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黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第 6 頁
CAD/CAE/CAM系統(tǒng)應用軟件在沖模鑄造模具中應用
摘要：本文根據(jù)并行工程（CE）的理念，建立了一個面向沖壓模具設計制造的CAD/CAE/CAM集成系統(tǒng)，并對該集成系統(tǒng)進行了初步的應用。該集成系統(tǒng)可以利用現(xiàn)成的CAD/CAM集成的軟件平臺Pro/ENGINEER， MAGMASOFT模擬軟件和用于沖壓模工藝設計的初步的專家系統(tǒng)來建立。本文作者開發(fā)一個含有一系列的經(jīng)驗計算公式和技術(shù)方案及沖模設計數(shù)據(jù)的初步的專家系統(tǒng)軟件包。該集成系統(tǒng)已經(jīng)成功地被應用于沖壓鋁和鎂鑄件的模具的設計和制造，例如生產(chǎn)桑塔納轎車的水泵。使用該集成系統(tǒng)能縮短沖模設計和制造周期，而且可以在短時間內(nèi)生產(chǎn)高質(zhì)量沖模，大大縮短了沖模鑄造的生產(chǎn)時間。
1.前言
沖模鑄造的軟件正在不斷地發(fā)展。沖模鑄造的產(chǎn)品正在向復雜的、大型的、生產(chǎn)周期短的方向發(fā)展。該如何在一個比較短時期用較低的費用生產(chǎn)高質(zhì)量的沖模鑄造已經(jīng)成為沖模鑄造企業(yè)重要和緊急工作。最近協(xié)作工程學 (CE)已經(jīng)進入沖模鑄造的產(chǎn)品，和建立完整的投沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)。在 CE 程序中，第一個步驟是為產(chǎn)品的使用創(chuàng)建一個 3D零件數(shù)據(jù)庫程序。下一個步驟是設計沖模鑄造程序，包括禁足系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)的設計、溢出系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的設計和整個沖模鑄造剛體的設計。為了避免鑄造中出現(xiàn)缺點，用鑄造仿真軟件仿真金屬的流動和凝固過程，也就是進行CAE。數(shù)據(jù)庫需要提供CAM在制造沖模的粗加工和最終處理CNC程序的數(shù)據(jù)，而且被連接到測量機械測量坐標 (CMMs)。由于在整個過程使用統(tǒng)一的 3D模型數(shù)據(jù)庫，所以能同時完成所有步驟。整個產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)周期很大程度上縮短 [2]。因此,整個模具系統(tǒng)沖模鑄造的重點是CAD/CAE/CAM，它表達了CE觀念模型的先進制造技術(shù)。完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的計劃在圖1中顯示。一個CAD /CAM 軟件包含一個 CAE 模擬
軟件和一個沖模專用系統(tǒng)。
圖1. 完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的全部步驟
由于鑄件的復雜形狀, 3D實體模型和制造要求大型的CAD/CAM的軟件?，F(xiàn)在廣泛應用的CAD/CAM軟件是PTC生產(chǎn)的Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件，EDS生產(chǎn)的Unigraphics II CAD/CAM軟件，和美國SDRC生產(chǎn)的IDEAS CAD/CAM軟件。
2.制定完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)
完整的沖模鑄造CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的計劃在圖1中顯示。一個CAD /CAM 軟件包含一個 CAE 模擬軟件和一個沖模專用系統(tǒng)。
由于鑄件的復雜形狀，3D實體模型和制造要求大型的CAD/CAM的軟件?，F(xiàn)在廣泛應用的CAD/CAM軟件是PTC生產(chǎn)的Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件，EDS生產(chǎn)的Unigraphics II CAD/CAM軟件，和美國SDRC生產(chǎn)的IDEAS CAD/CAM軟件。
鑄件CAE模擬的基礎原則是通過用有限微分(FDM)和有限元分析(FEM)解決流動平衡和熱轉(zhuǎn)換(像是連續(xù)性相等，Navier–Stokes相等和傅立葉相等) 。通過計算可以獲得鋼模在注射和凝固過程中金屬流動的速度和鋼模溫度的散發(fā)。用CAE模擬系統(tǒng)模擬沖模鑄造的金屬流動和鋼模鑄件的凝結(jié)。經(jīng)常用到的鑄件模擬軟件有EKK的CAP，流體自然學的流體3D，美國UES的Pro/CAST，和巖漿，德國Magmad 的MAGMASOFT， 等等 [3]。
在這篇文章中，用Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件、MAGMASOFT模擬軟件平臺和設計沖模鑄造的專家系統(tǒng)建立完整的沖模鑄造的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)，這個系統(tǒng)應用在鋁合金的水泵和鎂合金的屋子蓋子的沖模鑄件。
3.應用完整的CAD/CAE/CAM系統(tǒng)建立沖模鑄件零件的3D實體模型
3.1模具和工藝表的CAD模型和設計
用Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件建立的沖模鑄件3D模型包含了機械加工量、收縮率、加工斜度的消息（在圖2描述）。在數(shù)據(jù)庫2選擇加工的厚度、收縮率和錐度的數(shù)據(jù)應該和合金的類型、零件的結(jié)構(gòu)零件的精度和零件的表面積精度等級。
圖2.水泵的3D實體模型
用一個主要的專家系統(tǒng)包設計鋼模鑄造的科學的計劃程序，那由創(chuàng)建者揭露的程序參數(shù)，合適選擇合適的注射壓力，注射速度，注射的頻率和注射時間等等，和根據(jù)經(jīng)驗
