采用两个锥形芯头，两个是防止转动的。吸阀壳体内部相对复杂，如果单独的把内腔部分做成砂芯，后期生产中难度过大，同时质量也不能保证，飞边和毛刺也会增多，所以在吸阀壳体侧面两个活块，这样砂芯也简化了，造型也省力。下图为吸阀壳体砂芯和活块示意图。图3.9砂芯活块示意图砂芯通过在高温的金属液体，由于水分的蒸发和有机分解而燃烧，会产生一部分气体，如果这些气体不清除，它们将导致铸件有气孔，所以砂芯应配备通风口。设计的砂芯材料是自硬树脂砂，其透气性一般，在这里应该设置装有排气孔。由于吸阀壳体结构简答，所以不需要特别设置复杂的排气孔，只要在上砂型设置几个就可。第四章浇注系统的设计4.1浇注系统类型的选择砂型铸造工艺中，浇注系统的设计对金属液的充型及凝固顺序、补缩等起到重要作用，直接决定了铸件的质量。本次设计采用半封闭式浇注系统，使其金属液在浇道内稳定流动，充型速度相对来说很快，冲刷力大，因此根据铸件尺寸与重量来综合考虑浇道的截面。在浇注系统的设计中，应该严格的把握各个流道它们之间的距离。如果距离太近，在浇注过程中容易形成湍流产生的金属氧化物，砂石进入型腔，造成型腔缺陷。到时候铸件壁厚可能会不均匀，零件中心会有较大腔体。顶浇系统虽然结构简单、比较方便的好处，但充型的过程中并不是很稳定，容易产生溅射、氧化、吸入等现象，往往导致夹渣、气孔等缺陷。此外，还会对型腔内部产生很大的影响，容易导致砂孔、铁豆的缺点。综合分析，设计最后会选择底注式浇注系统。1内浇道2横浇道3直浇道4铸件图4-1浇注系统结构4.2浇注时间的的计算为进一步计算铸件浇注系统及冒口消耗金属量，这里采用铸件工艺出品率计算浇注金属液总质量：表4.1ZL114件工艺出品率[9]铸件重量/kg﹤100100～1000﹥1000工艺出品率（%）单件小批生产65～7575～8080～90成批生产70～8080～8585～90大量流水生产75～8080～85-本铸件的采用一模一件浇注方式，其铸件重量小于35kg，且为小批量生产，选择工艺出品率为70%。浇注的时间是由铸件他的高度以及型腔内金属液面的上升的速度来确定，即(公式4-1)式中τ——浇注时间（s）H——铸件高度（cm）368mmV——金属液它的上升速度的平均值（cm/s）21~30mm/s-1太长的铸造时间会使金属表面产生比较厚的氧化层，会造成熔渣气孔等缺陷。铸件允许的最低液面上升率见表4.2。表4.2ZL114最小液面上升速度铸件最小壁厚/mm铸件最小壁厚/mm

铸件厚度/mm

铸件厚度大于40mm以及所有水平位置浇注的平板铸件

1-40

4-10

<4

最小上升速度/（mm.s-1）8-1011-20

21-30

31-100即浇注时间τ=1.8/159=23s4.3浇注系统尺寸的确定（1）浇注系统尺寸的确定根据《铸造手册》表3-146得:A直：A横：A内=(1.5):(2.0):(1.0)由奥赞公式：（4-2）式中m为流经阻流断面金属液的总量为充填型腔的总时间μ为浇注系统阻流断面的流量系数Hp为平均静压力头高度Hp：对于底注式浇注系统Hp=H0-Hc（4-3）H0为阻流面之上液态的金属它的静压头；Hc为铸件型腔的总高度则Hp=36.8cm。将上述四个参数值代入4-3得A阻=11.4cm2流道和直流道的横截面面积可以基于每个部件所选择的比例，以及通过计算所得内浇道总截面积，就可依次算出来。A内:A横:A直＝1:（2.0）:（1.5）ZL114铸件密度为7.3*103gcm3由于浇包口为阻流面：所以A内=11.4cm2A横=11.4×1.5=17cm2A直=17×1.25=21.5cm2采用单浇口设计，灌装顺畅。双浇口是一样的。内浇口和横浇口的截面形状和尺寸由以上数据可知。如图4.2所示。图4-2浇注系统截面4.4冒口的设计冒口是模具中容纳液态金属的空腔，一般冒口设置部位是设置在热节点上部，排气等。机用吸阀壳体材质为ZL114，其收缩率查表约为0.8~1%，从壁厚分析可看出零件壁厚均匀。由于ZL114在凝固时会析出石墨并膨胀系数比较大，所以零件需要开设冒口。4.5出气孔的设计排气孔的设计就是用于排除残留在型腔内的气体。防止使铸件内部出现缺陷而导致成品率降低。此外，出气孔有利于金属液的充型，可以减少铸件缺陷的出现频率。依照本本文中的工艺方案，由于机用吸阀壳体结构简单，因此只需要在上砂型任意设置几个排气孔就可以满足，无其他要求。PAGE\*Arabic22PAGE\*Arabic22第五章铸造工艺装备的设计5.1模板的设计5.1.1模样材料的选择模样按材料分有木模、钢模、塑料模、气化模，更加零件实际情况选择金属模为模样材料，有制造方便、表面光洁、强度高等优点。模样设计需要根据生产批量及零件结构复杂程度来确定。常用的模样材料主要有木质材料、铝质金属材料等。木模之所以被人广泛使用，第一是因为它的成本低，第二就是运输方便，简单易造。但也有一些缺点使得它不被接受：强度和精度却达不到标准。与之相应的金属模却有着相反的特点，耐磨性好，尺寸精确，寿命长，但是其成本太高。因此根据本文吸阀壳体铸件工艺，其铸型型腔尺寸较小、结构简单，精度要求一般，选用木质模样。5.1.2模样结构模样在分型面处分为上模和下模。为了避免铸件发生错型等缺陷问题，模样要连接坚固，定位也必须准确。图5-1砂型制造流程考虑到铸件收缩率，模样尺寸需要设计时需要较铸件本体放到收缩量。保证上下砂箱合型面精度要求，要求上下型错模量不得大于1mm。结合树脂砂造型的，需要保证砂型能够连续放砂，铸造砂型的设计需要采用型板，型板上设计定位孔，安装定位销。其中，模样的收缩率为K=1%；PAGE\*Arabic23PAGE\*Arabic23零件铸造工艺附加尺寸中更具前面为3mm；起模斜度为1.2mm；非机械加工壁厚的负余量为-0.5。5.2砂箱的设计根据本铸件的材料，选用铸铁模板。模板结构尺寸的设计及尺寸的计算（1按下式确定模底板的平面尺寸：A0=A+2bB0=B+2b（2）模底板它的高度：高度是按照使用的要求来确定的。普通的平面式模底板：H=80~150mm（3）模底板定位销孔中心的距离：模底板定位销孔中心距和它所配的砂箱它的定位孔中心距相符合。5.2.1模底板的壁厚和加强肋设计与确定（1）按照模底板的平均尺寸和它选用的