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設(shè)計(jì)說明書
題 目:氣門搖臂軸架鑄造工藝及模具設(shè)計(jì)
年級(jí)、 專業(yè):
姓 名:
學(xué) 號(hào):
指 導(dǎo) 教 師:
完 成 時(shí) 間:
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）氣門搖臂軸架鑄造工藝與模具設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)：
學(xué) 號(hào)：
作者姓名：
2015 年 03 月 28 日
目 錄
第一章、簡 介 5
1.1.中國鑄造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.2.發(fā)達(dá)國家鑄造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 5
1.3.我國鑄造未來發(fā)展趨勢(shì) 5
第二章、鑄造工藝方案的確定 7
2.1.產(chǎn)品的生產(chǎn)條件、結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求 7
2.2.零件鑄造工藝性 8
2.3.造型，造芯方法的選擇 9
2.4.澆注位置的確定 9
2.5.分型面的確定 11
2.6.砂箱中鑄件數(shù)量及排列方式確定 12
第三章、鑄造工藝參數(shù)及砂芯設(shè)計(jì) 13
3.1.工藝設(shè)計(jì)參數(shù)確定 13
3.1.1.鑄件尺寸公差 13
3.1.2.機(jī)械加工余量 13
3.1.3.鑄造收縮率 14
3.1.4.起模斜度 14
3.1.5.最小鑄出孔和槽 14
3.1.6.鑄件在砂型內(nèi)的冷卻時(shí)間 15
3.1.7.鑄件重量公差 15
3.1.8.工藝補(bǔ)正量 15
3.1.9.分型負(fù)數(shù) 15
3.1.10.反變形量 16
3.1.11.非加工壁厚負(fù)余量 16
3.2.砂芯設(shè)計(jì) 16
3.2.1.芯頭的設(shè)計(jì) 16
3.2.2.砂芯的定位結(jié)構(gòu) 17
3.2.3.芯骨設(shè)計(jì) 17
3.2.4.砂芯的排氣 17
3.2.5.砂芯負(fù)數(shù) 17
第四章、澆注系統(tǒng)及冒口、冷鐵、出氣孔等設(shè)計(jì) 18
4.1.澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 18
4.1.1.選擇澆注系統(tǒng)類型 18
4.1.2.確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目、金屬引入方向 18
4.1.3.決定直澆道的位置和高度 19
4.1.4計(jì)算澆注時(shí)間并核算金屬上升速度 20
4.1.5.計(jì)算阻流截面積 20
4.1.6.計(jì)算直澆道截面積 20
4.1.7.澆口窩的設(shè)計(jì) 21
4.2.冒口的設(shè)計(jì) 22
4.3.冷鐵的設(shè)計(jì) 22
4.4.出氣孔的設(shè)計(jì) 22
第五章、鑄造工藝裝備設(shè)計(jì) 23
5.1.模樣的設(shè)計(jì) 23
5.1.1.模樣材料的選用 23
5.1.2.金屬模樣尺寸的確定 23
5.1.3.壁厚與加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì) 23
5.1.4.金屬模樣的技術(shù)要求 23
5.1.5.金屬模樣的生產(chǎn)方法 24
5.2.模板的設(shè)計(jì) 24
5.2.1.模底板材料的選用 24
5.2.2.模底板尺寸確定 24
5.2.3.模底板與砂箱的定位 24
5.3.芯盒的設(shè)計(jì) 25
5.3.1.芯盒的類型和材質(zhì) 25
5.3.2.芯盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25
5.4.砂箱的設(shè)計(jì) 25
5.4.1.砂箱的材質(zhì)及尺寸 25
5.4.2.砂箱型壁尺寸及圓角尺寸 25
5.4.3.砂箱排氣孔尺寸 26
第六章、砂型鑄造設(shè)備選用 27
6.1.造型工部設(shè)備選用 27
6.2.制芯工部設(shè)備選用 27
6.3.溶化工部設(shè)備選用 27
6.4.砂處理工部設(shè)備選用 27
6.5.清理工部設(shè)備選用 27
總 結(jié) 28
參考文獻(xiàn) 29
致 謝 30
第一章、簡 介
1.1.中國鑄造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
盡管近年來我國鑄造行業(yè)取得迅速的發(fā)展,但仍然存在許多問題。第一,專業(yè)化程度不高,生產(chǎn)規(guī)模小 。我國每年每廠的平均生產(chǎn)量是815t,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于美國的4606t和日本的4878t。第二,技術(shù)含量及附加值低。我國高精度、高性能鑄件比例比日本低約20個(gè)百分點(diǎn)。第三,產(chǎn)學(xué)研結(jié)合不夠緊密、鑄造技術(shù)基礎(chǔ)薄弱。第四,管理水平不高,有些企業(yè)盡管引進(jìn)了國外的先進(jìn)的設(shè)備和技術(shù),但卻無法生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄件,究其原因就是管理水平較低。第五,材料損耗及能耗高污染嚴(yán)重。中國鑄鐵件能耗比美國、日本高70%～120%。第六,研發(fā)投入低、企業(yè)技術(shù)自主創(chuàng)新體系尚未形成。
