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1、铸造工艺工装设计(工艺方案制定),材料学院教学实验中心 田 竟，肖树龙,材料成型综合实验实验二,砂型铸造工艺及工装设计.联合编写组.北京出版社，1980年 铸造手册.第五卷铸造工艺.中国机械工程学会铸造专业学会.机械工业出版社，1994年 铸造工艺设计基础.李魁盛编.河北工业出版社，1986年 铸造工艺课程设计手册.叶荣茂等编.哈工大出版社，1989年 铸造工艺装备设计手册.编写组,主要参考资料,铸造工艺过程,铸造是将金属材料由液态直接成形的一种通用方法，即将熔融金属浇注到型腔内，凝固后得到一定形状的铸件。铸造的特点是金属一次成形，可用于各种成分、形状和重量的构件（如重达875公斤的河南安阳商
2、代遗址出土的司母戊鼎就是铜铸件），成本低廉，能经济地制造出内腔形状复杂的零件。,n 将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。,n 与其它金属加工方法相比，铸造具有如下优点：（1）原材料来源广。（2）生产成本低。（3）铸件形状与零件接近，尺寸不受限制。因此，铸造在机器制造业中应用极其广泛。,但铸造生产目前还存在着若干问题，如铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致铸件力学性能不如锻件高。铸造工序多，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高。,铸造工艺过程的特点,铸造工艺过程,中国古代铸造技术史是中华五千年文明史的重要
3、组成部分。从商周到春秋,中国古代先民们相继发明冶铜、冶铁和独特的铸造技术,铸就礼器、农具、工具、兵器等大批器物,促进生产力的发展,为华夏文明奠定了物质基础。,司母戊鼎（商代）875公斤,曾侯乙编钟，共65枚，总重2500公斤，被誉为世界第八奇迹,铸造工艺过程,铸造工艺过程,铸造工艺过程,铸造工艺过程,铸造工艺过程,铸造工艺方法砂型铸造（消失模铸造）熔模精密铸造陶瓷型铸造金属型铸造压力铸造挤压铸造低（差）压铸造离心铸造连续铸造真空吸铸,用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法，其主要工序包括：制造模样，制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等
4、。,砂型铸造工艺过程,铸 型：用型砂、金属或其他耐火材料制成；包括形成铸件形状的空腔、型芯和浇冒系 统的组合整体。型 腔：铸型中造型材料所包围的空腔部分。铸 件：用铸造方法制成的金属件，一般作毛坯用。分型面：铸型组元间的接合面。分模面：模样组元间的接合面。,基本术语,模 样：由木材、金属或其他材料制成，用来形成铸型型腔的工艺装备。零 件：铸件经切削加工制成的金属件。砂 芯：为获得铸件的内孔或局部外形，用芯砂或其他材料制成的，安放在型腔内部的铸型组元。芯 盒：制造砂芯或其他耐火材料所用的装备。,基本术语,砂型铸造工艺过程,填砂,进气,排气,落下,撞击,震击气缸升起,压实,6DL缸体模具上模样,大
5、宇排气管造型线模具,捷达缸体上模样,捷达缸体下模板,砂型铸造工艺流程图,砂型铸造工艺过程,铸造工艺过程主要包括：模具设计制造、金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。砂型铸造生产过程包括以下步骤：绘制零件铸造工艺图制造模样和芯盒造型和造芯下芯、合箱浇注落砂清理质量检验获得合格铸件。,砂型铸造工艺过程,砂型铸造生产线,迪砂水平造型线,1.通过设计这一实践性教学环节，培养独立思考，了解铸造工艺与工艺设备的设计方法及设计能力；2.学会液态成型工艺设计及工装模具设计的全过程；3.通过所学专业知识，提高运算、设计绘图能力及查阅技术资料的技能；培养学生分析、初步解决液态成型工艺问题的能力；4.为从事工程
