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铸造工艺毕业论文
铸造工艺毕业论文
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绪论
铸造工艺设计就是根据铸造零件的结构特点，技术要求，生产批量和生产条件等，确定铸造工艺方案和工艺参数，绘制铸造工艺图，编制工艺卡等技术文件的过程。
在进行铸造工艺前，设计者应掌握生产任务和要求，熟悉工厂和车间的生产条件。
此外要求设计者有一定的生产经验和设计经验，并应对铸造先进技术有所了解，具有经济观点和发展观点。
因为现代科学技术的发展，拓展了铸造技术的应用领域，同时也提高了对金属铸件的要求。
不仅要求铸件具有高的力学性能，尺寸精度和低的表面粗糙度值；要求具有某些特殊性能，如耐热，耐蚀，耐磨等，同时还要求生产周期短，成本低。
铸造工艺设计人员在设计的过程中应时刻关心铸件成本，节约能量和环境保护问题。
从零件结构的铸造工艺性的改进，铸造，造型，造芯方法的选择，铸造方案的确定，浇注系统和冒口的设计，直至铸件清理方法等，每到工序都与上述问题有关。
采用不同的工艺，对铸造车间或工厂的金属成本，熔炼金属量，能源消耗，铸件工艺出品率和成品率，工时费用，铸件成本和利润率等都有显著的影响。
铸造工艺设计应是追求以最少的成本和损耗生产出质量最好，竞争品质最强的铸件产品。
此次毕业设计的目的是通过自主设计，在设计的过程中梳理大学四年中学到的专业知识，学会发现问题并运用所学的知识来解决实际问题。
通过毕业设计巩固和拓展自己的专业知识，熟悉铸造工艺设计的流程，领略铸造工艺设计的要领，体验铸造工艺设计工作的内涵，为即将步入社会，走向工作岗位做最后的准备。
1零件材料性能分析
机座原材料为ZG310-570。
由《铸造合金及其熔炼》表6-1及《铸造实用数据速查手册》表4-6可知在800-820℃退火后的其力学性能如下：
屈服强度σs≥310MPa；抗拉强度σb≥570MPa；
伸长率δ≥15%；断面收缩率Φ≥21%；
冲击韧性Akv≥15J，ak≥20J/cm3；硬度156-217HBW。
由《铸造合金及其熔炼》表6-2可知ZG310-570化学成分的上限值（%）如下：
C≤0.50；Si≤0.60；Mn≤0.90；S≤0.01；P≤0.01；
Ni≤0.30；Cr≤0.35；Cu≤0.3；Mo≤0.2；V≤0.05。
ZG310-570为中碳钢。
零件对材料性能的要求：
机座主要作用是支撑设备的运转，定位装配各种机构，使其具备特定的机械功能。
由于是设备与地面的接触部分，承受着设备运转的载荷，为了能使设备有较好的工况，运转平稳，要求机座具有一定的减震性。
一般的机座的尺寸都比较大，属于长久性构件，必须具有足够长的使用寿命。
因此机座应该具备一定的耐磨性。
2零件结构的铸造工艺性分析
图2-1零件主视图
由零件图图2-1，图2-2，图2-3分析零件结构的铸造工艺性。
零件重要的部分是零件两端圆筒，也就是注有加工粗糙度的部分。
由零件结构分析，该机座是用来支撑回转轴运转工作的，由于该部分几乎是枝端结构，直接承受载荷，并且有装备要求，所以对于圆筒的内部组织结构要求很高.在设计铸造工艺时，应重点分析考虑。
铸件壁厚比较大，最小壁厚处是机座两端的圆筒。
其尺寸超过了ZG310-570铸件的最小壁厚，浇注成型没有问题。
而最大热节处在零件的中间部位，两端圆筒则是通过支撑壁由中间部分补缩的。
有利于补缩和实现顺序凝固。
圆筒自身的补缩通道，以及上端支撑壁的补缩通道不够，应该设计补贴或冷铁。
图2-2零件左视图
零件多枝杈结构，铸件成型时的收缩会受到一定的阻碍，枝端结构的形位很容易受到影响。
而这是零件结构的最大忌讳，将会直接影响零件的性能，决定着铸件的质量。