1.2.發(fā)達(dá)國家鑄造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
發(fā)達(dá)國家總體上鑄造技術(shù)先進(jìn)、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染少、原輔材料已形成商品化系列化供應(yīng)，如在歐洲已建立跨國服務(wù)系統(tǒng)。生產(chǎn)普遍實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化（計(jì)算機(jī)控制、機(jī)器人操作）。
在大批量中小鑄件的生產(chǎn)中，大多采用微機(jī)控制的高密度靜壓、射壓或氣沖造型機(jī)械化、自動(dòng)化高效流水線濕型砂造型工藝。 砂處理采用高效連續(xù)混砂機(jī)、人工智能型砂在線控制專家系統(tǒng), 制芯工藝普遍采用樹脂砂熱、溫芯盒法和冷芯盒法。熔模鑄造普遍用硅溶膠和硅酸乙酯做粘結(jié)劑的制殼工藝。鑄造生產(chǎn)全過程主動(dòng)、從嚴(yán)執(zhí)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，鑄件廢品率僅2%-5%；標(biāo)準(zhǔn)更新快（標(biāo)齡4-5年）；普遍進(jìn)行ISO9000、ISO14000等認(rèn)證。
重視開發(fā)使用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，紛紛建立自己的主頁、站點(diǎn)。鑄造業(yè)的電子商務(wù)、遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)與制造、虛擬鑄造工廠等飛速發(fā)展。
1.3.我國鑄造未來發(fā)展趨勢(shì)
自中國加入WTO以來,我國鑄造行業(yè)面臨機(jī)遇與挑戰(zhàn)。其未來發(fā)展將集中在以下幾方面。第一,鼓勵(lì)企業(yè)重組發(fā)展專業(yè)化生產(chǎn),包括鑄件大型化和輕量化生產(chǎn)。第二,加大科技投入切實(shí)推動(dòng)自主創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)鑄件的精確化生產(chǎn)和數(shù)字化鑄造。第三,培養(yǎng)專業(yè)人才加強(qiáng)職工技術(shù)培訓(xùn)。第四,大力降低能耗抓好環(huán)境保護(hù),實(shí)現(xiàn)清潔化鑄造。
第二章、鑄造工藝方案的確定
2.1.產(chǎn)品的生產(chǎn)條件、結(jié)構(gòu)及技術(shù)要求
l 產(chǎn)品生產(chǎn)性質(zhì)——中批量生產(chǎn)
l 零件材質(zhì)——HT200
l 零件的外型示意圖如圖2.1所示，外形輪廓尺寸為83mm×47mm×62mm，主要壁厚5-12mm，最大壁厚12mm，為一小型鑄件；鑄件除滿足幾何尺寸精度及材質(zhì)方面的要求外，無其他特殊技術(shù)要求。
圖2.1.零件平面圖
圖2.2.零件立體圖
2.2.零件鑄造工藝性
零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性是指零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)符合鑄造生產(chǎn)的要求，易于保證鑄件品質(zhì)，簡化鑄件工藝過程和降低成本。審查、分析應(yīng)考慮如下幾個(gè)方面：
1.鑄件應(yīng)有合適的壁厚，為了避免澆不到、冷隔等缺陷，鑄件不應(yīng)太薄。
2.鑄件結(jié)構(gòu)不應(yīng)造成嚴(yán)重的收縮阻礙，注意薄壁過渡和圓角，鑄件薄厚壁的相接拐彎等厚度的壁與壁的各種交接，都應(yīng)采取逐漸過渡和轉(zhuǎn)變的形式，并應(yīng)使用較大的圓角相連接，避免因應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋缺陷。
3.鑄件內(nèi)壁應(yīng)薄于外壁，鑄件的內(nèi)壁和肋等，散熱條件較差，應(yīng)薄于外壁，以使內(nèi)、外壁能均勻地冷卻，減輕內(nèi)應(yīng)力和防止裂紋。
4.壁厚力求均勻，減少肥厚部分，防止形成熱節(jié)。
5.利于補(bǔ)縮和實(shí)現(xiàn)順序凝固。
6.防止鑄件翹曲變形。
7.避免澆注位置上有水平的大平面結(jié)構(gòu)。
對(duì)于該產(chǎn)品的鑄造工藝性審查、分析如下：
產(chǎn)品輪廓尺寸為83mm×37mm×62mm。砂型鑄造條件下該輪廓尺寸允許的最小壁厚查《鑄造工藝學(xué)》表3-2-1得：最小允許壁厚為3～5 mm。而本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的最小壁厚為5mm。符合要求。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)壁厚較為均勻，可以有效構(gòu)成熱節(jié)，不易產(chǎn)生熱烈。
2.3.造型，造芯方法的選擇
產(chǎn)品輪廓尺寸為83mm×37mm×62mm，鑄件尺寸較小，屬于中小型零件，且要大批量生產(chǎn)。采用濕型粘土砂造型靈活性大，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，便于組織流水生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化，材料成本低，節(jié)省烘干設(shè)備、燃料、電力等，還可延長砂箱使用壽命。因此，采用濕型粘土砂機(jī)器造型，模樣采用金屬模是合理的。