圖3.在開模狀態(tài)下水泵模具3D實體模型
考慮相等鑄件的厚度和鑄件的結(jié)構(gòu)與合金的類型的一致性。沖模鑄件的科學的計劃程序包括控制系統(tǒng)、溢出系統(tǒng)和冷卻通道的設計、形腔面積的計算和熱平衡計算。然后確定沖模鑄造的計劃。在數(shù)據(jù)庫1中儲存各種鋼模標準成份零件的數(shù)據(jù)，而且一些鋼模設計的經(jīng)驗數(shù)據(jù)設，如鑲嵌物的厚度,和形腔到模具外表面距離。在專門系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫1包括，最后整個鑄件3D立體實體，模具的合模和開模機構(gòu)，抽心機構(gòu)，注射系統(tǒng)，溢出系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等等(在圖 3 中顯示)。然后所有的這些模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)文件。
水泵的鋼模的形狀是比較復雜的合成物。包括復雜的外形，不同的高度凹槽，扭曲的轉(zhuǎn)變區(qū)域連接像球體一樣的彎曲橫截面，這些對實體來說是困難的。
3.2 CAE的模擬和分析
用IP 550標準模具機械生產(chǎn)水泵鋼模鑄件。在這個模具中有二種類型的缺點：通氣
圖4.水泵在最初的工藝方案金屬澆注的模擬(50% 注射)
孔和多孔性。用 MAGMASOFT 軟件模仿鋼模的金屬的澆注和凝固過程。分析幾個理
圖 5.水泵在修訂的工藝方案金屬澆注的模擬(50% 注射)
論計劃的仿真結(jié)果。通過模擬能直接觀察到金屬的澆注和凝固過程。在最初的水泵設計計劃中水泵的澆注系統(tǒng)會導致在澆注的時候金屬液體溢出和氣體泄露 (在圖4中顯示)。
結(jié)果會形成氣泡和氧化物。通過對設計系統(tǒng)的修改和參數(shù)的處理能減少這些缺點。(在圖5)除此之外，最初的方案時常在鋼模鑄件熱不平衡的地方生產(chǎn)多個氣泡(在圖 6 中顯示)。因此，在修改計劃合適地調(diào)整注射從慢到快速的轉(zhuǎn)換，和縮短壓力上升時間，保證液體在凝固之前熱不平衡區(qū)的壓力達到需要。因此，氣孔的缺點基本上除去。水泵復雜的形狀模具圖 4.而且它的壁厚不相等產(chǎn)生氣孔和氣泡的缺點，水泵模具密封要求比較高，和鑄件必須通過一個水壓測試而且沒有一點泄露。用CAE的模擬和分析設計出最佳的鋼模鑄造程序，和鋼模產(chǎn)品的合格率在短時間內(nèi)得到很大程度上的提高。
圖6.由最初的科技方案水泵模具的熱不穩(wěn)地區(qū).(80% 凝固)
3.3計算機輔助教育的實現(xiàn)
根據(jù)模具鑄件的形腔3D立體固體的數(shù)據(jù)，用Pro/ENGINEER CAD/CAM 軟件的
創(chuàng)建加工操作表列出的內(nèi)容有：加工參數(shù)，裁刀具，切割路徑等等，和數(shù)控切割程序(數(shù)字的控制)和 CL(刀具定位) 數(shù)據(jù)文件的創(chuàng)建。由于使用數(shù)控檢查模數(shù)，檢查加工的刀具路徑和顯示當時加工的過程。修改每個數(shù)控割切程序的CL數(shù)據(jù)文件，直到達到滿意的結(jié)果。能很快識別這些數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)送和轉(zhuǎn)換輸入數(shù)控機床CAM能很快地被識別。機架蓋子模具鑲嵌物的加工刀具路徑在圖7中顯示。
圖7.機架頂蓋模具鑲嵌在機械中的加工路徑
4.整合系統(tǒng)應用的成效
依照上面提到的，通過使用Pro/ENGINEER CAD/CAM軟件和主要的專家系統(tǒng)，創(chuàng)建模具的3D實體模型和設計科技的方案。使用MAGMASOFT 軟件完成模具金屬的注射和凝固的分析與仿真；修正和優(yōu)化模具的科技方案和加工參數(shù)。然后整個模具的3D實體模型完成。
最后產(chǎn)生模具的復雜表面的CAM加工數(shù)據(jù)和型心，和在CNC機械上完成全部過程。在整個過程由于使用單一的3D立體模型的數(shù)據(jù)庫，一些步驟可能同時運行，和模具的設計和制造的周期明顯地縮短。
通過CAE模擬修正和優(yōu)化模具科技方案和加工參數(shù)投，能在非常短時間的內(nèi)提高模具的質(zhì)量。舉例來說，由于使用CAE 模擬，上述的水泵鑄件產(chǎn)品合格率在短時間內(nèi)從60提高到90%。
CAE 模擬結(jié)果表示鋼模流道散發(fā)熱量不平衡。鋼模熱的平衡和熱散發(fā)通過調(diào)節(jié)澆道大小，澆注速度，冷卻速度率等等，和發(fā)生裂縫的頻率在很大程度上減少，度上縮短。因為鋼模鑄件的合格率能在短時間內(nèi)得到很大程度上提高，并縮短了整個鋼模鑄件的制造時間。
5.結(jié)論
證明的完整的模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)已成功的應用轎車的設計和制造，比如水泵和變速箱。明顯縮短模具的設計和制造時間。用CAE 模擬能優(yōu)化加工參數(shù)和技術(shù)方案。能在短時間內(nèi)生產(chǎn)高質(zhì)量模具，使得整個生產(chǎn)過程得到縮短。然而，這個綜合系統(tǒng)正向更深的研究和體系發(fā)展，尤其是那些專門的系統(tǒng)。這將會使專業(yè)系統(tǒng)更完美。更多鋼模鑄件的情形是成功地在制造中分析產(chǎn)品，而且他們的數(shù)據(jù)也將會存在專門的系統(tǒng)中。
參考文獻
[1] K. Chipley, S. Viswanathan, R.H. Cooper[M] ,Die Cast. Eng. 40 (2)(1996) 18-26.
[2] P.M. Bralower[M] , Die Cast. Eng. 42 (5) (1998) 16-20.
[3] S.P. Midson[M] , Die Cast. Eng. 38 (5) (1994) 42-46.
[4] S. Yue, G. Dai, Foundry[M] , Eng-Molding Mater. 22 (1-2) (1998) 8-13.
