铸件结构设计:保证其工作性能和力学性能要求、考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求,铸件结构设计合理与否,对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响。
1、设计的主要问题和设计要求
箱体设计首先要考虑箱体内零件的布置及与箱体外部零件的关系,如车床按两顶尖要求等高,确定箱体的形状和尺寸,此外还应考虑以下问题:
⑴、满足强度和刚度要求。对受力很大的箱体零件,满足强度是一个重要问题;但对于大多数箱体,评定性能的主要指标是刚度,因为箱体的刚度不仅影响传动零件的正常工作,而且还影响部件的工作精度。
⑵、散热性能和热变形问题。箱体内零件摩擦发热使润滑油粘度变化,影响其润滑性能;温度升高使箱体产生热变形,尤其是温度不均匀分布的热变形和热应力,对箱体的精度和强度有很大的影响。
⑶、结构设计合理。如支点的安排、筋的布置、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高箱体的强度和刚度。
⑷、工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。
⑸、造型好、品质小。
设计不同的箱体对以上的要求可能有所侧重。
(一)铸造工艺对铸件结构设计的要求
Ⅰ、铸件外形的设计要求
1、铸件的外形应力求简化,造型时便于起模。
(1)、避免铸件的外形有侧凹。如图1所示的铸件,结构a)的侧凹处在造型时另需两个外型芯来形成。而结构b)在满足使用要求的前提下,将凹坑一直扩展到底部省去了外型芯,降低了铸件成本。
图1 铸件两种结构设计的比较
还有设计如图2所示。原设计a)的结构有内凹,造型时起模困难,也只能采用外型芯。而将其改为图b)的结构,则可省去外型芯,简化造型工序。
图2 铸件结构设计的比较
(2)、尽可能使分型面为平面,去掉不必要的外圆角。因为平面分型面可以避免挖砂和假箱造型、生产率高。
(3)、铸件上凸台和筋条的设计,应考虑其结构便于造型。如图3a)、c)所示的铸件凸台的设计,也只能采用活块或外型芯才能起模。将其改为图3c)、d)的结构,可避免活块。
图3 零件上凸台的设计
2、铸件的外形应尽可能使铸件的分型面数目最少。
铸件的分型面数目减少,不仅减少砂箱数目、降低造型工时,还可以减少错箱、偏芯等的机会,提高铸件的尺寸精度。
图4铸件结构的两种设计。图a)的结构有两个分型面,需采用三箱造型,使选型工序复杂。若是大批量地生产,只有增设环状型芯才可采用机器造型。将结构改为图b)的设计,就只有一个分型面,使造型工序简化。
图4 铸件
3、在铸件上设计结构斜度
在铸件的所有垂直于分型面的非加工面上,应设计有结构斜度,如图5所示。
a)不合理 b)合理a) 不合理 b)合理
图5 结构斜度
a)、图的结构没有结构斜度,铸造工艺人员应铸造前给出拔模斜度,这样就不必要地增加了铸件的壁厚。结构斜度的大小,随垂直壁的高度而异。高度愈小,斜度愈大;内侧面的斜度应大于外侧面的。具体数值可参考表1。
表1 铸件的结构斜度
斜度(a:h) | 角度(β) | 使用范围 | |
1∶5 | 11°30′ | H<25㎜铸钢和铸铁件 | |
1∶10 | 5°30′ | h=25~500㎜铸钢和铸铁件 | |
1∶20 | 3° | h=25~500㎜铸钢和铸铁件 | |
1∶50 | 1° | h>500㎜铸钢和铸铁件 | |
1∶100 | 30′ | 非铁合金铸件 |
Ⅱ、铸件内腔的设计
1.铸件内腔尽量不用或少用型芯,以简化铸造工艺。
如图6两种结构设计。采用方案b)可以省去型芯。