在造芯用料及方法選擇中，如用粘土砂制作砂芯原料成本較低，但是烘干后容易產(chǎn)生裂紋，容易變形。在大批量生產(chǎn)的條件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工藝所需的砂芯采用熱芯盒法生產(chǎn)砂芯，以增加其強(qiáng)度及保證鑄件質(zhì)量。選擇使用射芯工藝生產(chǎn)砂芯。采用熱芯盒制芯工藝熱芯盒法制芯，是用液態(tài)固性樹脂粘結(jié)劑和催化劑制成的一種芯砂，填入加熱到一定的芯盒內(nèi)，貼近芯盒表面的砂芯受熱，其粘結(jié)劑在很短的時(shí)間內(nèi)硬化。而且只要砂芯表層有數(shù)毫米的硬殼即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余熱可自行硬化。
2.4.澆注位置的確定
鑄件的澆注位置是指澆注時(shí)鑄件在型內(nèi)所處的狀態(tài)和位置。確定澆注位置是鑄造工藝設(shè)計(jì)中重要的環(huán)節(jié)，關(guān)系到鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，鑄件的尺寸精度及造型工藝過程的難易程度。
初步對(duì)本次設(shè)計(jì)產(chǎn)品的澆注位置的確定有：方案如圖2.3
圖2.3 澆注位置確定方案
確定澆注位置應(yīng)注意以下原則：
1.鑄件的重要部分應(yīng)盡量置于下部
2.重要加工面應(yīng)朝下或直立狀態(tài)
3.使鑄件的答平面朝下，避免夾砂結(jié)疤內(nèi)缺陷
4.應(yīng)保證鑄件能充滿
5.應(yīng)有利于鑄件的補(bǔ)縮
6.避免用吊砂，吊芯或懸臂式砂芯，便于下芯，合箱及檢驗(yàn)
對(duì)于方案二如圖2.3進(jìn)行綜合分析如下：
1.鑄件的重要部分全部置于下部，這樣置于下部的重要部分可以得到上部金屬的靜壓力作用下凝固并得到補(bǔ)縮，組織致密。
2.鑄件的重要加工面A面、B面（如圖2.3所示）位于側(cè)立面，產(chǎn)品基準(zhǔn)面也是在側(cè)面，比較光潔，產(chǎn)生氣孔、非金屬夾雜物等缺陷的可能性小。另外，進(jìn)口處的澆注空間相對(duì)比較大，方便鑄料流入，因此，這樣設(shè)計(jì)方便鑄料能夠充分填充。
綜合比較，方案科學(xué)可行。
2.5.分型面的確定
分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。分型面的優(yōu)劣在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、成本和生產(chǎn)率。
初步對(duì)產(chǎn)品圖進(jìn)行分型有：方案如圖2.4：
圖2.4 分型面確定方案一
而選擇分型面時(shí)應(yīng)注意一下原則：
應(yīng)使鑄件全部或大部分置于同一半型內(nèi)
應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)目
分型面應(yīng)盡量選用平面
便于下芯、合箱和檢測(cè)
不使砂箱過高
受力件的分型面的選擇不應(yīng)削弱鑄件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
注意減輕鑄件清理和機(jī)械加工量
對(duì)方案如圖2.4進(jìn)行綜合分析如下：
根據(jù)鑄件形狀，產(chǎn)品上下有直孔，左右有直孔，交叉的，因此在鑄造時(shí)需要考慮抽芯機(jī)構(gòu)，由于產(chǎn)品側(cè)面有個(gè)加強(qiáng)筋D-D所示，如果直排，加強(qiáng)筋處將無發(fā)順利脫模，因此需要將產(chǎn)品轉(zhuǎn)側(cè)，如上面分型面示意圖一樣，如此兩邊對(duì)稱，一半在上型腔內(nèi)，一半在下型腔內(nèi)，保證合箱對(duì)準(zhǔn)誤差，鑄件不產(chǎn)生偏錯(cuò)。而且箱體能完全取出。
通過以上分析，方案比較科學(xué)可行。
2.6.砂箱中鑄件數(shù)量及排列方式確定
產(chǎn)品單件體積，根據(jù)面積乘高，初步通過PROE計(jì)算產(chǎn)品體積為35926.1mm3，密度為7.3g/cm，質(zhì)量約為262.26g，合計(jì)0.26kg，因此看鑄件為中小型簡單件?？紤]到年產(chǎn)量屬于中等，因此采用一箱四件結(jié)構(gòu)，提高生產(chǎn)效率。
初步選取砂箱尺寸由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.5-45得：
上箱為450×400×60mm 下箱為450×400×60mm
鑄件在砂箱中排列最好放模具中心，這樣金屬液作用于上砂型的抬芯力均勻，也有利于澆注系統(tǒng)安排，在結(jié)合已經(jīng)確定分型面及澆注位置以及砂箱尺寸，基本確定鑄件在砂箱內(nèi)的位置。
第三章、鑄造工藝參數(shù)及砂芯設(shè)計(jì)
3.1.工藝設(shè)計(jì)參數(shù)確定
鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù)通常是指鑄型工藝設(shè)計(jì)時(shí)需要確定的某些數(shù)據(jù)，這些工藝數(shù)據(jù)一般都與模樣及芯盒尺寸有關(guān)，及與鑄件的精度有密切關(guān)系，同時(shí)也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過程有關(guān)。這些工藝數(shù)據(jù)主要是指加工余量、起模斜度、鑄造收縮率、最小鑄出孔、型芯頭尺寸、鑄造圓角等。工藝參數(shù)選取的準(zhǔn)確、合適，才能保證鑄件尺寸精確，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生產(chǎn)率，降低成本。
3.1.1.鑄件尺寸公差
