鑄造大賽設(shè)計說明書---路鋁合金框架

1、“永冠杯”第四屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計大賽“永冠杯”第四屆中國大學(xué)生鑄造工藝設(shè)計大賽參賽作品 鑄件名稱：外框架目錄摘 要.11零件結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求與分析.1 1.1 零件結(jié)構(gòu)分析. 1 1.2 零件生產(chǎn)分析. 22零件的鑄造工藝性分析.3 2.1 零件的最小壁厚. 3 2.2 零件的臨界壁厚. 4 2.3 零件壁的過渡與連接. 43 澆鑄位置與分型面.5 3.1 澆鑄位置的確定.5 3.2 分型面的確定.74 機械加工余量.105 砂芯的設(shè)計.13 5.1 砂芯的形狀.13 5.2 芯頭的結(jié)構(gòu)尺寸.19 5.3 芯骨的設(shè)置.216 各工藝參數(shù)設(shè)置.21 6.1 起模斜度.21 6.2 鑄造收

2、縮率.226.3 分型負數(shù). 227 澆鑄系統(tǒng)設(shè)計.23 7.1 澆鑄系統(tǒng)類型.25 7.2 澆鑄系統(tǒng)結(jié)構(gòu).26 7.3 澆鑄系統(tǒng)各組元尺寸.27 7.3.1 平均靜壓頭.27 7.3.2 各澆道橫截面尺寸.28 7.3.3 澆口杯尺寸.28 8補縮系統(tǒng)設(shè)計.289 合箱圖及鑄造工藝卡.2610 鑄造工藝優(yōu)化.32 10.1 原始工藝方案中鑄件的充型和凝固分析.34 10.2 鑄件的優(yōu)化方案. 3611砂箱. 37 11.1 砂箱的結(jié)構(gòu)尺寸. 38 11.2 砂箱的定位. 39參考文獻.40附 圖.41摘 要：鑄造是通過熔煉金屬，制造鑄型，并將熔煉金屬液澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀、尺寸和性能

3、金屬零件毛坯的成型方法。在機器制造業(yè)中用鑄造方法生產(chǎn)的毛坯零件，在數(shù)量和噸位上迄今仍是最多的。而鑄造工藝（造型、制芯、澆注、落砂、清理及其后處理等）是鑄造生產(chǎn)的核心，是能否生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的關(guān)鍵。重力鑄造是指金屬液在地球重力作用下注入鑄型的工藝，砂型鑄造所用的造型材料價廉易得，鑄型制造簡便，對鑄件的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)均能適應(yīng)，長期以來，一直是鑄造生產(chǎn)中的基本工藝。采用樹脂砂造型造芯能獲得高精度表面光潔的鑄件，鑄型不用烘干、強度高而且潰散性好，易于實現(xiàn)機械化生產(chǎn)。由于樹脂砂鑄造的多種優(yōu)點，作者對“C件外框架”采用樹脂砂型鑄造，用CATIA V5創(chuàng)建模型，通過對鑄件結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的詳細分析

4、，設(shè)計了鑄造生產(chǎn)時的“澆注位置”、“分型面”，設(shè)計了砂芯的形狀和數(shù)量等鑄造工藝方案內(nèi)容以及鑄造生產(chǎn)時涉及到的“加工余量”、“拔模斜度”、“鑄造收縮率”等工藝參數(shù)，采用了大孔流出的方法設(shè)計了澆注系統(tǒng)的類型、內(nèi)澆口的開設(shè)位置以及澆注系統(tǒng)各組元的截面形狀和尺寸。應(yīng)用Hypermesh軟件剖分網(wǎng)格，采用ProCAST軟件對鑄件進行充型及凝固過程的數(shù)值模擬，優(yōu)化工藝，減少或消除鑄造缺陷，縮短新產(chǎn)品的試制周期，降低成本，提高生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：鑄造，工藝設(shè)計，鋁合金鑄件，呋喃樹脂自硬砂，數(shù)值模擬1、 零件結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求與分析1.1 零件結(jié)構(gòu)分析1、零件名稱：外框架2、材質(zhì)：ZL114A3、零件用途：支撐

5、,傳動扭矩4、零件特點：件的輪廓尺寸為1466mm×870mm×619mm，結(jié)構(gòu)左右對稱，壁厚均勻，最厚大部位30mm，最小壁厚15mm，最大孔徑210mm，最小孔徑5mm。 5、零件的形狀：如圖1.1所示三維實體。圖1.1 零件結(jié)構(gòu)三維實體圖鑄件材料為ZL114A，鋼套材料為45號鋼，鑄件重量為253.98千克，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，屬于中大型鑄件，適合單間小批量生產(chǎn)。圓柱上下表面和框架頂端為工作表面；圓盤上表面有4個125mm的鑄造孔，下表面有一個210mm的鑄造孔，鋼套上有10個35mm的鑄造孔，圓柱空腔里有10個60mm的鑄造孔，其它孔過小不宜鑄出，均為加工孔。 技術(shù)要求

