固定鉗身鑄造工藝設(shè)計

固定鉗身鑄造工藝設(shè)計,固定,鑄造,工藝,設(shè)計 鑄造工藝課程設(shè)計說明書設(shè)計題目固定鉗身鑄造工藝設(shè)計學 院年 級專 業(yè)學生姓名學 號指導教師佳木斯大學目目 錄錄1 1 前前 言言.31.1 選題背景.31.2 灰鑄鐵的簡介以及發(fā)展歷史.31.3 砂型鑄造工藝的應(yīng)用及特點.41.4 鑄造數(shù)值模擬的應(yīng)用與發(fā)展.51.5 本課題的研究內(nèi)容及意義.51.5.1 研究的主要內(nèi)容.51.5.2 研究的意義.62 2 機用固定鉗身工藝分析機用固定鉗身工藝分析.72.1 零件圖與技術(shù)要求.72.2 固定鉗身結(jié)構(gòu)分析.82.3 固定鉗身的工藝分析.83 3 鑄造工藝方案設(shè)計鑄造工藝方案設(shè)計.103.1 造型及砂芯制造方法選擇.103.2 鑄型類型的選擇.103.3 澆注位置的選擇.103.4 分型面的確定.123.5 砂箱中鑄件數(shù)量和吃砂量的確定.133.6 鑄造工藝參數(shù)的確定.143.6.1 鑄件機械加工余量公差.143.6.2 機械加工余量的選擇.143.6.3 鑄件收縮率.153.6.4 起模斜度.153.6.5 最小孔鑄出及槽.163.7 砂芯的設(shè)計.174 4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計澆注系統(tǒng)的設(shè)計.204.1 澆注系統(tǒng)類型的選擇.204.2 澆注時間的的計算.204.3 澆注系統(tǒng)尺寸的確定.214.4 直澆道窩的設(shè)計.234.5 澆口杯的設(shè)計.244.6 冒口的設(shè)計.255 5 鑄造工藝裝備的設(shè)計鑄造工藝裝備的設(shè)計.265.1 模板的設(shè)計.265.1.1 模樣材料的選擇.265.1.2 模樣結(jié)構(gòu).265.2 砂箱的設(shè)計.275.2.1 模底板的壁厚和加強肋設(shè)計與確定.275.2.2 砂箱.285.3 芯盒的設(shè)計.29結(jié)論結(jié)論.31參考文獻參考文獻.321 前 言1.1 選題背景固定鉗身是利用螺桿或其他機構(gòu)使兩鉗口作相對移動而夾持工件的工具。根據(jù)使用的場合一般分為鉗工虎鉗和固定鉗身兩種類型。固定鉗身是一種機床附件，又稱平口鉗，它通常用于機床的工作臺，例如銑床，鉆床，牛頭刨床和平面磨床。它也廣泛用于現(xiàn)代數(shù)控機床。HT200是灰鑄鐵的牌號，灰鑄鐵具有較高的耐磨性，耐熱性以及減震性，而HT200為較高強度鑄鐵，基體為珠光體，珠光體灰鑄鐵組織主要是珠光體的基體上分布著細小、均勻的石墨片，強度、耐磨性、耐熱性較好，減震性也良好，鑄造性能較好，常用來制造汽車發(fā)動機汽缸、汽缸套、車床床身等承受壓力及振動部件等重要件14，所以用灰鑄鐵來鑄造機用固定鉗身。在當下工業(yè)發(fā)展日新月異的時代，加工機床數(shù)控化率也隨之提高。如今，固定鉗身于數(shù)控加工過程中的裝夾使用已經(jīng)十分廣泛，尤其集中運用在普通的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、以及加工中心上，但不容忽視的是，一般的固定鉗身仍然存在良多需要改進的地方，至于品質(zhì)更佳的虎鉗，例如液壓虎鉗，其不僅成本高昂，價格亦是不菲。所以，將數(shù)控機床中使用的機用固定鉗身的工藝優(yōu)化不僅可以彌補固定鉗身的弊端，同時也能將降低成本。1.2 灰鑄鐵的簡介以及發(fā)展歷史選擇鑄造機用固定鉗身的是灰鑄鐵?；诣T鐵歷史悠久，人類已有3000年的使用歷史。由于灰鑄鐵擁有多種優(yōu)良的性能，所以即便是到了現(xiàn)在，仍然是用量最大的鑄造合金，其影響非常廣泛。然而，在上個世紀80年代中期的時候，由于追求輕量化，汽油機缸體、缸蓋出現(xiàn)了用鋁合金代替一直在材料中占主體地位的灰鑄鐵的趨勢，甚至到了2007年，鋁合金材料快速增長到占50%左右。但是從2010年開始，出現(xiàn)了逆轉(zhuǎn)的趨勢。由于鋁合金的高溫力學性能無法滿足不斷提高的內(nèi)燃機廢氣排放溫度的要求；1t鋁合金的冶煉能耗約是灰鑄鐵的10倍；鋁合金的生產(chǎn)成本高于灰鑄鐵，所以鋁合金的在缸體、缸蓋的用量開始逐漸下降，與此同時，灰鑄鐵的使用量出現(xiàn)了逐步增長的趨勢?；诣T鐵是迄今用量最大的鑄造合金，應(yīng)用面非常寬泛，且造價低廉，而恰因為于此，其之于大眾已然是不足為奇的存在，通常被視為再司空見慣不過的事物，甚至被有些人低估乃至輕視其作用。實際上，哪怕人類掌握灰鑄鐵件的生產(chǎn)技術(shù)至今已近三千年，幾經(jīng)歷史變遷，我們對它的認識也依舊停留在非常表層的階段，遠遠沒有發(fā)掘出灰鑄鐵潛在的功能，關(guān)于它的研究與開發(fā)仍需要后輩孜孜不倦的努力。各個工業(yè)國家于近三十年來皆對灰鑄鐵方面的探索和創(chuàng)新表達了高度重視，由此在其應(yīng)用方面取得了相對蓬勃的發(fā)展，并出現(xiàn)了振奮人心的新動向。鑄鐵預(yù)處理工藝的出現(xiàn)源于感應(yīng)爐熔煉的冶金特性。