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液态成型工艺设计吴士平徐实谦一、液态成型工艺与模具设计的目的课程设计是培养材料成形与控制工程专业人才的一个重要实践环节，其目的是通过设计实践来巩固和加深液态成形工艺基础课及有关基础课和技术基础课的知识，并能够运用所学知识，比较系统地学习掌握液态成型工艺及工装模具设计方法，使学生能够制定出比较合理的液态成型工艺规程并设计出结构正确的工装模具；同时，通过课程设计，使学生进一步提高运算、设计绘图和查阅运用铸造工艺及工装模具设计手册与其它技术资料的而基本技能，培养学生分析、解决铸造生产实际问题的能力，也为毕业设计和工作打好基础。二、设计任务要求每个学生在三周内必须独立完成某一零件（中等复杂程度，采用机械化造型生产线）的液态成型工艺与模具设计及技术文件绘制工作，包括：设计绘制零件铸造工艺图1张；设计绘制（上或下）模板装配图1张；设计并绘制芯盒模具图1张编写液态成型工艺与模具设计说明书1份二、设计任务要求所设计图纸尺寸、投影图的比例及图面布置，均按机械制图标准和模具图纸要求设计绘图；图纸中应注明必要的尺寸与技术要求，必要的剖视、剖面和部件明细表。完成液态成型工艺与模具课程设计，最后通过答辩进行考核（按优、良、中、及格、不及格评分），学生在参加答辩前一天，所设计的图纸、设计说明书必须经指导教师审核签字，否则不允许参加答辩。三、设计内容和步骤每个学生接到液态成型工艺及模具设计任务后，先对零件图进行详细的工艺分析，设计绘制工艺图，以工艺图为依据，设计绘制模样、模板、模具图与芯盒模具图，最后编写液态成型工艺模具设计说明书，（本指导书所列“查表”均引自《砂型铸造工艺及工装设计》参考书）三、设计内容和步骤（一）读图（见图1）分析液态成型工艺要求和特点1）应清楚零件的结构形状与格投影关系，绘出该零件立体图三、设计内容和步骤图1零件图三、设计内容和步骤2）零件图应标注主要尺寸（壁厚、长、宽、高级主要轮廓尺寸等），机械加工及公差要求，零件表面粗糙度，零件材质、性能与技术要求。3）分析铸造零件承载情况与工作条件，零件生产批量按成批或大量生产进行设计。三、设计内容和步骤4）确定铸件技术条件，包括铸件材质、合金牌号（HT200）、化学成分、金相组织、机械性格和机械加工要求，铸件质量检查、热处理要求等。5）审查零件结构是否符合液态成型工艺要求，对不合理结构、尺寸可提出结构修改意见。6）分析该液态成型零件易产生的铸造缺陷并提出消除缺陷的相应工艺措施。三、设计内容和步骤（二）确定液态成型工艺方案绘制液态成型工艺图1、确定液态成型工艺方案根据设计任务可知，该铸件为大批量生产，故采用机械化流水线生产。对各种可能的方案进行比较，选择最先进、经济、合理的最佳方案进行设计，包括：（1）造型方法选择粘土砂造型、湿型机械化造型，树脂砂或粘土砂芯手工制芯。三、设计内容和步骤（2）确定浇注位置与铸型分型面（模样分型面）确定浇注位置时，考虑重要面、加工表面放在下（底）面，或侧面，考虑顺序凝固应将厚壁部分放在上面或侧面，综合考虑确定该铸件的浇注位置如图2所示。三、设计内容和步骤图2铸件浇注位置与分型面三、设计内容和步骤分型面的选择有两种方案：方案I：铸件可按放在上、下两铸型内，但不能保证铸件同心，下芯困难；方案II：铸件在同一铸型内，下芯方便，可保证铸件尺寸精度，造型简单，排气方便，但上箱尺寸高。综上，方案II较为合理。三、设计内容和步骤（3）确定工艺参数①给出机械加工余量，查表3-24、25，是否铸出孔、槽，查表3-26；②因采用机器造型，金属模板、芯盒，铸件精度高，加工余量选小值（查表3-3），最小壁厚、圆角查表1-3、1-4、1-5.③选取拔模斜度，活块，查表3-21、3-22、3-23，一般选0°30′～1°30′④选取铸造收缩率K、工艺补正量和分型负数等，查表3-1，一般选0.8～1.0%三、设计内容和步骤（4）确定砂芯数目/轮廓选择砂芯种类（粘土、油砂、自硬砂、树脂砂芯）与制芯方法（手工、机器制芯）；芯头种类、结构尺寸，其中垂直芯头、水平芯头，尺寸查表4-3、4-4。