由于零件的结构性能需要，改进零件结构的操作性不是很大，采用工艺手段避免是主要的方法。
枝端处及背面的斜槽会对零件的造型方案的选择有影响，并且会给工艺方案的设计带来很大的麻烦。
如果在不影响零件性能的前提下，可以对零件的结构做出相应的改进。
背面的3个斜槽可以开得浅一些，通过模样就可以造型，不需要下芯。
而枝端处的斜槽可以适量开得下一些，通过模样造型和机加工一部分的方法就可以成型。
图2-3零件背视图
零件的结构特点局限了零件造型方案的选择，进而局限了浇注位置的选择。
由于砂芯的数目较多，浇注位置上有大平面结构，可能会对铸件的质量有影响。
零件上的所有螺孔及圆筒端面的浅槽，由于尺寸较小且需要加工，不易铸出，由机加工成形。
3铸造工艺方案的确定
3.1分型的分析比较与选择
3.1.1方案一
图3-1分型示意图
图3-2分型示意图
见图3-1，图3-2，将几乎整个铸件置于下箱，上箱相当于一个盖箱，只成型铸件表面的工垫凸台。
由于零件两端的Φ200mm和Φ240mm的圆孔有很高的形位要求，将其用一个模板在同一个砂箱中造型，形位公差容易保证，合箱操作简单。
但由于铸件两端为断续圆柱面，不可能用模板直接造型，只有通过下芯成型，而且零件结构中如圆孔，凹槽等部分也不能通过模样造型成型或完全成型。
于是，这种方案分型将会增加了下芯的数目，提高了砂型芯定位的难度，同时也增加了工序，延长了工时，为浇注系统的设计，及浇注位置的选择制造了难度。
由于不是半箱造型，上箱不是盖箱，仍需要为简单的凸台成型，实在不划算。
即使凸台不靠上箱成型，也必须通过下芯成型，在表面设计下芯是很复杂的。
所以这样分型效果很不理想，不予选择。
3.1.2方案二
图3-3分型示意图
见图3-3，采用两个模样成型型腔，零件两端的圆柱面被一分为二，可以直接通过模样成型，从而减少了下芯的数目。
但是即使通过两箱造型，零件结构中的凹槽部分，仍是不能被完全成型。
450mm×135mm的3个凹槽下面有部分是无法成型的，而由于形状的原因，显然不易加工成形，于是必须下芯。
而下芯也存在问题，如果是整个凹模通下芯成型，则砂芯不好固定。
因为凹模四周除上面外，都是实体，且离下面的型砂很远，靠芯撑固定很不理想。
唯一的办法是吊芯，但吊芯是造型最避讳的，不到万不得已，尽量不采用。
而且吊芯超出了上箱很大一部分，给合箱制造了很大麻烦。
还有一种方法是将能成型的部分用模样成型，凹槽不能通过模样成型的那一部分可以通过下芯成型，然后用粘结剂将砂芯固定在上箱成型部分上。
然而通过粘结剂固定砂芯需要一定的时间，并且是在造完型的上箱上粘结芯砂，会影响到整个铸造生产过程。
由于是手工操作，会影响这部分结构的形状精度。
同样也有下芯的麻烦，好像也不可行。
这种分型方案还存在一个问题，枝端圆筒旁边的凹槽同样也有一部分不能成型。
由于该部分体积有点大，且形位特别，机械加工成形不理想，唯一可行的办法也只有下芯。
两端的圆孔也是采用下芯成型。
由于两箱造型会影响圆孔的形位公差，所以对合箱操作要求很高。
3.1.3方案三
图3-4分型示意图
见图3-4，同样采用两箱造型，方案二中未能通过模样成型的部分仍然不能成型，也需要下芯。
但由于将450mm×135mm凹槽调换了位置，将其大部分置于下箱，也就解决了方案二中存在的问题，可以用垂直芯头定位沙芯，下芯就变得容易了。
而枝端圆筒旁边的不能完全成型的凹槽，上箱部分可以直接通过模样成型。
未能成型的部分下芯。
由于这样分型，使得这个砂芯成为了悬臂芯。
为了牢固定位沙芯，确保铸件精度，必须扩大芯头尺寸。
而砂芯必须得有30-50mm的厚度才能保证其具有一定的强度。
对于这部分不能成型的部位，可以采用下芯和机加工结合的方法成型。
而两端间隔的圆孔，为了保证其形状公差，通过采用两个圆柱芯分别成形两端。
这样分型使得零件重要部件（有装配要求）的分开造型，对其形状公差有影响，合箱时要注意操作，但它们的位置仍然有所保证。
