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1、端盖零件铸造工艺设计,主讲人：刘昊天 制作人：刘超 李天晓,材料:HT200,2015.10.15,材料性能特点,抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好。 较高强度铸铁，基体为珠光体，强度、耐磨性、耐热性均较好，减振性良好；铸造性能较好，需要进行人工时效处理。 1.一般机械制造中较为重要的铸件，如：汽缸、齿轮、机座、金属切削机床床身及床面等； 2.汽车、拖拉机的气缸体、气缸盖、活塞、刹车轮、联轴器盘以及汽油机和柴油机的活塞环； 3.具有测量平面的检验共建，如:划线平板、V形铁、平尺、水平仪框架等； 4.承受7.85MPa以下中等压力的液压缸、泵体、阀体以及要求有一定耐腐蚀能力的泵壳、容器，如
2、潜污泵的泵体，泵盖，叶轮等； 5.圆周速度1220m/s的带轮以及其他符合所列工作条件的零件； 6.需经表面淬火的零件。,应用举例,一、零件图及立体图结构分析 零件图如下：,零件图如下： 图1.零件主视图 图2.零件左视图,二、维立体图如下：,1.铸造工艺设计方法及分析 1.1铸件壁厚 为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。铸件的最小允许壁厚与铸造的流动性密切相关。在普通砂型铸造的条件下，铸件最小允许壁厚见表1。,三、工艺设计过程,查得灰铁铸件在100200mm的轮廓尺寸下，最小允许壁厚为56mm。由零件图可知，零件中不存在壁厚小于设计要求的结构，在设计过程中，也没有出现壁厚小于最小壁厚要
3、求的情况。,表1. 铸件最小允许壁厚,1.2造型、制芯方法 造型方法：该零件需批量生产，为中小型铸 件，应创造条件采用技术先进的 机器造型，暂选取水平分型顶杆 范围可调节的造型机，型号为 Z145A。 制芯方法：由生产条件决定，采用手工制芯。,1.3砂箱中铸件数目的确定,根据本铸件的大概尺寸，在设计中采用一箱四件，因为浇注系统位于上箱，所以上砂箱的高度我们还要考虑到浇注系统才可以确定。铸件在砂箱中的放置方式初步设计为图6所示方式。,图5. 最小吃砂量示意图 图6. 铸件排布的初步设计,2.铸造工艺参数的确定,2.1铸件尺寸公差,表2.二级精度灰铸铁件的尺寸偏差（JZ67-62） (毫米),2.
4、2机械加工余量 机械加工余量是指在铸件加工表面上留下的、准备用机械加工方法切去的金属层的厚度，目的是获得精确的尺寸和光洁的表面，以符合设计的要求。,表4. 二级精度灰铸铁件机械加工余量（mm）,查表得，铸件的加工余量为：顶面3.5mm，侧面3mm，底面4mm，如图7所示。,图7. 铸件加工余量示意图,2.3拔模斜度,拔模斜度的大小应根据模样的高度，模样的尺寸和表面光洁度以及造型方法来确定，见表5。对于本设计中的零件，选取拔模斜度为130。,表5 拔模斜度,2.4铸孔起模斜度 由表6可知，对于大批量生产的灰铁铸件来说，最小铸出孔的直径为1215mm，在端盖零件上，最大的孔径为12mm，故该孔不铸
5、出。所以不需要考虑铸孔的拔模斜度。,表6. 铸件的最小铸出孔（毫米）,2.5铸铁的铸造收缩率,k=(L模样一L铸件)/L铸件 X 100% 式中：L模样模样尺寸；L 铸件铸件尺寸。 铸造收缩率主要和铸造合金的种类及成分有关，同时还取决于铸件在收缩时受到阻碍的大小等因素。由表7可知，本设计中选用中小型灰铸铁件受阻收缩，其收缩率为0.9%。 表7. 铸件收缩率,3. 砂芯,3.1砂芯尺寸 根据铸件浇注位置、分型面以及内腔的形状，确定在此铸件中只需设计一个砂芯就可达到铸造工艺要求。具体结构见下图。,（1） 芯头设计 选择垂直芯头，并设置压环以及集砂槽。 （2） 芯头尺寸 （a）垂直芯头的尺寸包括其长
6、度，斜度以及芯头与 芯座之间的间隙。 根据铸型种类为湿型，芯头直径小于34mm。查 砂型铸造工艺设计表4-4，垂直芯头与芯座 之间的间隙S取0.5。 （b）查表4-2，砂芯长度取52.5mm，在51100mm之 间，因此下芯头高度h选取2530mm，这里取h 为30mm。由下芯头高度h，查得上芯头高度h1 为20mm。 （c）查表4-3，由h选取上、下芯头的a值分别为5mm， 2.5mm。,（3） 压环与集砂槽,为了快速下芯、合型及保证铸件质量，在芯头的模样上常常做出压环和集砂槽。 查表得出e=1.5mm， f=3mm， r=1.6mm，具体结构示意如图9。,图9. 压环与集砂槽尺寸,3.2
7、芯骨 对于小砂芯或砂芯的细薄部分，通常采用易弯曲成形、回弹性小的退火铁丝制作芯骨，可防止砂芯在烘干过程中变形或干裂。由于本设计中砂芯没有细薄部分，所以芯骨的设计可以不考虑。,4 浇注系统 浇注系统是砂型中引导液态合金流入型腔的通道,常用的浇注系统大多由浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等部分组成。,4.1分型面设计及浇注位置的选择 浇注位置选择原则： 1）.浇注位置应有利于所确定的凝固顺序，而且要有利于铸件的补缩以及冒口的安放 2）.铸件的重要部分应尽量置于下部 3）.重要加工面应朝下或呈直立状态 4）.应使铸件的大平面朝下 5）.应保证铸件能充满 6）.应使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致
