材料成型与控制专业课程设计铸造

目 录 1一、绪 论 1二、砂型铸造概述 12.1定义 12.2特点 12.3应用 22.4发展概况 2三、砂型铸造工艺设计 23.1工艺设计的依据 33.2铸件图 43.3铸件的结构工艺分析 63.4造型方法的选择 73.5铸型种类的选择 73.6确定铸件浇注位置 83.7铸型分型面的选择 93.8浇注系统设计及其选择 15四、造型材料及其制备 154.1型砂的制备及性能控制 174.2涂料 194.3手工造型的方法 19五、铸造工艺装备设计 195.1模样的类型及其结构 235.2砂箱的选用及设计 27六、合金熔炼及其浇注 276.1熔炼工艺顺序及备料 296.2铸件的浇注 316.3落砂与清理 32七 、铸件质量检验与缺陷修补 327.1铸件质量检验方法 337.2铸件的修补 34八、结论 34参考文献 35致 谢 一、绪 论 铸铁件广泛地应用在装备制造业、冶金、建筑、农机、给排水以及国防工业各部门，如在机械制造业中，铸铁件所占比重约为机械重量的40%～85%。生产的铸铁件也是多种多样的，质量从十几克到几百吨；厚度可以薄到2㎜，也可以达到500㎜；长度可以由1㎝做到30㎝的各种形状、各种用途、各种尺寸的铸件。 铸铁及铸铁件的特点： ①熔化的铸铁溶液有很好的流动性，能够冲填很复杂、薄壁的铸型，能够得到很复杂形状的铸铁件，如缸体、缸盖、机床床身、水泵叶轮、液压阀体等。 ②铸铁的收缩小，在一定条件下常常在没有冒口的条件下也可以得到致密的铸件，并且形成应力和裂纹的倾向也很小。 ③铸铁的熔点较低，熔化的方法、采用的原料也很简单，较其它材料加工成型方法如锻造、焊接等，铸铁件生产成本相对较低廉。 ④铸铁件能够迅速吸收振动。由于铸铁的集体中有石墨存在，割裂了金属基体的相互联系，使得在振动时，尤其是机器在高速运动时，能够迅速吸收振动。铸铁件用在机器底座有最好的效果。 ⑤铸铁件具有良好的切削加工性能。这也是因为铸铁中有石墨存在，是切削容易断裂，并成为天然的润滑剂。同时铸铁件有较小的切口敏感性。 ⑥铸铁件报废时，铸件可以回炉重熔，铸铁件的回用性好。 正因为铸铁件有一系列的优点，铸铁件的生产占铸件生产总量的比重最大，铸铁件的品种几乎涵盖了从机械制造到日常生活的各种零部件，从工作母机床身箱体到汽车的缸体缸盖，从采暖锅炉、排水管道到水泵阀门以及钟、鼎等艺术品和日常生活的炊具等。随着现代科学技术的发展，人们对铸铁本质认识的提高，铸铁件不断得到广泛利用。 二、砂型铸造概述 2.1定义 铸造一般可分为砂型铸造和特种铸造两大类。当直接形成铸型的原材料主要为型砂，且液态金属完全靠重力充满整个型腔时，这种铸造方法称为砂型铸造。 砂型铸造一般可分为手工砂型铸造和机器砂型铸造。前者主要适用于单件，小批量生产以及复杂和大型铸件的生产，后者主要适用于成批，大量生产。 砂型铸造生产工艺流程：材料准备→造型制芯→下芯合箱→炉料准备→合金熔炼→铸件浇注→落砂清理→铸件检验→热处理→合格入库 2.2特点 ① 成形方便且适应性强 金属液态成型方法对工件的尺寸形状几乎没有任何限制，铸件的材料可以是铸铁，铸钢，铸造铝合金，铸造铜合金等各种金属材料，也可以是高分子材料和陶瓷材料；铸件的尺寸可大可小，形状可简单可复杂。 ② 成本较低 由于成行方便，铸件毛坯与零件形状相近，能节省金属材料和切削加工工时，使用原材料来源广泛，可以利用废料、废件等，节约资源；因此，铸件的成本较低。 ③ 生产工艺简单，生产周期短 所用设备通常比较简单，操作简便，投资较少。 ④ 成形的组织性能较差 铸件晶粒粗大﹙铸态组织﹚，化学成分不均匀，力学性能较差。因此，以用作受力不大或承受静载荷的机械零件，如箱体，床身，支架等常用铸件。 2.3应用 随着现代科学技术的发展，人们对铸铁本质认识的提高，铸铁件得到了广泛应用。