压环、防压环、集砂槽，查表4-2，砂芯通气系统、芯骨、芯撑形状、尺寸和数量F横F直F内，F内为控流断面三、设计内容和步骤（5）设计、计算浇注系统、冒口、冷铁、出气孔、铸筋I浇注系统类型选择由于铸件的材质为灰铁，要求浇注系统撇渣能力较强，铁水充型平稳，所以，选择半封闭式浇注系统，F横F直F内，F内为控流断面三、设计内容和步骤ii)内浇口断面积计算①铸件重G应包括零件的浇冒口系统（重量为铸件重的20～30%），再加上给出加工余量，拔模斜度后增加的重量，按照选定的收缩率，再求得铸型内金属液总重量为G。②浇注时间浇注时间按单件计算，按照铸件重G，查表3-13，浇注时间s=0.59由于该件为灰铁，应对铁水的上升速度进行校验，根据公式：查表3-3，根据壁厚验算上升速度。tsGcvt上升三、设计内容和步骤③计算内浇口截面积a.取平均压头Hp，选取流量系数µ=0.42（查表3-5）根据奥赞公式60.3110pGFtH内三、设计内容和步骤b.图表法见（附页图表），在表上按计算铸件毛坯重量G，垂直向上引线与铸件平均壁厚δ线相交，再向左引平行线与计算平均压头Hp线相交点向下引垂线，即可查出浇注系统总截面F内尺寸（cm2）.三、设计内容和步骤确定每个铸件开设浇口数量。从两种计算方法得出F内有差别，实践中根据产品质量，F内可做些修正，增大或减小截面积。三、设计内容和步骤④确定浇注系统各组元的断面积比与尺寸根据表3-7半封闭式浇注系统各断面比取为：计算各组元断面积，各组元断面形状、尺寸，查表5-25-23、5-24.为了加强裆渣和具有足够的压头，采用漏斗形浇口杯，具体形状和尺寸查表5-16:::1:2.0:1.8:1.2FFFF内横支横直三、设计内容和步骤⑤最小压头验算根据初步布置校核最小压头，已知静压头HM（mm）及浇口中心距铸件远端距离L（mm），可根据公式，计算压力角。(6)砂箱尺寸、造型机初选MHarctgL三、设计内容和步骤（三）绘制液态成型工艺图液态成型工艺图是最基本、最主要的工艺文件，是生产过程指导性文件，是设计和制造工艺装备的依据，它是液态成型工艺方案的具体体现，必须认真的绘制。绘制时将各种简明的工艺符号标注在零件图上，表示模样、砂型、砂芯制造工艺及浇冒口系统等液态成型工艺方案的基本内容。三、设计内容和步骤1）按机械制图规定绘制零件图（按比例1:1或1:2比例放大）；2）标出不铸孔、槽及加工余量；3）绘出拔模斜度；4）标注浇注位置和分型面；5）绘出芯子形状、芯头间隙、压紧环、防压环、集砂槽及有关尺寸；6）按设计计算浇注系统，在零件图上绘出浇注系统（用红线）结构形状，按视图标准绘制，标注各部尺寸。7）绘出铸筋、活块，标出有关尺寸和数量；8）铸造收缩率确定后，各方向选同一缩尺，不必再图上分别标注，只在工艺条件中说明。9）校核砂箱尺寸和造型机选择（顶箱式、顶杆式）；六、工艺设计实例工艺图三、设计内容和步骤（四）模板、模具设计绘制模板装配图包括：模底板、模样（包括浇冒口、出气孔模样）及模样定位），紧固装置、砂箱定位装置、模板在造型机上的紧固装置及起吊装置等。三、设计内容和步骤图9-1装配式图9-2整体式三、设计内容和步骤1.设计原则1）要求模板有足够的强度和刚度2）有良好的耐磨性、较高的表面光洁度及尺寸精度；3）力求结构简单、合理、安装维修方便。2.模板模具设计1)选择模板类型、结构，查表10-1.三、设计内容和步骤2）设计模底板、材料（HT150）、结构尺寸及定位销，销耳尺寸，查表10-7、9-4、9-5、9-6、9-7①模底板平面尺寸+A0=A+2bB0=B+2b②模板高度选80-150mm③模底板加强筋厚度t=15mm、间隙、底板厚度=14mm三、设计内容和步骤3)设计金属模样结构及储存包括铸件模样、浇口、冒口、出气孔及芯头模样，反形成铸件轮廓尺寸的均应放缩尺；芯头尺寸、压紧环、集砂槽以及浇冒口系统不用放缩尺，只需按照工艺图上给出的尺寸绘制。