6、：1、 鑄件不得有氣孔、沙眼、縮松等缺陷，且須經(jīng)時效處理。2、 未注倒角1×45° ，未注倒圓R13。3、 內(nèi)徑275鋼套應(yīng)與框架鑄造牢固，保障傳遞10000Nm較大扭矩。4、 加工時保證尺寸439及619一致。1.2鑄件生產(chǎn)分析零件“C外框架”凈重達到253.986kg，零件尺寸為1466mm×870mm×619mm，屬于大型鋁合金鑄件。中大型零件的鑄造生產(chǎn)不易采用機械化流水線生產(chǎn)，而應(yīng)該采用手工造型生產(chǎn)方式。砂型包括濕型、干型、表干型和樹脂砂型等。采用粘土砂造型方法，無論是普通濕型造型還是表面干型或者是干型造型，由于粘土的粘結(jié)性能比較低，鑄型的強度受

7、到影響，生產(chǎn)中大型鑄件時容易造成鑄件夾砂、多肉、氣孔、縮孔、鑄件尺寸和鑄件重量偏差大等鑄造缺陷，難以獲得內(nèi)部質(zhì)量和外部質(zhì)量優(yōu)良的鑄件，所以很少采用。對于中大型鑄件，可以采用樹脂自硬砂型，水玻璃砂型以及黏土干砂型。采用水玻璃粘結(jié)劑CO2氣體硬化方法制作鑄型，由于水玻璃砂出砂性差，增加了鑄件的清理工作；黏土干砂型需要烘干，增加了人力和成本；而樹脂砂造型造芯能獲得高精度、表面光潔的鑄件，鑄型不用烘干、強度高且潰散性好。目前，多數(shù)鑄造企業(yè)為了提高鑄件的尺寸精度、重量精度以及鑄件的內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，并且為改善鑄造車間的生產(chǎn)環(huán)境，對于單件小批量生產(chǎn)的中大型鑄件一般都采用樹脂自硬砂造型、樹脂砂制芯方式生產(chǎn)

8、鑄件。采用樹脂粘結(jié)劑作為型砂和芯砂的粘結(jié)劑能夠獲得高強度的砂型和砂芯，對于保證鑄件的質(zhì)量是有保證的。本次設(shè)計采用呋喃樹脂自硬砂作為型砂和芯砂，另外，由于采用單件小批量生產(chǎn)，設(shè)計使用芯盒手工造芯。圖1.2 砂型鑄造流程圖2、 零件的鑄造工藝性分析零件的工藝性分析包括考察零件的合理壁厚和鑄孔尺寸，鑄件壁的連接和過渡，肋的設(shè)計，鑄件的結(jié)構(gòu)斜度等內(nèi)容。合理的金屬零件鑄造結(jié)構(gòu)可以消除許多鑄造缺陷。該零件的結(jié)構(gòu)及主要尺寸如圖2.1所示。零件輪廓尺寸為1466mm×870mm×，619mm，整體結(jié)構(gòu)對稱，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，壁厚均勻，最大壁厚30mm，最小壁厚15mm，最大孔徑為210mm

9、，最小孔為M5螺紋孔。圖2.1 零件整體結(jié)構(gòu)及尺寸2.1 鑄件的合理壁厚從保證金屬液充型能力看，在設(shè)計鑄件壁厚時，要考慮金屬液的流動性和鑄件的輪廓尺寸。在一定的鑄造條件下，鑄造合金液能充滿鑄型的最小厚度稱為該鑄造合金的最小壁厚。為了避免鑄件產(chǎn)生澆不到和冷隔等缺陷，應(yīng)使鑄件的設(shè)計壁厚不小于最小壁厚。如果鑄件的壁厚小于其最小壁厚的限制，則容易使鑄件形成“澆不足”、“冷隔”等缺陷。對于砂型鑄造鋁合金鑄件，參照資料（1）鑄造手冊表3-3列表格如下表2.1：表2.1 砂型鑄造鋁合金鑄件的最小壁厚（mm）合金種類當鑄件最大輪廓尺寸為下列值時<1001002002004004008008001250鋁

10、合金3455668812由表中數(shù)據(jù)可推出，鑄件最大輪廓為12501800mm時，鋁合金最小壁厚為1216mm，對于零件“C外框架”，鑄件最大輪廓尺寸為1466mm，最小壁厚為15mm，接近鋁合金鑄件的容許的最小壁厚，澆注時應(yīng)該特別注意，防止產(chǎn)生“冷隔”和“澆不足”的缺陷。2.2 鑄肋的合理分析布置肋的時候，要盡量分散與減少熱節(jié)點，肋的布置盡量避免十字交叉。但是考慮到該零件的設(shè)計要求，如圖2.2所示的交叉肋，只能設(shè)計成十字交叉型鑄出。交叉肋交叉肋圖2.2 零件十字交叉肋位置2.3鑄件壁的過渡和連接一般情況下，鑄件壁的斷面尺寸不可能完全相同，同時，鑄件有類型各異的連接。任何零件都是由不同尺寸的“壁

