軸承座鑄造工藝設計

/河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計設計題目：軸承座鑄造工藝設計系部材料工程系專業(yè)材料成型和限制技術班級材料111學生姓名劉歡學號111308103指導老師鄧想xxxx年月日軸承座鑄造工藝設計摘要：本軸承座為一小型鑄件，鑄件材質為ZG230-450，結構簡潔，無困難的型腔和阻礙起模的凸起。鑄件的外形尺寸為350mm×350mm×175mm，主要壁厚為30mm，壁厚基本勻整。軸承座接受ZG230-450是一種鑄造碳鋼，是新牌號表示方法(GB11352-89)，原牌號叫ZG25。從軸承座的整體結構特點動身，進行鑄造工藝設計分析，確定鑄造方案，并進行鑄造工藝參數和砂芯的設計，在此基礎上再依據鑄件的材質重量和澆注系統(tǒng)性能設計補縮系統(tǒng)。接受水玻璃砂手工造型、制芯、木摸樣和開放式澆注系統(tǒng)，設計時應綜合考慮各方面因素，澆注系統(tǒng)不是簡潔地金屬液流淌通道，用solidworks三維造型后，接受華鑄CAE軟件對設計方案進行澆注、凝固模擬計算。結果顯示，澆注系統(tǒng)設計合理，縮松縮孔缺陷留在了冒口區(qū)。關鍵詞：軸承座，工藝設計，華鑄CAEBEARINGCASTINGPROCESSDESIGNABSTRACT:Thebearingasasmall-sizedcastings,castingmaterialofZG230-450,simplestructure,nocomplexcavityandobstaclestodraw.Theappearanceofthecastingsizeis350mm×350mm×350mm,themainwallthicknessof30mm,basicuniformwallthickness.BearingtheZG230-450isakindofcastingsteel,isanewbrandrepresentation(GB11352-89),theoriginalbrandnameisZG25.Fromtheoverallstructureofthebearingcharacteristics,analysisofcastingprocessdesign,determinethecastingsolution,andcastingprocessparametersandthedesignofsandcore,onthisbasis,accordingtothematerialweightofthecastingandpouringsystemperformancedesignofthefeedingsystem.Usedsodiumsilicatesandhandmademoldingandcoremaking,woodtouchkindandopengatingsystem,thedesignshouldbeconsideredwhenthefactors,thegatingsystemisnotsimplythemetalliquidflowchannel,withsolidworks3dmodelling,theChinafoundryCAEsoftwareisadoptedtodesignplansforpouringandsolidificationsimulation.Resultsshowthatthepouringsystemdesignisreasonable,theshrinkageporositydefectontheKouOu.KEYWORDS:Bearingseat，Processdesign，ChinaCastingCAE目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1國外鑄造技術發(fā)展狀況 11.2我國鑄造技術的現狀 21.3鑄造工藝設計的基本學問 21.4鑄造工藝設計的重要性 22鑄造方案的確定 32.1零件的材質分析 32.2軸承座工藝設計的內容和要求 32.3軸承座結構的鑄造工藝性分析 52.4造型造芯方法的選擇 52.5澆注位置的選擇 62.6軸承座分型面的選擇 72.7砂箱中鑄件數目的確定 83鑄造工藝參數的確定 93.1鑄件最小鑄出壁厚 93.2最小鑄出的孔和槽 93.3鑄件的尺寸公差 93.4機械加工余量 