由于砂芯数目较多，且排布较密集，对于浇注位置的选择有很大的局限性。
3.2造型方案
综合比较上述三种方案，第三种方案最为理想，两箱造型。
零件两端的圆柱面由模样造型，三个450mm×135mm凹槽分别下芯，为了确保两端间隔圆孔的形状和位置，分别由两个整体圆柱砂芯成型。
孔Φ240mm旁的凹槽可以由模样成型（h/b＜10），而孔Φ200mm旁的凹槽上部也由模样造型，而四个凹槽下部分分别下芯。
由于这样的分型，使得这个砂芯成为了悬臂芯。
为了牢固定位沙芯，确保铸件精度，必须扩大芯头尺寸。
而砂芯必须得有30-50mm的厚度才能保证其具有一定的强度。
对于这部分不能成型的部位，可以采用下芯和机加工结合的方法成型。
3.3造型（芯）方法的选择
机座时设备产品的生产批量不会很大，而形状有点复杂。
造型材料采用自硬砂，手工造型具有工艺装备简单，灵活方便，适应强的特点。
砂芯由于结构简单，形状特点的原因，采用手工造芯比较适宜。
而机座的尺寸有点偏大，采用机器造型对设备的要求比较高，一般工厂的生产条件可能达不到，同样也采用手工造型，可以在造型平台上造型。
3.4铸型种类的选择
由于机座材料为ZG310-570，而铸钢件很少采用湿型，高锰钢除外。
因为1540-1600℃浇注钢水时Fe首先被氧化，H2O被还原为H。
H在液态钢中的溶解量大，而在固态钢中量小，几乎为0，易产生皮下气孔。
铸钢多采用漏包底注式，浇注系统为开放式，金属液快速充型，对砂芯砂型的冲刷较大。
于是要求砂芯和砂型必须具备很高的强度才不至于产生冲砂，夹砂等缺陷，保证铸件的质量。
由于砂芯形状简单，生产批量不是很大。
由《铸造手册》表2-19冷芯盒用树脂的主要技术指标及适用范围选用：
粘结剂：
碱性酚醛树脂；硬化气体：
CO2；氮气的质量分数≤0.5%；
黏度≤1000mPa·s；游离酚质量分数≤1%；游离醛质量分数≤0.5%；
由《铸造手册》表2-41可知，芯盒砂的组成为：
碱性酚醛树脂原沙的质量分数2.5-3.5%；促硬剂占树脂的30-40%；
（促硬剂为硼酸盐，锡酸盐或铝酸盐）。
混砂工艺：
原砂加树脂混合1-2min，再加促硬剂混合1-2min后卸砂。
由于呋喃树脂粘结强度高，黏度小，毒性小，旧砂再生利用率高，所以型砂选用呋喃树脂砂。
由《铸造手册》表2-20选用呋喃树脂自硬砂的主要技术指标：
固化剂：
中强酸氮的质量分数1-2%；黏度≤15mPa·s；
游离醛≤0.3%；比强度≥1.0MPa；适用一般铸钢。
由《铸造手册》表2-42可知味喃树脂自硬砂的主要组成：
低氮味喃树脂质量分数0.8-1.5%；
固化剂：
磷酸，加入量占树脂重25-50%。
混砂工艺：
砂加固化剂混合均匀，加树脂混合均匀后卸砂。
3.5浇注位置的确定
零件结构的独特性使得铸件的造型方案没有多的选择。
分型面的确定，且由于下芯数目较多，不可能采用倾斜浇注，浇注位置没有多的选择方案。
分型面选择确定浇注位置。
合箱，浇注，冷却位置一致。
3.6砂箱中铸件数目的确定
由于零件的尺寸为1233mm×1021mm，尺寸规格较大，通常车间现存砂箱尺寸规格也只能是一箱一件。
即使是扩大砂箱尺寸，能够一箱多件生产，但对生产设备的要求提高了，操作起来也不是很方便。
还是一箱一件生产比较合适。
3.7砂芯的设计
3.7.1砂芯尺寸
由分型方案可知，机座铸件的造型需要下4种砂芯。
由于机座两端间断的圆孔有很高的形状要求，圆柱度公差为0.012，而且这样的结构是用来装备支撑回转轴运转。
因此，这两部分直接通过两个整体圆柱砂芯成型最为理想，结构的形状很容易保证。
（1）对于Φ240mm孔，为1号芯。
由于砂芯较长，将圆柱芯对分为二个半圆柱砂芯造型，下芯前将两个半圆柱芯组装成圆柱芯。