[5] Shuhua, Yue, J. Yu, H. Sun, et al., Foundry [M] 46 (1) (1997) 14-18.
單位代碼 02
學 號 080105046
分 類 號 TH6
密 級
畢業(yè)設計
文獻翻譯
院（系）名稱
工學院機械系
專業(yè)名稱
機械設計制造及其自動化
學生姓名
莫彥麗
指導教師
穆國華
2012年 3 月 10 日
本科學生課程設計任務書
課程設計題目
XX零件鑄造工藝設計
學院
材料科學與工程學院
專業(yè)
材料成型與控制
年級
2007級
已知參數(shù)和設計要求：
已知零件結(jié)構(gòu)、相關(guān)尺寸以及相關(guān)技術(shù)要求；
要求完成該零件的鑄造工藝設計，并完成鑄造工藝圖、模樣圖、模板圖、芯盒圖以及設計說明書等技術(shù)文件。
要求結(jié)合砂型鑄造工藝特征，對零件的鑄造工藝進行合理的分析、科學的設計。
設計方案是否合理、正確、可行；
設計說明書、設計圖紙完成認真、規(guī)范、正確。
學生應完成的工作：
完成設計說明書、鑄造工藝圖、模樣圖、模板圖、芯盒圖等技術(shù)文件。所有文件（包括封面、成績評定表、任務書、設計說明書、相關(guān)設計圖紙等）需要按照順序、并按規(guī)定格式裝訂成冊。
目前資料收集情況（含指定參考資料）：
已經(jīng)完成了《鑄造工藝及模具》課程的學習，并已經(jīng)獲得了零件的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)技術(shù)要求。需要針對該零件的結(jié)構(gòu)及要求完成鑄造工藝設計。
1. 葉榮茂. 鑄造工藝設計簡明手冊. 南京：南京工程學院，2010.
2. 姜希尚. 鑄造手冊-鑄造工藝. 北京:機械工業(yè)出版社,1994.
3. 葉榮茂. 鑄造工藝課程設計手冊. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，1989.
4. 李弘英, 趙成志. 鑄造工藝設計.機械工業(yè)出版社，2005.
5. 李魁盛. 鑄造工藝設計基礎 . 北京:機械工業(yè)出版社，1981.
6. 魏華盛. 鑄造工程基礎. 北京:機械工業(yè)出版社，2002
課程設計的工作計劃：
序號
設 計 內(nèi) 容
時間/周
1
鑄造工藝分析、工藝方案擬定
1.5
2
鑄造工藝圖繪制
1
3
模樣圖、芯盒圖、模板裝配圖等繪制
1
4
撰寫課程設計說明書
0.5
任務下達日期 2011 年 12 月 19 日
完成日期 年 月 日
指導教師 （簽名）
學 生 （簽名）
說明：1、學院、專業(yè)、年級均填全稱，如：光電工程學院、測控技術(shù)、2003。
2、本表除簽名外均可采用計算機打印。本表不夠，可另附頁，但應在頁腳添加頁碼。
2
設計說明書
題 目:砂型鑄造壓工藝及模具設計
年級、 專業(yè):
姓 名:
學 號:
指 導 教 師:
完 成 時 間:
目 錄
第一章、簡 介 4
1.1.我國鑄造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 4
1.2.我國鑄造未來發(fā)展趨勢 4
第二章、鑄造工藝方案的確定 5
2.1.產(chǎn)品的生產(chǎn)條件、結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求 5
2.2.零件鑄造工藝性 5
2.3.造型，造芯方法的選擇 6
2.4.澆注位置的確定 7
2.5.分型面的確定 8
2.6.砂箱中鑄件數(shù)量及排列方式確定 8
第三章、鑄造工藝參數(shù)及砂芯設計 10
3.1.工藝設計參數(shù)確定 10
3.1.1.鑄件尺寸公差 10
3.1.2.機械加工余量 10
3.1.3.鑄造收縮率 11
3.1.4.起模斜度 11
3.1.5.最小鑄出孔和槽 11
3.1.6.鑄件在砂型內(nèi)的冷卻時間 12
3.1.7.鑄件重量公差 12
3.1.8.工藝補正量 12
3.1.9.分型負數(shù) 12
3.2.砂芯設計 12
3.2.1.芯頭的設計 14
3.2.2.砂芯的定位結(jié)構(gòu) 15
3.2.3.芯骨設計 16
3.2.4.砂芯的排氣 16
第四章、澆注系統(tǒng)及冒口、出氣孔等設計 17
4.1.澆注系統(tǒng)的設計 17
4.1.1.選擇澆注系統(tǒng)類型 17
4.1.2.確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目、金屬引入方向 17
4.1.3.決定直澆道的位置和高度 18
4.1.4計算澆注時間并核算金屬上升速度 19
4.1.5.計算阻流截面積 19
4.1.6.計算直澆道截面積 19
4.1.7.澆口窩的設計 20
4.2.冒口的設計 21
4.3.出氣孔的設計 21
第五章、鑄造工藝裝備設計 22
5.1.模樣的設計 22
5.1.1.模樣材料的選用 22
5.1.2.金屬模樣尺寸的確定 22
5.1.3.壁厚與加強筋的設計 22
5.1.4.金屬模樣的技術(shù)要求 22
5.1.5.金屬模樣的生產(chǎn)方法 23
5.2.模板的設計 23
5.2.1.模底板材料的選用 23
5.2.2.模底板尺寸確定 23
5.2.3.模底板與砂箱的定位 23
5.3.芯盒的設計 24
5.3.1.芯盒的類型和材質(zhì) 24