103.5鑄造收縮率 103.6起模斜度 103.7澆注溫度和冷卻時間 114砂芯設計 124.1砂芯的基本學問 124.2砂芯數目的選擇 124.3芯頭設計 124.4芯頭尺寸的確定 124.5砂芯的定位結構 134.6芯骨 134.7芯撐 134.8砂芯的排氣 135澆注系統(tǒng)及冒口、冷鐵、出氣孔的設計 145.1澆注系統(tǒng)的組成及其應用 145.2澆注系統(tǒng)的類型和應用范圍 155.3澆注時間的計算 165.4確定直澆道、橫澆道、內澆道的橫截面積 185.5冒口的設計 206軸承座澆注、凝固過程模擬分析 216.1華鑄CAE簡介 216.2華鑄CAE模擬分析的步驟 216.3華鑄CAE模擬軸承座澆注、凝固過程分析報告 217鑄造工藝裝備設計 258鑄造工藝圖 269結論 2710致謝 28參考文獻 29附圖1緒論鑄造是獲得機械產品毛坯的主要方法之一，是機械工業(yè)重要的基礎工藝，在國民經濟中占有重要的位置。鑄造成型是制造困難零件的最靈敏的方法，先進制造技術的應用給制造工業(yè)到來了新的活力，為數眾多的軟件問世和計算機技術的迅猛發(fā)展使得為生產在幾何形態(tài)、尺寸、運用性能等當面都符合要求的鑄件提出精確牢靠的信息成為可能。鑄造廠在其用戶進行產品設計和開發(fā)階段就能成為后者在CAD層次上一個有力的伙伴，和此同時，鑄造廠也遇到了來自鑄造行業(yè)內部和外部的巨大挑戰(zhàn)?；蛟S可以說，各國鑄造廠都把下述四項目標作為自己的主要任務：（1）提高鑄件質量和牢靠性，生產優(yōu)質鑄件；（2）加強環(huán)保，實現可持續(xù)性發(fā)展；（3）降低生產成本；（4）縮短交貨日期。不言而喻，其中的第一項是最重要的，假如不能生產出優(yōu)質鑄件，其他目標就無從談起。1.1國外鑄造技術發(fā)呈現狀1）信息技術在鑄造生產中得到廣泛應用由計算機、網絡技術、傳感技術、人工智能所構成的信息技術近年來在鑄造生產中得到更為廣泛的應用，這正在變更著鑄造生產的面貌，可以說現代鑄造技術的主要特征就是將傳統(tǒng)的鑄造工藝和信息技術融為一體?？焖僭图夹g在鑄造生產中的應用也有了新的發(fā)展，它除了可應用于制造新產品試制用的摸樣及熔模鑄造的蠟模外，還可用于干脆造出酚醛樹脂殼型、殼芯，他們可干脆用來裝配成砂型。2）粘土砂濕型造型設備有新的提高在德國震壓造型正在逐步被其它先進的造型設備所取代，而到1999年垂直分型無箱射壓造型、氣流——氣壓造型、空氣沖壓造型這三類造型線的生產實力之和已占有77%，居于主導地位。3）型砂處理向智能化質量限制方向發(fā)展國外近年來在智能化型砂質量限制方面有很大發(fā)展，特點是利用計算機幫助對型砂質量進行預防性限制。4）樹脂自硬砂設備日趨完善經過探究，國內外市場已經推出了多種型砂性能在線檢測裝置，它們的一些共同特點是：檢測的項目主要是緊實率和濕強度并接受氣功。1.2我國鑄造技術的現狀我國鑄造業(yè)的現狀是生產量大，年產鑄件約1，200萬噸，廠點多，達2萬多個，鑄造業(yè)的從業(yè)人員在120萬人以上。我國鑄造行業(yè)的一大特色是改革開放以來鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)迅猛發(fā)展，成為我國鑄造行業(yè)的一支重要力氣。鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造廠點數已超過國有鑄造廠點，鄉(xiāng)鎮(zhèn)鑄造廠點的鑄件產量約占全國鑄件總產量的一半。我國鑄造產量從2000超越美國已連續(xù)六年穩(wěn)居世界第一，依據全球主要生產國2004年的產量統(tǒng)計可以看出，我國鑄造行業(yè)除廠點多，從業(yè)人員多，產量大以外，和發(fā)達國家相比，在質量、效率、能源和材料消耗、勞動條件和環(huán)境愛惜等方面都存在差距。造成這些差距的緣由是鑄造廠點規(guī)模小，經濟實力差，工藝和設備落后，管理水平低，從業(yè)人員素養(yǎng)不高。為了消退這些差距，為了滿足我國經濟建設的須要，也為了鑄造行業(yè)自身的存在和發(fā)展，我國的鑄造行業(yè)應以提高鑄件質量和經濟效益為中心，面對國內和國際兩個市場；加強管理，打好基礎，提高企業(yè)素養(yǎng)；調整產業(yè)結構，合理配置資源，提倡適度規(guī)模經營；接著以適用先進的生產工藝和技術裝備改造鑄造行業(yè)，實現清潔化生產，保證可持續(xù)發(fā)展。