11、”相互連接構(gòu)成，通常構(gòu)成零件的各“壁”其“壁厚”應(yīng)該接近一致，不能差別過大，否則其鑄造工藝也屬于不合理。同時，鑄件各個壁的連接和過渡應(yīng)該滿足鑄造工藝性要求，即鑄件“壁”的連接、過渡應(yīng)該是平緩的。分析該零件的連接過渡，均運用合理的圓角過渡，過渡平緩，因此零件滿足鑄造工藝性要求。3、鑄造工藝方案設(shè)計3.1 澆注位置的確定澆注位置是指澆注金屬液時鑄件在鑄型中所處的位置，澆注位置是根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點、尺寸、重量、技術(shù)要求、鑄造合金特性、鑄造方法和鑄造生產(chǎn)車間的條件決定。正確的澆注位置應(yīng)該能保證獲得健全的鑄件，并使造型、制芯和清理方便。要依據(jù)澆注位置的確定原則選取合理的澆注位置，本鑄件不能滿足所有的原則

12、，但是在解決主要矛盾的同時兼顧其他次要矛盾。本鑄件共有4種澆注位置，分析如下： A B C D圖3.1 澆注位置如圖3.1所示，A位置鑄件的加工面放在側(cè)面，防止加工面產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，缺點是需使用懸臂砂芯；B位置與A位置優(yōu)缺點相似，但B位置難以取出模樣,同時，豎放使得砂箱的高度大大增加，給鑄造生產(chǎn)帶來更大的困難；C位置下芯相對簡單，但是加工面被放置在上表面，容易產(chǎn)生鑄造缺陷；D位置除了有C的缺點外，需大量使用吊芯，使得砂芯安放困難。綜合考慮以上4種澆注位置，A和C各有優(yōu)缺點，設(shè)計小組人員考慮應(yīng)把鑄件的質(zhì)量放在第一位，盡量不讓加工面產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等鑄造缺陷，所以選擇A澆注位置

13、。3.2 分型面的確定鑄造分型面是指鑄型組元間的結(jié)合面。合理的選擇分型面，對于簡化鑄造工藝、提高生產(chǎn)率、降低成本、提高鑄件質(zhì)量等都有直接關(guān)系。分型面的選擇應(yīng)盡量與澆注位置一致，盡量使兩者協(xié)調(diào)起來，是鑄造工藝簡便，并易于保證鑄件質(zhì)量。對于鑄件“C件外框架”，綜合以上原則，位置分型面放在最大截面方起模，如下圖：圖3.2. 分型面分型面選在鑄件的最大截面處，保證從鑄型中取出模樣，不損壞鑄型，鑄件上下對稱分布，避免上沙箱過大。4 鑄造工藝參數(shù)的設(shè)計4.1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極限尺寸之差。在兩個允許極限尺寸之內(nèi)，鑄件可以滿足加工、裝配和使用要求。根據(jù)資料（1）鑄造手冊GB/

14、T64141999鑄件尺寸公差和機械加工余量的規(guī)定，鑄件尺寸公差等級分為16級，表示為CT1CT16。鑄件“C-外框架”需滿足CT12級要求，具體公差數(shù)值見下表4.1：表4.1 單件小批量生產(chǎn)鑄件的尺寸公差等級方法造型材料公差等級CT鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵銅合金輕金屬合金鎳基合金鈷基合金砂型鑄造手工造型粘土砂13151315131513151315111313151315化學(xué)粘結(jié)劑砂12141113111311131012101212141214鑄件“C-外框架”材料為ZL114A，屬于輕金屬合金，采用呋喃樹脂砂手工造型，根據(jù)表4.1數(shù)據(jù)，選用尺寸公差等級為CT11。根據(jù)公差等級，根據(jù)表4

15、.2選用合理的公差數(shù)值：表4.2鑄件尺寸公差數(shù)值 （摘自GB/T64141999） 單位：mm毛坯鑄件基本尺寸鑄件尺寸公差等級CT12345678910111213>4006300.640.91.21.82.63.6571014>63010000.721.01.42.02.84.0681116>100016000.801.11.62.23.24.6791318鑄件毛坯最大長度為1466mm，公差等級為CT11，所以采用的尺寸公差數(shù)值為9mm。4.2鑄件重量公差 鑄件的重量公差，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。鑄件重量的公差等級應(yīng)根據(jù)鑄件的生產(chǎn)方式、鑄造

16、合金種類和鑄造工藝方法選取。一般來說，鑄件的重量公差等級與鑄件的尺寸公差等級應(yīng)該對應(yīng)選取。因此“C-外框架”選擇MT11。表4.3 鑄件重量公差數(shù)值 (%)公稱重量重量公差等級MT12345678910111213>10040023456810121416由表4.3可知，鑄件的重量公差數(shù)值為12%，即30.4kg。4.3鑄件機械加工余量根據(jù)資料（1）鑄造手冊GB/T64141999鑄件尺寸公差與機械加工余量規(guī)定，機械加工余量應(yīng)適用于整個毛坯鑄件，且該值應(yīng)根據(jù)最終機械加工后成品鑄件的最大輪廓尺寸和相應(yīng)的尺寸范圍選取。鑄件的某一部位在鑄態(tài)下的最大尺寸應(yīng)不超過成品尺寸與要求的加工余量及鑄造總公

17、差之和，有斜度時斜度另外考慮。要求的機械加工余量等級共有10級，稱之為A、B、C、D、E、F、G、H、J和K級共10個等級。根據(jù)鑄造工藝手冊要求，輕金屬合金手工造型砂型澆鑄應(yīng)選公差等級為FH級。處于澆注位置“底部”和“側(cè)面”的選用“高”的等級，本次設(shè)計對于底面采用F級，側(cè)面選擇G級；處于澆注位置“頂部”的選用“低”的等級，本次設(shè)計對于頂面選擇H級；根據(jù)鑄造工藝手冊GB/T64141999所要求的機械加工余量如下表：表4.4 要求的機械加工余量（RAM） (mm)最大尺寸要求的機械加工余量等級EFGH>4006302.2346>63010002.53.557>100016002