5.3.2.芯盒的結(jié)構(gòu)設計 24
5.4.砂箱的設計 24
5.4.1.砂箱的材質(zhì)及尺寸 24
5.4.2.砂箱型壁尺寸及圓角尺寸 24
5.4.3.砂箱排氣孔尺寸 25
第六章、砂型鑄造設備選用 26
6.1.造型工部設備選用 26
6.2.制芯工部設備選用 26
6.3.溶化工部設備選用 26
6.4.砂處理工部設備選用 26
6.5.清理工部設備選用 26
總 結(jié) 27
參考文獻 28
第一章、簡 介
1.1.我國鑄造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
盡管近年來我國鑄造行業(yè)取得迅速的發(fā)展,但仍然存在許多問題。第一,專業(yè)化程度不高,生產(chǎn)規(guī)模小 。我國每年每廠的平均生產(chǎn)量是815t,遠遠低于美國的4606t和日本的4878t。第二,技術(shù)含量及附加值低。我國高精度、高性能鑄件比例比日本低約20個百分點。第三,產(chǎn)學研結(jié)合不夠緊密、鑄造技術(shù)基礎薄弱。第四,管理水平不高,有些企業(yè)盡管引進了國外的先進的設備和技術(shù),但卻無法生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄件,究其原因就是管理水平較低。第五,材料損耗及能耗高污染嚴重。中國鑄鐵件能耗比美國、日本高70%～120%。第六,研發(fā)投入低、企業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新體系尚未形成。
1.2.我國鑄造未來發(fā)展趨勢
自中國加入WTO以來,我國鑄造行業(yè)面臨機遇與挑戰(zhàn)。其未來發(fā)展將集中在以下幾方面。第一,鼓勵企業(yè)重組發(fā)展專業(yè)化生產(chǎn),包括鑄件大型化和輕量化生產(chǎn)。第二,加大科技投入切實推動自主創(chuàng)新,實現(xiàn)鑄件的精確化生產(chǎn)和數(shù)字化鑄造。第三,培養(yǎng)專業(yè)人才加強職工技術(shù)培訓。第四,大力降低能耗抓好環(huán)境保護,實現(xiàn)清潔化鑄造。
第二章、鑄造工藝方案的確定
2.1.產(chǎn)品的生產(chǎn)條件、結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求
l 產(chǎn)品生產(chǎn)性質(zhì)——中批量生產(chǎn)
l 零件材質(zhì)——HT20-40
l 零件的外型示意圖如圖2.1所示，外形輪廓尺寸為234×178×225mm，主要壁厚10-22mm，最大壁厚22mm，為一小型鑄件；鑄件除滿足幾何尺寸精度及材質(zhì)方面的要求外，無其他特殊技術(shù)要求。
圖2.1.零件圖
2.2.零件鑄造工藝性
零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性是指零件的結(jié)構(gòu)應符合鑄造生產(chǎn)的要求，易于保證鑄件品質(zhì)，簡化鑄件工藝過程和降低成本。審查、分析應考慮如下幾個方面：
1.鑄件應有合適的壁厚，為了避免澆不到、冷隔等缺陷，鑄件不應太薄。
2.鑄件結(jié)構(gòu)不應造成嚴重的收縮阻礙，注意薄壁過渡和圓角，鑄件薄厚壁的相接拐彎等厚度的壁與壁的各種交接，都應采取逐漸過渡和轉(zhuǎn)變的形式，并應使用較大的圓角相連接，避免因應力集中導致裂紋缺陷。
3.鑄件內(nèi)壁應薄于外壁，鑄件的內(nèi)壁和肋等，散熱條件較差，應薄于外壁，以使內(nèi)、外壁能均勻地冷卻，減輕內(nèi)應力和防止裂紋。
4.壁厚力求均勻，減少肥厚部分，防止形成熱節(jié)。
5.利于補縮和實現(xiàn)順序凝固。
6.防止鑄件翹曲變形。
7.避免澆注位置上有水平的大平面結(jié)構(gòu)。
對于該產(chǎn)品的鑄造工藝性審查、分析如下：
產(chǎn)品輪廓尺寸為234×178×225mm。砂型鑄造條件下該輪廓尺寸允許的最小壁厚查《鑄造工藝學》表3-2-1得：最小允許壁厚為6～8 mm。而本次設計的產(chǎn)品的最小壁厚為10mm。符合要求。
產(chǎn)品設計壁厚較為均勻，兩壁相連初采用了加強肋，可以有效構(gòu)成熱節(jié)，不易產(chǎn)生熱烈。
2.3.造型，造芯方法的選擇
產(chǎn)品輪廓尺寸為234×178×225mm，鑄件尺寸較小，屬于中型零件，且要大批量生產(chǎn)。采用濕型粘土砂造型靈活性大，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，便于組織流水生產(chǎn)，易于實現(xiàn)機械化和自動化，材料成本低，節(jié)省烘干設備、燃料、電力等，還可延長砂箱使用壽命。因此，采用濕型粘土砂機器造型，模樣采用金屬模是合理的。
在造芯用料及方法選擇中，如用粘土砂制作砂芯原料成本較低，但是烘干后容易產(chǎn)生裂紋，容易變形。在大批量生產(chǎn)的條件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工藝所需的砂芯采用熱芯盒法生產(chǎn)砂芯，以增加其強度及保證鑄件質(zhì)量。選擇使用射芯工藝生產(chǎn)砂芯。采用熱芯盒制芯工藝熱芯盒法制芯，是用液態(tài)固性樹脂粘結(jié)劑和催化劑制成的一種芯砂，填入加熱到一定的芯盒內(nèi)，貼近芯盒表面的砂芯受熱，其粘結(jié)劑在很短的時間內(nèi)硬化。而且只要砂芯表層有數(shù)毫米的硬殼即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余熱可自行硬化。