1.3鑄造工藝設計的基本學問鑄造的生產過程，從零件圖起先，始終到鑄件成品驗收合格入庫為止，要許多道工序，涉及到合金熔煉、造型（造芯）材料的配置、工藝裝備的準備鑄型的制造、合型、澆注、落砂和清理等許多方面。人們把鑄件的生產過程為鑄造生產工藝過程。對某一個鑄件，編制出其鑄造生產工藝過程的技術就是鑄造工藝設計。其中，工藝設計的依據包括：（1）生產任務和要求（主要是產品零件圖樣、零件的技術要求、產品數量和交貨期）；（2）車間條件（主要是車間設備、原材料的應用和供應狀況、車間生產工人的技術水平和生產閱歷和制造模具等工藝裝備車間的加工實力）。工藝設計的程序一般是：對零件圖樣進行審查和進行鑄造工藝性分析，選擇造型方法；確定鑄造工藝方案；繪制鑄造工藝圖；填寫鑄造工藝卡。1.4鑄造工藝設計的重要性我國自從加入WTO以后正逐步成為世界制造業(yè)中心之一，隨著國民經濟和世界經濟的發(fā)展，對鑄件的需求將越來越多，鑄件的優(yōu)質化程度越來越高，鑄造工藝設計水平對提高鑄件內外質量、提高工藝出品率、降低廢品率、提高經濟效益上，起著特殊重要的作用。2鑄造方案的確定2.1零件的材質分析鑄件成型材料為ZG230-450，ZG230-450是一種鑄造碳鋼，是新牌號表示方法(GB11352-89)，原牌號叫ZG25。ZG代表鑄鋼的拼音縮寫，230是指這種材料的最低屈服強度為230Mpa，450是指這種材料的最低抗拉強度為450Mpa。ZG230-450有確定的強度和良好的塑韌性，良好的焊接性，被切削性能尚好。用于受力不大，要求韌性的各種機械零件，如砧座、軸承蓋、外殼、底板、閥體等。其化學成分：（見下表2-1），其工藝性能包括：一般用電爐冶煉，冶煉簡潔駕馭；鑄造性能較好，熔點較高，實際流淌性較差，易氧化，鑄造縮水率約1.5%～2.0%，凝固收縮約4.2%，澆注溫度約1500～1550℃；焊接性良好，用E5015（E7015）、E5016（E7016）等焊條，焊前不預熱或100～150℃低溫預熱，焊后去應力處理；被切削性能尚可，無需熱處理也可干脆進行機加工。需留意事項：相對上限每削減0.01%的碳，允許增加0.04%的Mn，但Mn含量最高至1.20%。表2-1ZG230-450的化學成分(%)化學成分CSiMnSP含量≤0.30≤0.50≤1.20≤0.04≤0.042.2軸承座工藝設計的內容和要求產品生產性質:大批量生產；材料:ZG230-450；軸承座的零件示意圖如圖2—1所示，零件的外形結構示意圖如圖2—2所示。軸承座的輪廓尺寸為350mm×350mm×175mm，主要壁厚30mm，最大壁厚45mm，為一小型鑄件，鑄件除滿足幾何尺寸精度及材質方面要求外，無其他特殊要求。圖2-1軸承座零件圖圖2-2軸承座三維圖2.3軸承座結構的鑄造工藝性分析零件結構的鑄造工藝性分析是指零件的結構應符合鑄造生產的要求，易于保證鑄件的質量，簡化鑄造工藝分析過程和降低成本。分析零件結構的鑄造工藝性主要考慮的內容：1）零件應有合適的壁厚為避開冷隔，澆不到鑄件鑄件不能太薄，鑄件太厚尺寸太大超過臨界壁厚時易產生縮孔縮松，最大壁厚以最小壁厚的3倍來考慮；2)鑄件壁厚勻整避開熱解； 3)有合適的鑄造圓角避開縮孔縮松；4)改進阻礙起模的凸臺凸緣和肋板；5)取消鑄件外表側凹；6）利于砂芯的固定和排氣。軸承座的鑄造工藝審查分析如下：軸承座最小壁厚為25mm，查表2-2可知，鑄鋼砂型鑄造允許的最小壁厚為10—12mm。軸承座最小壁厚滿足要求，最大壁厚為45mm，超過了臨界壁厚，工藝設計時應實行措施加以規(guī)避。軸承座壁厚基本勻整，無阻礙起模的凸臺和肋板結構，型腔外形結構簡潔，直徑為18mm的孔較小,為了便利造型、削減砂芯，可以不鑄出。表2-2砂型鑄件最小壁厚單位（mm）鑄造方法鑄件尺寸鑄鋼灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金鎂合金砂型≈200×200>200×200~500×500500×500810~1215~206>6~1015~20612—58—346—3—2.4造型造芯方法的選擇制造鑄型和型芯的工藝過程稱為造型和造芯。造型、造芯是砂型鑄造的最基本的工序，造型時用模樣形成砂型的型腔，澆注后形成鑄件外部輪廓。造芯時用芯盒制成型芯，置于鑄型中經澆注后大多形成鑄件的內部輪廓。