第四章铸件结构与工艺设计(材料成型工艺基础)

第四章铸件结构与工艺设计铸件结构设计砂型铸造工艺设计铸造工艺设计实例第一节铸件结构设计铸件结构不仅会直接影响到铸件的力学性能、尺寸精度、重量要求和其它使用性能，同时，对铸造生产过程也有很大影响。所谓铸造工艺性良好的铸件结构，应该是铸件的使用性能容易保证，生产过程及所使用的工艺装备简单，生产成本低。铸件结构要素与铸造合金的种类、铸件的大小、铸造方法及生产条件密切相关。一、铸件壁厚的设计在确定铸件壁厚时，首先要保证铸件达到所要求的强度和刚度，同时还必须从合金的铸造性能的可行性来考虑，以避免铸件产生某些铸造缺陷。1．合理设计铸件壁厚1)铸件的最小壁厚在各种工艺条件下，铸造合金能充满型腔的最小厚度，称为铸件的最小壁厚。铸件的最小壁厚主要取决于合金种类、铸件大小及形状等因素。2)铸件的临界壁厚在铸造厚壁铸件时，容易产生缩孔、缩松、结晶组织粗大等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。各种铸造合金都存在一个临界壁厚。在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。在砂型铸造条件下，各种铸造合金的临界壁厚约等于其最小壁厚的三倍。砂型铸造条件下几种合金铸件的最小壁厚铸件尺寸/mmmm铸钢灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金2002008566533520020050050010126101284685005001520152015201012610122．铸件壁厚应均匀、避免厚大截面铸件壁过厚容易使铸件内部晶粒粗大，并产生缩孔、缩松等缺陷，应尽量减小铸件壁厚并使其均匀。二、铸件壁的连接1.铸件的结构圆角2.避免锐角连接3.厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡4.缓解收缩应力（如减缓肋、辐收缩的阻碍）5.避免过大水平面的设计不同转角处的热节锐角的连接轮辐的设计肋的几种布置形式a)不合理；b)合理薄壁罩壳结构a)薄壁水平面；b)薄壁斜面三、铸件外形的设计铸件的外形应便于起模，简化造型工艺。零件上的凸台、筋、凹面、外圆角等结构常常直接影响铸件的起模。在可能的情况下，应给铸件的非加工表面设计结构斜度，便于起模。一般铸件高度愈小，斜度愈大，通常在13范围内。合理布置加强筋避免活块简化操作四、铸件内腔的设计良好的内腔设计，既可减少型芯数量，又利于型芯的固定、排气和清理，因而可防止偏芯、气孔等缺陷的产生，并简化造型工艺，降低成本。1.减少型芯数量，避免不必要的型芯悬壁支架内腔的两种设计2.便于型芯的固定、排气和铸件的清理轴承架铸件的结构改进水套铸件的结构改进五、铸件结构设计应考虑的其它因素1.铸件结构应考虑成形工艺的特殊性1)压铸件的设计：应尽量消除侧凹和深腔，在无法避免时，至少应便于抽芯，以便压铸件能从铸型中顺利取出。2)熔模铸件的设计：a.为便于浸渍涂料和撤砂，孔、槽不宜过小或过深。b.熔模铸件应尽量避免有大平面，为防止变形，可在大平面上设工艺孔或工艺肋，以增加型壳刚度。（压铸）便于取出铸件的设计熔模铸件平面上的工艺孔和工艺肋2.铸件的组合设计铸钢底座的铸焊因工艺的局限而无法整铸的结构，应采用组合设计。组合床身铸件a)砂型铸件改为b)组合压铸件第二节砂型铸造工艺设计砂型铸造工艺具体设计内容包括：1)选择铸件的浇注位置和分型面；2)确定工艺参数(机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、收缩量等)；3)确定型芯的数量、芯头形状及尺寸；4)确定浇冒口、冷铁等的形状、尺寸及在铸型中的布置等。然后将工艺设计的内容(工艺方案)用工艺符号或文字在零件图上表示出来，即构成了铸造工艺图。衬套零件的铸造工艺图绘制的图样A.铸造工艺图：利用各种的工艺符号，把制造模型和铸型所需的资料直接绘在零件图上所得到的图样。