图6 支柱的设计
2.当铸件的内腔较复杂、需用型芯形成时,应考虑好型芯的稳固、排气顺畅和清理方便。
如图7所示的两种设计。方案a)需要两个型芯,其中较大的型芯呈悬臂状态,需用型芯撑A支承其无芯头的一端;若改成方案b),则型芯的稳定性大大提高,而且型芯的排气顺畅、也易于清理。
图7 铸件
有时一些铸件内腔的结构,虽能满足使用要求,但却不利于型芯的稳定、排气和清理。如图8所示a)。从使用出发只需两个通循环水的孔即可,但从铸造工艺的角度看,该型芯只靠这两个芯头来固定、排气和清理显然很困难。为此在法兰面上增设工艺孔,如图b)所示。该型芯采用吊芯,通过6个芯头固定在上型盖上,省去了芯撑,改善型芯的稳固性,并使其排气顺畅和清理方便。
图8 铸件内腔的设计
(二)合金铸造性能对铸件结构设计的要求
在设计铸件结构时,若不充分考虑铸件所用合金的铸造性能,铸件上会出现浇不足、冷隔、缩孔、缩松、铸造应力、变形和裂纹等缺陷。因此,在设计铸件的结构时,除考虑使用要求外,还应考虑以下几个方面。
Ⅰ、合理设计铸件的壁厚
1. 铸件的壁厚应适当。由于各种铸造合金的流动性不同,在相同铸型条件下,获得铸件的最小壁厚也不同。
当然在不同铸型条件下,同一种铸造合金铸件的最小厚度也不相同,冷却能力愈强的铸型,获得铸件的最小壁厚应愈大。如表2所示,为砂型条件下几种铸造合金的最小壁厚值。其值的大小主要取决于铸造合金的种类和 铸件的尺寸大小。
表2 砂型铸造条件下铸件的最小壁厚值
铸造 方法 | 铸件尺寸/mm | 合金种类 | |||||
铸钢 | 灰铸铁 | 球墨铸铁 | 可锻铸铁 | 铝合金 | 铜合金 | ||
砂型铸造 | <200×200 | 8 | 5~6 | 6 | 5 | 3 | 3~5 |
200×200~500×500 | 10~12 | 6~10 | 12 | 8 | 4 | 6~8 | |
>500×500 | 15~20 | 15~20 | 15~20 | 10~12 | 6 | 10~12 |
总之,在确定铸件的壁厚时,不仅保证铸件的强度和刚度等机械性能,而且应使铸件的壁厚大于所用合金的“最小壁厚值”,以免产生浇不足和冷隔缺陷。但铸件壁太厚,又易产生缩孔和缩松缺陷。因此,一般铸件的最大壁厚应不超过最小壁厚的三倍。尤其是铸铁件,其强度并非按壁厚的增大而成比例地增加,如表3所示。
表3 灰铸件壁厚与其相对强度的关系
壁厚/mm | 相对强度 |
15~20 20~30 30~50 50~70 | 1.0 0.9 0.8 0.7 |
铸件壁厚不均,会造成铸造合金的局部积聚,在积聚处易产生缩孔和缩松;同时,由于铸件壁厚不均,即铸件各部分冷却速度不同,会使铸件产生较大的铸造应力,造成铸件的变形和开裂。如图9铸件的壁厚有两种设计方案。方案a)的厚壁处易产生缩孔,在连接处产生裂纹。方案b)则不存在这些问题。
图9 铸件的设计
此外,由于铸件内壁的散热条件较差,其厚度应略小于外壁厚度,以使铸件内、外壁的冷却速度相近。一般的,铸件外壁、内壁和筋的厚度比为1:0.8:0.6。如图10所示设计。方案b)减薄了内壁的厚度,以使各部分均匀冷却。
图10 铸件的设计
当铸件的壁厚有差别时,铸件的结构应便于实现顺序凝固,以利补缩。如图11所示,铸件的侧壁设计成倒锥状、上厚下薄,利于补缩。
图11 壁厚有差别时铸件的设计
Ⅱ、铸件壁与壁连接的设计
1、设计结构圆角
铸件上所有壁的转角处,均应设计结构圆角。
设计成直角连接,有以下缺点:
1) 、直接连接处会形成铸造合金的聚积,易产生缩孔和缩松缺陷。
2) 、在铸造合金的凝固过程中,由于柱状晶的方向性,转角处对角线上将形成晶界,此处因集中了许多低熔点的夹杂物,也将成为铸件的薄弱节。