如高强度、高弹性模量的灰铸铁在机床铸件的应用，由于熔化设备的改进和造型制芯技术的进步以及国产的系列孕育剂、球化剂、蠕化剂的商品化，使高强度、薄壁铸铁件的铸造生产技术得到了很快的发展和广泛的应用，灰铸铁表面激光强化技术应用于生产，人工智能技术在灰铸铁性能预测技术的应用，都使灰铸铁件质量有大幅度的提高，不断地扩大了铸铁件的应用范围。 依据铸件结构、重量、尺寸、数量不同，可选用不同的造型方式。在全部铸件产量中，60%～70%的铸件是用砂型生产的，主要是因为砂型铸造方法成本低、生产工艺简单，所以汽车的发动机汽缸体、汽缸盖、曲轴等铸件都是用湿型砂工艺生产的。当湿型砂不能满足要求时可以考虑使用湿型表干型、干砂型或其他砂型。 2.4发展概况 铸造业在我国具有悠久的历史，他充分的体现出了我国劳动人民聪明才智。 ①早期 中国商朝的重875公斤的司母戊方鼎，战国时期的曾侯乙尊盘，西汉的透光镜，都是古代铸造的代表产品。早期的铸件大多是农业生产、宗教、生活等方面的工具或用具，艺术色彩浓厚。那时的铸造工艺是与制陶工艺并行发展的，受陶器的影响很大。 ②发展 中国在公元前513年，铸出了世界上最早见于文字记载的铸铁件－晋国铸型鼎,重约270公斤。欧洲在公元八世纪前后也开始生产铸铁件。铸铁件的出现，扩大了铸件的应用范围。例如在15～17世纪，德、法等国先后敷设了不少向居民供饮用水的铸铁管道。18世纪的工业革命以后，蒸汽机、纺织机和铁路等工业兴起，铸件进入为大工业服务的新时期，铸造技术开始有了大的发展。 ③近代 进入20世纪，铸造的发展速度很快，其重要因素之一是产品技术的进步，要求铸件各种机械物理性能更好，同时仍具有良好的机械加工性能；另一个原因是机械工业本身和其他工业如化工、仪表等的发展，给铸造业创造了有利的物质条件。如检测手段的发展，保证了铸件质量的提高和稳定，并给铸造理论的发展提供了条件；电子显微镜等的发明，帮助人们深入到金属的微观世界，探查金属结晶的奥秘，研究金属凝固的理论，指导铸造生产。 三、砂型铸造工艺设计 3.1工艺设计的依据 ① 铸造零件图样。 提供的图样必须清楚无误，尺寸和标记完整、标记齐全。经审查有必要修改图样时，应与用户协商，取得一致意见后已修改的图样作为设计依据。 ② 零件的技术要求。 包括金属材质牌号、金相组织、力学性能要求、铸件尺寸和重量公差及其他特殊性能要求，如是否经过水压或气压检验、零件在机器上的工作条件等，在铸造工艺设计时应注意满足这些要求。 ③艺装备尽可能产品批量及生产期限。 根据产品数量可划分为三种生产类型：即大量生产，成批生产和单件小批量生产。对于批量大的产品，应尽可能的采用先进的生产工艺，以保证质量，满足时限要求。对于应急的单件产品，则应考虑是工简单，以便缩短生产周期，并获得较大的经济效益。 3.2分析铸件图 图3—1 端盖的零件图 该铸件为端盖，其材料为HT150,灰铸铁的特征有断口呈暗灰色，碳主要以石墨形式存在，为片状石墨，少量溶于基体中，部分以碳化铁形式组成珠光体。 HT150的性能特点：强度低、好的减震性和铸造性能。 生产类型：批量生产； 造型材料：粘土砂造型，一箱一件； 应用:力学性能要求不高的零件。 最大尺寸348㎜×72㎜ 最大壁厚20.5㎜ 最小壁厚7㎜ ①铸件的力学性能。 表3—1 铸件力学性能 牌号 铸件壁厚／㎜ 抗拉强度σb/MPa ﹥ ≦ HT150 2.5 10 175 10 20 145 20 30 130 ②铸件的化学成分。 表3—2 铸件化学成分（质量分数，%） 牌号 铸件壁厚∕㎜ C Si Mn P≦ S≦ HT150 20 3.5～3.7 2.2～2.4 0.4～0.6 0.40 0.15 20～30 3.4～3.6 2.0～2.3 3.3铸件的结构工艺分析 ① 端盖结构的铸造工艺性和生产条件，结构及技术要求。 结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。审查、分析应考虑如下几个方面： 1）铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。 