18、.845.58 根據(jù)鑄件的尺寸公差等級、要求的機械加工余量級鑄件的最大輪廓尺寸確定加工余量的數(shù)值。鑄件需要加工的表面如下：（1） 單側(cè)加工 鑄件單側(cè)加工面如圖4.1所示，編號為1、2、3： 單側(cè)加工面尺寸計算公式為： =RMA+CT/2 （公式4.1） 式中： 加工余量 (mm) RMA要求的鑄件加工余量 (mm) CT鑄件尺寸公差 （mm） 圖4.1 單側(cè)加工面示意圖（2）雙側(cè)加工面： 鑄件雙側(cè)加工面如圖4.2所示，編號4、5、6、7：圖4.2 雙側(cè)加工面示意圖雙側(cè)加工面尺寸計算公式為：=RMA+CT/4 （公式4.2） 各符號意義同上。（3）內(nèi)側(cè)加工面鑄件內(nèi)側(cè)加工面如圖4.3所示，編號8、

19、9、10、11、12 圖4.2 內(nèi)側(cè)加工面示意圖內(nèi)部加工的加工余量公式為： =RMA+CT/4 （公式4.3） 各符號意義同上。鑄件尺寸公差是指鑄件公稱尺寸的兩個允許極限尺寸之差。在兩個允許極限尺寸之內(nèi)，鑄件可以滿足加工、裝配和使用要求。根據(jù)零件技術(shù)要求，鑄件公差等級應(yīng)滿足GB/T64141999鑄件尺寸公差和機械加工余量的規(guī)定。鑄件尺寸公差等級分為16級，表示為CT1CT16。鑄件“C外框架”需滿足CT11級要求，具體公差數(shù)值見下表4.5：表4.5尺寸公差數(shù)值 (mm)毛坯鑄件基本尺寸鑄件尺寸公差等級CT10111213>400630571014>6301000681116>

20、;10001600791318鑄件毛坯最大尺寸為1466mm，尺寸公差等級滿足CT11級要求，由上表查得本鑄件的尺寸公差數(shù)值為9mm。綜上所述，將各個表面加工余量計算結(jié)果列在表4.6中如下：表4.6各面機械加工余量（最大尺寸1466mm）加工面編號加工余量等級RMA值CT值加工余量1G5.5992G5.5993G5.5994F496.255G5.597.756F496.257G5.597.758F496.259G5.597.7510F496.2511G5.597.7512G5.597.75根據(jù)零件圖，考慮以上機械加工余量后，將后續(xù)加工結(jié)構(gòu)去掉，在編號為1、3、5、7的面加上拔模斜度，再把鋼套裝

21、配上，即可得到鑄件圖。此外，有些圓面相隔C3mm，在鑄件上難以鑄出，決定把間隔過小的兩個面合成一個面鑄出，在后續(xù)加工中再把它們加工出來。圖4.4 鑄件實體圖5 砂芯的設(shè)計砂芯用來形成鑄件的內(nèi)腔、各種成形孔及外形不易起模的部分。砂芯要滿足的基本要求是：砂芯的形狀、尺寸和在砂型中的位置應(yīng)與鑄件的要求相適應(yīng)，有足夠的強度和剛度，在澆注后鑄件凝固過程中砂芯所產(chǎn)生的氣體能及時排出型外，鑄件收縮時砂芯不給予大的阻力，容易清砂。砂芯設(shè)計的主要內(nèi)容：確定砂芯的形狀和個數(shù)（砂芯分塊）、下芯順序、芯頭結(jié)構(gòu)、核算芯頭大小等。本鑄件采用呋喃樹脂自硬砂造芯。5.1 砂芯的形狀砂芯的設(shè)置應(yīng)滿足以下幾個基本原則:（1）盡量

22、減少砂芯的數(shù)量；（2）復(fù)雜的砂芯分塊設(shè)計；（3）選擇合適的砂芯形狀，便于填砂、舂砂、安放芯骨和采取排氣措施；（4）砂芯的分盒面應(yīng)盡量與砂型的分型面一致；（5）便于下芯和合型；（6）被分開的砂芯每段要有良好的固定條件；對于本題目，采用呋喃樹脂砂自硬化制芯，涉及不到砂芯的烘干，而保證鑄件的成型、保證鑄件的精度則是重要的環(huán)節(jié)。分析鑄件結(jié)構(gòu)，需要用到多個砂芯成型，鑄件共有16處需要用到砂芯，如下圖5-1所示，15處編號116：圖5.1 需要砂芯形成的部位15個砂芯的形狀如下圖5.2所示：砂芯2砂芯1 砂芯4砂芯3砂芯6砂芯5 砂芯8砂芯7砂芯10砂芯9砂芯12砂芯11砂芯11砂芯11 砂芯14砂芯13