2.4.澆注位置的確定
鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在型內(nèi)所處的狀態(tài)和位置。確定澆注位置是鑄造工藝設計中重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，鑄件的尺寸精度及造型工藝過程的難易程度。
初步對本次設計產(chǎn)品的澆注位置的確定有：方案如圖2.2
圖2.2 澆注位置確定方案
確定澆注位置應注意以下原則：
1.鑄件的重要部分應盡量置于下部
2.重要加工面應朝下或直立狀態(tài)
3.使鑄件的答平面朝下，避免夾砂結(jié)疤內(nèi)缺陷
4.應保證鑄件能充滿
5.應有利于鑄件的補縮
6.避免用吊砂，吊芯或懸臂式砂芯，便于下芯，合箱及檢驗
綜合以上原則，本設計中的方案合理，科學，可行。
2.5.分型面的確定
分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。分型面的優(yōu)劣在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、成本和生產(chǎn)率。
初步對產(chǎn)品圖進行分型有：方案如圖2.3：
圖2.3 分型面確定方案一
而選擇分型面時應注意一下原則：
應使鑄件全部或大部分置于同一半型內(nèi)
應盡量減少分型面的數(shù)目
分型面應盡量選用平面
便于下芯、合箱和檢測
不使砂箱過高
受力件的分型面的選擇不應削弱鑄件結(jié)構(gòu)強度
注意減輕鑄件清理和機械加工量
2.6.砂箱中鑄件數(shù)量及排列方式確定
產(chǎn)品單件質(zhì)量約為16.5kg，因此看鑄件為中小型簡單件?？紤]到年產(chǎn)量不是很高，因此采用一箱一件結(jié)構(gòu)，減少模具成本。
初步選取砂箱尺寸由《鑄造實用手冊》查表1.5-45得：
上箱為500×400×357mm 下箱為500×400×347mm
鑄件在砂箱中排列最好放模具中心，這樣金屬液作用于上砂型的抬芯力均勻，也有利于澆注系統(tǒng)安排，在結(jié)合已經(jīng)確定分型面及澆注位置以及砂箱尺寸，基本確定鑄件在砂箱內(nèi)的位置。
第三章、鑄造工藝參數(shù)及砂芯設計
3.1.工藝設計參數(shù)確定
鑄造工藝設計參數(shù)通常是指鑄型工藝設計時需要確定的某些數(shù)據(jù)，這些工藝數(shù)據(jù)一般都與模樣及芯盒尺寸有關(guān)，及與鑄件的精度有密切關(guān)系，同時也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過程有關(guān)。這些工藝數(shù)據(jù)主要是指加工余量、起模斜度、鑄造收縮率、最小鑄出孔、型芯頭尺寸、鑄造圓角等。工藝參數(shù)選取的準確、合適，才能保證鑄件尺寸精確，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生產(chǎn)率，降低成本。
3.1.1.鑄件尺寸公差
鑄件尺寸公差是指鑄件公稱尺寸的兩個允許的極限尺寸之差。在兩個允許極限尺寸之內(nèi)，鑄件可滿足機械加工，裝配，和使用要求。
本次產(chǎn)品為砂型鑄造機器造型中批量生產(chǎn)，由《鑄造工藝設計》查表1-10得：
尺寸公差為CT8～12級，取CT9級。
輪廓尺寸為234×178×225mmmm，由《鑄造工藝設計》查表1-9得：
尺寸公差數(shù)值為2mm。
3.1.2.機械加工余量
機械加工余量是鑄件為了保證其加工面尺寸和零件精度，應有加工余量，即在鑄件工藝設計時預先增加的，而后在機械加工時又被切去的金屬層厚度。
由《鑄造工藝設計》查表1-13得：加工余量為E～G級，取G級。輪廓尺寸為φ234×178×225mm，由《鑄造工藝設計》查表1-12得：加工余量數(shù)值為2-2.25m，取2mm。
但在分型面及澆注系統(tǒng)設置中，不得已將重要加工面底面朝上放置，這樣使其容易產(chǎn)生氣孔、非金屬夾雜物等缺陷，所以將采取適當加大加工余量的方法使其在加工后不出現(xiàn)缺陷。將底面的加工余量調(diào)整為0.5mm，可以忽略不計。
3.1.3.鑄造收縮率
鑄造收縮率又稱鑄件線收縮率，用模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分比表示：ε=[（L1-L2）/L1]*100％
ε—鑄造收縮率
L1—模樣長度
L2—鑄件長度
產(chǎn)品受阻收縮率由《鑄造工藝設計》查表1-14得：
受阻收縮率為0.9-0.95％。
3.1.4.起模斜度
為了方便起模，在模樣、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免損壞砂型或砂芯。這個斜度，稱為起模斜度。起模斜度應在鑄件上沒有結(jié)構(gòu)斜度的，垂直于分型面的表面上應用。
初步設計的起模斜度如下：
外型模的邊高357mm的起模斜度由《鑄造工藝設計》查表1-15得：
粘土砂造型外表面起模斜度為а=0°15＇,a=1.2mm
3.1.5.最小鑄出孔和槽