6、工作打下良好的基础。,教学目的及基本要求,(1)读图；(2)完成液态成型工艺分析以及几种成型工艺方案的比较和论证；选取最佳工艺方案；(3)设计计算浇注系统、确定工艺参数、绘制液态成型工艺图（包括正视图、俯视图、侧视图、技术要求等）；,学生设计内容,在生产铸件之前，编制出控制该铸件生产工艺的技术文件。铸造工艺设计主要是画铸造工艺图、铸件毛坯图、铸型装配图和编写工艺卡片等，它们是生产的指导性文件，也是生产准备、管理和铸件验收的依据。因此，铸造工艺设计的好坏，对铸件的质量、生产率及成本起着决定性的作用。一般大量生产的定型产品、特殊重要的单件生产的铸件，铸造工艺设计订得细致，内容涉及较多。单件、小批生
7、产的一般性产品，铸造工艺设计内容可以简化。在最简单的情况下，只须绘制一张铸造工艺图即可。,铸造工艺设计内容和一般程序,砂型铸造工艺设计内容,设计依据 1、生产任务（1）铸造零件图（2）零件的技术要求（3）产品数量和生产期限 2、生产条件（1）设备条件（2）原材料来源和应用情况（3）工人的技术水平和生产经验 3、考虑经济性,铸造工艺设计的内容和一般程序,产品零件的技术条件和结构工艺性分析 选择铸造及造型方法 确定浇注位置和分型面 选用工艺参数 设计浇冒口、冷铁和铸肋 型芯设计,铸 造 工 艺 图 设 计 程 序,铸造工艺设计的内容和一般程序,铸 造 工 艺 图,内容:在零件图上用规定的红、兰等各
8、色符号表示出：浇注位置和分型面，加工余量，收缩率，起模斜度，反变形量，浇、冒口系统，内外冷铁，铸肋，砂芯形状、数量及芯头大小等.,是制造模样、模底板、芯盒等工装以及进行生产准备和验收的依据.适用于各种批量的生产,铸造工艺符号及表示方法,分型线：用细实线表示，并写出“上、中、下”字样。在蓝图上用红色线绘制。机械加工余量：在蓝图上用红色线表示，在加工符号附近注明加工余量数值。不铸出孔或槽：不铸出孔或槽在铸件图上不画出，在蓝图上用红色线打叉。冒口:用细实线表示(蓝图上用红色线绘制)。出气孔：用细实线表示(蓝图上用红色线表示)，注明各部尺寸。,铸造工艺符号及表示方法,型芯：芯头边界用细实线表示(蓝图上
9、用蓝色线表示)，型芯编号用“1、2、3”等标注。用蓝色细实线表示芯头斜度与芯头间隙，并注明斜度及间隙数值。浇注系统：用细实线表示（在蓝图上用红色线绘制），并注明各部尺寸。,铸造工艺设计的内容和一般程序,铸 件 图,内容:把经过铸造工艺设计后，改变了零件形状、尺寸的地方都反映在铸件图上.是铸件验收和机加工夹具设计的依据。适用于成批、大量生产或重要铸件的生产.设 计 程 序在完成铸造工艺图的基础上，画出铸件图.,铸造工艺方案的内容,铸件结构设计,结构除满足设计要求外，同时应考虑到加工制造的方便与可能。若零件结构设计得不合理，往往会使制造工艺复杂化，甚至造成废品。合理结构铸件的结构设计：使用性能、经
10、济性能：材料费用、工艺性能。铸件结构工艺性能好：易铸（造型简单、起模方便）；无缺陷（无缩孔、变形、开裂）；省材（无冒口）；生产率高（工艺简单、易机械化）。,外形设计,1、尽量使分型面少且平2、外形力求简单、平直3、避免活块 4、结构斜度,外形设计,避免外部侧凹,应使铸件具有最少的分型面,外形设计,应尽量使分型面平直,外形设计,改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋条的结构,外形设计,铸件要有结构斜度,外形设计,内腔设计,制芯简单；下芯容易；安装稳固；排气通畅；清理方便 1、尽量减少型芯2、型芯要稳固、易于清理,应使铸件尽可能不用或少用型芯,内腔设计,铸件的内腔设计应使型芯安放稳固、排气容易、清砂方便,内
11、腔设计,增设工艺孔结构,内腔设计,铸件结构设计中应避免封闭空腔,内腔设计,壁厚设计,1、合理设计铸件壁厚2、铸件壁厚应尽可能均匀3、注意铸件壁的连接 设防裂筋 减少收缩阻力,铸件应有合理的壁厚,铸件的壁厚应均匀,壁厚设计,二、造型方法的选用,1、手工造型2、机器造型（1）紧实砂型的方法（a）震压紧实（b）抛砂紧实（c）高压紧实（2）起模方法（a）顶箱起模（b）漏模起模（c）反转起模,造型,两箱造型是造型的最基本方法，铸型由成对的上型和下型构成，操作简单。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。,造型,三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作费工。主要