它首先在20世紀70年代后期在歐洲應(yīng)用，然后幾乎與感應(yīng)爐中的鑄鐵熔煉過程同時進行。當含石墨鑄鐵在感應(yīng)爐中熔化時，預(yù)處理過程可以改善石墨結(jié)晶的成核條件，從而提高鑄鐵的共晶轉(zhuǎn)變溫度，降低過冷度，增加共晶組的數(shù)量，并且降低了鑄鐵力學性能的波動范圍，提高了鑄件的加工性能10。1.3 砂型鑄造工藝的應(yīng)用及特點鑄造就是把金屬液或者合金澆注到已經(jīng)設(shè)計好的鑄型空腔內(nèi)，等待其冷卻凝固后就得到了零件或者毛坯的這樣一種金屬成型方式，生產(chǎn)簡單靈活，既可以手動生產(chǎn)，也可以機械化生產(chǎn)，一般可以鑄造各類形狀的毛坯。尤其是內(nèi)部的型腔復雜的鑄件更加適合這種方式。鑄造的適用性很廣泛，不限于材料本身的大小形狀或者鑄件的自身質(zhì)量。鑄件材料上到鑄鐵鑄鋼或者各種合金，下到報廢的工廠里的金屬殘屑和廢鋼。鑄件的質(zhì)量也不受限制，可以小至幾克，大到幾十噸甚至是幾百噸。鑄件的壁厚可以小到0.5mm，也可厚至1m。尤其是大型鑄件的生產(chǎn)更為優(yōu)越，且鑄件的形狀以及尺寸與實際的零件很接近，不會有很多材料的浪費，節(jié)省了金屬材料，同樣降低了切削時的難度，也能降低成本。砂型鑄造工藝的優(yōu)點:可用于各種鑄件合金的生產(chǎn)。鑄鐵、鑄鋼和各種有色金屬合金;廣泛的應(yīng)用。鑄件的尺寸，結(jié)構(gòu)的復雜性和壁的厚度幾乎不受限制;不限于鑄件的生產(chǎn)量。適用于單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)、大批量生產(chǎn);采用多種造型材料，造型美觀，制芯工藝簡單，成本低廉。砂型鑄造工藝的缺點:工作環(huán)境差，強度高，鑄件表面質(zhì)量差以及尺寸精度低，模具只能一次性使用，生產(chǎn)效率低。1.4 鑄造數(shù)值模擬的應(yīng)用與發(fā)展數(shù)值模擬是把計算科學和材料科學結(jié)合起來的一種新型技術(shù)，將材料科學里面的理論知識用計算機技術(shù)仿真技術(shù)來體現(xiàn)，也結(jié)合了其他學科，是一門很先進的科學技術(shù)，有很好發(fā)展前景。鑄造過程可以通過數(shù)值模擬來體現(xiàn)金屬具體的充型以及凝固過程，可以通過溫度場的變化發(fā)現(xiàn)最后凝固的位置，可以通過這種方式一定程度上體現(xiàn)缺陷產(chǎn)生的部位，從而可以提前做出工藝調(diào)整，從而節(jié)約了成本，提高了零件的質(zhì)量。一定程度上可以提高生產(chǎn)合格率，提高了產(chǎn)品的競爭力?，F(xiàn)如今的模擬軟件有如Procast軟件、Magmasoft軟件、Anycasting軟件以及華鑄CAE軟件等，運用這些軟件為實際生產(chǎn)提供了便利。如今的鑄造技術(shù)蓬勃發(fā)展，眾多軟件的出現(xiàn)以及計算機技術(shù)的迅速發(fā)展使得生產(chǎn)具體的形狀、尺寸的鑄件成為可能。實際生產(chǎn)中有了這些產(chǎn)品的輔助得以效率的提升以及產(chǎn)品的優(yōu)化。同時，傳統(tǒng)鑄造工業(yè)也受到了巨大沖擊。由計算機、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)這些信息技術(shù)在鑄造行業(yè)得以廣泛應(yīng)用。這改變了傳統(tǒng)鑄造工藝的面貌。所以說現(xiàn)代鑄造技術(shù)就是傳統(tǒng)鑄造工藝和信息技術(shù)的結(jié)合。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，造型過程的數(shù)值模擬逐漸受到現(xiàn)代鑄造界的關(guān)注，國內(nèi)外高校以及研究所對濕粘土砂型的緊實過程進行了模擬分析。德國亞琛工業(yè)大學、清華大學等對射芯過程進行模擬分析。同樣信息技術(shù)的發(fā)展同樣影響了企業(yè)的傳統(tǒng)管理方式、生產(chǎn)方式以及技術(shù)生產(chǎn)的革新。例如美國福特汽車公司的鑄造部與其公司總部相距甚遠，卻可以通過互聯(lián)網(wǎng)對其旗下的鑄造部進行技術(shù)管理，及時解決所遇到的技術(shù)難題，生產(chǎn)效率有了大大的提升。1.5 本課題的研究內(nèi)容及意義1.5.1 研究的主要內(nèi)容(1)繪制固定鉗身的AutoCAD圖以及Pro/Engineer的三維圖。(2)對機用固定鉗身進行工藝分析，設(shè)計澆冒系統(tǒng)，選取幾種分型方案，分析每種方案優(yōu)劣，選擇最佳分型方案、確定澆注位置、砂箱尺寸和鑄件數(shù)量，設(shè)計砂芯以及澆冒系統(tǒng)，查閱鑄造工藝手冊，選擇合適的鑄造工藝參數(shù)等。(3)基于數(shù)值模擬軟件AnyCasting的模擬，對鑄件的充型過程，金屬液的流動狀態(tài)進行分析，對鑄件凝固時的溫度場進行分析，并預(yù)測鑄件內(nèi)部存在的缺陷，對造成缺陷的原因進行分析。(4)根據(jù)產(chǎn)生原因改進工藝方案，再次模擬來驗證改進方案的可行性。