23、砂芯15 砂芯16圖5.2 各砂芯的形狀砂芯說明：鑄件的位置需要大量的懸臂砂芯，所以懸臂砂芯的安放特別的重要。我們設(shè)計1號砂芯、2號砂芯和16號砂芯是加大加高的芯頭，三個砂芯中分別放置一個鋼結(jié)構(gòu)芯盤。懸臂砂芯用芯骨連接到上述鋼結(jié)構(gòu)芯盤中，其中，3號、4號、13號和14號砂芯的芯骨插入1號砂芯的鋼結(jié)構(gòu)芯盤中，7號、8號、9號、10號砂芯用芯骨插入到2號砂芯的鋼結(jié)構(gòu)芯盤中,5號、6號、11號、12號和15號砂芯用芯骨插入到16號砂芯的鋼結(jié)構(gòu)芯盤中。由于本鑄件砂芯比較復(fù)雜，我們采用組合砂芯，即在下芯之前將多個砂芯組合為一個整體砂芯，再把組合砂芯一次性放到砂箱里，這樣便于砂芯裝配、檢查和下芯。為了使鋼

24、套與鋁合金框架連接牢固，在澆注之前把鋼套裝到砂芯15上。圖5.2 砂芯組合圖5.2 芯頭的結(jié)構(gòu)尺寸砂芯主要靠芯頭固定在砂型中。對于垂直芯頭，必須要有足夠的尺寸，以保證其軸線垂直、牢固地固定砂型上。對于水平砂芯，必須有足夠的芯頭長度，以承受砂芯的重力和金屬液的浮力。芯頭與芯頭座之間有適宜的間隙，以使砂型與砂芯既能保證裝配，又能確保鑄件的尺寸精度。本次設(shè)計所采用的砂芯芯頭共有2種，。其中，型屬于懸臂砂芯芯頭，型是用芯骨連接的水平砂芯。型用于砂芯1和砂芯2，型用于砂芯15和16。型屬于懸臂芯頭,采用加大加長芯頭的方法，將砂芯的重心移入芯頭的支撐面內(nèi)。根據(jù)資料（1)鑄造工藝手冊公式，當D或h>1

25、50mm時，h1=（1.51.8）h，l>L，芯頭尺寸與斜度如圖5.2所示。圖5.2 型懸臂芯頭尺寸 型水平芯頭，右端圓柱芯頭削去一部分，用于芯頭的定位，左邊芯頭較大，用于承載其他砂芯的重量。圖5.3 型水平芯頭尺寸為了下芯和合型的方便，芯頭應(yīng)有一定的斜度，心頭與芯座之間應(yīng)有一定的間隙，水平芯頭示意圖如下圖5.6所示：圖5.6 水平芯頭示意圖參照資料1鑄造手冊，設(shè)置各芯頭S1、S2、S3 數(shù)值如下表所示： 表5.1 芯頭參數(shù)設(shè)置芯頭編號S1S2S3型懸臂砂芯2.04.06.0型承載砂芯2.55.08.0型圓柱砂芯2.03.04.0為了快速下芯，合型以及保證鑄件的質(zhì)量，方便砂芯中產(chǎn)生氣體的

26、排出，在砂芯的頂部應(yīng)該設(shè)置“壓環(huán)”；為了防止由于造型時沒有完全吹凈的極少沙粒引起的砂芯位置的不準確，需要在砂芯的底部設(shè)置“集砂槽”。壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽的示意圖如下圖5.7所示，壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽的尺寸列入下表5.2：圖5.7 壓環(huán)、防壓環(huán)、集砂槽示意圖表5.2：壓環(huán)，防壓環(huán)，集砂槽尺寸芯頭編號abcr型懸臂砂芯101.5255型承載砂芯122405型圓柱砂芯101.52555.3 芯骨的設(shè)置為了保證砂芯在制造、搬運、配型和澆鑄中不變形、不開裂、不被金屬液體沖擊斷裂，在制作砂芯的過程中通常要埋置芯骨，以提高砂芯的強度和剛度。本鑄件采用懸臂式砂芯，芯骨還起到承載砂芯的作用。芯骨在砂芯中的形狀如

27、圖所示： 砂芯3 砂芯4 砂芯5 砂芯15砂芯3、8、9、10、13、14用同一種芯骨，砂芯5、6、11、12用同一種芯骨，砂芯4、7用同樣的芯骨。芯骨在砂芯中的組合形式如下圖所示：6 各工藝參數(shù)設(shè)置6.1 起模斜度 當鑄件本身沒有足夠的結(jié)構(gòu)斜度時，應(yīng)在鑄件設(shè)計或鑄造工藝設(shè)計時給出鑄件的起模斜度，以保證鑄件的起模。起模斜度可以采取增加鑄件壁厚、增減鑄件壁厚、減少鑄件壁厚的方式來形成。在鑄件上添加起模斜度時，原則上不得超出鑄件的壁厚公差要求。對于鑄件“C外框架”，對于有砂芯包裹的面，在砂芯上設(shè)置起模斜度，而沒有砂芯包裹的面，則在鑄件上設(shè)計起模斜度。對于砂芯1和砂芯2，有的面已自帶斜度，因此不再在

