c件外框架铸造工艺设计说明书大学毕业论文.doc
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1、“永冠杯”第五届中国大学生铸造工艺设计大赛参赛作品铸件名称:C件-外框架自编代码:AC100332方案编号: 目 录摘 要1一、ZL114A框架的铸造工艺性能21.1 ZL114A的铸造性能及热物理性能21.2 框架零件的铸造工艺性2二、铸造工艺方案的优化设计42.1 零件结构的审查及改进42.2造型、制芯方法的选择62.2.1 造型方法62.2.2 制芯方法62.3 型砂、芯砂的配方62.3.1 型砂的配方62.3.2 芯砂的配方72.3.4 浇注位置的确定72.3.5 分型面的确定82.4 铸造工艺优化设计82.4.1 方案82.4.4 铸造工艺方案的确定11三、铸造工艺参数133.1 铸
2、件尺寸公差133.2 机械加工余量133.3 铸造收缩率143.4 起模斜度15四、砂芯设计174.1 砂芯的设置174.3 芯头的尺寸及间隙19五、浇注系统的设计215.1 浇注系统类型的选择215.2 浇注系统引入位置的确定215.3 浇注系统结构尺寸的确定225.3.1 内浇道截面面积的计算22浇注系统各截面尺寸和形状的确定245.4 浇注系统设计的校核255.4.1 型内液面上升速度的校核255.4.2 最小剩余压头高度的计算26六、冒口设计276.1 冒口引入位置的选择276.2 冒口形状与尺寸的确定276.2.1 冒口形式的选择286.2.2 冒口的尺寸28八、工装设计298.1
3、模样设计298.3砂箱设计298.4芯盒设计32九、铸型装配339.1下芯顺序339.2铸型装配34十、铸造后处理3710.1铸件的落砂除芯3710.2铸件的清理3710.2铸件内应力的去除37参考文献38附件39“永冠杯”第五届大学生铸造工艺大赛摘 要本文对材料为ZL114A的框架结构零件进行了铸造工艺设计。在分析材料特性及审查零件结构的基础上改进零件的铸造工艺性,选定了造型及造芯方法,确定了分型面及浇注位置,采用截面比设计法计算了浇注系统的尺寸,通过计算铸件各个部分的模数确定了冒口的形式及安放位置,针对型芯的结构特点确定了芯头大小及下芯顺序,并设计了芯盒结构。根据设计方案,在三维造型软件U
4、G平台上绘制零件、铸件、装配、型芯、芯盒和铸型等实体图;接着,采用PROCAST软件进行充型过程的模拟,根据模拟结果优化铸造工艺并修改设计方案,然后再次进行数值模拟,如此反复,以获得最优的工艺方案。根据最终工艺方案,完成铸件、铸造工艺、装配等二维图的绘制。关键词:框架零件;ZL114A;铸造工艺设计;Procast;三维造型;平面图集。一、ZL114A框架的铸造工艺性能1.1 ZL114A的铸造性能及热物理性能ZL114A合金是在ZL104A合金的基础上增加镁元素的含量发展起来的Al-Si-Mg系高强度铸造铝合金,它不仅具有优良的铸造工艺性能,而且有较ZL104A更高的力学性能。在航空制造业中
5、,利用该合金的优越性能制造一些重要部位的大型薄壁结构件代替铝合金钣金结构件,具有较大的经济效益。ZL114A的化学成分、物理及化学性能及力学性能分别如表1-1、表1-2和表1-3所示。表1-1 ZL114A的化学成分(质量分数,%)合金代号SiMgTiBeAlZL114A6.57.50.450.60.10.20.040.07余量表1-2 ZL114A的物理及化学性能合金代号熔化温度()热导率w/(m)比热容J/(kg)密度(g/cm3)电阻率(nm)ZL114A5576131529632.68543.4表1-3 ZL114A的力学性能合金代号铸造方法合金状态力学性能不低于b(MPa)5()HB
6、S(5/250/30)ZL114ASBT5290285J、JBT53103901.2 框架零件的铸造工艺性框架零件三维结构如图1-1所示,该零件大多部位为薄壁结构,内部有大量的空腔结构,表面有较多的孔洞,成型该零件需要较多的型芯,型芯结构较为复杂,同时下芯时型芯之间存在互相干扰,这就使得下芯困难,并且该零件的长和宽分别达到了1466mm和870mm,这就对该零件的铸造方法的选择带来了一定的限制。所以本设计初步考虑采用组合芯的方法来解决下芯困难的问题,并且采用明冒口来保证铸件的补缩和排气。总之根据以上分析,本设计的重点在于浇注系统和砂芯的设计,同时其他方面也应当有所考虑。高6198701092(