1.5.2 研究的意義我國是世界制造中心，也是機床使用大國，隨著現(xiàn)代工業(yè)的進步，信息技術(shù)的發(fā)展，使得加工機床數(shù)控化率越來越高。在數(shù)控加工過程中，尤其是數(shù)控機床、數(shù)控銑床、以及加工中心，使用固定鉗身使用相當普遍，要保證機用固定鉗身的質(zhì)量安全，對機用固定鉗身的工藝優(yōu)化至關(guān)重要。固定鉗身的底座要承受巨大的沖擊力，并應(yīng)具有高強度和高伸長率。一般來說它的材質(zhì)是灰鑄鐵，灰鑄鐵具有良好的鑄造性能和減震性能。但是在實際生產(chǎn)過程中，可能存在不充分的澆注，冷隔以及諸如縮松縮孔等缺陷，這可能嚴重影響鑄件的性能。要從從熔煉工藝、混砂工藝和鑄造工藝三個主要影響孔洞類缺陷產(chǎn)生的環(huán)節(jié)進行分析與研究。本文旨在為機用固定鉗身選擇合適鑄造方法，設(shè)計澆注方案，通過數(shù)值模擬來分析缺陷的產(chǎn)生，在實際生產(chǎn)中優(yōu)化澆注方案，通過鑄造工藝的改進來減少孔洞類缺陷的產(chǎn)生，鑄造出符合質(zhì)量的固定鉗身。2 機用固定鉗身工藝分析2.1 零件圖與技術(shù)要求固定鉗身座零件圖如圖2-1 所示。圖圖2.1 虎鉗零件圖虎鉗零件圖零件技術(shù)要求1.材質(zhì)：HT200;2.未注圓角R4;3.螺紋孔倒角均為CT1.5;4.鑄件應(yīng)人工時被處理;5.銳邊倒角，未注倒角均為C16.造型材料：樹脂砂此次分析的固定鉗身鑄件結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻，且生產(chǎn)批量大。這里為保證生產(chǎn)效率，降低制造成本，這里選擇采用砂型鑄造工藝。采用樹脂砂造型的優(yōu)點：(1)樹脂砂與粘土砂相比尺寸精度更高，表面粗糙度較低，可以降低廢品率。(2)自硬樹脂砂能夠常溫自硬成型，降低了成本。2.2 固定鉗身結(jié)構(gòu)分析固定鉗身是一種機床附件，又稱平口鉗，材料為HT200，成批生產(chǎn)。集中運用在普通的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、以及加工中心上。鑄件底部會承受一定載荷，因此要求鑄件內(nèi)部不能有縮孔、裂紋等缺陷。圖圖2.2 虎鉗三維虎鉗三維根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，技術(shù)要求，應(yīng)用條件及技術(shù)質(zhì)量要求，確定鑄造方案及鑄造工藝設(shè)計。一般情況下，鑄件可能存在的缺陷涉及到縮孔、縮松、夾渣、氣孔、砂眼等,這其中80%的缺陷都是可以通過改善鑄造工藝來避免的，也可以通過后期的處理來消除。2.3 固定鉗身的工藝分析砂型鑄造工藝方案通常包括下列內(nèi)容：造型、造芯方法、鑄型種類的選擇，澆注位置及分型面的確定等。要想定出最佳工藝方案，首先應(yīng)對零件的結(jié)構(gòu)有詳細的鑄造工藝性分析1。機用固定鉗身零件最大輪廓尺寸為154mm130mm58mm，整體結(jié)構(gòu)對稱，壁厚整體均勻，屬于小型鑄件。對于HT200材質(zhì)來說，這種結(jié)構(gòu)與壁厚可以滿足鑄造工藝對材料流動性的要求，鑄件壁厚均勻，也不會有大熱節(jié)造成鑄件縮孔縮松。表2-1 灰鑄鐵鑄件最小壁厚參考（mm）鑄件的最大輪廓尺寸鑄鋼種類200200400400800800120012502000合金鋼灰鑄鐵8.0799.091011.0121416161820HT200 材料性能及參數(shù)如下：牌號： HT200標準： GB/T 9439-2010灰鑄鐵指的是最低抗拉強度為200MPa的灰鑄鐵。特性及適用范圍抗拉強度和塑性低，但有良好的鑄造性能和減震性能，主要用來鑄造汽缸套、汽車發(fā)動機箱體、車床床身等承主要受壓力及振動部件。彈性模量： 1.131.57 105MPa剪切模量： 0.45 105Mpa泊松比： 0.230.27熔點：1200 C線膨脹系數(shù)： 8.511.6 10-6/K熱導率：39.2W/ （mk）比熱容：（J/（ kgK）3 鑄造工藝方案設(shè)計3.1 造型及砂芯制造方法選擇造型（芯）是砂型鑄造中最基本的工序，常用的造型有手工造型和機器造型。手工造型工藝裝備簡單，操作靈活適應(yīng)性強；機器造型生產(chǎn)效率高，勞動強度低鑄件質(zhì)量穩(wěn)定，但是需要復雜的工藝裝備，前期準備時間較長一般用于批量生產(chǎn)零件。該零件生產(chǎn)批次為批量生產(chǎn)所以采用機器造型的方法。3.2 鑄型類型的選擇無論從環(huán)保、成本、生產(chǎn)率、操作程度考慮都應(yīng)該優(yōu)先采用濕型澆注。為了得到高質(zhì)量的鑄件并取得經(jīng)濟效益，另外還考慮到材料的成本和來源、工業(yè)衛(wèi)生及環(huán)保方面的要求，綜合這些因素，故選擇使用濕型粘土砂，同時要求型砂具備良好的流動性、透氣性，為了能夠得到光滑的鑄件表面，型砂的砂粒應(yīng)當細小一些，可使用中粒偏細的砂，額外加上一定量的煤粉。