悬臂支架铸造工艺设计说明书

课程设计报告

 课程设计名称：     悬臂支架铸造工艺设计   

学 生 姓 名：           xxxxxxxxxxxxxxx           

学       院：        xxxxxxxxxxxxx         

专业及班级：   xxxxxxxxxxxxxx   

学       号：          xxxxxxxx        

指导教师 ：       xxxxx       

xxxxxxxxxxxxxxx

摘要

铸造生产通常是指用熔融的合金材料制作产品的方法，将液态合金注人预先制备好的铸型中使之冷却、凝固，而获得毛坯或零件，这种制造过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的产品称为铸件。大多数铸件作为毛坯，需要经过机械加工后才能成为各种机器零件；有的铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，可作为成品或零件直接应用。

本课程设计是为了获得ZG270-500悬臂支架的合理铸造工艺设计方案，初步设计悬臂支架的铸造工艺方案，包括选择铸件的浇注位置及分型面，确定型芯的数量、定位方式、下芯顺序、芯头形状及尺寸，确定工艺参数（如机械加工余量、起模斜度、铸造圆角级收缩率等）以及浇注系统、冒口、冷铁的形状和尺寸及在砂型中的布置等，通过Pro/e进行仿真，根据模拟结果进行分析，铸造工艺方案的合理性，然后将所确定的工艺方案用文字和铸造工艺符号在CAD零件图上表示出来，绘制铸造工艺图。

关键词：铸造工艺设计，悬臂支架，Creo，CAD。

Usually refers to using the molten alloy casting production material products, the method of the liquid alloy preparation beforehand good mold in injection cooling and solidification, and blank or parts, the manufacturing process is referred to as casting production, referred to as "casting, casting out products are referred to as casting.As most of the casting blank, need after mechanical processing can be all kinds of machine parts;Some castings when to use the dimensional accuracy and surface roughness requirements, can be directly applied as finished products or parts.

This course is designed to obtain reasonable ZG270-500 cantilever casting process design, preliminary design of cantilever casting process, including selection of casting pouring position and parting surface, determine the number of cores, positioning way, the core order, core head shape and size, determine the process parameters (such as machining allowance, mould level Angle, casting the rounded shrinkage rate, etc.) and the pouring system, riser and chill the shape and size and arrangement in the sand mold, etc, through the Creo simulation, according to the result of simulation is analyzed, the rationality of the casting process, then determine the processing plan in words and casting process 

representation in the CAD drawing, mapping the casting process.

Keywords: casting process design; cantilever; Creo; CAD.

第一章零件简介

1.1零件介绍

悬臂支架的作用支架是起支撑作用的构架,承受较大的力,也具有定位作用,使零件之间保持正确的位置。

图1.1 零件3D

1.2最大尺寸

零件最大尺寸350mm，属于小型铸件，基本壁厚20mm，有四个直径20mm的孔，可采用机加工方法得到，不铸造出。有一个内凹空腔。

1.3铸件材料及性能

材料为ZG270.500,中碳铸钢，抗拉强度500Mpa。

第二章

确定铸造工艺方案

铸件生产的主要步骤就是根据零件的结构特征、材质、技术要求、生产批量和生产条件等因素确定铸造工艺方案。其具体内容包括：选择铸件的浇注位置及分型面，确定型芯的数量、定位方式、下芯顺序、芯头形状及尺寸，确定工艺参数（如机械加工余量、起模斜度、铸造圆角级收缩率等）以及浇注系统、冒口、冷铁的形状和尺寸及在砂型中的布置等，然后将所确定的工艺方案用文字和铸造工艺符号在零件图上表示出来，绘制铸造工艺图。