7、a)框架三维结构示意图正面1466878(b)框架三维结构示意图反面图1-1 铸件的整体结构二、铸造工艺方案的优化设计2.1 零件结构的审查及改进(1) 如图21所示,零件薄壁处壁厚多为20mm,少部分位置为25mm、30mm,壁厚较为均匀,有利于实现铸件的顺序凝固和补缩。3020 2520图2-1 铸件的结构(2)铸件形状对称,可以减少型芯种类和芯盒数量,有利于简化铸造工艺。(3)铸件上的工艺孔较多,其中有些工艺孔的孔径较小而孔深较大,这些小孔在铸造过程中成型困难,会使铸件产生粘砂,造成清理和机械加工困难,同时通过铸造的方法成型小孔也很难保证成型精度,所以在本工艺方案中零件上的小孔不铸出,在
8、铸造工序完毕后再通过机械加工的方法将小孔加工出来。不铸出的孔如图2-2和表2-1所示。17.5完全贯穿 26 16 6-M8深168-22透(a) 零件正面 4-140沉台深2 16-M3深7.56-M5深15 (b)零件反面图2-2 铸件上不铸出的孔表2-1 不铸出的孔序号孔的尺寸序号孔的尺寸17.5完全贯穿 26 1616-M3深7.56-M8深164-140沉台深2 8-22透6-M5深152.2造型、制芯方法的选择2.2.1 造型方法(1)选用砂型铸造。砂型铸造的优势有:1)砂型铸造成本低;2)砂型铸造生产灵活,既适用于单件小批量生产,又适用于大批量生产;3)砂型铸造可以用于生产大型铸
9、件。(2)选用表干型表干型兼有干型和湿型的特点。相对于湿型,其避免了易于产生夹砂、气孔、砂眼、膨胀等缺陷的问题,相对于干型,表干型不需要大型的烘干设备,生产成本低,生产效率高。2.2.2 制芯方法选用自硬树脂砂造芯。自硬树脂砂的优势有:(1)树脂砂与粘土砂相比铸件尺寸精度高,表面粗糙度低,可以显著减低铸件废品率;(2)自硬树脂砂能常温自硬成型,节能节材;(3)芯砂在可使用时间内流动性好,能在较小紧实力的作用下,较好地充填形状复杂的型、芯各个部位,减轻工人的劳动强度;(4)芯砂的溃散性好,铸件落砂、清理容易。2.3 型砂、芯砂的配方2.3.1 型砂的配方根据铸造工艺学,型砂的配方如表2-2所示。
10、表2-2 型砂的配方成 分()性 能新红砂旧砂粘土含水量()湿压强度(KPa)透气性粒度组别加入量101030709081257305030 2.3.2 芯砂的配方根据铸造手册(第二版)第五卷:铸造工艺,芯砂的配方如表2-3所示。表2-3 芯砂的配方(质量,kg)原砂呋喃树脂对甲苯磺酸10010.42.3.4 浇注位置的确定铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置,浇注位置是根据铸件的结构特点、尺寸、重量、技术要求、铸造合金特性、铸造方法等确定的。正确的浇注位置可以保证铸件结构完整,组织致密,同时方便造型、下芯。本框架结构件的浇注位置有两种方案可供选择:方案一:如图2-3(a)所示,铸件
11、倒着摆放、三箱造型。方案二:如图2-3(b)所示,铸件水平摆放、二箱造型。铸件水平摆放,虽然可以减少砂箱的高度,便于造型和下芯,使的铸件的大平面竖直摆放,减少粘砂和夹渣的缺陷,却不利于砂芯的固定,不能保证铸件的的尺寸精度。而采用竖直摆放,有利于降低浇注系统和冒口的设置难度,并且方便下芯,同时也有利于铸件的顺序凝固,更加有利于砂芯的固定。所以本设计采用铸件竖直倒着摆放的浇注方案,如图2-3(a)所示。上上中中中中下下上下(a)铸件竖直摆放 (3箱 造型) (b)铸件水平摆放 (2箱造型)图2-3 铸件的浇注位置及分型面2.3.5 分型面的确定铸造分型面是指铸型组元间的接合面。合理的分型面可以简化
12、铸造工艺、降低生产成本、提高生产效率,并且能够提高铸件良品率。本设计选择的分型面如图2-3(a)所示,其优点有:(1)铸件最大截面在分型面上,造型,下芯方便;(2)浇注系统和冒口的设置较为方便;(3)分型面与浇注位置一致,方便浇注系统的设计。2.4 铸造工艺优化设计本设计采用procast软件对选定的铸造工艺方案进行铸造过程的模拟,以分析铸件的充型过程以及铸造缺陷的大小和分布。在分析模拟结果的基础上,通过改变冒口和冷铁的大小、数量和安放位置以改进铸造工艺方案,再对新的工艺方案进行模拟、分析,如此反复,以得出最佳的铸造工艺。2.4.1 方案 方案1如图2-4所示,为避免铸件出现缩孔、缩松等缺陷,
13、在铸件两个厚大的部位设置两个明冒口对铸件进行补缩。冒口设在加工面上,方便去除,避免冒口对铸件表面质量的影响。冒口 1 冒口2(3个) (3个)浇口杯 图2-4 方案1浇冒口设置示意图图2-5 方案2浇冒口设置示意图对方案1、方案二进行模拟的边界条件如表2-4所示。零件材料铸型材料冷却方式浇注温度()浇注速度(m/s)ZL114A硅砂空冷7201.4表2-4 工艺模拟参数图上的两个方案模拟结果基本相似,出现缩松的位置也基本一致,都是出现在铸件的中部,直径为870和两个框臂交接的地方,以及铸件的中下部四个地方的缩松比较严重。2.4.3.2 充型过程铸件的充型过程对铸件的质量影响很大,如果铸件的充型