3.3 澆注位置的選擇根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)分析，所給鑄件的其它加工面都與底部的操作端有關(guān)，將鑄件如何放置在砂箱，放置方位，合理的澆注位置對分模、砂型的造型、砂芯的設(shè)置、鑄后的開模、型砂后期的清理等各個環(huán)節(jié)都有重要影響。確定澆注位置是鑄造工藝設(shè)計的重要部分。正確的鑄造位置應(yīng)確保鑄件的成型、制芯以及清潔的方便。選擇合理的鑄造位置與鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、尺寸精度以及成型的容易性有關(guān)。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點，選擇正確合理的澆注位置，促進澆注時金屬液能順利進入型腔，及時充滿型腔，凝固時保證各部位能區(qū)域順利凝固，冒口設(shè)置也是直接與澆注位置相關(guān)，可以肯定的澆注位置是鑄造工藝設(shè)計的第一步，也是重要的一步，對鑄造出完整、質(zhì)量優(yōu)異的鑄件毛坯至關(guān)重要。該固定鉗身零件，整體尺寸不大，零件特征主要以平面構(gòu)成，澆注位置方案如圖3-1所示，列舉了如下兩種方案：（a）澆注位置方案一 （b）澆注位置方案二圖圖3-1澆注位置示意圖澆注位置示意圖方案一如圖3.1（a）所示，將虎鉗底面在下放置，采用兩箱造型，外模結(jié)構(gòu)簡單，此種澆注位置與分型面的選擇，不僅使?jié)沧⒎奖?，鑄件的重要部位應(yīng)盡量置于下部，而且更容易滿足技術(shù)要求。方案二如圖3.1（b）所示，將固定鉗身鑄件側(cè)立放置，此位置鑄件位于鑄型的上下兩側(cè)，不利于鑄件的充型，鑄件較高，此種澆注位置的充型過程中，金屬液的落差大，不利于平穩(wěn)充型。需要設(shè)計水平式砂芯，可能在金屬液浮力的作用下發(fā)生偏移，不利于砂芯的定位和穩(wěn)定。綜合比較上式兩種方案的優(yōu)缺點，選擇方案一。3.4 分型面的確定分型面設(shè)置是便于砂型的造型，模樣的設(shè)計與后期模樣的設(shè)計，它影響到澆注系統(tǒng)的設(shè)計，砂芯的設(shè)置等，對鑄件精度及鑄件質(zhì)量有重要影響。一般分型面的設(shè)計原則，是將分型面設(shè)置在鑄件的最大截面位置，便于砂芯的下芯、砂箱的合型、分型面便于砂型的制造與對砂型各型腔尺寸的檢查。砂型鑄造工藝設(shè)計中，對分型面的選擇積累了很多實用、成熟的經(jīng)驗，這里列舉如下：分型面設(shè)置位置，為砂型制造的方便，應(yīng)盡量將鑄件全部或者大部分放置在同砂型內(nèi)。分型面的設(shè)置數(shù)量，會影響到模具結(jié)構(gòu)的復雜程度，因此分型面的數(shù)目不宜過多。分型面一般選擇零件的大截面或平面，要確保分型面設(shè)置合理，砂箱高度要求適中。分型面的設(shè)置就決定了鑄型結(jié)構(gòu)與砂芯安裝與定位方式，因此，必須保證砂芯的安裝方式，定位可靠，且便于檢查型腔尺寸。分型面是砂箱合箱位置，分型面既不能削弱鑄件本身的強度，又要保證加工余量適中，要求便于砂箱的開模，各澆道與型砂的定時清理。此固定鉗身零件底面需要與機床工作臺接觸良好，也要為保證零件重要表面鑄造質(zhì)量。根據(jù)前面分析的澆注位置，設(shè)計了兩種分型面方案。 (a) 分型面方案一 (b) 分型面方案二 圖圖3-2鑄件分型面鑄件分型面第一種方案，如圖3-2所示,采用整模造型，將虎鉗水平放置，鑄件整體放置上箱中，但這種方法無論是放置砂芯還是取模都較為困難。 方案二采用虎鉗的下部臺階面為分型面，采用上下兩箱分型，這樣簡化了砂型制造難度。此種分型面的設(shè)置，有效減少了砂型造型，便于澆注系統(tǒng)的設(shè)計，通過在鑄件頂部設(shè)置冒口對鑄件補縮。鑄件的重要部位放在了下部，避免產(chǎn)生砂眼、氣孔夾渣等缺陷。綜上，本設(shè)計中的固定鉗身鑄件的分型面選擇分案二。3.5 砂箱中鑄件數(shù)量和吃砂量的確定當確定（或同時）造型方法，澆注位置，分形面和砂芯時，應(yīng)首先確定放置在砂箱中的鑄件的數(shù)量，作為設(shè)計澆冒口的依據(jù)。放置在砂箱中的鑄件數(shù)量主要與鑄件的大小、砂型大小以及吃砂量都有關(guān)，在保證工藝性和鑄件質(zhì)量的前提下越多越好。由模樣平均輪廓尺寸確定吃砂量，模樣平均輪廓尺寸計算17: （3-1）2/BLA）（式中：A模樣平均輪廓尺寸（mm）； L模樣在分型面的最大長度（mm）； B模樣在分型面的最大寬度（mm）；由上式可得模樣平均輪廓尺寸為114mm，由鑄造手冊17查表3-55確定吃砂量為50，采用一箱四件。表3-1為中小型砂箱的平面尺寸。采用樹脂自硬砂造型制芯則可以不受限制。表表3-1 推薦中小型砂箱尺寸推薦中小型砂箱尺寸砂箱尺寸(mm)500400600500800600100080012001000造型機ZZ145Z146AZB148AZB1410 砂箱高度要根據(jù)模樣高度、直澆道壓頭來確定，零件總體尺寸為154mm130mm58mm。在生產(chǎn)線澆筑系統(tǒng)。采用樹脂自硬砂造型制芯的，上下砂箱高度可不同。3.6 鑄造工藝參數(shù)的確定3.6.1 鑄件機械加工余量公差加工余量這里指鑄件機械加工面上預(yù)留的、將切除的金屬層厚度。