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2.1造型方法与铸型种类的选择

2.1.1造型的选择

因设计任务书要求选择手工造型

2.1.2型砂的选择

铸钢用的型砂和泥心砂，其主要的组成部分是石英砂和耐火粘土。作为造型材料的沙子性质，由砂粒形状和大小，氧化硅的含量，以及沙子中存在的各种混合物来确定。该铸件型砂选用瘦沙（粘土含量2~10%）来代替石英砂。在湿模造型时，小型和中小型钢铸件泥心砂可以采用小颗粒的半肥沙（粘土含量10~20%）作为附加物加入石英砂中。加入的耐火粘土，其工艺试样的抗压强度应为0.5~0.6kg/mm2。耐火粘土应该是白色或者淡灰色的，不应有可被肉眼看出的混杂物，如砂子、矿石、石灰等。碎粘土所含水分不应超过2%。

  造芯的方法可采用芯盒造芯和刮板造芯，前者用于造各种形状、尺寸和批量

的砂芯，后者用于造单件小批量生产，形状简单或回转体砂芯。

2.2浇注位置及分型面的确定

2.2.1分型面的选择

定义：分型面是指铸型之间的结合面。铸型分型面选择的正确与否是铸造工艺合理性的关键之一。若选择不当，不仅影响铸件质量，而且还将使制模、造型、造芯、合型或清理，甚至机械 加工等工序复杂化。分型面的选择主要以经济性为出发点，即在保证质量的前提下，尽量简化工艺过程、降低生产成本。

一般原则：

1.尽量把分型面开在铸件的最大平面上，便于起模；

2.减少分型面和活块的数量；

3.重要加工面应位于同一型腔中；

4.尽量采用平直的分型面，不要是曲面、折面；

5.减少型芯数量，同时注意下芯、合型及检验的方便；

6.便于浇冒口设置，型芯的安放和固定；

7.避免在机加工平面设置分型面。

综合以上原则，有以下方案。

方案（1）铸件呈竖直状态，其零件的冶金质量及尺寸精度要求较好，但不易造型，需采用图示的三箱造型工艺；

方案（2）铸件呈水平状态，且上下沙箱高度一致，造型方便适合于大批量流水生产作业，但需要改进型砂配比，加强撇渣等工艺措施来保证铸件质量。

根据生产方式，和生产的批量，选择方案二。

2.2.2浇注位置的选择

铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型腔中的位置。浇注位置的选择取决于合金种类、铸件结构和轮廓尺寸、铸件表面质量要求以及现有的生产条件。选择铸件浇注位置时，主要以保证铸件质量为前提，同时做到简化造型和浇注工艺，确定铸件浇注位置时，应注意以下几点：

1.重要加工面应超下或呈直立状态；

2.铸件的大平面应朝下；

3.应有利于铸件的补缩；

4.应保证铸件有良好的液态金属导入位置，保证铸件能充满；

5.应尽量少用或不用砂芯。

综上所述，悬臂支架铸件采用中注式浇注系统，浇注位置的选择如下图所示：

1.浇口杯  2.冒口  3.直浇道  4.内浇道  5.横浇道  6.铸件

图2.1  浇注示意图

第三章

铸造工艺参数设计

确定铸造工艺参数必须以零件尺寸为依据，零件的详细尺寸如图所示。

图3.1零件尺寸

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3.1加工余量的选择

该槽轮为成批、大量生产，可采用机器造型及造芯，但本次课程设计则全采

用手工造型和造芯。根据参考文献[2] P1表9.4可知查得尺寸公差等级CT应为11~14级，选11级，加工余量等级为G~K级，RMA选H。由课程设计题目知最大尺寸为350mm，根据参考文献[2] P1表9.3查得尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量（RMA），并由确定加工余量中铸件顶面（相对于浇注位置）的加工余量应比底、侧面加工余量大。孔的加工余量与顶面的等级相同。一般情况下，顶面加工余量应按照CT11级、RMA-H级；底面、侧面的加工余量为CT9级、RMA-G级。则顶面的加工余量取5mm,底面和侧面的加工余量取3.5mm。