通常分為手工造型和機器造型兩大類。砂型鑄造工藝設計中依據實際的生產條件和生產批量，在保證交貨期限的，質量要求下選擇成本最低，生產組織最便捷的造型及制芯方法。依據所在工廠的實際狀況確定要用水玻璃砂進行手工造型造芯，以水玻璃為粘結劑，造型后吹入二氧化碳，1-3分鐘砂型硬化，砂型強度高，不需烘干，但澆注后結成硬塊，退讓性較差，大大的降低了清理鑄件的效率。2.5澆注位置的選擇鑄件的澆注位置是指鑄件在澆注時在鑄型中所處的位置?？紤]的原則:鑄件的主要加工面、主要工作面和受力面應盡量放在底部或側面，以防止產生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷；對于凝固體收縮率較大的鑄造合金，應滿足依次凝固的原則，鑄件厚實部分應盡可能置于上方，利于設置冒口補縮；有利于砂芯的定位、固定和排氣，盡量避開吊芯和懸臂砂芯；大平面應置于下部或傾斜位置，一方夾砂等缺陷。有時為了便利造型，可接受“橫做立澆”、“平做立澆”的方法；鑄件的薄壁部分應置于鑄件的底部或側面，以防澆不到、冷隔等缺陷；在大批量生產中，應使鑄件的飛翅、毛刺最少和易于清除；要避開厚實鑄鋼件冒口下面的受力面產生偏析；盡量使冒口置于加工面上，以削減鑄件清整工作量。方案一方案二圖2—3澆注位置的選擇分析：方案一：頂注式是從鑄件上部引入鋼液，鋼液從上向下流淌，易于充溢鑄型，有利于溫度自下而上遞增促進鑄件的依次凝固，補縮效果好，能削減縮松、縮孔缺陷，但是澆注過程中，鋼液流從高處下落，不平穩(wěn)、沖擊大，易損壞鑄型，造成砂眼、鐵豆等缺陷，同時也易使鋼液氧化和卷入氣體。此類澆注系統(tǒng)多用于鑄件高度較低，結構簡潔的鑄件，薄壁件或須要用頂部冒口補縮的致密性要求較高的中、小型厚壁鑄件。方案二：底注式澆注系統(tǒng)是從鑄件底部引入型腔，鋼液充型平穩(wěn)，排氣便利，無沖砂，無飛濺，不易氧化。但不利于自上而下的依次凝固和補縮。困難的薄壁件不易充溢，多用于結構困難，厚壁的大中型鑄件。綜上分析方案二較好。2.6軸承座分型面的選擇分型面的選擇很大程度上影響著鑄件的尺寸精度，生產成本和效率。確定分型面時遵循的原則：盡量使鑄件全部或大部置于同一半型內；盡量削減分型數目；分型面盡量選平面；留意降低沙箱的高度；便于下芯合箱檢查型腔尺寸；為便于起模分型面應在鑄件最大截面處；留意減輕鑄件清理和機加工余量。圖2—4分型面的選擇分析：方案一鑄件沒有全部在同一鑄型內，這樣簡潔產生錯箱。方案二鑄件在同一鑄型內，合箱時不簡潔錯箱，提高了鑄件的質量。綜合考慮選擇方案二。2.7砂箱中鑄件數目的確定軸承座輪廓尺寸350mm×350mm×175mm。為一小型鑄件，軸承座結構簡潔，如接受一箱一件，效率太低，所以接受一箱四件，接受通用性砂箱尺寸為1300mm×1300mm×280mm。3鑄造工藝參數的確定鑄造工藝參數是指鑄造工業(yè)設計時須要確定的工藝參數，工藝參數的選擇是鑄造工藝設計的重要內容。對指導鑄造工藝設計和鑄造生產具有重要作用，主要包括以下內容：3.1鑄件最小鑄出壁厚軸承座的最小壁厚為25mm，由《鑄造工藝設計》表3-1知該零件符合要求。表3-1砂型鑄件最小壁厚單位（mm）鑄件輪廓尺寸鑄件材質鑄鋼灰鑄鐵球鐵可鍛鑄鐵鋁合金鎂合金≤200×2008≈6653—>200×200-500×50010-126-1012843>500×50015-2015-20——6—3.2最小鑄出的孔和槽鑄件上的孔和槽是否鑄出，要依據具體狀況而定，一般較大的孔和槽干脆鑄出來，以節(jié)約金屬削減機械加工，較小的孔和槽則不宜鑄出。生產批量最小鑄出孔的直徑d灰鑄鐵件鑄鋼件大批量生產12~15—成批量生產15~3030~50單件,小批量生產30~5050表3-2最小鑄出的孔由表3—2可知：軸承座上直徑為18mm的孔不應鑄出。3.3鑄件的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。在這兩個允許極限尺寸之內，鑄件可滿足機械加工、裝配和運用要求。影響鑄件尺寸精度的主要緣由有：鑄造合金，鑄件的結構，鑄造方法，鑄造工藝設計水平，操作水平，造型、造芯設備及工裝的精度，造型、造芯材料的性能，鑄件的精整和表面質量，生產技術管理和質量限制手段等等。鑄件尺寸精度要求越高，對上述影響因素的要求和限制應越嚴，但鑄件的成本也越高。因此，產品設計，必需用價值工程的理念考慮鑄件的尺寸公差等級；生產廠家必需從實際動身綜合考慮各種因素，達到既保證鑄件質量又不過多的增加生產成本的目的。