機械加工余量取決于零件的精度等級，與鑄件材料、生產(chǎn)批量、鑄造方法、澆注位置、鑄件尺寸等因素有關(guān)。鑄件的尺寸公差 CT，其精度等級從高到低有1、2、3 16共16個等級；加工余量等級MA，從精到粗可分為A、B、C、D、E、F、G、H、J共9個級別。表3-1為砂型鑄造一般情況鑄造合金單件和小批生產(chǎn)時的鑄件公差等級及與之對應(yīng)的加工余量等級。表表3-23-2 砂型鑄造鑄件公差等級砂型鑄造鑄件公差等級CT/MA造型材料鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵銅合金輕金屬合金干、濕砂型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單件和小批生產(chǎn)時鑄件公差等級及與之配套的加工余量等級（摘自GB/T1350-89）鑄件材質(zhì)為灰鑄鐵，由于該鑄件材料為灰鑄鐵，并且采用機械造型干砂型鑄造方法，查表3-2選用公差等級CT13-CT15，考慮到工廠的生產(chǎn)效率和操作的工藝性，故選擇CT14。根據(jù)最大尺寸、砂型手工造型、零件尺寸公差以及公差等級進行查詢。查表（GB/T 64141999）得機械加工余量等級為K取11mm。3.6.2 機械加工余量的選擇為了確保零件的加工精度，在工藝過程中，要增加一層金屬層厚度，在加工過程中可以允許被切除，這個金屬層被稱為機械加工余量。從細到粗，它分為9個等級：A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H和J，用“MA”表示3。查表（GB/T 64141999）得機械加工余量等級為K取1-1.4mm，如圖3-3所示需要加工的表面均留加工余量的位置。 圖圖3-3固定鉗身機加工量固定鉗身機加工量3.6.3 鑄件收縮率根據(jù)產(chǎn)品大小，產(chǎn)品壁厚，綜合線收縮率包括鑄件收縮和砂型膨脹。鑄造收縮率又稱鑄件線收縮率或鑄件縮尺，用模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分比表示12： (3-2) 121100%LLL 鑄造收縮率； 模樣長度；1L 鑄件長度；2L根據(jù)鑄造手冊表3-6，中小型灰鑄鐵鑄件的收縮率為0.81.0% ，本工藝取1.0%。 表表3-6 砂型鑄造灰鑄鐵鑄件的鑄造收縮率砂型鑄造灰鑄鐵鑄件的鑄造收縮率收縮率（%）合金自由收縮受阻收縮灰鑄鐵：中小型件中大型件特大型件簡型件：長度方向 直徑方向孕育鑄鐵：HT200 HT300 HT3501.00.90.80.90.71.01.01.50.90.80.70.80.50.80.81.03.6.4 起模斜度在造型和制作砂芯的過程中，起模時操作不當可能會對砂型和砂芯造成損壞。為了防止這個現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該在起模的地方留一定的斜度，這個斜度稱為起?；虬文Ｐ倍?2。為方便鑄件能順利從鑄型中脫離出來，模樣的拔模斜度必須要與出模方向保證相同方向。鑄件中部的起模高度為58mm，尺寸公差等級為CT12參考文獻1表3-14起模斜度可查得鑄件的起模斜度為1，查表得起模斜度為3o。皆符合零件的技術(shù)要求。因為鑄件的壁厚較大，則選擇較少料厚的鑄造模樣的起模斜度。圖圖3-3 起模斜度示意圖起模斜度示意圖3.6.5 最小孔鑄出及槽砂型鑄造太小的孔一般不鑄出，可根據(jù)表3-5選擇。表表3-5 砂型鑄件內(nèi)孔最小最小尺寸表砂型鑄件內(nèi)孔最小最小尺寸表最小鑄出孔直徑生產(chǎn)批量灰口鑄鐵件鑄鋼件大量生產(chǎn)成批生產(chǎn)單件、小批生產(chǎn)121515303050305050 該零件為批量生產(chǎn)零件材料為HT200孔最小直徑12mm，從零件圖上看零件有兩個M5螺紋孔不鑄出；左端12 孔需要機械加工，留加工余量后孔小于12mm，因此不鑄出；零件兩側(cè)11的螺釘過孔不鑄出；零件右端18通孔留加工余量后為12mm選擇不鑄出。圖圖3.4 鑄件非鑄出孔位置鑄件非鑄出孔位置3.7 砂芯的設(shè)計砂芯的功用是形成鑄件內(nèi)腔、孔、和鑄件外形不能出砂的部位。有時可以用砂芯來替代砂型中有特殊要求的部分4。對于砂芯有一些必要的條件：砂芯的形狀、尺寸應(yīng)滿足鑄件要求，并且不能在砂型中隨意放置；在性能方面，砂芯被要求有一定的強度和剛度，也要考慮鑄造過程中砂芯中的氣體能否及時排出，而且鑄件最后冷卻時不能有太大阻力，否則會影響其收縮；也需要考慮其后續(xù)清理操作。芯頭是指深處鑄件以外不與金屬接觸的砂芯部分。有定位、固定砂芯和排出澆注后砂芯所產(chǎn)生的氣體的作用。本設(shè)計砂芯的高徑比不大，而且砂芯寬度較大時，則不必做出上芯頭，下芯頭高度按查表的數(shù)值增加大約百分之三十。查表得，芯頭高度為1020mm，具體的上芯頭高度為10mm，下芯頭高度為11hh0mm。芯頭斜度圖圖3.7 芯頭斜度芯頭斜度芯頭斜度參數(shù)如圖3.7所示，由于此砂芯設(shè)計時可以不需要設(shè)計上芯頭，通過表3-5得下芯頭斜度為10。