28、這些面上設(shè)置起模斜度。如圖6.1，需要設(shè)置起模斜度的面用紅色標出。 圖6.1 需要加起模斜度的面本次設(shè)計采用木模樣造型腔，根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)及尺寸，起模斜度采用“增加厚度法”。根據(jù)資料（1）鑄造手冊表3-64，木模樣外圍的起模斜度與測量面高度有關(guān)，不同高度的測量面應(yīng)具有的起模斜度如下表6.1： 表6.1 木模樣起模斜度測量面高度mm起模斜度起模斜度a/mm>401000°551.6>1001600°402.0>1602500°352.6>2504000°354.2>4006300°305.6根據(jù)表中的數(shù)據(jù)選擇不同的面的

29、起模斜度，各面起模斜度如下表6.2： 表6.2 各面起模斜度設(shè)置部位測量面高度h/mm起模斜度a/mm 1206.,206.4.2 2206.54.2 32064.2 4206.54.2 55825.6 6206.54.27206,2064.28435,4355.69 206,2064.210206.54.211206,2064.212206.54.2134485.614435,4355.66.2 鑄造收縮率為了獲得尺寸精度較高的鑄件，必須選取符合實際的適宜的鑄件收縮率根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)，金屬液在凝固之后的冷卻過程中的收縮介于“自由收縮”與“受阻收縮”之間，因此按照資料（1）鑄造手冊中“鑄造收縮

30、率”的設(shè)計依據(jù)（表6.3）選擇該鑄件的鑄造收縮率為1%。 表6.3 鑄造的線收縮率 (%)合金種類鑄件線收縮率受阻收縮自由收縮鋁硅合金0.81.01.01.26.3 分型負數(shù)砂型因起模后的修型和收縮等引起變形，致使分型面凹凸不平，使合型不嚴密，為防止?jié)沧r從分型面跑火，合型時需在分型面上放耐火泥條，這就增加了型腔的高度。為此鑄造設(shè)計工程師在鑄件模型設(shè)計時將分型面的高度適當減小，撲償合箱時型腔高度的變化，保證生產(chǎn)的鑄件尺寸符合設(shè)計要求。鑄件“C外框架”模樣分為兩半，且上下兩半是對稱的，則分型負數(shù)在上下模樣上各取一半。表6.4 模樣的分型負數(shù) mm模樣示意圖砂箱高度分型負數(shù)a干型表干型100021

31、1001200032鑄件高度為870mm，則砂箱高度為介于10012000mm，由上表查得鑄件模樣的分型負數(shù)為3mm。7.澆鑄系統(tǒng)設(shè)計澆注系統(tǒng)是引導(dǎo)金屬液進入鑄型型腔的通道，澆注系統(tǒng)設(shè)計得合理與否，對鑄件的質(zhì)量影響非常大，容易引起各種類型的鑄造缺陷，如：澆不足、冷隔、沖砂、夾渣、夾雜、夾砂等鑄造缺陷。澆注系統(tǒng)的設(shè)計包括澆注系統(tǒng)類型設(shè)計、內(nèi)澆口位置的選擇以及澆注系統(tǒng)各組元截面尺寸的計算。澆注系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：（1）引導(dǎo)金屬液平穩(wěn)、連續(xù)地充型，避免卷氣、金屬氧化物夾雜和沖刷型芯。（2）充型過程中流動的方向和速度可以控制，保證鑄件輪廓清晰、完整。（3）在合適的時間內(nèi)充滿型腔，避免形成夾砂、冷

32、隔、皺皮等缺陷。（4）調(diào)節(jié)鑄型內(nèi)的溫度分布，利于強化鑄件補縮、防止鑄件變形、裂紋等缺陷。（5）具有擋渣、溢渣能力，凈化金屬液。（6）澆注系統(tǒng)應(yīng)當簡單、可靠，減少金屬液消耗，便于清理。7.1 澆鑄系統(tǒng)類型鋁合金的熱容量小，溫度降低快，性質(zhì)活潑，易吸氣和氧化結(jié)皮，凝固體收縮大。對于ZL114A材料的“C外框架”，適宜采用大孔出流設(shè)計方法，要求其澆注系統(tǒng)能快速平穩(wěn)的充型，具有較強的擋渣和補縮能力。澆注系統(tǒng)的引入位置影響到澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型的確定，同時對液態(tài)金屬充型方式、鑄型溫度分布鑄件質(zhì)量影響很大。澆注統(tǒng)根據(jù)其內(nèi)澆口的設(shè)置位置，可以分為頂注式澆注系統(tǒng)、底注式澆注系統(tǒng)、中間注入式澆注系統(tǒng)和階梯式澆注系統(tǒng)

33、。對于中小鑄件多采用將內(nèi)澆口開設(shè)在鑄型的分型面處，可以采用頂注式、底注式和中間注入式的澆注系統(tǒng)，對于大型鑄件可以采用階梯式澆注系統(tǒng)。頂注式澆注系統(tǒng)的充型能力強，有利于冒口的補縮，但對鑄型底部的沖擊較大，金屬液在充型過程中容易二次氧化；底注式澆注系統(tǒng)充型過程平穩(wěn)，金屬液不容易氧化，缺點是不利于頂部冒口的補縮，金屬液的充型能力相對較差；中間注入式澆鑄系統(tǒng)同時具有頂注式澆注系統(tǒng)和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)點和缺點；階梯式澆注系統(tǒng)具有充型能力強、充型平穩(wěn)、金屬液不易氧化、補縮能力強的優(yōu)點，但其缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消耗的金屬液量多。根據(jù)本題目鑄造工藝方案的設(shè)計，采用中注式澆注系統(tǒng)。鋁合金性質(zhì)活潑，易吸氣和氧化結(jié)皮，