零件上的孔、槽、臺階等，究竟是鑄出來好還是靠機械加工出來好，這應該從品質(zhì)及經(jīng)濟角度等方面考慮。一般來說，較大的孔、槽等應該鑄出來，以便節(jié)約金屬和加工工時，同時還可以避免鑄件局部過厚所造成熱節(jié)，提高鑄件質(zhì)量。較小的孔、槽或則鑄件壁很厚則不易鑄出孔，直接依靠加工反而方便。
根據(jù)產(chǎn)品輪廓尺寸，由《鑄造工藝設計》查表1-5得：
最小鑄出孔約為15mm
產(chǎn)品的最小孔Φ36，考慮加工余量后直徑為40mm，厚度為22mm。該孔直徑比較大，高徑比也不大，則應該鑄出。同樣，Φ52，Φ47的孔，都可以直接鑄出。而且能保證精度。
3.1.6.鑄件在砂型內(nèi)的冷卻時間
鑄件在砂型內(nèi)的冷卻時間短，容易產(chǎn)生變形，裂紋等缺陷。為使鑄件在出型時有足夠的強度和韌性，鑄件在砂型內(nèi)應有足夠的冷卻時間。由《鑄造工藝設計》查表1-25得：本次產(chǎn)品鑄造冷卻時間為50～80min。
3.1.7.鑄件重量公差
鑄件重量公差是以占鑄件公稱重量的百分比表示的鑄件重量變動的允許范圍。本次產(chǎn)品的公稱重量約為16.5kg，尺寸公差為CT9級。由《鑄造工藝設計》查表1-57得：重量公差為MT14級。
3.1.8.工藝補正量
在單件小批量生產(chǎn)中，由于選用的縮尺與鑄件的實際收縮率不符，或由于鑄件產(chǎn)生了變形等原因，使得加工后的鑄件某些部分的壁厚小于圖樣要求尺寸，嚴重時會因強度太弱而報廢。因此工藝需要在鑄件相應的非加工壁厚上增加層厚度稱為工藝補正量。但本次設計零件在大批量生產(chǎn)前的小批量試產(chǎn)過程中將進行調(diào)整，所以設計中不考慮工藝補正量。
3.1.9.分型負數(shù)
干砂型、表面烘干型以及尺寸較大的濕砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接觸面很不嚴。為了防止?jié)沧r炮火，合箱前需要在分型面之間墊以石棉繩、泥條等，這樣在分型面處明顯增加了鑄件的尺寸。為了保證鑄件尺寸精確，在擬定工藝時為抵掉鑄件增加的尺寸而在模樣上減去相應的尺寸稱為分型負數(shù)。而本次設計零件是濕型且是中小型鑄件，故不予考慮分型負數(shù)。
3.2.砂芯設計
砂芯的功用是形成鑄件的內(nèi)腔、孔和鑄件外型不能出砂的部分。砂型局部要求特殊性能的部分有時也用砂芯。
砂芯的外型如圖3.3所示。
圖3.3 砂芯外型示意圖
3.2.1.芯頭的設計
砂芯主要靠芯頭固定在砂型上。對于垂直芯頭為了保證其軸線垂直、牢固地固定在砂型上，必須有足夠的芯頭尺寸。
根據(jù)實際設計量取計算砂芯高度：L=70mm
芯頭長度初步選取由《鑄造工藝設計》查表1-31得：h=20～35mm 取h=30mm
出于考慮分型面的選取等因素綜合芯頭選用垂直芯頭并且不能做出上芯頭，只設計下芯頭并且加大下芯頭。
下芯頭長度設計修正為：h=70×(1+10%)=77mm
芯頭間隙初步選取由《鑄造工藝設計》查表1-31得：s=0.3mm
但考慮砂芯為垂直的濕型小砂芯且不設置上芯頭，所以使用過盈的芯頭，過盈量為0.2mm
芯頭斜度選取由《鑄造工藝設計》查表1-32得：а≤7 取а=7
3.2.2.砂芯的定位結(jié)構(gòu)
砂芯要求定位準確，不允許沿芯頭軸向移動或繞芯頭軸線轉(zhuǎn)動。對于形狀不對稱的砂芯，為了定位準確，需要做出定位芯頭。定位芯頭結(jié)構(gòu)如圖3.4
圖3.4 定位芯頭結(jié)構(gòu)圖
3.2.3.芯骨設計
為了保證砂芯在制芯、搬運、配芯和澆注過程中不開裂、不變形、不被金屬液沖擊折斷，生產(chǎn)中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其剛度和強度。
因為砂芯尺寸中等，而且采用樹脂砂，故砂芯強度較好，砂芯內(nèi)不用放置芯骨。
3.2.4.砂芯的排氣
砂芯在澆注過程中，其粘結(jié)劑及砂芯中的有機物要燃燒（氧化反應）放出氣體，砂芯中的殘余水分受熱蒸發(fā)放出氣體，如果這些氣體排不出型外，則要引起鑄件產(chǎn)生氣孔。
本次設計產(chǎn)品的砂芯采用熱芯盒造芯，故不用有意設置排氣道、排氣孔等排氣。
第四章、澆注系統(tǒng)及冒口、出氣孔等設計
4.1.澆注系統(tǒng)的設計
澆注系統(tǒng)是鑄型中引導液體金屬進入型腔的通道，它由澆口杯，直澆道，橫澆道和內(nèi)澆道組成。
4.1.1.選擇澆注系統(tǒng)類型
澆注系統(tǒng)分為封閉式澆注系統(tǒng)，開放式澆注系統(tǒng)，半封閉式澆注系統(tǒng)和封閉-開放式澆注系統(tǒng)。因為封閉式澆注系統(tǒng)控流截面積在內(nèi)澆道，澆注開始后，金屬液容易充滿澆注系統(tǒng)，呈有壓流動狀態(tài)。擋渣能力強，但充型速度快，沖刷力大，易產(chǎn)生噴濺，金屬液易氧化。適用于濕型鑄件小件。本次設計的產(chǎn)品是采用濕型的鑄件，所以選擇封閉式澆注系統(tǒng)。
4.1.2.確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目、金屬引入方向
零件結(jié)構(gòu)較為簡單且是中等型件，鑄造時采取一箱一件，故只需要一個澆道。為了方便造型，澆道開設在分型面上。因為鑄件采用底座朝上且鑄件全部位于下箱的方式進行鑄造，這樣鑄件凝固順序為由下至上凝固，這樣有利于產(chǎn)品的重要部分先凝固并得到補縮，如此內(nèi)澆道則設置在底部側(cè)面引入金屬液，如圖4.1所示。