表表3-5 垂直芯頭斜度垂直芯頭斜度芯頭高h152025303540506070用a/h表示斜度用角度表示時上芯頭234567911121/510下芯頭11.522.533.54561/105芯頭的模樣上做出壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽是為了快速下芯、合型以及保證鑄件的質(zhì)量。水平芯頭和垂直芯頭的壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽的各個尺寸參數(shù)如圖3.8所示：圖圖3.8 水平芯頭和垂直芯頭壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽尺寸水平芯頭和垂直芯頭壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽尺寸通過查鑄造手冊表2-4得，。mmrmmfmme2;3;21砂芯如圖3-9所示，下方藍色部分是方形的砂芯，只需要采用一個錐形芯頭定位即可。 圖圖3-9 砂芯示意圖砂芯示意圖砂芯排氣孔設(shè)置主要是將金屬液在澆注過程中產(chǎn)生的一些粘結(jié)劑等有機物在氧化燃燒的氣體排出到型腔之外，這樣避免在鑄件內(nèi)產(chǎn)生氣孔。本設(shè)計中的砂芯材料是自硬樹脂砂，其透氣性也一般，這里需要設(shè)置一定的排氣孔。由于固定鉗身結(jié)構(gòu)簡單，因此出氣孔的設(shè)置只需要在上砂型隨便設(shè)置幾個就可以滿足，并沒有特殊的要求。4 澆注系統(tǒng)的設(shè)計4.1 澆注系統(tǒng)類型的選擇砂型鑄造工藝中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計對金屬液的充型及凝固順序、補縮等起到重要作用，直接決定了鑄件的質(zhì)量。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類如下：本鑄件的澆注系統(tǒng)采用封閉式澆注系統(tǒng)，保證進入澆道內(nèi)的金屬液且呈現(xiàn)壓流動，充型速度快，沖刷力大，因此根據(jù)鑄件尺寸與重量來綜合考慮澆道的截面。在對澆注系統(tǒng)進行設(shè)計時，要嚴格把握各個澆道之間的距離，如果距離太近，則澆注過程中易形成紊流產(chǎn)生的金屬氧化物，砂礫就會進入型腔，使得型腔內(nèi)產(chǎn)生缺陷。考慮到鑄件的壁厚不均勻，零件中心會有較大腔體。頂注式澆注系統(tǒng)雖然有結(jié)構(gòu)簡單，造型方便的優(yōu)點，但在充型過程中并不平穩(wěn)，易產(chǎn)生飛濺、氧化和吸氣，往往會導致夾渣、氣孔等缺陷。除此此外還會對型腔內(nèi)部產(chǎn)生較大的沖擊，易導致砂孔、鐵豆等缺陷。綜合分析，此設(shè)計最終選擇底注式澆注系統(tǒng)。4.2 澆注時間的的計算為進一步計算鑄件澆注系統(tǒng)及冒口消耗金屬量，這里采用鑄件工藝出品率計算澆注金屬液總質(zhì)量： 工藝出品率鑄件重量LG表表4.1 灰鑄鐵件工藝出品率灰鑄鐵件工藝出品率9鑄件重量/kg10010010001000單件小批生產(chǎn)657575808090成批生產(chǎn)708080858590工藝出品率（%）大量流水生產(chǎn)75808085- 本鑄件的采用一模4件澆注方式，其鑄件重量小于100kg，且為成批量生產(chǎn)，選擇工藝出品率為75%。kg計算澆注系統(tǒng)截面時，一般先計算該澆注系統(tǒng)中的最小截面，再通過比例關(guān)系得到其它組元的截面積。 澆注時間由鑄件的高度和型腔內(nèi)金屬的液面上升速度來確定，即 (公式4-1)=HV式中澆注時間（s）H鑄件高度（cm）58mmv金屬液在型腔中平均上升速度（cm / s）2130 mm / s-1過長的澆注時間會使得金屬液面產(chǎn)生較厚的氧化層，造成夾渣氣孔等缺陷。鑄件所允許的最小液面上升速度見表4-2。表表4-2灰鑄鐵最小液面上升速度灰鑄鐵最小液面上升速度澆注時間 =58/25=2.25s4.3 澆注系統(tǒng)尺寸的確定（1）澆注系統(tǒng)尺寸的確定根據(jù)鑄造手冊表3-146得封閉式系統(tǒng)各組元的斷面比為：Ag:Aru:As =1：1.1：1.15計算澆注系統(tǒng)最小阻流截面積，以內(nèi)澆道為阻流截面的澆注系統(tǒng)原理圖，由奧贊公式：鑄件最小壁厚/mm 鑄件厚度/mm 鑄件厚度大于40mm以及所有水平位置澆注的平板鑄件 1-40 4-10 4 最小上升速度/（mm. s-1）8-1011-20 21-30 31-100 （4-2） pgH2m阻A式中m為流經(jīng)阻流斷面金屬液的總量為充填型腔的總時間為全部型腔被填充時，澆注系統(tǒng)阻流斷面的流量系數(shù)1Hp為平均靜壓力頭高度Hp：對于底注式澆注系統(tǒng)Hp=H0-Hc （4-3）H0為阻流截面以上的液態(tài)金屬的靜壓頭；Hc為鑄件型腔的總高度 則Hp=8.5cm。（2）鑄造方式是砂型鑄造通過計算最小阻尼面積后確定內(nèi)澆道截面積，選擇澆注系統(tǒng)各組元的比例關(guān)系：表4-3 澆注系統(tǒng)各組元截面比例推薦橫澆道和直澆道的截面積可根據(jù)選定的各組元的比例關(guān)系，以及通過計算所得內(nèi)澆道總截面積，就可依次算出來。