總的來說，提高鑄件尺寸精度是一項系統(tǒng)工程，要有支配的去做逐步提高，只有提高了產品質量，只有性價比合理的產品，在市場上才有競爭力。鑄件尺寸公差代號CT，所規(guī)定的公差等級由精到粗16級，即CT1—CT16，查《鑄造工藝設計》知：鑄鋼的公差等級為11-14，選CT10，鑄件的基本尺寸為361、237、163、145、133、75的孔公差數值分別為4.4mm、4.4mm、4.0mm、3.6mm、3.6mm、3.2mm。3.4機械加工余量機械加工余量是指為了保證鑄件加工面尺寸和零件精度，工藝設計時，在鑄件代加工面上預先增加的而在機械加工時切削掉的厚度。機械加工余量值由精到粗分為A、B、C、D、E、F、G、H、J和K共十個等級。軸承座的輪廓尺寸為：350mm×350mm×175mm,查《鑄造工藝學》知：該軸承座的機械加工余量等級為G－K,上面的加工余量等級取H，加工余量為5mm,下面和側面的加工余量等級取G，加工余量為3.5mm。3.5鑄造收縮率鑄造收縮率又稱鑄件的線收縮率，用模樣和鑄件的長度之差除以模樣長度的百分比表示：ε=【（L1-L2）/L1】×100%式中ε是鑄造收縮率（%）L1是模樣長度（mm)L2是鑄件長度（mm)鑄造收縮率和鑄造的合金種類、鑄件結構、澆冒口系統(tǒng)結構、鑄型的種類等因素有關。鑄造合金由凝固態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)要產生收縮；合金成分和其含量不同，其收縮率也不同，這是鑄造合金的特性。鑄件結構困難，澆冒口結構阻礙收縮，砂型和砂芯的退讓性差，都要阻礙鑄件由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的收縮。簡潔厚實的鑄件，其鑄造收縮率比結構困難的鑄件大。結構困難的大型鑄件，其立體三維方向上的線收縮率各不相同。因此，鑄造收縮率是綜合了各種因素之后，形成的鑄件尺寸的實際收縮率。做模樣時，稱它為縮尺或放縮。為了獲得尺寸精確的鑄件，必需選擇適宜的鑄造收縮率。依據工廠里的鑄造工程師的閱歷知鑄鋼的收縮率為2.0%。3.6起模斜度為了便利起模，在模樣，芯盒的出模方向留確定斜度，以免損壞砂型或砂芯。這個斜度，稱為起模斜度。起模斜度應設計在鑄件沒有結構斜度，并垂直于分型面的表面上，其大小依起模高度。模樣表面粗糙度值以及造型、芯的方法而定。在平行于起模方向的模樣壁上所增加的斜度，用角度ɑ或寬度a表示。查《鑄造工藝學》可知：A、B兩面的起模斜度均為a=2.0mmα=0°40′，接受增加鑄件法。如圖3-1所示：圖3-1起模斜度3.7澆注溫度和冷卻時間鑄鋼230-450的出爐溫度一般為1580℃，澆注溫度一般為1530-1550℃.從《鑄造工藝學》中可得此軸承座的的冷卻時間為40-50分鐘。4砂芯設計4.1砂芯的基本學問型芯是鑄型的一個重要組成部分，型芯的作用是形成鑄型的內腔，孔洞，阻礙起模部分的外形以及鑄型中有特殊要求的部分。型芯應滿足以下要求：型芯的形態(tài)，尺寸以及在鑄型中的位置應符合鑄件的要求，具有足夠的強度和剛度；在鑄件形成過程中型芯所產生的氣體能剛好排出型外；鑄件收縮時阻力小；造芯，烘干，組合裝配和鑄件清理等工序操作簡潔。砂芯的設計，主要包括芯頭的設計、芯骨的設計、砂芯排氣設計。必要時，仍有選用及安置芯撐的的設計。4.2砂芯數目的選擇在鑄件的澆注位置和分型面等工藝方案確定后，就可依據鑄件結構來確定砂芯如何分塊和各個分塊砂芯的結構形態(tài)，確定時的總準則是：（1）保證鑄件內腔尺寸精確；（2）應使操作簡潔；（3）應使芯盒搗砂面放開且砂芯烘干支持面最好為平面；（4）使造芯和下芯過程便利，鑄件內腔尺寸精確，不致造成氣孔等缺陷，芯盒結構簡潔。4.3芯頭設計芯頭是指伸出鑄件以外不和金屬液接觸的砂芯部分。它本身不形成鑄件的輪廓。芯頭的作用是固定，支撐和排氣，芯頭可以分為垂直芯頭和水平芯頭，由前面的澆注位置的選擇可知：應當是選擇垂直芯頭。4.4芯頭尺寸的確定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，堅實地固定在型上，必需有足夠的芯頭尺寸。軸承座接受的是垂直砂芯，需確定砂芯的高度和芯頭于芯座的間隙。查《鑄造工藝學》得：軸承座砂芯上芯頭高h1=40mm，下芯頭高h=40mm；芯頭于芯座的間隙S=1.0mm，S2=1.0mm。