即表示铸型浇注位置、分型面、浇冒口系统、工艺参数、型芯结构尺寸、控制凝固措施等的图样。B.铸件图：又称毛坯图是反映铸件实际形状、尺寸和技术要求的图样，也是铸造生产、铸件检验与验收的主要依据。C.铸型装配图:表示合型后铸型各组元之间装配关系的工艺图。包括：浇注位置、型芯、浇冒口系统和冷铁布置及砂箱结构和尺寸等。一浇注位置与分型面的选择1.浇注位置的选择浇注时铸件在铸型中所处的空间位置，称为铸件的浇注位置。①铸件的重要加工面或主要工作面应处于底面或侧面，以避免出现气孔、砂眼、缩孔、缩松等铸造缺陷。如锥齿轮铸件，其轮齿部位是重要加工面和主要工作面，应朝下。②铸件的大平面应尽可能朝下或采用倾斜浇注以避免产生夹砂、夹渣、气孔等缺陷。③铸件的薄壁部分应放在铸型的下部或侧面以免产生浇不到、冷隔等铸造缺陷。上下④对于收缩大的铸件，为利于设置冒口进行补缩，厚实部位应置于上方。在这种情况下，可能会使重要加工面或主要工作面朝上。★通过加大加工余量来保证质量。2.分型面的选择①分型面应选择在最大截面处，保证模型能顺利从铸型中取出②应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度铸件的机加工面和基准面应尽量放在同一砂箱中。即铸件上的机械加工面以及机械加工和尺寸检查时用于定位和装夹基准的表面应尽量放在同一砂箱中，以保证铸件的加工精度。铸件加工时，以四方头中心线为定位基准，加工外螺纹管子堵头分型方案③应尽量减少分型面数量，并力求采用平面作为分型面以减少砂箱数，简化造型工艺。上下弯曲件分型方案绳轮件分型方案④尽量使型腔、主要型芯应尽量放在下半铸型中以利于下芯、合型和检查型腔尺寸。机床支柱分型方案方案II的型腔及型芯大部分位于下箱，上型腔浅，且形状简单，有利于合箱。因此，方案II合理。二铸造工艺参数的选定鉴于机械加工和铸造工艺的需要，对零件和工装的尺寸应作必要的改变。铸造工艺参数铸件尺寸公差收缩率起模斜度芯头和芯座机械加工余量1.铸件尺寸公差即允许的铸件尺寸变动量。尺寸精度从CT1CT16，分为16个等级，CT1精度最高。一般：用粘土砂手工造型时，单件、小批量生产为CT13CT15级；大批量为CT11~CT14级。2.机械加工余量(RMA)在铸件加工表面上留出的、准备切削去除的金属层厚度，称为机械加工余量。机械加工余量过大：切削加工工作量大，浪费金属材料；过小：易使零件报废。等级：分为10级：A、B、、J、K级，加工余量值依次增大。(上面侧面底面)影响因素：合金种类、铸件的尺寸大小、生产批量、生产方法、加工面与基准面距离等。3.铸件线收缩率(1)定义：指铸件从线收缩开始温度冷却至室温时，线尺寸的相对收缩量。(2）选取：大件、重要件不同部位可选取不同的收缩率；一般件可选取同一收缩率。4.起模斜度(1）定义：为了起模方便，在平行于起模方向的侧壁加放的一定斜度。(2）选取：对同一件，尽可能选用同一起模斜度；立壁愈高，斜度应越小；内壁的斜度值应大于外壁；机器造型比手工造型斜度小；金属模比木模斜度小。(3）形式：a）增加壁厚；b）加减壁厚；c）减少壁厚。5.最小铸出孔与槽(1)不铸出：铸件较小的孔、槽，尤其是位置精度要求高的孔、槽不必铸出。单件小批：直径或边长30不铸；大批：直径或边长15不铸；H/D4的深孔均不铸。(2)铸出：不需加工的孔、槽，一般要铸出。（查表）6.芯头和芯座（1）芯头：砂芯伸出铸件外面不与金属液接触的部分。（2）芯座：由芯头的模样在铸型中所形成的空腔。（3）作用：定位、固定、排气及清砂。车轮铸件的砂芯个数复杂内腔的砂芯分块悬臂型芯及扁担型芯型芯头的构造三浇冒口系统一)浇注系统浇注系统是引导金属液进入铸型型腔的一系列通道的总称。合理地设置浇注系统，能避免铸造缺陷的产生。对浇注系统一般有以下要求：1)使金属液平稳、连续、均匀地流入铸型，避免对砂型和型芯的冲击。2)防止溶渣、砂粒或其它杂质进入铸型。3)调节铸件各部分的温度分布，控制冷却和凝固的顺序，避免缩孔、纺松及裂纹的产生。标准的浇注系统应放在分型面处，并朝向上箱。1．浇注系统的组成及作用基本组元有：浇口杯(又称外浇口)、直浇道、横浇道和内浇道。