內(nèi)澆道截面積：31. 03pLHtGF內(nèi)=1.62cm由封閉式系統(tǒng)各組元的斷面比為：Ag:Aru:As =1：1.1：1.15可得A橫=1.76 cm2 ；A直=1.84cm2（3）內(nèi)澆道形狀及尺寸內(nèi)澆道的功能是控制充型速度和方向，分配金屬液，本設(shè)計我們選用扁平形截面形式，因為這種形狀內(nèi)澆道易于清理。鑄件兩個內(nèi)澆口，面積為1.6平方厘米。去除澆道時為不破壞泵蓋鑄件，內(nèi)澆口厚度取6mm，截面寬度為上底15mm，下底邊長為13mm，截面實際面積為1.6平方厘米。 圖圖4-1（4）橫澆道形狀及尺寸橫澆道是直澆道末端到內(nèi)澆口前端間的通道，提供穩(wěn)定金屬液流，對金屬液的流動有較小的阻力。本鑄件采用梯形截面的橫澆道，橫澆道厚度尺寸確定為13mm，根據(jù)橫澆道計算面積F橫=1.76cm2，這里參考鑄造工藝手冊確定澆注截面尺寸：a=12mm，b=15mm，c=13mm。 橫澆道形狀與尺寸如圖4-2所示。圖圖4-2 橫澆道橫澆道 （5）直澆道形狀及尺寸直澆道是引導從澆口杯金屬液向下，引導金屬液向下進入橫澆道、內(nèi)澆道，提供足夠的壓力頭，使金屬液在重力作用下能克服流動阻力完成充型。這里直澆口設(shè)計為1支，為方便脫模，直澆道設(shè)置為倒錐形，最小圓形截面形狀D直=16mm，截面面積為1.84mm。圖圖4-3 直澆道直澆道4.4 直澆道窩的設(shè)計在金屬液從直澆道流入橫澆道時方向發(fā)生急劇改變，金屬液對直澆道底部產(chǎn)生強烈的沖擊，而且會產(chǎn)生渦流和高度湍流區(qū)，會導致沖砂、渣孔等缺陷。因此需要設(shè)計直澆道窩。直澆道窩有以下幾個優(yōu)點：1.減輕金屬液對底部的沖刷; 2.使金屬液轉(zhuǎn)彎的湍流區(qū)縮短; 3.可以改善內(nèi)澆道的流量分布; 4.可以減小拐彎處的局部阻力系數(shù)和水力壓頭損失;5.可以將金屬液帶入的氣體浮出。根據(jù)以上分析計算，澆道窩的直徑是直澆道底部直徑的1.4-2倍，澆道窩高度為橫澆道高度的2倍。圖圖4-44.5 澆口杯的設(shè)計為了方便金屬液的澆注，防止金屬液的飛濺和溢出，減小金屬液對型腔的沖擊，則需要設(shè)置正確的澆口杯的結(jié)構(gòu)，配合恰當?shù)臐沧⒉僮?，才能避免這些問題的出現(xiàn)。澆口杯按照結(jié)構(gòu)形狀可以分為漏斗形和池形澆口杯。漏斗形澆口杯結(jié)構(gòu)太過簡單，擋渣作差，適用面很小；而池形澆口杯的綜合性能較好。所以本次設(shè)計采用普通的澆口杯。 圖圖4-54.6 冒口的設(shè)計在鑄件凝固過程中，設(shè)置冒口是為了補縮鑄件的體積變化，可以達到消除或防止縮孔縮松等缺陷的目的，以至于可以獲得優(yōu)質(zhì)鑄件，除此之外，還有排氣、集渣、引導充型等作用。因此設(shè)置合適的冒口可以達到補縮的目的，以提高鑄件致密性18。設(shè)計冒口時其形狀直接影響冒口的補縮效果，冒口的形狀一般有圓柱形、球頂圓柱形、球形等14。要使整個鑄鐵件的冒口的補縮效果最好，可以采用均衡凝固理論的冒口設(shè)計19。當鑄件膨脹時，流動的金屬液就不能返回到冒口，此時就可以利用灰鑄鐵使鑄件引起二次補縮?；诣T鐵流動性好，不容易產(chǎn)生疏松等缺陷，所以此次固定鉗身的鑄造工藝不設(shè)計冒口。5 鑄造工藝裝備的設(shè)計5.1 模板的設(shè)計5.1.1 模樣材料的選擇模樣按材料分有木模、鋼模、塑料模、氣化模，更加零件實際情況選擇金屬模為模樣材料，有制造方便、表面光潔、強度高等優(yōu)點。模樣設(shè)計需要根據(jù)生產(chǎn)批量及零件結(jié)構(gòu)復雜程度來確定。常用的模樣材料主要有木質(zhì)材料、鋁質(zhì)金屬材料等。木模材料的特點是質(zhì)量輕、加工簡便、價格低廉，但強度低、尺寸精度較低，適用于單件、小批量生產(chǎn)。金屬模（鋁合金模、鑄鐵合金模等）表面精度高，強度好、使用壽命場，但制造費用高，適合大批量生產(chǎn)。故結(jié)合本端蓋鑄件工藝，其鑄型型腔尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡單，精度要求不高，選用木質(zhì)模樣。5.1.2 模樣結(jié)構(gòu)模樣在分型面處分為上模和下模。模樣之間的連接要牢靠，模樣在模板上的定位必須準確，以免造成分型面處的錯型。圖圖5-1 砂型制造流程砂型制造流程考慮到鑄件收縮率，模樣尺寸需要設(shè)計時需要較鑄件本體放到收縮量。保證上下砂箱合型面精度要求，要求上下型錯模量不得大于1mm。結(jié)合樹脂砂造型的，需要保證砂型能夠連續(xù)放砂，鑄造砂型的設(shè)計需要采用型板，型板上設(shè)計定位孔，安裝定位銷。模樣尺寸（產(chǎn)品的鑄件尺寸+零件鑄造工藝附加尺寸） （1+K） 其中，模樣的收縮率為K=1%；零件鑄造工藝附加尺寸中更具前面為3mm；起模斜度為1.2mm；非機械加工壁厚的負余量為-0.5。5.2 砂箱的設(shè)計根據(jù)本鑄件的材料，選用鑄鐵模板。