砂芯的尺寸直径为Φ230mm，长度为L=1021+6.5×2=1034mm，由于圆孔旁边的凹槽通过造型成形，成型凹槽的型砂，会对砂芯有支撑作用，因此，计算砂芯芯头尺寸时，取砂芯的长度尺寸当量L=145+6.5×2=158mm，就能满足要求。
参考《铸造手册》表1-16水平芯头长度取l=60mm.参考《铸造工艺学》P235，手工造型，制芯，且是自硬型芯头间隙应较大，取S1=2mm，S=4mm。
（2）对于Φ200圆孔，为2号芯。
由于砂芯较长，也将圆柱芯对分为二个半圆柱砂芯造型，下芯前将两个半圆柱芯组装成圆柱芯。
砂芯尺寸：
D=Φ190mm，L=1246mm，由于圆孔旁边的凹槽需要下芯成型，同样也会对砂芯有分支支撑作用，同理，取砂芯当量长度L=118mm，设计砂芯长度就能满足生产要求，取l=60mm，S1=2mm，S=4mm。
（3）对于三个450mm×135mm的凹槽，为4号芯。
砂芯形状为三棱柱，为垂直砂芯。
底部尺寸为450mm×135mm，（A+B）/2=（135+450）/2=292.5mm，砂芯高度L=270mm。
参考《铸造手册》表1-13选取砂芯垂直芯头的高度h=40mm。
由表1-14取垂直芯头的斜度为1：
10。
由于上芯不接触砂芯，不用放间隙，下芯头间隙取S=2mm。
（4）对于四个Φ200mm圆孔旁边的凹槽，为3号芯。
下部分未能成型，砂芯有一部分悬臂。
为了能准确定位，就必须扩大砂芯，基于结构特点，整个凹槽下部分，都由下芯成型，下4个垂直砂芯。
（A+B）/2=（147-13+285+172.5）/2=296mm，L=172.5mm。
同理取h=40mm，斜度为1：
10，S=2mm。
由于上芯处与砂型有接触，取间隙S1=2mm。
3.7.2下芯顺序
先下3号芯和4号芯，接着分别组装1号芯和2号芯，将两个半圆柱芯用定位销组装成一个圆柱芯。
组装完成下芯。
4铸造工艺参数的选择
4.1铸件线收缩率
机座为中型铸件，有很多枝端，下芯数目较多，收缩受阻。
参考《铸造手册》表1-1常用铸造合金的铸造收缩率，《铸造手册》表3-37砂型铸造普通合金铸件的铸造收缩率。
取机座铸造线收缩率ε=1.8%。
4.2机械加工余量
由《铸造手册》表1-9，普通碳素钢和低合金铸件最小铸出孔（槽）尺寸及《铸造工艺》表3-3-8，可知铸件的最小铸出径d=30～60mm，于是机座上面的
2-M5-6H深12；4-M16-16H深25；2-M20-6H深40；
4-M5-6H深10；4-RC1/8深7.5；2-M5-6H深15等孔
以及圆筒端面的20mm×45mm的浅槽都选择不铸出，由机加工成形。
由《铸造手册》表1-2，选取机座的机械加工余量等级为H（手工造型），选取尺寸公差为CT10级
由《铸造工艺学》表3-3-3选取铸件的加工余量如下表。
表4-1机座各部分加工余量
序号
基本尺寸/mm
加工余量等级
加工余量数值/mm
说明
1
Φ345
H
6.5
双侧加工
2
Φ200
H
5.0
双侧加工
3
Φ240
H
5.0
双侧加工
4
96×105
H
5.0
单侧加工
5
45×105
H
5.0
单侧加工
4.3起模斜度的选取
由《铸造手册》表1-6自硬砂造型模样外表面的起模斜度（JB/T5105-1991）可知手工造型，模样采用木模样，测量面高度H上=172.5mm，H下=212.5mm。
取
模样斜度α=0°35`,a=2.6mm。
5铸件体积的计算
图5-1铸件主视图
5.1实体部分体积
由图5-1，图5-2，图5-3计算如下各实体部分体积。
上下两端的圆柱（145+13）×7×π×3452/4=103338695.3mm3
（105+13）×2×π×3452/4=22050571.5mm3
正反两面的凸台96×105×10=100800mm3
105×45×4×10=189000mm3
上端圆筒支撑壁（345×585-π×3452/8）×（135×3+95×2）