3) 、铸件在使用过程中,直角内侧医易产生应力集中,会降低其有效承载力。
为此,在铸件上壁与壁的垂直连接处,必需设有结构圆角,其大小如表4所示。
表4 铸造内圆角半径R值(mm)
(a+b)/2 | ≤8 | 8~12 | 12~16 | 16~20 | 20~27 | 27~35 | 35~45 | 45~60 | |
铸铁 铸钢 | 4 6 | 6 6 | 6 8 | 8 10 | 10 12 | 12 16 | 16 20 | 20 25 |
2、 铸件壁与壁之间应避免锐角连接,是为了减小热节和内应力。如图12所示。
图12 铸件壁之间避免锐角连接
3、铸件的厚壁与薄壁的连接应逐步过渡,以防止应力集中。如表5所示。
表5 几种壁厚过渡的型式及尺寸
图 例 | 尺 寸/mm | ||
b>2a | 铸 铁 | ||
铸 钢 | |||
b>2a | 铸 铁 | ||
铸 钢 | |||
b>2a |
图13 铸件壁或筋的连接型式
Ⅲ、铸件的结构设计还应考虑到其它一些与合金铸造性能有关的问题:
1、铸件的结构是否使铸件的收缩受阻。
如图14所示轮辐的设计。
图14 轮辐的设计方案
方案a)的轮辐数为偶数,每条轮辐均与另一条成直线排列。这样,势必使两轮辐的收缩互相牵制、彼此受阻,轮辐内将产生大的铸造应力,会使轮辐产生裂纹。为此,改为方案b)和c)的设计,则可以通过轮辐或轮缘的微量变形来减缓轮幅内的铸造应力,以减小产生裂纹的危险。
2、应尽量避免设计过大面积水平面的铸件。
因为大面积的水平面在充型时不易充满,会产生浇不足和冷隔缺陷。如图15为轮形铸件的辐板结构,方案b)较易充满。
图15 轮形铸件辐板的设计
还有图16 所示的薄壁罩壳铸件的设计,也是方案b)较为合理。
图16 薄壁罩壳的设计
3、 对于较长易挠曲的梁形铸件,应将其截面设计成对称截面。如图17所示。
图17 梁形铸件的设计
4、 铸件上易产生变形或裂纹的部位,设计加强筋结构,可防止其变形。如图18所示,在平板铸件上设计加强筋,以免其翘曲。
图18 平板铸件结构的设计
设计防裂筋如图19所示,以防在圆柱和法兰面连接处产生裂纹。
图19 防裂筋的应用
应指出的是,各类铸造合金的铸造性能不同,对铸件结构要求也不相同。普通灰铸铁产生缩孔、缩松和热裂的倾向性小,所以对铸件壁厚的均匀性、壁与壁之间的过渡等要求不如铸钢件要求严格,但应注意其壁厚敏感性和壁太薄出现的白口倾向。钢的铸造性能很差,表现为流动性差、收缩大,所以铸钢件结构的设计应严格遵循结构工艺要求,如铸钢件的壁厚不能太薄、不能出现太多热节、能实现顺序凝固以利补缩,并可防止变形和裂纹等缺陷的产生。
5、对大而复杂的铸件,应设计成组合式铸件。
图20 铸钢的底座 图21 床身的组合设计
如图20所示的铸钢底座,分成两半来铸造,然后焊成整体。这样既解决了熔炉、起重机和运输能力的不足问题;又简化了造型工艺,使铸件的质量容易保证;同时也解决了大型铸件不易整体切削的问题。如图21为组合床身的设计,采用螺栓联接,形成组合铸件。
表6 铸件的内圆角半径R值 (mm)
(a+b)/2 | <8 | 8~12 | 12~16 | 16~20 | 20~27 | 27~35 | 35~45 | 45~60 | ||
R值 | 铸铁 | 4 | 6 | 6 | 8 | 10 | 12 | 16 | 20 | |
铸钢 | 6 | 6 | 8 | 10 | 12 | 16 | 20 | 25 |
图例 | 尺寸 | ||
b≤2a | 铸铁 | R≥(1/6~1/3)(a+b)/2 | |
铸钢 | R≈(a+b)/4 | ||