鑄件尺寸公差是指鑄件公稱尺寸的兩個(gè)允許的極限尺寸之差。在兩個(gè)允許極限尺寸之內(nèi)，鑄件可滿足機(jī)械加工，裝配，和使用要求。
本次產(chǎn)品為砂型鑄造機(jī)器造型中批量生產(chǎn)，由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-10得：
尺寸公差為CT8～12級(jí)，取CT9級(jí)。
輪廓尺寸為83mm×37mm×62mm，由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-9得：
尺寸公差數(shù)值為1.0mm。
3.1.2.機(jī)械加工余量
機(jī)械加工余量是鑄件為了保證其加工面尺寸和零件精度，應(yīng)有加工余量，即在鑄件工藝設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先增加的，而后在機(jī)械加工時(shí)又被切去的金屬層厚度。
由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-13得：加工余量為E～G級(jí)，取G級(jí)。輪廓尺寸為83mm×37mm×62mmmm，由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-12得：加工余量數(shù)值為0.4mm-1.0mm，取0.75mm。
但在分型面及澆注系統(tǒng)設(shè)置中，不得已將重要加工面底面朝上放置，這樣使其容易產(chǎn)生氣孔、非金屬夾雜物等缺陷，所以將采取適當(dāng)加大加工余量的方法使其在加工后不出現(xiàn)缺陷。將底面的加工余量調(diào)整為1mm。這樣產(chǎn)品尺寸就是39+1=40，49+1=50，孔的加工余量為1mm，18-1-1=16mm，16-1-1=14mm，為保證產(chǎn)品垂直度0.02，所以這兩個(gè)面，需要增加加工余量1.5mm，所以，整個(gè)產(chǎn)品高度37+1.5+1.5=40mm,26+1.5+1.5=29mm。
3.1.3.鑄造收縮率
鑄造收縮率又稱鑄件線收縮率，用模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分比表示：ε=[（L1-L2）/L1]*100％
ε—鑄造收縮率
L1—模樣長度
L2—鑄件長度
產(chǎn)品受阻收縮率由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-14得：
受阻收縮率為0.9-1.15％。本設(shè)計(jì)中，取1%。
3.1.4.起模斜度
為了方便起模，在模樣、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免損壞砂型或砂芯。這個(gè)斜度，稱為起模斜度。起模斜度應(yīng)在鑄件上沒有結(jié)構(gòu)斜度的，垂直于分型面的表面上應(yīng)用。
初步設(shè)計(jì)的起模斜度如下：
外型模的邊高5-10mm的起模斜度由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-15得：
粘土砂造型外表面起模斜度為а=0°05＇,a=1.2mm，本設(shè)計(jì)中可以忽略不計(jì)。
3.1.5.最小鑄出孔和槽
零件上的孔、槽、臺(tái)階等，究竟是鑄出來好還是靠機(jī)械加工出來好，這應(yīng)該從品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)角度等方面考慮。一般來說，較大的孔、槽等應(yīng)該鑄出來，以便節(jié)約金屬和加工工時(shí)，同時(shí)還可以避免鑄件局部過厚所造成熱節(jié)，提高鑄件質(zhì)量。較小的孔、槽或則鑄件壁很厚則不易鑄出孔，直接依靠加工反而方便。
根據(jù)產(chǎn)品輪廓尺寸，由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-5得：
最小鑄出孔約為6-10mm
產(chǎn)品的孔Φ11，Φ18，Φ16，Φ3，考慮加工余量后直徑為分別為Φ9，Φ16，Φ14，Φ3mm，厚度為40mm。Φ11，Φ18，Φ16三孔直徑比較大，高徑比也不大，則應(yīng)該鑄出，而且能保證精度。后續(xù)精加工達(dá)到要求。斜孔φ3的孔，需要后加工，鉆孔來實(shí)現(xiàn)。
3.1.6.鑄件在砂型內(nèi)的冷卻時(shí)間
鑄件在砂型內(nèi)的冷卻時(shí)間短，容易產(chǎn)生變形，裂紋等缺陷。為使鑄件在出型時(shí)有足夠的強(qiáng)度和韌性，鑄件在砂型內(nèi)應(yīng)有足夠的冷卻時(shí)間。由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-25得：本次產(chǎn)品鑄造冷卻時(shí)間為30～50min。
3.1.7.鑄件重量公差
鑄件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(dòng)的允許范圍。本次產(chǎn)品的公稱重量約為0.26kg，尺寸公差為CT9級(jí)。由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-57得：重量公差為MT14級(jí)。一模4件，總重量為0.26×4=1.04kg。
3.1.8.工藝補(bǔ)正量
在單件中，小批量生產(chǎn)中，由于選用的縮尺與鑄件的實(shí)際收縮率不符，或由于鑄件產(chǎn)生了變形等原因，使得加工后的鑄件某些部分的壁厚小于圖樣要求尺寸，嚴(yán)重時(shí)會(huì)因強(qiáng)度太弱而報(bào)廢。因此工藝需要在鑄件相應(yīng)的非加工壁厚上增加層厚度稱為工藝補(bǔ)正量。但本次設(shè)計(jì)零件在批量生產(chǎn)前的小批量試產(chǎn)過程中將進(jìn)行調(diào)整，所以設(shè)計(jì)中不考慮工藝補(bǔ)正量。