14、不平稳,甚至引起涡流,会造成铸件产生氧化夹杂和气孔。而浇注系统、冷铁和冒口的设置是影响铸件充型的重要因素。为了验证铸造工艺方案的合理性,对铸件充型过程进行数值模拟,方案1的充型过程模拟结果分别如图2-8和图2-9所示。(a) 10s (b) 15s(c) 20s (d) 20S(e) 30s (f) 35s图2-8 方案1充型过程示意图从上图中可以看出,方案1比方案二充型平稳,间到35秒时,铸件已基本充满,无卷气和夹杂产生,这就证明方案1的浇冒口设置是合理的。2.4.3.4 缩孔缩松分布 方案(1) 方案(2) 从图中可以看出,模拟结果显示方案1的缩松和方案2差不多,出现的位置也相差不大。 2
15、.4.4 铸造工艺方案的确定通过对以上两种方案的充型过程、凝固情况和缩孔缩松分布的模拟可以得出方案1、2的冒口的补缩作用不强,这里冒口的主要作用是排气。修改一下冒口的尺寸如图所以本设计选择方案1作为本框架零件的铸造方案。三、铸造工艺参数3.1 铸件尺寸公差根据GB/T6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量的规定,对于轻金属合金,小批生产的铸件采用砂型铸造手工造型的工艺方法和采用粘土砂型生产铸件的尺寸公差等级为CT11CT13,选取为CT12。3.2 机械加工余量根据GB/T6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量的规定,机械加工余量应适用于整个毛坯铸件,即对所有需机械加工的表面只规定
16、一个值,且该值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸,根据相应的尺寸范围来选取。所以根据GB/T6414-1999,本设计选取的机械加工余量等级为G级,铸件的最大轮廓尺寸为619mm,机械加工余量为4mm。铸件需机械加工的部位如图3-1及表3-1所示 1 2 3(a)铸件正面需机械加工的部位 4 5 6 7 8 9(b)铸件反面需机械加工的部位(剖面图)图3-1 铸件需机械加工的部位表3-1铸件需机械加工的部位尺寸大小序号尺寸类型加工余量等级加工余量(mm)说明1端面尺寸G11方便造型减少错型对铸件的影响2轴向尺寸G83轴向尺寸G44轴向尺寸G55轴向尺寸G116端面尺寸G47轴向尺寸G4
17、8径向尺寸G49轴向尺寸G43.3 铸造收缩率铸件的线收缩率又称铸件收缩率或铸造收缩率,是指铸件从线收缩开始温度冷却到室温时的相对线收缩量,以模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示: (3-1)式中 L1模样长度 L2铸件长度铸件的收缩可分为自由收缩和受阻收缩,两种收缩的收缩率差别较大。本铸件的材料为ZL114A,铸件结构复杂,型芯较多,所以铸件受阻收缩,查铸造手册(第二版)第五卷:铸造工艺表3-69得,本铸件的铸造收缩率为1.0%3.4 起模斜度当铸件没有结构斜度时,为保证铸件的顺利起模,有必要在铸件上设置起模斜度。所以本设计采用增加铸件壁厚的方法来设置起模斜度。查铸造手册(第二版)第五
18、卷:铸造工艺表3-70得铸件外表面的起模斜度为25,凹处内表面的起模斜度为45。3.5 铸件三维结构示意图铸件图是在零件土的基础上去除不铸出的孔和槽、增加加工余量和设置起模斜度而得来的。它反映了铸造工序完成后铸件的形状,是设计铸型工艺及其装备、编制铸造工艺规程和铸件验收的重要依据。铸件三维结构示意图如图3-2所示,绿色的面为铸件的机械加工面,红色的面为增加了起模斜度的面,紫色表示既是机械加工面又是设置了起模斜度的面。(a)铸件的侧面(b) 铸件的反侧面图3-2 铸件三维结构示意图四、砂芯设计4.1 砂芯的设置本框架零件结构复杂,特别是有较多的空腔结构,这些空腔结构均需要型芯来成型,这就使得本铸
19、件的型芯较多,同时型芯的设置方式对铸件的质量、生产效率及生产成本有着很大的影响。采用整体芯的方案可以使型芯定位准确,避免铸件尺寸因型芯的定位而出现偏差,整体芯的强度较高,这样可降低对芯头强度的要求以减小芯头尺寸,同时由于几个型芯合为一体,可以减少芯盒数量,缩短制造周期。但是采用整体芯的方案也有其缺点,主要是整体芯体积较大,特别是对于本框架结构件来说,整体芯的尺寸很大,这就使得制造整体芯的芯盒的尺寸变得很大,芯盒的制造、搬运、极为不便。而采用各个型芯分开制造,在有必要的的砂芯进行组装成为组合砂芯的方式就能解决这个问题。本框架结构件,各个砂芯的外形如图4-3所示。 (1#、2#) (3#、4#)
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