b>2a | 铸铁 | L>4(b-a) | |
铸钢 | L>5(b-a) | ||
b>2a | R≥(1/6~1/3)(a+b)/2;R1≥R+(a+b)/2 C≈3(b-a)1/2,h≥(4~5)C |
铸件质量㎏ | 铸件最大尺寸㎜ | 外壁厚度㎜ | 内壁厚度㎜ | 筋的厚度㎜ | 零件举例 |
5 6~10 11~60 61~100 101~500 501~800 801~1200 | 300 500 750 1250 1700 2500 3000 | 7 8 10 12 14 16 18 | 6 7 8 10 12 14 16 | 5 5 6 8 8 10 12 | 盖、拨叉、轴套、端盖 挡板、支架、箱体、闷盖 箱体、电动机支架、溜板箱、托架 箱体、液压缸体、溜板箱 油盘、带轮、镗模架 箱体、床身、盖、滑座 小立柱、床身、箱体、油盘 |
⑴、毛坯、材料及热处理
①、毛坯:选用铸造毛坯或焊接毛坯,应根据具体条件进行全面分析决定。铸造容易铸造出结构复杂的箱体毛坯,焊接箱体允许有薄壁和大平面,而铸造却较困难实现薄壁和大平面。
焊接箱体一般比铸造箱体轻,铸造箱体的热影响变形小,吸振能力较强,也容易获得较好的结构刚度。
②、材料和热处理
常用材料有:
铸铁:多数箱体的材料为铸铁,铸铁流动性好,收缩较小,容易获得形状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强,动态刚性和机加工性能好,价格适度。加入合金元素还可以提高耐磨性。
铸造铝合金:用于要求减小品质且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理进行强化,有足够的强度和较好的塑性。
钢材:铸钢有一定的强度,良好的塑性和韧性,较好的导热性和焊接性,机加工性能也较好,但铸造时容易氧化与热裂。箱体也可用低碳钢板和型钢焊接而成。
箱体的热处理:
铸造或箱体毛坯中的剩余应力使箱体产生变形,为了保证箱体加工后精度的稳定性,对箱体毛坯或粗加工后要用热处理方法消除剩余应力,减少变形。常用的热处理措施有以下三类:
A)、热时效。铸件在500~600℃下退火,可以大幅度地降低或消除铸造箱体中的剩余应力。
B)、热冲击时效。将铸件快速加热,利用其产生的热应力与铸造剩余应力叠加,使原有剩余应力松弛。
C)、自然时效。自然时效和振动时效可以提高铸件的松弛刚性,使铸件的尺寸精度稳定。
1、适应铸造性能的结构设计原则----铸件壁的设计要求
1)合理壁厚
在满足铸件最小允许壁厚的前提下,尽量可能薄一点,即能保证熔融金属具有良好的流动性,又能避免产生因收缩量过大而引起的铸造缺陷(如缩孔)。
最小壁厚:每种铸造合金都有其适宜的壁厚,不同铸造合金所能浇注出铸件的“最小壁厚”也不相同,主要取决于合金的种类和铸件的大小,见表9。
表9 砂型铸造铸件最小壁厚的设计 mm
铸件尺寸 | 铸钢 | 灰铸铁 | 球墨铸铁 | 可锻铸铁 | 铝合金 | 铜合金 | |
砂型 | <200×200 200×200~500×500 >500×500 | 5~8 10~12 15~20 | 3~5 4~10 10~15 | 4~6 8~12 12~20 | 3~5 6~8 — | 3~3.5 4~6 — | 3~5 6~8 — |
金属型 | <70×70 70×70~150×150 >150×150 | 5 - 10 | 4 5 6 | - - - | 2.5~3.5 3.5~4.5 - | 2~3 4 5 | 3 4~5 6~8 |
2)均匀壁厚----是指各部分的壁厚冷却速度均匀。内壁隔墙薄、四周壁应厚。
目的:减小应力、变形和开裂;防止热节产生缩孔。