3.1.9.分型負(fù)數(shù)
干砂型、表面烘干型以及尺寸較大的濕砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接觸面很不嚴(yán)。為了防止?jié)沧r(shí)炮火，合箱前需要在分型面之間墊以石棉繩、泥條等，這樣在分型面處明顯增加了鑄件的尺寸。為了保證鑄件尺寸精確，在擬定工藝時(shí)為抵掉鑄件增加的尺寸而在模樣上減去相應(yīng)的尺寸稱為分型負(fù)數(shù)。而本次設(shè)計(jì)零件是濕型且是中型鑄件，故不予考慮分型負(fù)數(shù)。
3.1.10.反變形量
鑄造較大的平板類、床身類等鑄件時(shí)，由于冷卻速度的不均勻性，鑄件冷卻后常出現(xiàn)變形。為了解決撓曲變形問題，在制造模樣時(shí)，按鑄件可能產(chǎn)生變形的相反方向做出反變形模樣，使其于變形量抵消，這樣在模樣上做出的預(yù)變形量稱為反變形量。本次設(shè)計(jì)產(chǎn)品沒有較大平板故基本不會(huì)產(chǎn)生撓曲變形，所以不用設(shè)置反變形量。
3.1.11.非加工壁厚負(fù)余量
在手工粘土砂造型、制芯過程中，為了取出木模，要進(jìn)行敲模，木模受潮時(shí)將發(fā)生膨脹，這些情況均會(huì)使型腔尺寸擴(kuò)大，從而造成非加工壁厚的增加，使鑄件尺寸和重量超過公差要求。為了保證鑄件尺寸的準(zhǔn)確性，凡形成非加工壁厚的木?；蛐竞袃?nèi)的肋板厚度尺寸應(yīng)該減少，即小于圖樣尺寸。為減少的厚度尺寸稱為非加工壁厚的負(fù)余量。本次零件砂芯屬于機(jī)器造芯，造型屬于機(jī)器造型。故不用設(shè)置非加工壁厚負(fù)余量。
3.2.砂芯設(shè)計(jì)
砂芯的功用是形成鑄件的內(nèi)腔、孔和鑄件外型不能出砂的部分。砂型局部要求特殊性能的部分有時(shí)也用砂芯。
3.2.1.芯頭的設(shè)計(jì)
砂芯主要靠芯頭固定在砂型上。對(duì)于垂直芯頭為了保證其軸線垂直、牢固地固定在砂型上，必須有足夠的芯頭尺寸。
根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)量取計(jì)算砂芯高度：L=16mm
芯頭長度初步選取由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-31得：h=30～45mm 取h=40mm
出于考慮分型面的選取等因素綜合芯頭選用垂直芯頭并且不能做出上芯頭，只設(shè)計(jì)下芯頭并且加大下芯頭。
下芯頭長度設(shè)計(jì)修正為：h=16×(1+1%)=16.16mm
芯頭間隙初步選取由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-31得：s=0.3mm
但考慮砂芯為垂直的濕型小砂芯且不設(shè)置上芯頭，所以使用過盈的芯頭，過盈量為0.2mm
芯頭斜度選取由《鑄造工藝設(shè)計(jì)》查表1-32得：а≤7 取а=7
3.2.2.砂芯的定位結(jié)構(gòu)
砂芯要求定位準(zhǔn)確，不允許沿芯頭軸向移動(dòng)或繞芯頭軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于形狀不對(duì)稱的砂芯，為了定位準(zhǔn)確，需要做出定位芯頭。
3.2.3.芯骨設(shè)計(jì)
為了保證砂芯在制芯、搬運(yùn)、配芯和澆注過程中不開裂、不變形、不被金屬液沖擊折斷，生產(chǎn)中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其剛度和強(qiáng)度。
因?yàn)樯靶境叽缰械龋也捎脴渲?，故砂芯?qiáng)度較好，砂芯內(nèi)不用放置芯骨。
3.2.4.砂芯的排氣
砂芯在澆注過程中，其粘結(jié)劑及砂芯中的有機(jī)物要燃燒（氧化反應(yīng)）放出氣體，砂芯中的殘余水分受熱蒸發(fā)放出氣體，如果這些氣體排不出型外，則要引起鑄件產(chǎn)生氣孔。
本次設(shè)計(jì)產(chǎn)品的砂芯采用熱芯盒造芯，故不用有意設(shè)置排氣道、排氣孔等排氣。
3.2.5.砂芯負(fù)數(shù)
大型粘土砂芯在春砂過程中砂芯向四周漲開，刷涂料以及在烘干過程中發(fā)生的變形，使砂芯四周尺寸增大。為了保證鑄件尺寸準(zhǔn)確，將芯盒的長、寬尺寸減去一定量，這個(gè)被減去的量叫做砂芯負(fù)數(shù)。
因?yàn)樯靶矩?fù)數(shù)只用于大型粘土砂芯，本設(shè)計(jì)中的砂芯為中等型砂芯不設(shè)計(jì)砂芯負(fù)數(shù)。
第四章、澆注系統(tǒng)及冒口、冷鐵、出氣孔等設(shè)計(jì)
4.1.澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
澆注系統(tǒng)是鑄型中引導(dǎo)液體金屬進(jìn)入型腔的通道，它由澆口杯，直澆道，橫澆道和內(nèi)澆道組成。
4.1.1.選擇澆注系統(tǒng)類型
澆注系統(tǒng)分為封閉式澆注系統(tǒng)，開放式澆注系統(tǒng)，半封閉式澆注系統(tǒng)和封閉-開放式澆注系統(tǒng)。因?yàn)榉忾]式澆注系統(tǒng)控流截面積在內(nèi)澆道，澆注開始后，金屬液容易充滿澆注系統(tǒng)，呈有壓流動(dòng)狀態(tài)。擋渣能力強(qiáng)，但充型速度快，沖刷力大，易產(chǎn)生噴濺，金屬液易氧化。適用于濕型鑄件小件。本次設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是采用濕型的鑄件，所以選擇封閉式澆注系統(tǒng)。
4.1.2.確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目、金屬引入方向