各组元作用1)浇口杯：承受金属液的冲击和分离熔渣，避免金属液对砂型的直接冲击。2)直浇道：一个圆锥形的垂直通道，利用它的高度所产生的静压力，可以控制金属液流入铸型的速度并提高充型能力。3)横浇道：主要起挡渣作用，金属液在横浇道内速度减缓，熔渣及气体能充分上浮而不进入铸型。4)内浇道：把金属液直接引入铸型的通道。利用它的位置、大小和数量可以控制金属液流入铸型的速度和方向，以及调节铸件各部分的温度分布。2．浇注系统的常见类型按浇注系统各组元截面积的比例，浇注系统可分为：1)封闭式浇注系统：各组元中总截面积最小的是内浇道，即F直＞F横＞F内，易被金属液充满，撇渣能力较好，可防止金属液卷入气体，常用于中小型铸铁件。但易引起喷溅和剧烈氧化，不适于易氧化的有色合金铸件或压头大的铸件，也不宜用于用柱塞包浇注的铸钢件。2)开放式浇注系统：最小截面是直浇道横截面，即F直＜F横＜F内，撇渣能力较差，熔渣及气体随液流进入型腔，造成废品。但金属液流出内浇道的速度较低，冲刷力小，受氧化的程度轻。主要适于易氧化的有色金属件、球铁件和用柱塞包浇注的中大型铸钢件。按金属液导入铸件型腔的位置，浇注系统可分为：顶注式浇注系统，底注式浇注系统，中注式浇注系统，阶梯式浇注系统，缝隙式浇注系统等常见浇注系统类型二)冒口冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。主要作用是在铸件凝固收缩过程中提供由于铸件体积收缩所需要的金属液，对其进行补缩，防止铸件产生缩孔、缩松等缺陷。铸件清理时，将冒口切除，获得健全的铸件。冒口分类简单示例例1：分别指出图示铸件在单件小批和大批生产时应选择何种造型方法？请画出各自的铸造工艺图。上中中下冒口放收缩率1%单件小批手工三箱造型上下大批量两箱机器造型外型芯块余量：上面侧面下面第三节铸造工艺设计实例例1：支架零件铸造工艺设计材料为HT200，单件、小批量生产工作时承受中等静载荷，试进行铸造工艺设计。1.零件结构分析：筒壁过厚，转角处未采用圆角。修改后的结构如图b）所示。2.选择铸造方法及造型方法：采用砂型铸造（手工造型）中的两箱造型。3.选择浇注位置和分型面采用方案Ⅰ较为合理。4.确定工艺参数：（1）铸件尺寸公差：取CT15。（2）要求的机械加工余量：取H级。（3）铸件线收缩率：取0.8％。（4）起模斜度：取1°。（5）不铸出的孔：6个φ18孔均不铸出（6）芯头形式：采用水平芯头。5.设计浇注系统：采用同时凝固原则，在铸件分型面处的两凸缘位置设内浇道。6.绘制铸造工艺图：如图b)所示。例2、C6140车床进给箱体铸造工艺设计材料：HT200生产批量：单件小批或大批量生产要求：保证基准面D的质量要求D1、方案I分型面在轴孔中心线上凸台A用型芯来成形，槽c则用型芯或活块制出。主要优点：适于铸出轴孔，铸后轴孔的飞边少，便于清理。同时，下芯头尺寸较大，型芯稳定性好。主要缺点：基准面D朝上，使该面较易产生缺陷，且型芯数量较多。适合大批量生产，必须加大D面的加工余量。其工艺图见后面2．方案II从基准面D分型，铸件绝大部分位于下箱。凸台E和槽C妨碍起模，需采用活块或型芯来克服。缺点：除基准面朝上外，其轴孔难以直接铸出。轴孔若拟铸出，因无法制出型芯头，必加大型芯与型壁间的间隙，致使飞边清理困难。适合单件生产。3．方案III从B面分型，铸件全部位于下箱优点：铸件不会产生错箱缺陷，基准面朝下，其质量易于保证，同时铸件最薄处在铸型下部，铸件不易产生浇不足、冷隔的缺陷。缺点：凸台E、A和槽C都需采用活块或型芯，内腔型芯上大下小，稳定性差，若拟铸出轴孔，其缺点与方案II相同。适合单件生产。分型面的选择b)与铸造工艺图c)上下例3、轴座铸造工艺设计o材料：HT00o生产批量：单件小批或大批生产o要求：零件上40内孔表面是应特别保证的重要表面；此外轴座底平面也有一定的加工及装配要求。1．单件小批生产工艺方案如图中方案I所示：采用两个分型面、三箱造型，并选择底板朝下的浇注位置。不仅可以保证内孔的铸造质量，而且可以使轴座底部的长方形凹坑通过下箱自带型芯而成形。该方案