3)过渡连接
●结构圆角:避免热节形成;改善应力分布;避免砂型损坏和产生砂眼。
●均匀交接:铸件上不同方向的壁或肋交接时,应避免造成金属聚集(热节),而产生缩孔。
●采用圆角、斜面、圆锥逐步过渡:
目的:防止应力集中而开裂。
4)大平面倾斜
目的:利用填充和排气排查。
5)减小变形:(同热处理)对称结构、增设加强肋。
6)自由收缩:
目的:有利减小因收缩应力而引起的应力开裂和变形。
2、适应铸造工艺的结构设计原则----铸件形状设计要求
对铸件结构的要求 | 不好的铸件结构 | 较好的铸件结构 | |
1)简化结构----轮廓平直、分形面简单和最少。 | ●直线代曲面、模样成本低、便于分起模; ●结构紧凑、减少造型材料的消耗、砂箱尺寸和生产面积。 | ||
2)减少型芯:芯多成本高、不便排气和清理。 | ●开式结构代替闭式结构; | ||
●凹抗扩展为凹槽;(节省外芯) | |||
●凸缘外伸代内伸;(砂垛代芯) | |||
3)便于芯的固定 目的:省芯撑、排气通畅、清砂方便。 | |||
4)避免使用活块 | |||
5)肋不影响起模 若肋条的布置与起模方向不平行也不垂直,会影响起模、填砂和紧砂。 | |||
6)结构斜度 铸件上凡是平行起模方向的非加工表面,都应设计结构斜度;立壁愈低,结构斜度愈大。可查表得:凸台为30-40度。 目的:起模方便、便于砂垛代芯、美观。 | |||
7)便于搬运:增设吊装孔或环。 |
为了便于将模样从砂型中取出(起模),型腔应有适当的斜度,因此铸件表面沿拔模或脱模方向有一斜度(一般不大于3°)。
当这种斜度无特殊要求时,图上可以不表示,如图22(a)所示;但需注明斜度时,则必须画出斜度并加以标注,如图22(b)所示。
图22
4. 铸造圆角
为了避免浇注时铁水将砂型转角处冲毁,或在铸件转角处产生裂纹,零件上相邻表面的相交处均应以圆角过渡,如图23(b)所示。铸造圆交的半径大小一般为3~5mm,可在图纸的右上角集中标注"未注圆角R3~5"等。
5. 铸件壁厚
铸件的壁厚若相差过大,浇铸后凝固过程中易造成缩孔、变形和裂纹,如图23(a)所示。
因此,铸件的壁厚应基本均匀,如图23(b)所示;或逐渐地过渡,如图23(c)所示。
(a)不正确 (b)正确 (c)壁厚缓变
图23
铸铁、铸钢和其它材料的壁厚可以从表10中选取,表中N用下式计算:
N=(2L+B+H)/3000 (mm)
式中L-铸件长度(mm),L、B、H中,L为最大值;
B-铸件宽度(mm); H-铸件高度(mm);
表10 铸造箱体的壁厚
仪器仪表铸造外壳的最小壁厚参考表11选取
6. 凸台和凹坑
装配时为了使螺栓、螺母、垫圈等紧固件或其它零件与相邻铸件表面接触良好,并减少加工面积,或为了使钻孔时钻头不致偏斜或折断,常在铸件上制出凸台,凹坑或锪平等结构,如图24所示。
凸台 凹坑 锪平 不正确 正确 正确
图24
箱体内壁和外壁上位于同一轴在线的孔,从机加工角度要求,单件小批量生产时,应尽可能使孔的质量相等;成批大量生产时,外壁上的孔应大于内壁上的孔径,这有利于刀具的进入和退出。箱体壁上的开孔会降低箱体的刚度,实验证明,刚度的降低程度与孔的面积大小成正比。
在箱壁上与孔中心线垂直的端面处附加凸台,可以增加箱体局部的刚度;同时可以减少加工面。当凸台直径D与孔径d的比值D/d≤2和凸台高度h与壁厚t的比值t/h≤2时,刚度增加较大;比值大于2以后,效果不明显。如因设计需要,凸台高度加大时,为了改善凸台的局部刚度,可在适当位置增设局部加强筋。见图25。
图25
7. 凹槽
为了减少加工面积,又能获得良好的接触表面,常将箱座类铸件的底面做成凹槽,如图26所示。