其芯頭的結構如圖4—1所示：圖4—1芯頭的結構4.5砂芯的定位結構砂芯要求定位精確，不允許沿芯頭軸向移動或繞芯頭軸向轉動，對于形態(tài)不對稱的砂芯，為了定位精確必需做出定位芯頭。由于此砂芯對稱所以沒必要做出定位芯頭。4.6芯骨放在砂芯中以強化砂芯整體強度并具有確定形態(tài)的金屬構件稱為芯骨。軸承座的砂芯較小，烘干后能滿足其強度要求不須要增設芯骨。4.7芯撐砂芯在砂型中主要靠芯頭固定，但有時砂芯只靠心頭難于穩(wěn)固，因此在生產中場接受芯撐加固，以起到幫助支撐的作用。軸承座砂芯尺寸較小，砂芯結構簡潔，烘干后芯頭的穩(wěn)固性能滿足要求，不需再設芯撐。4.8砂芯的排氣砂芯在高溫金屬作用下，其粘接劑和砂芯中的有機物要燃燒放出氣體，砂芯中的殘余水分受熱蒸發(fā)放出氣體，假如這些氣體不解除型外，則會產生氣孔等缺陷。軸承座的砂芯較小不宜開設排氣通道，可在鑄型上增設排氣孔加以補償。5澆注系統(tǒng)及冒口、冷鐵、出氣孔的設計5.1澆注系統(tǒng)的組成及其應用澆注系統(tǒng)是鑄型中引導液態(tài)金屬進入型腔的通道，它由澆口杯、直澆道、橫澆道和內澆道組成，其基本結構如圖5-1所示：圖5-1澆注系統(tǒng)的基本結構澆口杯的作用是承接金屬液，并將其導入直澆道。澆口杯分漏斗形和盆形兩大類。漏斗形澆口杯又分成兩類，一類是中小型鑄鐵件和非鐵合金鑄件用的漏斗形澆口杯；一類是鑄鋼件用的漏斗形澆口杯。中、小型鑄鐵件和非鐵合金鑄件用的漏斗形澆口杯，通常接受在澆口杯箱內用型砂制成。供中、小型鑄鋼件用的澆口杯，用水玻璃砂舂制而成；供中、大型鑄鋼件用的漏斗形澆口杯是用耐火材料制作并經過燒結的漏斗磚砌成。澆口盆用于中、大型鑄鐵件和中大型非鐵合金件。直澆道是引導澆口杯中的金屬液進入橫澆道，建立起足夠的壓力頭，將金屬液在重力作用下克服流淌阻力，剛好充溢型腔和防止鑄件產生侵入性氣孔。澆口窩對來自直澆道的金屬液有緩沖作用，能縮短直-橫澆道拐角處的紊流區(qū)，改善橫澆道內的壓力分布。其底部宜放干砂芯片或耐火磚塊，可防止沖砂。比較合適的尺寸是：澆口窩直徑為直澆道下端直徑的1.2~2倍，高度為橫澆道2倍，將型砂舂實緊，和直澆道和橫澆道的過渡區(qū)避開有尖角。橫澆道的作用除了將金屬液引入內澆道外，主要是撇渣（澆口杯往往起不到很好的撇渣作用）。因此，它應有確定的長度和高度。封閉式澆注系統(tǒng)，一般要求橫澆道為窄、高形的橫截面，它的高度應為內澆道高度的4~6倍，以使橫澆道的吸動作用達不到橫澆道的頂面，避開將浮渣吸入鑄件。橫澆道的末端長度應距最終一道內澆道的距離不少于75mm。必要時，橫澆道末端可設一個集渣包。在澆注系統(tǒng)設計中，將橫澆道設計成平穩(wěn)、緩速、近似層流地輸送金屬液，對捕渣是特殊重要的。內澆道的用途是限制金屬液流入型腔的速度和方向，調整鑄件各部分的熱差。封閉式澆注系統(tǒng)的內澆道應位于橫澆道的下部，且和橫澆道具有同一底面。讓最初進入橫澆道的污冷金屬液靠慣性力流過內澆道，集于末端延長段或集渣包，而不進入型腔內。開放式澆注系統(tǒng)的內澆道應位于橫澆道的頂部，內澆道的頂面不能和橫澆道的頂面在同一水平面上，而要位于橫澆道的頂上，以防橫澆道還未充溢時，浮渣就進入內澆道而不滯留在橫澆道頂面。橫澆道的橫截面可做的矮些、寬些。內澆道的橫截面有多種形式，視各種鑄造廠家的生產習慣和鑄件的結構而選擇，其中扁平梯形截面內澆道的吸動區(qū)域小，有利于橫澆道捕渣，還利于清除，應用最廣。和直澆道相鄰的第一個內澆道和直澆道的距離應大于橫澆道高度的5倍，避開紊流區(qū)。內澆道位置設置的通則如下：（1）凝固體收縮率大的、且壁厚差大的鑄件，內澆道開設在設有冒口的厚壁處，最好進入冒口，以形成依次凝固。對特殊結構件，為避開造成應力過大而產生裂紋，冒口中心往往不和熱節(jié)中心重疊，離開熱節(jié)確定距離設置冒口，此時，內澆道仍要開到設置冒口的鑄件部位或進冒口。對凝固收縮率大的合金，內澆道的位置應有助于冒口對鑄件形成定向補縮，例如鑄鋼件、鋁合金鑄件、無錫青銅鑄件、黃銅鑄件。（2）凝固體收縮率小的、壁厚差大的鑄件，內澆道應分散的開設在薄壁處和次薄壁處，不開設在鑄件的熱節(jié)和冒口的根部。以有利于鑄件的凝固，如鑄鐵件和錫青銅鑄件。（3）壁厚差不大的鑄件，為造成同時凝固，內澆道開在薄壁處，且數量不多，分散布置，特殊是對鑄鐵件和錫青銅鑄件。但對凝固體收縮率大的合金，內澆道仍是以開設在設有冒口的部位為原則。