=（201825-46717.3125）×595
=92289074.06mm3
上端圆筒支撑壁间隙实体
（75+345-120）×（585-285）×4×157×1/2
=180000×157=28260000mm3
62×40×157×4×1/2=778720mm3
图5-2铸件左视图
中间实体从上到下分三部分
345×（1233-10）×（675-585）=37974150mm3
（795-675）×345×（1233+1021-20）/2=46243800mm3
（1021-10）×345×（1100-795-253）=18137340mm3
下端圆筒支撑壁（345×253-π×3452/8）×135×4
=（87285-46717.3125）×135×4
=21906551.25mm3
5.2去除部分体积
由图5-1，图5-2，图5-3计算如下各孔槽部分体积。
图5-3铸件背视图
上端圆孔π（200-5×2）2/4×（105×2+145×3+13×5）=20120335mm3
下端圆孔π（240-5×2）2/4×158×4=26244748mm3
背面斜槽（45+270）/2×450×135×3=28704375mm3
5.3铸件与铸型的体积
实体部分体积V+=371268702.3mm3
去掉部分体积V-=7506945.8mm3
铸件体积V铸=V+-V-=296199244.3mm3
由《铸造手册》查得常温下2G310-570的密度约为ρ=7.8cm3/g。
铸件质量m铸=V铸ρ=2310354106×10-3g=2310.35kg
由于铸件的缩尺（线收缩率）为ε=1.8%。
铸型的体积V型=（1+1.8%）3*V铸=312483636.6mm3
6冒口的设计
6.1热节分析及热节圆的计算
零件的结构特点是多分支部分，两端的分支结构固定生根于机座的中部。
所以中间部分近似于一个实体，虽然间或性的开了些槽，但仍是机座最厚实的部分。
最大热节应该在这个区域，平面分析最大热节应为中间分支部分根源处。
但由于其局部区域被挖去，纵向厚度减少，远不及横尺寸，我认为最大的热节是中间区域两个边上的实体部分。
作图求出其半径r0=105mm，见图6-1。
图6-1热节示意图
6.2冒口的设计
6.2.1初步方案
由于零件的分支部分很多，分支部分都得依靠中间支撑部分来补缩。
而将两个冒口安放在中间边缘区域上，补缩距离似乎不够，计划在正中间还安放一个冒口。
铸件模数Mc=r0=105mm，取冒口安全系数f=1.2。
冒口模数Mr=fMc=105×1.2=126mm，
冒口的高径比取H/D=1.25，H=1.25D=2.5r。
选用圆柱沙冒口，顶部撒保温剂
体积Vr=πr2h=2.5πr3
散热面积Sr=2πr×2.5r=5πr2
Mr=Vr/Sr=2.5πr3/5πr2=r/2
r=2Mr=252mm
由于冒口的尺寸较大，安不下3个冒口，还是在两个热节处安放共2个冒口。
其总体积V冒=2Vr=2×2.5×π×2523=251247225.6mm3
V总=V冒+V型
=563770862.2mm3
查阅资料取2G310-570的凝固收缩率ε0=5%，两个冒口缩孔总体积
V缩=V总ε0=28186543.11mm3
估算冒口补缩效率
η=V缩/V冒×100%=11.22%，
而砂冒口的补缩率η=12-15%最为合理，显然补缩率偏低，设计不合理。
6.2.2改进方案a
取冒口高径比H/D=1，H=D=2r，则Vr=2πr3
V冒=2Vr=2×2π×r3=260997780.5mm3
V总=V冒+V型=513481417.1mm3
V缩=V总ε0=25674070.85mm3
冒口补缩效率η=V缩/V冒×100%=12.8%
冒口的补缩率基本达到要求，
试算工艺出品率