34、鑄件適宜采用“開放式澆注系統(tǒng)”，使合金液在最初充型階段流速較慢，流動平穩(wěn)。澆注系統(tǒng)各組元的截面比例如下：A內(nèi)：A橫：A直=1：2：47.2 澆鑄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)、尺寸，采用圖7.1所示的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。圖7.1 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖集渣包圖7.2 澆注系統(tǒng)尺寸及集渣包位置將橫澆道開設(shè)在上砂箱內(nèi)，為提高澆注系統(tǒng)的濾渣能力，在橫澆道末端設(shè)置集渣包?？紤]到大、中型鋁合金鑄件澆注，圓錐狀直澆道太粗時，容易產(chǎn)生渦流，從而使鑄件產(chǎn)生氧化夾渣和氣孔，我們采用了片狀直澆道，使金屬液流動平穩(wěn)。因片狀澆道冷卻快，選取斷面時，比圓斷面略大些。7.3 澆鑄系統(tǒng)各組元尺寸 7.3.1 澆注時間根據(jù)資料（2）鑄造工程師

35、手冊，鋁合金的澆注時間由式確定，其中，B、p、n為系數(shù)，查表可知鋁合金B(yǎng)=1.25，p=0.35，n=0.35。為壁厚，鑄件平均壁厚為22mm，G為澆注金屬質(zhì)量，考慮到鑄件實際重量及冒口型腔中金屬液重量，所以初步按=280kg計算，則澆注時間為： 7.3.2平均靜壓頭由鑄件分型面的選擇可知，鑄件位于上下砂型之間，鑄件高度為870mm，澆注方式為中間注入，根據(jù)資料（1）鑄造手冊查表，可得平均靜壓頭高度Hp=85cm，上砂型高度為650mm，澆口杯高度為250mm。圖7.4 靜壓頭示意圖7.3.2 各澆道橫截面尺寸澆鑄系統(tǒng)設(shè)計依據(jù)“大孔出流原則”，用斷面比設(shè)計法先算出內(nèi)澆道斷面積，再按照預(yù)定斷面比

36、來確定其它單元的斷面積。內(nèi)澆道單元處的壓力高度值；k1直澆道截面積與橫澆道截面積之比；k2直澆道截面積與內(nèi)澆道截面積之比；u流量損耗系數(shù)。 根據(jù)資料（3)輕合金砂型鑄造查表可知，鋁合金金屬液流量損耗系數(shù)為0.68，由于Hp=85cm，A內(nèi)：A橫：A直=1：2：4，求出hp=4.05cm，A內(nèi)=72.6cm2，則按照預(yù)定斷面比可算出A橫=36.3cm2，A直=18.2cm2。根據(jù)所求斷面積，由表7.17.4分別設(shè)計出直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道尺寸。表7.1 直澆道尺寸直澆道示意圖斷面積A/cm2寬a/mm厚b/mm數(shù)量n間隔s/mm20308825因片狀直澆道冷卻較快，故選取斷面時，選擇A直=20c

37、m2，比圓斷面要大一些。表7.2 橫澆道尺寸橫澆道示意圖A/cm2a/mmb/mmhR18.23729.655.53鑄件橫澆道A橫=36.3cm2，設(shè)有兩條橫澆道，每條橫澆道斷面積為18.2cm2。根據(jù)鑄造手冊（鑄造工藝設(shè)計）表3189所示的內(nèi)澆道尺寸，選取I型扁平內(nèi)澆道。根據(jù)鑄件澆注位置的不同，內(nèi)澆道尺寸分為兩類，如下表所示：表7.3 內(nèi)澆道尺寸橫澆道示意圖第一種A/cm2a/mmb/mmhR15.2787419.52第二種A/cm2a/mmb/mmhR21.192882327.3.3 澆口杯尺寸澆口杯可分為普通漏斗形澆口杯、箱式澆口杯、砂芯式澆口杯和沙箱式澆口杯等，砂芯式澆口杯適用于中大型

38、鑄件的澆注，因此，本次設(shè)計擬采用砂芯式澆口杯。參照鑄造手冊中表3-184，根據(jù)鑄件參數(shù)，選擇8號澆口杯，澆口杯形狀圖尺寸下圖7.5所示：圖7.5 池形澆口杯形狀尺寸8補縮系統(tǒng)設(shè)計鑄件“C外框架”的材料為ZL114A，結(jié)晶溫度范圍較寬，而且鑄件壁厚較薄，冒口補縮效果不明顯。設(shè)計時把內(nèi)澆道放在鑄件的分型面上，即鑄件的中間位置，使金屬液趨于同時凝固。因此，鑄件暫不設(shè)置冒口。9.合箱圖及鑄造工藝卡綜合上述對鑄型、澆鑄系統(tǒng)冒口、砂芯等的設(shè)計，畫出合箱圖如下圖9.1：圖9.1 合箱圖工藝卡零件號C零件名稱外框架零件材質(zhì)ZL114A鑄件重量（Kg）凈重毛重澆注系統(tǒng)重冒口重253.986271.038161.