零件結(jié)構(gòu)較為簡單且是小型件，鑄造時(shí)本設(shè)計(jì)中采取一箱4件，所以需要一個(gè)澆口杯，一個(gè)只澆道，一個(gè)橫澆道和4個(gè)內(nèi)澆道。為了方便造型，澆道開設(shè)在分型面上。根據(jù)下小上大的原則，鑄件采用大面積在上，小面積在下鑄件分上下箱的方式進(jìn)行鑄造，這樣鑄件凝固順序?yàn)橛上轮辽夏?，這樣有利于產(chǎn)品的重要部分先凝固并得到補(bǔ)縮，如此內(nèi)澆道則設(shè)置在底部側(cè)面引入金屬液，如圖4.1所示。
圖4.1 內(nèi)澆道位置示意圖
4.1.3.決定直澆道的位置和高度
實(shí)踐證明，直澆道過低使充型及液態(tài)補(bǔ)縮壓力不足，容易出現(xiàn)鑄件棱角和輪廓不清晰、澆不到上表面縮凹等缺陷。初步設(shè)計(jì)直澆道高度等于上沙箱高度60mm。但應(yīng)檢驗(yàn)該高度是否足夠。
檢驗(yàn)依據(jù)為，剩余壓力頭應(yīng)滿足壓力角的要求，如下式所列：
HM≥Ltgа
式中 HM——最小剩余壓力頭
L——直澆道中心到鑄件最高且最遠(yuǎn)點(diǎn)的水平投影距離
а——壓力角
由《鑄造工藝學(xué)》查表3-4-11得：а為9～10 取10
Ltgа=60×tg10≈10.58mm
因?yàn)殍T件分上下箱，所以剩余壓力頭HM等于箱體的高度70mm
因此驗(yàn)證剩余壓力頭滿足壓力角的要求。
4.1.4計(jì)算澆注時(shí)間并核算金屬上升速度
根據(jù)鑄件圖計(jì)算單個(gè)鑄件的體積V≈35.93cm3
灰口鑄鐵密度由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.1-90得：7.0～7.3
取密度為7.3g/mm，
一箱一件質(zhì)量為m=35.96×7.3=262.289g≈0.26kg
零件大批量生產(chǎn)的工藝出品率約為85%，可估計(jì)鑄型中鐵水總重量G
G=0.26×4/85%≈1.22kg
初步計(jì)算澆注時(shí)間由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.4-61得：
T=S√G=2.5×√1.22≈2.76
計(jì)算鐵水液面上升速度 v=C/t=1.22/2.76=0.442mm/s
校核鐵水上升速度，一般允許鐵水的最小上升速度范圍由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.4-62得：上升速度v=10～30s
通過比對(duì)2.2mm/s＜10mm/s的上升速度符合實(shí)際，不必調(diào)整經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。
4.1.5.計(jì)算阻流截面積
根據(jù)水力學(xué)近似計(jì)算公式：
F內(nèi)= m/[ρtμ(2gHp)0.5] cm2
式中 m—流經(jīng)阻流的金屬質(zhì)量 kg
t—充滿行腔總時(shí)間 s
ρ—金屬液密度 kg/cm3
μ—澆注系統(tǒng)阻流截面的流量系數(shù)
Hp—充填型腔時(shí)的平均計(jì)算壓力頭 cm
F內(nèi)=1.22/[0.0073×2.76×0.5×(2×1000×20)0.5] ≈2.45cm2
4.1.6.計(jì)算直澆道截面積
直澆道的功用是從澆口杯引導(dǎo)金屬液向下，進(jìn)入橫澆道、內(nèi)澆道或直接進(jìn)入型腔。并提供足夠的壓力頭，使金屬液在重力作用下能克服各種流動(dòng)阻力充型。
由于設(shè)計(jì)直澆口有一個(gè)，因此S直=4×3.2=12.8cm2
直澆道形狀取圓形截面形狀如圖4.4
圖4.4 直澆道截面示意圖
圓形斷面大小由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.4-75得：
D=16mm
為了方便取模直澆道做成上小下大的倒圓錐形，（通常錐度取1/50）。
因此直澆道上端是直徑約為：
D1=16-（1/50）×60=14.8mm
4.1.7.澆口窩的設(shè)計(jì)
澆口窩對(duì)于來自直澆道的金屬有緩沖作用，能縮短直——橫澆道拐彎處的紊流區(qū)，改善橫澆道內(nèi)的壓力分布，并能浮出金屬液中的氣泡。
澆口窩直徑為直澆道下端直徑兩倍，因此D=2×16=32mm
4.2.冒口的設(shè)計(jì)
冒口是鑄型內(nèi)用于儲(chǔ)存金屬液的空腔，在鑄件形成時(shí)補(bǔ)給金屬，有防止縮孔、縮松、排氣、集渣的作用。
本次零件的灰口鑄鐵在凝固時(shí)其體積變化情況與一些工業(yè)上常用的金屬及合金不同，其特點(diǎn)是在液態(tài)冷卻時(shí)發(fā)生收縮，冷卻至共晶溫度時(shí)停止收縮，由于析出石墨而發(fā)生膨脹，在接近凝固終了時(shí)余下的液態(tài)金屬凝固時(shí)又開始收縮，直至凝固結(jié)束。所以其凝固時(shí)的膨脹和液態(tài)收縮趨于互相補(bǔ)償。故蠕墨鑄鐵補(bǔ)縮時(shí)需要的鐵水量少，而且本次設(shè)計(jì)零件壁厚不均勻，，所以需要單獨(dú)設(shè)計(jì)暗冒口和出氣冒口，具體見CAD圖紙。出氣冒口直徑要比直澆道直徑大，本設(shè)計(jì)中可以取15-20mm。
4.3.冷鐵的設(shè)計(jì)
為了增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內(nèi)部及工作表面安放的金屬塊稱為冷鐵。
鑄件壁厚較為相差不多，且無厚大壁，固不易產(chǎn)生裂紋縮松等缺陷。而且設(shè)置冷鐵會(huì)增加生產(chǎn)工序，使成本增大。所以不設(shè)置冷鐵，但是采用在壁厚交叉部位的型腔和砂芯上刷激冷涂料用以防止縮松等缺陷。
4.4.出氣孔的設(shè)計(jì)
出氣孔用于排出型腔內(nèi)的氣體，改善金屬液充填能力、排除先沖到型腔中的過冷金屬液與浮渣，還可作為觀察金屬液充滿型腔的標(biāo)志。出氣孔設(shè)置位置詳見工藝圖。