8、 分型面选择原则： 1）.应使铸件全部或大部置于同一半型内 2）.应尽量减少分型面的的数目 3）.分型面应尽量选用平面 4）.分型面通常选在铸件的最大截面处，尽量不使砂箱过高,确定方案： 方案一：如图10-1，将铸件大部分（重要部分）置于下部，且分型面为最大截面。此方案容易保证浇注质量，能够实现顺序凝固，使其金相组织均匀，减少不必要的缺陷。,图10-1 方案一,方案二：如图10-2，上下砂箱对称分布；但 由于侧表面是非加工面，在分型面 处会产生飞边，影响铸件表面精度。,综上，选择方案一。,图10-2 方案二,4.2浇道的设计 4.2.1浇注系统截面的选择：如表8所示。,表8. 浇注系统截面,浇
9、注系统分为开放式，封闭式，半封闭式， 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。浇注开始时液态金属很快充满浇注系统，铸件成品率高，撇渣能力较强，浇注初期也有一定的撇渣能力。,4.2.2浇注系统断面尺寸的设计 (1)水力学近似计算公式： 计算浇注系统，主要是确定最小断面积(阻流断面)，然后按经验比例确定其他组元的断面积。封闭式浇注系统的最小断面是内浇道，以伯努利方程为基础的水力学近似计算公式是： F内=G/(t0. 31 Hp) ( cm2) 式中：F内内浇道总断面积(cm2)； G流经内浇道的液态合金重量(Kg )
10、； 流量总耗损系数； t浇注时间(s)； Hp平均静压力头(cm)。,(2)液态合金重量： 灰铸铁的密度为7. 8kg/cm3，算出铸件的质量为2.2kg，加上浇注系统中金属液的损耗，铸件G=2.2kg X (1+25% ) =2.75kg。 (3)浇注时间t： G=2.75kg，铸件壁厚在8-15mm，系数S取2. 2 。t=S G=3.648s 。 (4)流量系数： a =0. 5(铸型阻力小)按表修正：有四个内浇道，阻力加大，值取0. 05，得= 0. 5-0. 05=0. 45。 确定平均压头Hp：近似于顶端注入，p=0， c=52.5mm。,由Hp=H0-p2/2c=Ho，HoHM=
11、 Ltan，其中，L=300mm，铸件壁厚在8 15mm，压力角910，取10，得H055mm，由于下芯头尺寸较大，所以高度适当增加，取H0=130mm，H0为上砂箱高度。得Hp=HM= 130mm。F内=2.75/(0. 45 X 3.648X 0. 31 X 13) =0.5cm2。 设置四个内浇道，则每个内浇道截面积为0.5cm2。查表得选择I型内浇道，取F内=0.5cm2。则内浇道总截面积为1cm2。截面尺寸：A=11mm， B=9mm，C=5mm。由封闭式系统各组元的断面比为：F 内： F 横： F直=1： 2： 1. 2，则F横=2cm2，查表得选择甲-甲横浇道，取F横=1.92c
12、m2。截面尺寸：A=14mm，B=10.5mm，C=16.5mm。F直= 2.4cm2，圆形截面，查表可得，直浇道下部最小直径为19mm。查表得，浇口杯尺寸：D1=56mm，D2=52mm，h=40mm。,各截面尺寸如图11所示。,A、内浇道截面积,B、横浇道截面积,(5)核算最小剩余压头HM,HM=上砂箱的高度，直浇道中心到铸件最高最远点距离L=150mm，若压力角=10，我们只需要HM大于26.4mm即可，这样进行浇铸，就能得到轮廓清晰的完整铸件。考虑到浇注系统的高度，我们取上箱高度为200mm，即砂箱的尺寸为500x400x200mm。,4.2.3冒口的设计,常见的铸造缺陷如缩孔、缩松、
13、裂纹等都与铸件的凝固和收缩有关，在铸件的厚实部位常设置冒口，并按顺序凝固原则使冒口最后凝固。灰铸铁的结晶范围窄，更接近于层状凝固。凝固时的膨胀和液态收缩趋于相互补偿。故灰铸铁件补缩所需要的铁水的量少，铸型刚度要求较低，一般灰铸铁件可不设置冒口。,4.2.4 出气孔,出气孔可排出型腔的气体或监视铸型中铁液的充满程度。出气孔一般设置在铸件顶部，采用暗出气孔。 圆形出气孔，其底部直径d一般等于该处铸件的厚度的1/21/3，对中小件，常用的d取8mm、10mm、12mm。该处取10mm合适。,4.2.5 冷铁,冷铁是控制铸件凝固顺序和加快冷却速度的激冷物。冷铁可以调节铸件温度分布，改变凝固顺序，防止铸件产生缩孔、缩松、变形和冷裂，还可以提高激冷出的表面硬度和耐磨性。 在该铸件的壁厚较厚处放置直接外冷铁即可满足要求，外冷铁厚度 =（0.60.7）T，T为铸件壁厚。,参考文献,1 联合编写组.砂型铸造工艺及工装设计.北京.北京出版社, 1980 2 李希晨主编.铸造工艺及铸件缺陷控制.北京. 化学工业出版社, 2005 3 李宏英,赵成志主编.铸造工艺设计.北京.机械工业出版社，2005 4 冯秋官主编.工程制图.北京. 机械出版社，2006,谢谢,