（4）凝固體收縮率大的中、大型鑄件，若內澆道開設在沒有設置冒口的部位，內澆道處會產生過熱，可引起鑄件局部產生縮孔、縮松；對重要鑄件，為消退這類缺陷，必需對其增設補貼，以形成依次凝固，將縮孔、縮松引入冒口中。（5）內澆道不應開設在靠近有芯撐或有冷鐵的部位。即使須要開在有外冷鐵的，也須要加厚冷鐵和接受鋼、銅或石墨冷鐵。（6）內澆道應有利于平穩(wěn)、快速充型和排氣、排渣，不嚴峻沖刷砂型和砂芯，能盡量縮短金屬液在型腔中的流程。（7）內澆道盡可能開在分型面上；但對有確定高度的鑄件，最好接受底注式或階梯式澆道。（8）內澆道和鑄件的接合處的厚度，對凝固收縮率大的合金，一般應不厚于鑄件厚壁的1/2，最多不超過2/3。5.2澆注系統(tǒng)的類型和應用范圍澆注系統(tǒng)按各組元橫截面積比的分類和應用（1）封閉式：截面積比例關系：ΣAcu>ΣAs>ΣAru>ΣAg（注：Ag-內澆道橫截面積；Aru-橫澆道截面積；As-直澆道截面積；Acu-澆口杯下注孔截面積）。其特點和應用：控流截面在內澆道；澆注起先后，金屬液簡潔充溢澆注系統(tǒng)，呈有壓流淌狀態(tài)；擋渣實力較強，但充型速度較快，沖刷力大，易產生噴濺，金屬液易氧化，適用于濕型鑄鐵小件及其干型中、大件，樹脂砂型大、中、小件均可接受。（2）開放式:截面比例關系：ΣAg>ΣAru>ΣAs。其特點和應用：控流截面在直澆道內；內、橫澆道往往是充不滿的，呈無壓流淌狀態(tài)；流速小而平穩(wěn)，沖刷力小，但擋渣差；適用于鑄鋼件和非鐵合金件。在球墨鑄鐵中常有接受灰鑄鐵件也有應用。（3）半封閉式：截面比例關系：ΣAg<ΣAs<ΣAru。其特點和應用：控流截面在內澆道；橫澆道截面最大。澆注中，澆注系統(tǒng)能充溢，但較封閉式晚。流速較封閉式慢，有確定的擋渣實力，充型較平穩(wěn)，又稱緩流封閉式。廣泛用于灰鑄鐵件、球墨鑄鐵件，鋁合金及鎂合金鑄件也有應用。（4）封閉-開放式：截面比例關系：ΣAg>ΣAru<ΣAs。其特點和應用：控流截面在橫澆道中，控流截面之前封閉，其后開放，即利于擋渣又充型平穩(wěn)，兼有封閉和開放式的優(yōu)點；多用于鑄鐵件和鋁合金鑄件，特殊是在模板造型及一型多件時廣泛應用；用轉包澆注的小型鑄鋼件也有用此類澆道的。綜上分析：接受開放式澆注系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)按鋼液引入引入鑄件位置的凹凸的分類和應用（1）頂注式:頂注式是從鑄件上部引入鋼液，鋼液從上向下流淌，易于充溢鑄型，有利于溫度自下而上遞增促進鑄件的依次凝固，補縮效果好，能削減縮松、縮孔缺陷，但是澆注過程中，鋼液流從高處下落，不平穩(wěn)、沖擊大，易損壞鑄型，造成砂眼、鐵豆等缺陷，同時也易使鋼液氧化和卷入氣體。此類澆注系統(tǒng)多用于鑄件高度較低，結構簡潔的鑄件，薄壁件或須要用頂部冒口補縮的致密性要求較高的中、小型厚壁鑄件。（2）底注式：底注式澆注系統(tǒng)是從鑄件底部引入型腔，鋼液充型平穩(wěn)，排氣便利，無沖砂，無飛濺，不易氧化。但不利于自上而下的依次凝固和補縮。困難的薄壁件不易充溢，多用于結構困難，厚壁的大中型鑄件。（3)中間注入式：從鑄件中間某一高度引入澆注系統(tǒng)中稱為中間注入式。對兩箱造型的中小型鑄件來說，鑄件分上下兩箱，在分型面上開設橫澆道、內澆道特殊便利，也便于選擇鑄件的澆注位置，故也稱中間注入式為分型面注入式。中間注入式對分型面以下部分為頂注，對分型面以上部分為底注，因此兼有頂注和底注的優(yōu)點。中間注入式多用于高度不大的鑄件。綜上分析：此軸承座的澆注系統(tǒng)選用底注式較好。5.3澆注時間的計算液態(tài)金屬從進入澆口杯起先到充溢鑄型所用的時間稱為澆注時間。t=GL/Nnq式中t-澆注時間（s）GL-型內鋼液重量（kg）N-同時澆注的澆包數量（個）n-一個漏包內的注孔數量（個）q-平均澆注流量速度（kg/s），由《鑄造工藝設計》知（見表5-1）：表5-1不同注孔直徑流注流量速度q平均值注孔直徑（mm）303540455055607080流量速度q/kg.s-110202742557290120150利用solidworks計算出，該軸承座一箱四件的總重量大約為GL170kg。N=1，n=1，由上表可知q=20，所以t=170/1×1×27=6.29(s)。