12、适用于具有两个分型面的单件、小批生产的铸件。,造型,三箱造型,整模造型的模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。,造型,整模造型,整模造型,分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。,造型,分模造型,分模造型,铸造工艺图,1、浇注位置的选定,指浇注时铸件在铸型中所处的位置。浇注位置不同，铸件质量不一样，下部质量比上部好。铸件侧面周长方向质量均匀，原因：在周长方向上冷却条件相近，同时凝固。浇注位置以文字标出：上下或上中下。,1、浇注位置的选定,
13、根据对合金凝固理论的研究和生产经验，确定浇注位置时应考虑以下原则：1铸件的重要部分应尽量置于下部。2重要加工面应朝下或呈直立状态。3.使铸件的大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷。4应保证铸件能充满。,平板浇注时的位置,具有大平面的铸件，应将铸件的大平面朝下。,1、浇注位置的选定,具有大平面的铸件正确的浇注位置,大平板类铸件的倾斜浇注,1、浇注位置的选定,5应有利于铸件的补缩。6.避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯、合箱及检验。7.应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致这样可避免变合箱后或于浇注后再次翻转铸型。此外，应注意浇注位置、冷却位置与生产批量密切相关。,分型面的选择,分型面是指两半铸
14、型相互接触的表面。除了地面软床造型、明浇的小件和实型铸造法以外，都要选择分型面。分型面一般在确定浇注位置后再选择。但分析各种分型面方案的优劣之后，可能需重新调整浇注位置。生产中，浇注位置和分型面有时是同时确定的。分型面的优劣，在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。应仔细地分析、对比，慎重选择。,分型面的选择,分型面的选择原则如下：1.应使铸件全部或大部分置于同一半型内；2.应尽量减少分型面的数目；分型面数目少，铸件精度容易保证，且砂箱数目少。3.分型面尽量选用平面；平直分型面可简化造型过程和模底版制造，易于保证铸件精度。,分型面的选择,4.便于下芯、合箱和检查型腔尺寸；5.不使砂箱过高
15、；分型面通常选在铸件最大截面上，以使砂箱不致过高。6.受力件的分型面选择不应削弱铸件结构强度；7.注意减轻铸件清理和机械加工量。,图94 分型面应选在最大截面处,a)不正确 b)正确,分型面的选择,分型面的选择,a)不合理 b)合理,图95 分型面的位置应能减少错型、飞翅,分型面的选择,a)不合理 b)合理,图96 螺栓塞头的分型面,应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。,a)不合理 b)合理,图97 分型面数目的确定,尽量减少分型面的数目，最好只有一个分型面。,分型面的选择,a)不正确 b)正确,图9-8 分型面的位置应能避免披缝,分型面的选择,零件图-三通分型面的确定,方案A-两箱造
16、型,方案B-三箱造型,方案C-四箱造型,分型面的选择,例：零件的分型面方案分析！,机床导轨重要基准应朝下,凸台妨碍起模,增加外芯,方案A,易产生错箱。可用于单件生产。,型芯设计,砂芯的设计,（1）砂芯数量、形状、模样；（2）芯盒的斜度、芯头结构、尺寸及下芯顺序。,查表确定芯头尺寸,加工余量的确定,起模斜度的确定,铸造圆角,工艺参数的确定,铸造工艺参数,(1)铸件的线收缩,（2）机加工余量与最小铸出孔：造型方式；合金种类；铸件尺寸；加工面与基准面距离；浇注位置等。一般查手册。灰铸铁加工余量表1-6。孔处理：最小孔直径和经济性原则。在铸件上为切削加工而加大的尺寸称为机械加工余量。加工余量必须认真选
17、取，余量过大，切削加工费工，且浪费金属材料；余量过小，制品会因残留黑皮而报废，或者，因铸件表层过硬 而加速刀具磨损。,铸造工艺参数,铸造工艺参数,铸孔及铸槽 铸件上的孔和槽类这部分结构是否铸出，取决于工艺的可行性和必要性。一般来说，尺寸较小的孔不铸出反而经济。设计时查手册。,铸造工艺参数,注-零件图上没有要求加工的孔必须铸出。因此，设计时必须注意这类孔的尺寸不可太小！,铸件毛坯的最小铸出孔（mm）,铸钢件最小铸出孔（槽）的尺寸取决于孔壁厚度和深度。需要时，查手册。,铸造工艺参数,（3）拔模斜度 拔模斜度通常较小，木模常为 l3；金属模为0.52。所以拔模斜度一般不画出，但标注。,铸造工艺参数,