模样尺寸=件尺寸×（1+K）件尺寸=零件尺寸+加工余量+拔模斜度选定模样材料，表面粗糙度，尺寸公差。三、设计内容和步骤4）模样在底板上的装配、布置、定位、紧固一型多铸，只画一个模样安装固定详图，用视图表示清楚，其它只画出模样外形轮廓线。所选用的标准件应符合国家标准。查表10-14、15、16、17.浇口、芯头装配查表10-18、19.三、设计内容和步骤5）模底板、砂箱定位装置（定位、导向销）①定位销中心距C=A+2M差M=75mm②定位销形状、尺寸③销耳尺寸6）砂箱尺寸设计，查表12-3，确定砂箱最大内尺寸（确定吃砂量）。造型机查表12-147）出气孔8）模板装配图视图及明细表。（2-3个视图表示清楚）三、设计内容和步骤图5-2模底板和砂箱尺寸的关系图5-3模底板与砂箱的直接定位方式图5-12模板装配图上模样定位尺寸的标注六、工艺设计实例模板图三、设计内容和步骤（五）设计、绘制芯盒装配图包括：芯盒本体、防磨片、镶块、定位夹紧装置、吊运装置、排气与芯骨定位元件、在制芯机上紧固结构。参考表11-2,。壁厚加强筋，查表11-4、11-5.手工制芯，芯盒设计结构力求简单，体积小，重量轻，操作方便，芯盒材料选ZL104.（查表11-3）三、设计内容和步骤1、芯盒材料三、设计内容和步骤2、金属芯盒结构形式（1）金属芯盒按不同分盒面分类三、设计内容和步骤（2）金属芯盒结构实例铰链式对开芯盒三、设计内容和步骤水平对开芯盒三、设计内容和步骤水平对开的圆棒芯芯盒结构三、设计内容和步骤链式对开芯盒结构三、设计内容和步骤三、设计内容和步骤1）芯本体结构、防磨片（厚度查表11-6）、镶块与活块（查表11-7）设计。三、设计内容和步骤2）芯盒分盒面的确定（几个方案的比较）三、设计内容和步骤3）芯盒内腔尺寸（砂芯尺寸）计算及芯头尺寸、斜度、间隙。芯盒内腔尺寸=（零件尺寸±工艺尺寸）×(1+K)三、设计内容和步骤4)芯盒定位（查表11-9），夹紧装置（查表11-5）的设计芯盒的几种夹紧结构芯盒的几种夹紧结构三、设计内容和步骤5）芯盒吊运装置、排气与芯骨定位装置的设计。手工制芯用的手柄三、设计内容和步骤6）芯盒尺寸精度与标注尺寸三、设计内容和步骤7)芯盒装配图视图与明细表三、设计内容和步骤（六）编写设计说明书设计说明书是液态成型工艺与模具设计的一个重要部分，是各部分设计和计算的一个综合报告，也是设计者的设计思想、设计能力与水平的集中体现，同时，也是对设计进行检验的一个重要依据。说明书要系统、简明、扼要，论证清楚，逻辑清晰、标点、符号、单位应规范使用，计算准确、图表清晰，主要包括：三、设计内容和步骤1)设计任务及设计任务的分析（铸件结构、材质、性能特点、技术要求及生产批量）2)工艺方案分析论证比较优缺点，选定最佳方案。包括零件结构的铸造工艺性欲技术条件的分析3）液态成型工艺图浇注位置、分型面的选择：铸型种类、造型方法及设备的选择；各项工艺参数确定的依据；浇注系统、冒口类型、结构的选择与比较；工艺出品率的核算。100%GGG件件浇冒口工艺出品率三、设计内容和步骤4）型板模具的设计与说明模板类型，结构；模底板结构，材料；定位销，销耳结构尺寸；金属模样尺寸，材料，模样装配、定位紧固。5）砂芯与型砂材料选择6）砂箱尺寸和造型机选择7）芯盒模具设计芯盒分盒面的选择与本体结构、防磨片；芯盒的定位与紧固；通气孔；技术条件8）铸件缺陷分析与解决方案9）设计主要参考资料10）编写说明书目录四、设计进度和安排有效设计时间共计13天，答辩1天，授课1天（8学时）。其中：读图1天阅读资料1天确定工艺方案设计、计算浇注系统、绘制零件图、绘制铸造工艺图共计3天设计模板装配图及绘制工装图4天设计芯盒及绘制芯盒装配图2天编写液态成型工艺与模具设计说明书1天教学授课1天（8学时）答辩1天五、设计参考资料（1）联合编写组《砂型铸造工艺及工装设计》，1980年（2）李魁胜主编《铸造工艺设计基础