校驗以上算得的澆注時間是否合適，可用鋼液在型內的上升速度驗算，其式如下：V=C/t式中v-鋼液在型內的最小允許上升速度（mm/s）；C-鑄件在型腔內的高度（mm）；t-澆注時間（s）。依據鑄件的尺寸可得C=175mm，由上可知V=C/t=175/6.29≈27.8(mm/s)。由《鑄造工藝設計》可知V值不應小于表5-2的規(guī)定，如小，應調整t值。但上升速度也不應大于30mm/s。表5-2鋼液在型內的最小允許上升速度v鑄件重量GC/t≦55~1515~3535~6565~100>100鑄件結構允許最小上升速度v/mm.s-1困難結構252016141210中等困難結構2015121098簡潔結構15108876依據鑄件的總重量和該鑄件的結構從下表可知允許的最小上升速度6mm/s，所以上面算得的澆注時間是合理的。注：表5-2中的數值適用于一般鑄件。澆注位置較高的鑄件，上升速度應適當增加；澆注位置較低的鑄件，上升速度可適當減小。具體規(guī)定如下：立澆砧座的鋼液上升速度，可按困難結構件選?。积X輪類鑄件的鋼液的上升速度，可按表中的簡潔結構件選?。黄桨?、平臺類鑄件的鋼液的上升速度，可按表中簡潔結構件數值降低20%~30%；大型合金鋼鑄件和承壓鑄件的鋼液上升速度，可按表中困難結構的數值增加30%~50%。5.4確定直澆道、橫澆道、內澆道的橫截面積(1)確定直澆道的橫截面積依據《鑄造工藝設計》按注孔直徑確定各組元的截面尺寸和工廠里的生產實際狀況可知:直澆道可用直徑為60mm的耐火磚管，橫截面S直=3.14×302=2826mm2如圖5-2所示：圖5-2直澆道的截面圖（2）確定橫澆道的橫截面積開放式澆口橫澆道的截面小于內澆口總和，不行能聚渣，并且零件形態(tài)較小，所以為了簡化工藝可以不設置橫澆道。（3）確定內澆道的橫截面積內澆道是澆注系統(tǒng)中吧金屬液引入型內的一個組元。其作用是限制充型速度和方向支配液態(tài)金屬調整鑄件各部位的溫度分布和凝固次序。依據《鑄造工藝設計》知：按注孔直徑確定各組元的截面尺寸和工廠里的生產實際狀況，可以用四個內澆道（每個零件上一個)。內澆道的橫截面如圖5-3所示：圖5-3內澆道的橫截面其中，a=25b=35c=25S內=35×20+25×5+（3.14×25）/2=3457mm2S直<S內（4）澆口杯的設計澆口杯是用來承接來自澆包的金屬液，防止金屬液飛濺和溢出便于澆注并可以減輕金屬液對型腔的沖擊。澆口杯選用一般漏斗形澆口如下圖5-4所示，查《鑄造工藝設計》得：直澆道下端直徑D=60mm。圖5-4一般漏斗形澆口杯5.5冒口的設計冒口是在鑄型內特地設置的儲存金屬液的空腔，用以補償鑄件形成過程中可能產生的收縮所需的金屬液，防止縮松縮孔的產生并起到排氣集渣的作用。用熱節(jié)圓法設計冒口,依據下圖5-5可得：熱節(jié)圓的直徑為45mm，但是依據廠里的實際狀況要用4個直徑為100mm，高度為100mm的圓形瓷磚冒口。圖5-5熱節(jié)圓法設計冒口6軸承座澆注、凝固過程模擬分析6.1華鑄CAE簡介利用華鑄CAE對軸承座澆注、凝固過程進行模擬分析。華鑄CAE是華中科技高校開發(fā)的鑄造模擬分析軟件。利用華鑄CAE對澆注、凝固過程進行模擬分析，可以在澆注前對鑄件可能出現的各種缺陷及大小、位置、發(fā)生的時間予以有效地預料，以便實行措施改進工藝。從而降低生產成本，提高生產效率，推動鑄造生產由閱歷指導向科學理論指揮的發(fā)展。6.2華鑄CAE模擬分析的步驟華鑄CAE對鑄造澆注、凝固過程模擬分析共有四步。第一步：前置處理利用三維的繪圖軟件繪制出三維的鑄件圖、鑄型圖、澆冒口系統(tǒng)。并將其轉化為STL文件格式，導入華鑄CAE中。其次步：計算分析這一步是核心，主要是設置鑄型，鑄件材質、化學成分，計算方法，澆注溫度等，然后把計算即可。第三步：后置處理這一步主要是將前面得到的大量數據加以整合，轉化為可視的圖形文字，以便分析總結，圖形中黃色代表液相、紅色代表固相、黑色代表縮松、紫色代表縮孔。第四步：生成報告將前面幾步的數據、結論轉化為word文檔形式存盤。6.3華鑄CAE模擬軸承座澆注、凝固過程分析報告我們利用solidworks進行三維造型，接著進行面網格劃分（面網格最大尺寸為5mm），之后導出格式為STL的文件，利用華鑄CAE中進行網格剖分，如圖6-1、6-2、6-3、6-4、6-5所示。接著在華鑄CAE中設置各種必要參數，最終進行模擬澆注。在模擬澆注、凝固過程中，對鑄件和澆注系統(tǒng)在虛擬砂箱的作用下進行