防止出氣孔過大導(dǎo)致鑄件形成熱節(jié)，以至產(chǎn)生縮孔，出氣孔根部直徑，不應(yīng)大于設(shè)置處鑄件壁厚的0.5倍。
防止出氣孔過小導(dǎo)致型內(nèi)氣壓過份增大，出氣孔根部總截面接應(yīng)大于內(nèi)澆口總截面積3cm2。
因此設(shè)計(jì)出氣孔根部直徑為10mm，一箱1件共6個(gè)出氣孔。為方便取模采用上小下大的錐形，斜度為起模斜度а=1°20＇
第五章、鑄造工藝裝備設(shè)計(jì)
鑄造工藝裝備是造型、造芯及合箱過程中所使用的模具和裝置的總稱。
5.1.模樣的設(shè)計(jì)
5.1.1.模樣材料的選用
模樣是造型工藝過程必須的工藝裝備，用來形成鑄型的型腔，因此直接關(guān)系著鑄件的形狀和尺寸精確度。鑄件為大批量生產(chǎn)，所以用金屬模樣，該金屬模樣的材料選用如下：
模樣：鋁合金（質(zhì)輕、不生銹，加工性能好，加工后表面光滑，并有一定的耐磨性，但耐磨性較差）
上，下模座：HT200
鑲塊，緊固件：45#鋼，40Cr，
型砂：煤粉砂（舊砂、新砂、煤粉、膨潤土以一定配比進(jìn)行混合而成）
5.1.2.金屬模樣尺寸的確定
模樣尺寸＝鑄件尺寸（1＋K），（模樣尺寸精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位）
注：K 鑄件線收縮率
收縮率K=0.9-1.15%，基本按零件圖尺寸設(shè)計(jì)模具。本設(shè)計(jì)按1%計(jì)算。
5.1.3.壁厚與加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)
模樣壁厚由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.5－2得：
模型壁厚30-40mm。內(nèi)部不用設(shè)置加強(qiáng)筋。
5.1.4.金屬模樣的技術(shù)要求
模樣的尺寸精度、表面光潔度是影響鑄件質(zhì)量的一個(gè)重要因素，因此對(duì)其表面光潔度和尺寸偏差應(yīng)嚴(yán)格控制。
由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.5－5得：
模樣表面的粗糙度為3.2，模樣與模板接觸面的粗糙度為6.3 。
5.1.5.金屬模樣的生產(chǎn)方法
為增加材料澆注后的致密度，現(xiàn)將材料制作成與該模樣形狀類似的腔體，然后進(jìn)行熱處理，以增加其硬度，增加抗磨損能力，然后在用機(jī)器按模樣的尺寸加工成模樣的形狀。
5.2.模板的設(shè)計(jì)
模板也稱型板，是由摸底板和模樣、澆口系統(tǒng)及定位銷等裝配而成。模底板用來連接與支承模樣、澆注系統(tǒng)、插銷等。本設(shè)計(jì)采用單面模底板，其工作面是平面。
5.2.1.模底板材料的選用
對(duì)模底板材料的要求是有足夠的強(qiáng)度，有良好的耐磨性，抗震耐壓，鑄造和加工性。根據(jù)模樣的結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)要求，選用鑄鐵作為模底板的材料。
5.2.2.模底板尺寸確定
模底板長＝砂箱長＋2×砂箱分型面出邊緣厚度
＝318＋2×50=418mm
模底板寬＝砂箱寬＋2×砂箱分型面出邊緣厚度
＝176＋2×100=376mm
由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.5－34得：模底板的壁厚取為30mm
5.2.3.模底板與砂箱的定位
模底板與砂箱之間采用定位銷，插銷與銷套定位。
5.3.芯盒的設(shè)計(jì)
5.3.1.芯盒的類型和材質(zhì)
采用熱芯盒，芯盒材料為煤粉砂。
5.3.2.芯盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
芯盒的壁厚由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》查表1.5－11得：6～8mm，取7mm
5.4.砂箱的設(shè)計(jì)
砂箱的設(shè)計(jì)內(nèi)容有：選擇類型和材質(zhì)，確定砂箱尺寸。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，定位及緊固等。
5.4.1.砂箱的材質(zhì)及尺寸
鑄件機(jī)械造型用砂箱可選用的材料牌號(hào)由《鑄造工藝課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得有：HT15-33,HT20-40,QT45-5,QT60-2,QT40-10,ZG15～ZG45。選擇GT400-15為砂箱材料，需進(jìn)行人工時(shí)效或退火處理。
根據(jù)通用砂箱的規(guī)格尺寸選砂箱的尺寸：
上箱為450×400×60mm 下箱為450×400×60mm
5.4.2.砂箱型壁尺寸及圓角尺寸
普通機(jī)械造型砂箱常用向下擴(kuò)大的傾斜壁，底部設(shè)突緣，防止塌箱，保證剛性，便于落砂，箱壁上流出氣孔。
砂箱過渡圓角示意圖如圖5.2。其中R=20 mm,R1=40 mm
圖5.2 砂箱過渡圓角示意圖
5.4.3.砂箱排氣孔尺寸
由《鑄造實(shí)用手冊(cè)》表1.5-49查得：
C=40 mm,c1=50mm,c2=20mm,d=10 mm
上箱通氣孔共6排，下箱通氣孔共6排
第六章、砂型鑄造設(shè)備選用
6.1.造型工部設(shè)備選用
工藝分析確定采用砂箱內(nèi)尺寸為450×400×100/150mm的微振壓實(shí)造型線生產(chǎn)本次設(shè)計(jì)的鑄件。選擇這種造型線組織造型生產(chǎn)，在技術(shù)上是先進(jìn)的，經(jīng)濟(jì)上是合理的。選用半自動(dòng)氣動(dòng)微震壓實(shí)造型機(jī)（型號(hào) ZB148B）進(jìn)行造型。