查阅资料可知高温2G310-570的密度ρ0约为7.0cm3/g，
则工艺出品率=2310354106/（513481417.1×7.0）×100%=64.2%,
砂冒口的合理工艺出品率为55-65%,此种方案的工艺出品率还比较理想，但两个冒口处在边缘，中间枝端需要更多的补缩液量，而其补缩通道不堪理想。
6.2.3改进方案b
选用腰圆砂冒口，取高径比为1：
25，
长度为L=1.25D=2.5D，H=1.25D=2.5r
冒口体积Vr=（πr2+2r2）2.5r
由于顶部撒保温剂，其散热面积Sr=（2πr+2r）2.5r
Mr=Vr/Sr=（π+2）r/（2π+2）=126mm
r=（2π+2）/（π+2）×126=203mm
同样设置2个冒口，
冒口总体积V冒=2（2.5π+5）r3
=（5π+10）r3=214991473.9mm3
V总=V冒+V型=527475110.5mm3
V缩=V总ε0=26373755.53mm3
η=V缩/V冒×100%=12.3%
由于采用顶部绝热，补缩效率有点偏低。
6.2.4改进方案c
在b方案的基础上将高径比改为1。
H=D=2r
Vr=（πr2+2r2）2r
V冒=2Vr=2×（2π+4）r3
=2.56+2033=17199379.1mm3
V总=V冒+V型=484476815.7mm3
V缩=V总ε0=24223840.79mm3
η=V缩/V冒×100%=14.1%
补缩率比较理想。
估算工艺出品率
工艺出品率=m铸/（V总ρ0）×100%
=2310354106/（474476815.7×7）×100%
=68.1%
由于是冒口顶部绝热，且未算上浇注系统和补贴，出品率比较理想。
因为是腰圆冒口，增大了冒口的补缩距离，正中部分的补缩通道有明显的改善，总体效果最好。
最终确定冒口的设计方案为方案c。
6.6冒口的验算
因为是砂冒口，所以冒口要放斜度，取其斜度为1：
50。
根据图6-2计算斜度部分体积V斜：
图6-2冒口示意图
圆柱部分V1=1/3×π×2112×（406+230×50）-1/3×π×2032×230×50
-2π×2033
=491895314.2-437790679.7-52534881.56
=1569752.94mm3
长方体部分V2=8×406×203×2×1/2=659344mm3
V斜=2（V1+V2）=4458193.88mm3
冒口的总体积：
Vm=V冒+V斜=176451373mm3
V总=Vm+V型=488935009.6mm3
V缩=V总ε0=24446750.48mm3
η=V缩/Vm×100%=13.9%
冒口补缩效率比较理想。
7浇注系统的设计
7.1浇包的选择
由《铸造工艺》表3-4-3查得，质量为2.310t的铸钢件的浇注时间，
τ=20-50S
由《铸造工艺学》表3-4-7，型内钢液面最小上升速度V型min
铸件特点一般m铸=2.310t
V型min=20mm/s
型内合金液的质量m合=V总ρ0=3.423t
由浇注时间范围估算平均浇注速度q=m合/τ,68.5
由《铸造工艺学》表3-4-15选择，
包孔直径D=Φ60mm，平均浇注速度q=90kg/s，
浇包容量m=12t，包孔数n=1.
最大型内液面如图7-1，其面积为S，计算如下：
图7-1最大液面图
上下两端的面积
S1=1/2×345×（118×2+158×7）=231495mm3
由上而下各部分面积
S2=（285-172.5）×（95×2+135×3）=66937.5mm3
S3=（1233-10）×（675-285）=475970mm3
S4=（1233-10+1021-10）×（795-675）/2=134040mm3
S5=（253-172.5）×135×4=43470mm3
中间三个凹槽的面积
S6=135×450×3=18225