(a) (b) (c)
图26
8. 肋
为了增强铸件的强度和刚性,铸件上常带有一薄板,称之为肋,如图27所示。
⑴、筋的间隙尺寸
A、B为减轻孔尺寸,Max450;T为筋厚,Min30;A、B=8T~12T。
H<3A或3B时,上下侧挖空;H>3A或3B时,侧面挖空。
⑵、筋设置的注意事项
①、避免斜交叉
②、非直角时,加大R角
③、筋设置避免集中交叉
④、筋厚尽量均等
⑤、不同宽的筋交叉时的注意事项
为改善箱体的刚度,尤其是箱体壁厚的刚度,常在箱壁上增设加强筋,若箱体中有中间短轴或中间支承时,常设置横向筋板。筋板的高度H不应超过壁厚t的(3-4)倍,超过此值对提高刚度无明显效果。加强筋的尺寸见表21-4。
9、侧挖空尺寸
注:A<100时,则B=A;
200<A<100时,则B=1.5A;
A>200时,B(最大)=350
超过上述规定时,在上、下底面及侧筋上开孔,见下图:
10、铸造性的考虑
⑴、铸造困难处、或埋死、或开孔
实型贴角困难处,手指不能伸进处都可视为铸造性不佳。
⑵、注意填砂、清砂时死角
⑶、填砂后,如砂型局部过弱,浇注时易冲坏砂型。
⑷、加工余量的考虑
铸件如需机加工,需留出加工余量(应做出作为加工余量的凸台)。
⑸、浇铸性的考虑,狭窄处铁水流入不畅:
11、铸造孔
⑴、减重孔:为降低材料费用,可能情况下,筋全部设减重孔,但是铸件强度不足时,应慎重对待。
⑵、底面窥视孔:从侧面查视压件器等是否到底。
⑶、测量导板处间隙用窥视孔。为测定间隙,在上、下模的压件器,导向腿处开min45×min50的窥视孔。
⑷、连接功能铸造孔。偏重心的铸空,当浇入铁水,实型气化后,砂芯会因偏重而变形,特别是铸空大、偏重心大时,必须在侧设置铸造孔与另一砂芯连接,以实现加强的功能。
⑸、废料滑道用铸孔,为方便安装滑道、清砂等。
⑹、起吊用铸孔:
A)起吊用铸孔ф50以上(小件ф40以上),原则上为通孔;
大件 小件
B)通孔不可实现时,加大铸孔直径。
重量:1吨以下ф60;
1-2吨ф80;
3吨以上ф100。
⑺、配管用铸造孔
模具有时需使用气动元件或电动元件,将气管、电线从元件装置处,经各立筋上铸孔引至气路或电路外接口处,设计应考虑该功能用铸孔的设置,此类铸造min60。
通常将减重孔作为配管用铸造孔。
⑻、安装零件用铸造孔(安装冲孔凸模和斜楔滑块等用铸造孔)。
12、连接和固定
箱体连接处的刚度主要是结合面的变形和位移,它包括结合面的接触变形,连接螺钉的变形和连接部位的局部变形。为了保证连接刚度,应注意以下几个方面的问题:
1)、重要结合面表面粗糙度值Ra应不大于3.2um,接触表面粗糙度值越小,则接触刚度越好。
2)、合理选择联结螺钉的直径和数量,保证结合面的预紧力。为了保证结合面之间的压强,又不使螺钉直径太大,结合面的实际接触面积在允许范围内尽可能减小。
3)、合理设计联结部位的结构,联结部位的结构及特点及应用见表12。
表12
㈣、熔摸铸造铸件的结构工艺性
熔摸铸造铸件的结构,除应满足一般铸造工艺的要求外,还具有其特殊性:
1.铸孔不能太小和太深:否则涂料和砂粒很难进入腊模的空洞内,只有采用陶瓷芯或石英玻璃管芯,工艺复杂,清理困难。一般铸孔应大于2mm.。
2.铸件壁厚不可太薄:一般为2~8mm。
3.铸件的壁厚应尽量均匀:熔摸铸造工艺一般不用冷铁,少用冒口,多用直浇口直接补缩,故不能有分散的热节。
㈤、金属型铸件的结构工艺性
(1)铸件结构一定要保证能顺利出型,铸件结构斜度应较砂型铸件为大。
(2)铸件壁厚要均匀,壁厚不能过薄(Al-Si合金2~4mm,Al-Mg合金为3~5mm)。
(3)铸孔的孔径不能过小、过深,以便于金属型芯的按放和抽出。