圖4.1 內(nèi)澆道位置示意圖
4.1.3.決定直澆道的位置和高度
實踐證明，直澆道過低使充型及液態(tài)補縮壓力不足，容易出現(xiàn)鑄件棱角和輪廓不清晰、澆不到上表面縮凹等缺陷。初步設計直澆道高度等于上沙箱高度357mm。但應檢驗該高度是否足夠。
檢驗依據(jù)為，剩余壓力頭應滿足壓力角的要求，如下式所列：
HM≥Ltgа
式中 HM——最小剩余壓力頭
L——直澆道中心到鑄件最高且最遠點的水平投影距離
а——壓力角
由《鑄造工藝學》查表3-4-11得：а為9～10 取10
Ltgа=90×tg10≈15.87mm
因為鑄件全部位于下箱，所以剩余壓力頭HM等于上箱高度100mm
經(jīng)過驗證剩余壓力頭滿足壓力角的要求。
4.1.4計算澆注時間并核算金屬上升速度
根據(jù)鑄件圖計算單個鑄件的體積V≈2.10212cm3
儒墨鑄鐵密度由《鑄造實用手冊》查表1.1-90得：7.5～7.9
取密度為7.85
一箱一件質(zhì)量為m=2.10212×7.85=16501.642g≈16.5kg
零件大批量生產(chǎn)的工藝出品率約為85%，可估計鑄型中鐵水總重量G
G=16.5/85%≈19.412kg
初步計算澆注時間由《鑄造實用手冊》查表1.4-61得：
T=S√G=2.5√19.41≈12.8s
計算鐵水液面上升速度 v=C/t=2.10/12.8=16.4mm/s
校核鐵水上升速度，一般允許鐵水的最小上升速度范圍由《鑄造實用手冊》查表1.4-62得：上升速度v=10～30s
通過比對16.4mm/s的上升速度符合實際，不必調(diào)整經(jīng)驗系數(shù)。
4.1.5.計算阻流截面積
根據(jù)水力學近似計算公式：
F內(nèi)= m/[ρtμ(2gHp)0.5] cm2
式中 m—流經(jīng)阻流的金屬質(zhì)量 kg
t—充滿行腔總時間 s
ρ—金屬液密度 kg/cm3
μ—澆注系統(tǒng)阻流截面的流量系數(shù)
Hp—充填型腔時的平均計算壓力頭 cm
F內(nèi)=19.41/[0.00785*11*0.5*(2*1000*20)0.5] ≈2.5cm2
4.1.6.計算直澆道截面積
直澆道的功用是從澆口杯引導金屬液向下，進入橫澆道、內(nèi)澆道或直接進入型腔。并提供足夠的壓力頭，使金屬液在重力作用下能克服各種流動阻力充型。
由于設計直澆口有一個，因此S直=3*2.8=8.4cm2
直澆道形狀取圓形截面形狀如圖4.4
圖4.4 直澆道截面示意圖
圓形斷面大小由《鑄造實用手冊》查表1.4-75得：
D=10mm
為了方便取模直澆道做成上小下大的倒圓錐形，（通常錐度取1/10）。
因此直澆道上端是直徑約為：
D1=10-（1/10）×50=5mm
4.1.7.澆口窩的設計
澆口窩對于來自直澆道的金屬有緩沖作用，能縮短直——橫澆道拐彎處的紊流區(qū)，改善橫澆道內(nèi)的壓力分布，并能浮出金屬液中的氣泡。
澆口窩直徑為直澆道下端直徑兩倍，因此D=2×5=10mm
4.2.冒口的設計
冒口是鑄型內(nèi)用于儲存金屬液的空腔，在鑄件形成時補給金屬，有防止縮孔、縮松、排氣、集渣的作用。
本次零件的灰口鑄鐵在凝固時其體積變化情況與一些工業(yè)上常用的金屬及合金不同，其特點是在液態(tài)冷卻時發(fā)生收縮，冷卻至共晶溫度時停止收縮，由于析出石墨而發(fā)生膨脹，在接近凝固終了時余下的液態(tài)金屬凝固時又開始收縮，直至凝固結(jié)束。所以其凝固時的膨脹和液態(tài)收縮趨于互相補償。故補縮時需要的鐵水量少，而且本次設計零件壁厚不均勻，但相差也不是很多，所以可利用澆注系統(tǒng)進行補縮不設置冒口。
4.3.出氣孔的設計
出氣孔用于排出型腔內(nèi)的氣體，改善金屬液充填能力、排除先沖到型腔中的過冷金屬液與浮渣，還可作為觀察金屬液充滿型腔的標志。出氣孔設置位置詳見工藝圖。
防止出氣孔過大導致鑄件形成熱節(jié)，以至產(chǎn)生縮孔，出氣孔根部直徑，不應大于設置處鑄件壁厚的0.5倍。即出氣孔直徑應小于6mm(0.5×12mm)。
防止出氣孔過小導致型內(nèi)氣壓過份增大，出氣孔根部總截面接應大于內(nèi)澆口總截面積3cm2。
因此設計出氣孔根部直徑為5mm，一箱1件共2個出氣孔。為方便取模采用上小下大的錐形，斜度為起模斜度а=1°10＇
第五章、鑄造工藝裝備設計
鑄造工藝裝備是造型、造芯及合箱過程中所使用的模具和裝置的總稱。
5.1.模樣的設計
5.1.1.模樣材料的選用
模樣是造型工藝過程必須的工藝裝備，用來形成鑄型的型腔，因此直接關(guān)系著鑄件的形狀和尺寸精確度。鑄件為大批量生產(chǎn)，所以用金屬模樣，該金屬模樣的材料選用如下：
模樣：鋁合金（質(zhì)輕、不生銹，加工性能好，加工后表面光滑，并有一定的耐磨性，但耐磨性較差）
上，下模座：HT200
鑲塊，緊固件：45號鋼
5.1.2.金屬模樣尺寸的確定
模樣尺寸＝鑄件尺寸（1＋K），（模樣尺寸精確到小數(shù)點后兩位）
注：K 鑄件線收縮率
收縮率K=0.05-0.08%，基本按零件圖尺寸設計模具。
5.1.3.壁厚與加強筋的設計
模樣壁厚由《鑄造實用手冊》查表1.5－2得：
模型壁厚10-22mm。內(nèi)部不用設置加強筋。
5.1.4.金屬模樣的技術(shù)要求
模樣的尺寸精度、表面光潔度是影響鑄件質(zhì)量的一個重要因素，因此對其表面光潔度和尺寸偏差應嚴格控制。