6.2.制芯工部設(shè)備選用
為了提供造型用的強(qiáng)度高、尺寸精確的砂芯，采用熱芯盒射砂生產(chǎn)樹脂砂芯，此零件的砂芯屬于小砂芯，根據(jù)所需型芯形狀及生產(chǎn)效率，選用2ZZ8612熱芯盒射芯機(jī)。
6.3.溶化工部設(shè)備選用
根據(jù)車間的生產(chǎn)綱領(lǐng)、設(shè)備資源情況、投資等因素，確定采用沖天爐融化灰口鑄鐵。
6.4.砂處理工部設(shè)備選用
混砂裝備選用碾輪式混砂機(jī)，該型混砂機(jī)的混砂質(zhì)量較好。
制備型（芯）砂所需要的各種原材料、如新砂、煤粉、粘土等一般都經(jīng)過烘干后使用，在批量較大的鑄造車間多采用臥式烘干滾筒。
松砂是很重要的工藝環(huán)節(jié)。生產(chǎn)批量較大的鑄造車間，采用雙輪松砂機(jī)。
6.5.清理工部設(shè)備選用
為了減輕清理工段的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高鑄件清理質(zhì)量和清理速度，設(shè)計(jì)中采用雙行程連續(xù)拋丸室和Q118拋丸清理滾筒進(jìn)行鑄件的表面清理；采用M 3040固定式砂輪機(jī)、M 3140懸掛式砂輪機(jī)鑄件的飛邊毛刺。清理好的鑄件用電泳浸漆遠(yuǎn)紅外線烘干自動(dòng)線進(jìn)行油漆防銹。廢砂用帶式輸送機(jī)、斗式提升機(jī)集中送至廢砂斗內(nèi)，定期用汽車運(yùn)走。
總 結(jié)
經(jīng)過了近一個(gè)學(xué)期的精心準(zhǔn)備，本次設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲了，由于我所學(xué)的知識(shí)有限，所以有很多不足和沒有考慮到的地方還請(qǐng)老師予以指正。
本設(shè)計(jì)主要開篇對(duì)我國鑄造的歷史及現(xiàn)狀，其他國家鑄造發(fā)展現(xiàn)狀，我國鑄造的發(fā)展趨勢(shì)等進(jìn)行了相應(yīng)的簡單介紹。
在鑄造工藝設(shè)計(jì)中首先進(jìn)行了鑄造工藝方案的確定，其中包括對(duì)零件鑄造工藝性的分析，造型造芯方法的選擇以及澆注位置和分型面的確定。其次分析計(jì)算了零件的各種鑄造工藝參數(shù)并設(shè)計(jì)了砂芯。最后對(duì)澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵、出氣孔等進(jìn)行了計(jì)算與設(shè)計(jì)。
在工藝裝配設(shè)計(jì)中對(duì)砂箱，模樣模板，芯盒進(jìn)行了簡要的設(shè)計(jì)。
經(jīng)過近一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我更加熟練的掌握了UG，CAD等軟件，也更加熟悉了砂型鑄造的工藝過程，本人受益匪淺。
但在本次設(shè)計(jì)中，由于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的不足，有一些和現(xiàn)實(shí)狀況結(jié)合很密切的問題考慮的還不夠周全，希望老師們予以諒解。我會(huì)在以后的工作和學(xué)習(xí)中，更全面更深層次的提高和完善自己的知識(shí)和實(shí)踐操作技能。
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[12] 張立波, 田世江，等．中國鑄造新技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)［J］．鑄造.2005，1．
致 謝
經(jīng)過近一個(gè)學(xué)期的忙碌和學(xué)習(xí)，本次設(shè)計(jì)終于定稿，作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于知識(shí)有限，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo)，以及一起工作的同學(xué)們的支持，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。
在這里首先要感謝我的母校為我提供了良好的學(xué)習(xí)及生活環(huán)境，同時(shí)也感謝敬愛的校領(lǐng)帶及學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)給予我在學(xué)習(xí)及生活上的關(guān)懷及幫助，讓我能夠順利的度過四年的大學(xué)學(xué)習(xí)生涯。
其次感謝我的指導(dǎo)老師。他平日里工作繁多，但在我進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的每個(gè)階段，他都給予了我悉心的指導(dǎo)。他治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度和科學(xué)研究的精神是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣。
其次，感謝所有的任課老師及輔導(dǎo)員等，正是他們?yōu)槲掖蛳铝嗽鷮?shí)的專業(yè)知識(shí)，教會(huì)了我作人的道理，才使我能夠順利地走出校園邁向社會(huì)。同時(shí)，我還要感謝那些曾經(jīng)我在設(shè)計(jì)中遇到困難積極幫助我的同學(xué)們，正是他們不厭其煩對(duì)我的細(xì)心講解，才使得我在以往學(xué)習(xí)中沒有掌握的知道得到了彌補(bǔ)，才能使畢業(yè)設(shè)計(jì)順利完成。
最后，還要感謝我的父母，正是他們多年來一如既往地支持、鼓勵(lì)和鞭策，才使我有前進(jìn)的動(dòng)力。