39、690砂箱尺寸(mm)長寬高165014601300造型造型方法型砂種類通氣方法合型方式緊固方式手工造型樹脂砂排氣通道機械定位銷制芯砂芯編號數(shù)量制芯方法通氣方式芯骨材料芯骨數(shù)量11手工芯盒通氣孔型鋼121手工芯盒通氣孔型鋼131手工芯盒通氣孔型鋼141手工芯盒通氣孔型鋼151手工芯盒通氣孔型鋼161手工芯盒通氣孔型鋼171手工芯盒通氣孔型鋼181手工芯盒通氣孔型鋼191手工芯盒通氣孔型鋼1101手工芯盒通氣孔型鋼1111手工芯盒通氣孔型鋼1121手工芯盒通氣孔型鋼1131手工芯盒通氣孔型鋼1141手工芯盒通氣孔型鋼1151手工芯盒通氣孔型鋼1161手工芯盒通氣孔型鋼1工藝參數(shù)直澆道A直（cm2

40、）20橫澆道A橫（cm2）36.3內(nèi)澆道A內(nèi)（cm2）72.6數(shù)量1數(shù)量2數(shù)量4A內(nèi)：A橫：A直=1:2：4澆注澆注方式澆注溫度澆注時間型內(nèi)冷卻時間轉(zhuǎn)包/漏包71526.5s工藝簡圖見文末附圖特殊操作說明無10 鑄造工藝優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計得是否合理，影響到能否得到合格、高質(zhì)量的鑄件。以往設(shè)計生產(chǎn)新產(chǎn)品，在設(shè)計結(jié)束往往要通過試生產(chǎn)來驗證設(shè)計工藝是否合理，這期間要反復(fù)進行模具的修改、造型造芯、金屬熔煉、澆鑄、落砂清理、鑄件分析這一過程。這一過程不僅要浪費大量的人力、物力、財力，更重要的是設(shè)計時間長，新產(chǎn)品投入生產(chǎn)周期長，效率低。過去在計算機沒有普及的情況下，這一過程不可避免，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，

41、數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到包括鑄造生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，尤其在縮短新產(chǎn)品開發(fā)試生產(chǎn)周期上起到了重要作用。數(shù)值模擬技術(shù)可以針對設(shè)計好的生產(chǎn)工藝，通過模擬產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)境，來預(yù)測生產(chǎn)結(jié)果，以此來指導(dǎo)工藝的修改，直至模擬生產(chǎn)結(jié)果符合要求。數(shù)值模擬技術(shù)省時省力，為獲得高質(zhì)量產(chǎn)品提供了有效手段。本次鑄造工藝設(shè)計采用數(shù)值模擬技術(shù)模擬鑄件的生產(chǎn)過程，通過模擬金屬液的充型過程、凝固過程以及鑄件冷卻過程中的應(yīng)力應(yīng)變，分析鑄造工藝設(shè)計的優(yōu)點和缺陷，反復(fù)優(yōu)化，最終在理論上得到合格鑄件，確定最終工藝方案。設(shè)計采用CATIA-V5軟件進行鑄件三維模型的繪制，采用HyperMesh軟件對三維模型進行網(wǎng)格剖分，采用通用數(shù)值模擬軟件P

42、roCast軟件模擬鑄造過程，對所設(shè)計的工藝進行充型和凝固的模擬，并進行澆鑄系統(tǒng)和補縮系統(tǒng)的優(yōu)化。10.1 原始工藝方案中鑄件的充型和凝固分析采用之前文章中敘述的鑄造工藝方案；邊界條件設(shè)定為：澆鑄溫度：T澆鑄=715型、芯砂初始溫度：T型芯=25金屬液流量：Q=10.2Kg/S鑄件和砂型、砂芯的熱交換系數(shù)：K=500W/(m2.K)10.1.1 金屬液充型過程分析金屬液在充型過程中的流動對鑄件的質(zhì)量會產(chǎn)生很大的影響，鑄造中經(jīng)常產(chǎn)生“澆不足”、“冷隔”、“沖砂”、“卷氣”等鑄造缺陷，都由于澆鑄系統(tǒng)的設(shè)計的不合理而產(chǎn)生的。圖7.1為采用上述的澆注系統(tǒng)，利用ProCast模擬的金屬液充型過程中的流動狀態(tài)和溫度變化。充型時間是 26.5s ，通過對模擬過程的分析可以判斷澆鑄系統(tǒng)能否滿足要求。 1 2 3 4 5 6圖10.1金屬液充型不同階段時的流動狀態(tài)及溫度分布在充型過程中，金屬液在重力的作用下由澆口杯通過直澆道、橫澆道、然后通過內(nèi)澆道進入了鑄件的上部，由圖（1）、（2）可以看出金屬液平穩(wěn)的進入了型腔，由圖（2）可以看出，雖然本鑄件采用了頂部注入的方式，但是由于金屬液在流動的過程的沿著型腔壁進入型腔的底部，所以不會對砂型造成太大的沖擊，由圖（3）、（4）、（5）可以看出，金屬液在沿著型腔進入型腔下部后平穩(wěn)的上升充型，避免的卷氣現(xiàn)