结论：顶面的加工余量取5mm，侧面的加工余量取3.5mm，底面的加工余量取3.5mm。加工余量如图3.2。 

图 3.2  加工余量图

3.2铸件孔是否铸出的确定

因为该铸件材料是ZG270.500，成批生产，孔径30mm，根据参考文献[2] P196表9.10查得普通碳钢铸件的最小铸出孔直径是60mm，则该孔不应该铸出。

结论：该孔径为20mm的孔不应铸出。

3.3起模斜度的确定

根据标准《铸件模样起模斜度》中的规定，该铸件选用增加铸件厚度的起模斜度形式如图3.3：

图3.3  起模斜度

用手工方法加工模具时用宽度标注，该铸件模具是木模，高度100mm，由根据参考文献[2] P194表9.8砂型铸造时模样外表面及内表面的起模斜度查得木模外表面起模斜度1.4mm，木模内表面起模斜度2.6mm。

结论：木模外表面起模斜度1.4mm，木模内表面起模斜度2.6mm。

3.4铸造圆角的确定

因为铸件的1、2、3、4处的有尖角如图2.4， 则在做木模时此处应改成圆角设半径为1mm。

图3.4  尖角所在位置

3.5铸造收缩率的确定

该铸件材料为中碳铸钢，根据参考文献[2] P192表9.7知中碳铸钢的铸造收缩率为1.6%~2.0%，该铸件收缩率选1.7%，则制造尺寸放大一个线收缩率。

结论：铸造收缩率1.7%。

3.6活块的确定

铸件有四个小凸台，用于钻孔，凸台表面倒角为3，方便取模，后机加工中出孔。在木模上安装四个圆形木片。

综上所述考虑到铸件的加工余量、收缩量、拔模斜度、铸造圆角、工艺补正量及芯头间隙后的铸件尺寸如图3.5：

图3.5  最后的铸件尺寸

第四章

造型方法设计

要确定造型方法必须根据铸件的外形来选择分型面和型芯形状。铸件的外形

如图4.1所示。

图4.1  铸件的3D模型

由上图可看出，该铸件结构简单，成左右对称分布，根据浇注位置确定原则中重要面、大平面及薄壁部位朝下或侧立，铸件有一个内凹圆柱空心轴套以及空心支座，所以可以确定该铸件需要平放，即平做平浇，如前所述分型面选在水平对称面上，模样如图所示。

图4.2　模样2D剖面图

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4.1型芯的设计

悬臂支架的空心支座和内凹圆柱空心轴套需采用内型芯来成型，为水平型芯。芯头的尺寸与采用的工艺有关，一般决定于铸件相应部位孔、槽的尺寸。

4.1.1空心支座型芯

该空心支座最大尺寸为136mm，水平尺寸为33.5mm，需要用到竖直型芯和水平芯头，为了合型方便，芯头安装至型芯中部，。根据参考文献[2] P218表10.3知，水平芯头长度一般取25~35，,查得水平芯头的斜度及间隙S1=0.5，S2=1.0，S3=1.5。

所以水平芯头长度为20mm，水平芯头的斜度及间隙S1=0.5，S2=1.0，S3=1.5。

空心支座型芯3D图4.3，空心型芯尺寸4.4，上芯盒4.5，下芯盒4.6，空心支座芯盒型芯装配图4.7如下图所示。

图 4.3  空心支座型芯

图 4.4  空心支座型芯尺寸

图 4.4 下芯盒图        4.6 上芯盒

图 4.7 空心支座芯盒型芯装配图

4.1.2空心轴套型芯 

该型芯为中心对称的阶梯状圆柱，水平尺寸为170mm，两端直径30mm，需要用到水平型芯和水平芯头。根据参考文献[2] P218表10.3,10.4知，水平芯头长度一般取30mm~40mm。水平芯头的斜度及间隙S2=1.0mm。