模板結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計及尺寸的計算（1按下式確定模底板的平面尺寸：A0=A+2b B0=B+2b (5-1)式中：A砂箱內(nèi)框長度尺寸(mm)；B砂箱內(nèi)框?qū)挾瘸叽纾╩m）； A0模底板長度尺寸（mm）；B0模底板寬度尺寸（mm）； b砂箱分型面外凸緣的寬度（mm）。（2）模底板的高度：模底板的高度h必須根據(jù)使用要求和選用的造型機來確定。普通平面式模底板：H=80150mm （3）模底板定位銷孔中心距：模底板定位銷孔中心距應(yīng)與所配用砂箱的定位孔中心距相一致。5.2.1 模底板的壁厚和加強肋設(shè)計與確定（1）根據(jù)模底板平均輪廓尺寸與選用材料壁厚和加強肋厚度及連接圓角半21,徑r，選用：=15mm，=12，。21,8rmm（2）加強肋的布置：加強肋之間的距離為。 50Kmm（3）模底板和砂箱的定位裝置：模底板與砂箱之間用定位銷與銷套定位14。結(jié)論：根據(jù)上面的敘述，在滿足以上要求后得出模底板的長為400、寬為500mm。mm圖圖5-35-3 模底板模底板5.2.2 砂箱在砂型鑄造的過程中，砂箱是必要的。在手工造型的時候，對砂箱沒有那么嚴格的要求，但是在機械造型的時候，要求會高一點。如果能夠合理地設(shè)計砂箱的尺寸，對鑄造生產(chǎn)的過程的益處是非常大的。砂箱有多種材料，有木質(zhì)、鋁合金、灰鑄鐵、球墨鑄鐵和鑄鐵合金五種。還有手抬、吊運和滑道等搬運方法。形狀也多樣，有正方形、矩形和圓形。同時還分為整鑄、鑄接和拼合三種鑄造方法。本設(shè)計選用整鑄式砂箱，材料為灰鑄鐵，灰鑄鐵有很多種類、花費不高，制作起來比較方便，并且有高強度和剛性。圖圖5-4 砂箱砂箱確定砂箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時，要考慮很多因素。砂箱的內(nèi)框有多大，要把模樣的大小、澆口杯冒口的位置和鑄件的吃砂量綜合起來考慮才行。砂箱箱壁的截面形式非常重要，因為它關(guān)系到了強度和剛度。決定截面形式的因素有很多，比如砂箱在哪種條件下工作，內(nèi)框的大小以及要用什么樣的材料來制造砂箱。為了進一步使強度和剛度增強，可以為砂箱設(shè)置加強肋。加強肋的設(shè)置同樣需要根據(jù)砂箱的高度和內(nèi)框的大小來確定。5.3 芯盒的設(shè)計在制作砂芯的時候，需要使用芯盒，這是工藝設(shè)備的一種。如果能為芯盒選擇正確的尺寸和材料的話能夠確保鑄件的質(zhì)量，加快生產(chǎn)速度，降低花費。本設(shè)計選擇批量生產(chǎn)，采用金屬芯盒能夠用讓芯盒的壽命延長，并且是精度得到提高。芯盒的種類也有很多，根據(jù)芯盒材料的來分的話，可以分為木芯盒、鋁合金、塑料芯盒等。由于本設(shè)計的鑄件是小批量生產(chǎn)，所以確定使用木芯盒。木芯盒十分適合本設(shè)計的手動制芯、自硬砂制芯。芯盒還可以分為敞開整體式，垂直對開式等，由于本設(shè)計的零件形狀簡單，并且砂芯具有起模斜度，所以選擇敞開整體式芯盒。在設(shè)計的時候，芯盒的厚度要盡可能的小，因為要控制其質(zhì)量，厚的芯盒也會增大操作的難度。因此只要能夠保證強度和剛度以及使用壽命，就要考慮盡可能減小厚度。同砂箱一樣，也可以通過加強肋來增加芯盒的強度和剛度，加強肋設(shè)置在外壁上，設(shè)置得合理的話，可以讓芯盒用起來更方便。根據(jù)鑄造工藝手冊選，。300mm100 125a mm75 100k mm5R mm在砂箱上設(shè)置了定位裝置以后可以保證尺寸精度，還可以防止合箱的時候錯位。定位的方法有很多，要根據(jù)生產(chǎn)條件選擇。常見的方法有楔定位、定位銷定位、箱垛定位等。本設(shè)計選用箱垛定位。烘干工藝的控制是干型和表干砂型二者皆有的十分關(guān)鍵的步驟。每刷上一次水基石墨涂料，表干砂型都需經(jīng)過噴烘方能進行下一遍涂料的刷抹。厚重大型的鑄鐵件通常要刷23遍的涂料。砂型被烘干之后，砂芯干燥層的深度也會隨之增大。幾種砂型（芯）烘干保溫溫度：一般砂型，木型用木屑，砂芯用有機粘合劑干燥溫度為350-400C，比如濕型砂，干型砂和表面干砂需要定期混合量和舊砂上有效膨潤上的含量和pH值，用以調(diào)整新舊砂的比例，要求型砂和芯砂性能的穩(wěn)定?？偤炝恳罂刂圃?618以下。圖圖5-55-5合箱示意圖合箱示意圖結(jié)論機用固定鉗身為HT200，采用砂型鑄造的方式進行生產(chǎn)，選擇能夠自硬成型的樹脂砂來制作砂型，采取低注式澆注系統(tǒng)，澆口比為：=1.0：1.8：2.0F內(nèi)F橫F直。選擇造型造芯的方法及澆注位置與分型面的確定。然后分析計算了零件的各種鑄造工藝參數(shù)并且砂芯進行設(shè)計。最終計算和設(shè)計澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵、出氣孔等。工藝裝備中模樣和模板采用金屬模，材料為灰鑄鐵，牌號為HT200，線收縮率為1%，需要采用加強筋，模樣實心。使用冷芯盒法制作芯盒，材料為鋁合金。砂箱尺寸為：154mm130mm58mm。參考文獻參考文獻1 魏尊杰. 金屬液態(tài)成形工藝. 北京：高等教育出版社，2010:56-60.2 Babton RG. 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