由《鑄造實用手冊》查表1.5－5得：
模樣表面的粗糙度為3.2，模樣與模板接觸面的粗糙度為6.3 。
5.1.5.金屬模樣的生產(chǎn)方法
為增加材料澆注后的致密度，現(xiàn)將材料制作成與該模樣形狀類似的腔體，然后進行熱處理，以增加其硬度，增加抗磨損能力，然后在用機器按模樣的尺寸加工成模樣的形狀。
5.2.模板的設計
模板也稱型板，是由摸底板和模樣、澆口系統(tǒng)及定位銷等裝配而成。模底板用來連接與支承模樣、澆注系統(tǒng)、定位銷等。本設計采用單面模底板，其工作面是平面。
5.2.1.模底板材料的選用
對模底板材料的要求是有足夠的強度，有良好的耐磨性，抗震耐壓，鑄造和加工性。根據(jù)模樣的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)要求，選用鑄鐵作為模底板的材料。
5.2.2.模底板尺寸確定
模底板長＝砂箱長＋2×砂箱分型面出邊緣厚度
＝244＋2×50=344mm
模底板寬＝砂箱寬＋2×砂箱分型面出邊緣厚度
＝178＋2×50＝278mm
由《鑄造實用手冊》查表1.5－34得：模底板的壁厚取為50mm
5.2.3.模底板與砂箱的定位
模底板與砂箱之間采用定位銷與銷套定位。
5.3.芯盒的設計
5.3.1.芯盒的類型和材質(zhì)
采用熱芯盒，芯盒材料為鋁合金。
5.3.2.芯盒的結(jié)構(gòu)設計
芯盒的壁厚由《鑄造實用手冊》查表1.5－11得：6～8mm，取7mm
5.4.砂箱的設計
砂箱的設計內(nèi)容有：選擇類型和材質(zhì)，確定砂箱尺寸。結(jié)構(gòu)設計，定位及緊固等。
5.4.1.砂箱的材質(zhì)及尺寸
鑄件機械造型用砂箱可選用的材料牌號由《鑄造工藝課程設計手冊》查得有：HT15-33,HT20-40,QT45-5,QT60-2,QT40-10,ZG15～ZG45。選擇HT250為砂箱材料，需進行人工時效或退火處理。
根據(jù)通用砂箱的規(guī)格尺寸選砂箱的尺寸：
上箱為500×400*×357mm 下箱為500×400×357mm
5.4.2.砂箱型壁尺寸及圓角尺寸
普通機械造型砂箱常用向下擴大的傾斜壁，底部設突緣，防止塌箱，保證剛性，便于落砂，箱壁上流出氣孔。
砂箱過渡圓角示意圖如圖5.2。其中R=5mm,R1=10mm
圖5.2 砂箱過渡圓角示意圖
5.4.3.砂箱排氣孔尺寸
由《鑄造實用手冊》表1.5-49查得：
C=40 mm,c1=50mm,c2=20mm,d=10 mm
上箱通氣孔共2排，下箱通氣孔共2排
第六章、砂型鑄造設備選用
6.1.造型工部設備選用
工藝分析確定采用砂箱內(nèi)尺寸為980×1000×400/500mm的微振壓實造型線生產(chǎn)本次設計的鑄件。選擇這種造型線組織造型生產(chǎn)，在技術(shù)上是先進的，經(jīng)濟上是合理的。選用半自動氣動微震壓實造型機（型號 ZB148B）進行造型。
6.2.制芯工部設備選用
為了提供造型用的強度高、尺寸精確的砂芯，采用熱芯盒射砂生產(chǎn)樹脂砂芯，此零件的砂芯屬于小砂芯，根據(jù)所需型芯形狀及生產(chǎn)效率，選用2ZZ8612熱芯盒射芯機。
6.3.溶化工部設備選用
根據(jù)車間的生產(chǎn)綱領(lǐng)、設備資源情況、投資等因素，確定采用沖天爐融化鑄鐵。
6.4.砂處理工部設備選用
混砂裝備選用碾輪式混砂機，該型混砂機的混砂質(zhì)量較好。
制備型（芯）砂所需要的各種原材料、如新砂、煤粉、粘土等一般都經(jīng)過烘干后使用，在批量較大的鑄造車間多采用臥式烘干滾筒。
松砂是很重要的工藝環(huán)節(jié)。生產(chǎn)批量較大的鑄造車間，采用雙輪松砂機。
6.5.清理工部設備選用
為了減輕清理工段的勞動強度，改善勞動條件，提高鑄件清理質(zhì)量和清理速度，設計中采用雙行程連續(xù)拋丸室和Q 118拋丸清理滾筒進行鑄件的表面清理；采用M 3040固定式砂輪機、M 3140懸掛式砂輪機鑄件的飛邊毛刺。清理好的鑄件用電泳浸漆遠紅外線烘干自動線進行油漆防銹。廢砂用帶式輸送機、斗式提升機集中送至廢砂斗內(nèi)，定期用汽車運走。
總 結(jié)
經(jīng)過了近一個學期的精心準備，本次設計已經(jīng)接近尾聲了，由于我所學的知識有限，所以有很多不足和沒有考慮到的地方還請老師予以指正。
本設計主要開篇對我國鑄造的歷史及現(xiàn)狀，其他國家鑄造發(fā)展現(xiàn)狀，我國鑄造的發(fā)展趨勢等進行了相應的簡單介紹。
在鑄造工藝設計中首先進行了鑄造工藝方案的確定，其中包括對零件鑄造工藝性的分析，造型造芯方法的選擇以及澆注位置和分型面的確定。其次分析計算了零件的各種鑄造工藝參數(shù)并設計了砂芯。最后對澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵、出氣孔等進行了計算與設計。
在工藝裝配設計中對砂箱，模樣模板，芯盒進行了簡要的設計。
經(jīng)過近一個學期的畢業(yè)設計，使我更加熟練的掌握了UG，CAD等軟件，也更加熟悉了砂型鑄造的工藝過程，本人受益匪淺。
但在本次設計中，由于實踐經(jīng)驗的不足，有一些和現(xiàn)實狀況結(jié)合很密切的問題考慮的還不夠周全，希望老師們予以諒解。我會在以后的工作和學習中，更全面更深層次的提高和完善自己的知識和實踐操作技能。
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