18、（4）型芯头CORE PRINTS：芯头关系装配工艺性和稳定性。垂直芯头斜度，水平芯头长度，间隙。,浇注系统设计,浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称。铸铁件浇注系统的典型结构如下图所示，它由浇口杯（外浇口）、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道等部分组成。广义地说，浇包和浇注设备也可认为是浇注系统的组成部分，浇注设备的结构、尺寸、位置高低等，对浇注系统的设计和计算有一定影响；此外，出气孔也可看成是浇注系统的组成部分。,浇注系统设计,图 典型浇注系统的结构a)封闭式 b）开放式1浇口环 2直浇道 3直浇道窝 4横浇道 5末端延长段 6内浇道,浇注系统设计,浇注系统设计,浇注系统设计,上述各
19、参数根据铸件形状、尺寸，查表确定。,确定形状、尺寸,浇注系统设计步骤,通常在确定铸造方案的基础上设计浇注系统。大致步骤：1）选择浇注系统类型；2）确定内浇道在铸件上的位置、数目和金属引入方向；3）决定直浇道的位置和高度。一般使直浇道高度等于上砂箱高度，但应检验该高度是否足够。近代造型机（如多触头高压造型机）模板上的直浇道位置一般都被确定，在这样的条件下应遵守规定的位置。直浇道距离第一个内浇道应有足够的距离。,浇注系统设计,4）计算浇注时间并核算金属上升速度；应指出，重要的是核算铸件最大横截面处的型内金属上升速度。当不满足要求时，应缩短浇注时间或改变浇注位置。铸型内金属液面上升速度用下式计算：V
20、型=C/式中C铸件（或某段）的高度；浇注时间（或浇注某段铸件时间）。对铸铁件可依表4决定型内铁液液面的最小上升速度。铸钢件的最小型内上升速度见表5。,浇注系统设计,表4 型内铁液液面的最小上升速度,浇注系统设计,5）计算阻流截面积S阻；依据水利公式计算S阻。如果铸件质量很大，则计算铸件质量M时，应包括型腔扩大量由于各种原因引起的增重。增重因铸件大小及铸型等工艺条件而异，一般增重在37%范围内。考虑铸件增重，不仅使浇注系统计算精确，更重要的是提供了浇注时所需要的金属量。,浇注系统设计,计算阻流截面积的水利学公式为：,式中 m流经阻流的金属总质量；充填型腔的总时间；充填全部型腔时，浇注系统阻流截面
21、的流量系数；Hp充填型腔时的平均计算压力头。,浇注系统设计,6）确定浇口比并计算各组元截面积；1封闭式浇注系统：封闭式浇注系统包括了以内浇道为阻流的各种浇注系统和部分扩张式（S内/S阻1.52.5)的浇注系统。封闭式浇注系统有较好的阻渣能力，可防止金属液卷入气体，消耗金属少，清理方便。进入型腔的金属液流速度高，易产生喷溅和冲砂，使金属氧化，使型内金属液发生扰动、涡流和不平静。因此，主要应用于不易氧化的各种铸铁件。开放式浇注系统：开放式浇注系统的内浇道截面积比阻而面积大得多，一般S内S阻3.当直浇道不充满时，会使金属液高度亲流，造成氧化、卷气等，故生产中往往要求应用充满式直浇道。7）绘出浇注系统
22、图形。,浇注系统设计,根据铸造工艺手册或计算确定,冒口设计,图9-6 缩孔形成过程示意图,冒口设计,冒口设计,图9-7 缩松形成过程示意图,冒口设计,缩孔、缩松的防止措施a）采用定向凝固的原则 所谓定向凝固，是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除缩孔、缩松。定向凝固原则见图。,冒口设计,冒口设计,画“凝固等温线法”和“内切圆法”，近似找出缩孔的部位,b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺 浇注位置的选择应服从定向凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。,冒口设计,在确定了上述各项目后，编制铸造工艺卡。其格式见 JB/Z 234.1085铸造工艺卡。,上模板,下模板,计算机技术在铸造中的应用,计算机技术在铸造中的应用,