所以芯头长度选30mm，水平芯头间隙S2=1.0mm。

空心轴套型芯3D图4.8，空心轴套型芯尺寸4.9，空心轴套型芯盒4.10，空心轴套型芯芯盒装配图4.11如下图所示。

4.8空心轴套型芯

4.9空心轴套型芯尺寸图

图 4.10 空心轴套型芯的芯盒

图 4.11  空心轴套型芯芯盒装配图

4.2活块设计

铸件中有四个凸台，在铸造成型中需要利用活块来成型，凸台直径为28mm，加上加工余量为34mm，凸台活块3D示意图及尺寸如下图所示。

4.12凸台活块3D图      .13凸台活块尺寸

第五章

木模的设计

根据铸件工艺参数中铸件的收缩量、加工余量、拔模斜度、铸造圆角、工艺补正量及芯头间隙，设计木模。木模每处的尺寸=铸件实际尺寸+加工余量+收缩量+型芯与芯头的间隙量。木模是与刚好跟计算好的空心轴套和空心支座型芯及芯头配合，则木模的形状如图5.1所示：   

图 5.1  木模的形状

经设计：木模的剖面图如图5.2所示：

图 5.2  木模剖面图

经计算：木模的尺寸如图5.3：

图 5.3  木模尺寸

第六章

浇注系统和冒口设计

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6.1浇注系统选择

因该铸件质量不大、高度不高和形状简单，则选用中注式浇注系统。采用中注式浇注系统。

已知铸钢密度ρ=7.85×10 ^3kg/m3估算铸件质量m=10.5kg，悬臂支架壁厚为33mm根据参考文献[3] P141表4.9可得A=1.5~2.35，n=0.5。

根据参考文献[3] P141 式4.3可估算τ=AG^n。

可得浇注大概时间τ=4.5s。

根据参考文献[3] P145表4.26得铸钢件内浇道总截面积A内=4/cm2,又因为A内：A横：A直=1：0.8:1.1。

得A直=4cm2。

A横=3.2cm2。

A内＝4.4cm2。

如图6.1所示。

图6.1 直浇道、横浇道、内浇道尺寸。

6.2冒口的计算与选择

应铸件平放两端高度不一，应将冒口应设置在铸件两端热节点高处，保证铸件充满金属液体，两端可安放圆柱明顶冒口。

该铸件Hc=167mm，B=33.5mm,查（参考文献[3] P177表5.10)得H=1.5 d=B/2=16mm，中碳铸钢收缩率2.5%。

结论：外圈处的冒口d1=1.2d=19.2mm，H=1.5d=24mm。

冒口形状6.1所示：

图6.1  浇注系统和冒口

第七章

铸型装配图设计

装配图如图7.1所示，装配图三维图如图7.2所示，下模、镶块和型芯装配三维图如图7.3所示，上模三维图如图7.4所示。

7.1悬臂支架装配三维图

图7.2 铸型装配图

图7.3 铸型装配三维图

图7.2 装配图三维图

图7.3下型、空心轴套和空心支座型芯三维图

图7.4  上型三维图

设计体会

经过两个星期的课程设计，过程曲折可谓一语难尽。在此期间我也失落过，也曾一度热情高涨。这次关于材料成型技术的课程设计是我们真正理论联系实际、深入了解铸造工艺设计概念和设计过程的实践考验，对于提高我们模具设计的综合素质大有用处。通过两个星期的设计实践，充分利用了CAD，Creo等软件来促使我完成本课程设计，操作的复杂让我不同的思考，查阅大量书籍，让我意识到每个细节都是有根有据，不可异想天开，同时我对铸造模具设计有了更多的了解和认识，为我们以后的学习和工作打下了坚实的基础。

对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆。

参考文献

[1]《材料成形技术基础》张亮峰主编 1版 高等教育出版社  2011

[2]《铸件成型技术》李魁盛 李国禄 李日主编  机械工业出版社 1版  2012

[3]《铸造技术使用手册》李传栻 李魁盛主编  中国电力出版社 1版  2012