2）铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角 铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。 3）铸件内壁应薄于外壁 铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。 4）壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。 5）利于补缩和实现顺序凝固。 6）防止铸件翘曲变形。 7）避免浇注位置上有水平的大平面结构。 ② 铸造工艺参数 1）铸造收缩率 铸造收缩率又称为铸件线收缩率或铸件缩尺，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示： e=(L-l)/L×100% (3-1) 式中 e—铸造收缩率 L—模样长度 l—铸件长度模样的选择 木模：轻便，容易加工，价格低廉，但强度低，易吸潮变形，只适合于单件、小批量生产的各种铸件，通常采用实心结构。 金属模：金属制作摸样的材料有铝合金、铜合金、铸铁等。铜合金轻便、加工性能好、表面光洁、不易生锈，但耐磨性较差，主要用于大批量生产的模样及模板；铜合金易加工、表面光滑、耐蚀、耐磨但成本高，重量大，主要用于精度要求较高的薄、小铸件和活块；铸铁强度强度、硬度较高，耐磨且价低，表面光滑，但重量大、易生锈且不易加工，主要用于大批量生产的模底板及少数情况下的模样。 由于本次设计单件小批量生产，设计原则以简单、方便、器材简单、效率高，所以选木模。 表3—3 铸铁件铸造收缩率 灰铸铁铸件种类 收缩率／% 阻碍收缩 自由收缩 中小型铸件 0.8～1.0 0.9～1.1 中大型铸件 0.7～0.9 0.8～1.0 特大型铸件 0.6～0.8 0.7～0.9 该铸件的收缩率为0.9。 2）机械加工余量 查《铸造工》得，该铸件机械加工余量为8㎜。 3）起模斜度 图3—2 起模斜度的形式 表3—4 起模斜度及应用 类型 增加壁厚法 加减壁厚法 减小壁厚法 应用 用于和其它零件配合的加工面 用于不与其它零件配合的加工面 用于和其它零件配合的非加工面 该铸件选用增加壁厚法。 表3—5 砂型铸造用起模斜度 测量高度∕㎜ 金属模 木模 a∕㎜ a a∕㎜ a 50～100 1.0～1.5 0°45′～1° 1.5～2.0 1°1°～30′ 4）工艺补正量 查《铸造工手册》得，该工艺补正量为2.5㎜。 5）分型负数 查《铸造工手册》得，该分型负数为1.0㎜。 3.4造型方法的选择 手工造型和制芯应用面广，适应性强，生产组织灵活，生产周期短；工艺装备简单，制造容易。因此，对单件、小批量、多品种铸件的生产具有明显优势。手工生产还是某些复杂铸件、大型铸件以及重型铸件的最基本生产方法。 与手工造型、制芯方法相比，在中小型铸件的大批量生产方面，机器造型和制芯，尤其是采用自动化生产方式，更能够满足现代化产业的铸件需求。无论是铸件质量还是产品质量，都是手工生产无法比拟的。因此 ，在可能条件下，应尽量选用机器造型和制芯。 该铸件选用手工造型。 3.5铸型种类的选择 ① 湿型。 一般情况下，中小型铸铁件应尽量选用湿型铸造。湿型生产率高，生产周期短；砂型无需烘干，劳动条件好；砂型成形性好，铸件尺寸精度高；铸型的落砂性好，砂箱使用寿命长。因此，机械化造型以及自动高压造型线均采用湿型铸造。 湿型也存在某些不足之处：铸型强度低，在铁水的冲击或烘烤作用下，容易产生砂眼、夹砂缺陷；砂型含有较多水分，铸件容易呛火，产生气孔。对于厚大、形状复杂以及技术要求高的铸件，往往也不能采用湿型。 ② 干型。 干型是将砂型和砂芯刷上涂料后，进入烘炉里烘干，使整个砂型和砂芯都得到干燥。干型水分少，强度高，透气性好，铸件质量能够得到保证。但使用干型占地面积大，工时长，消耗能源，污染环境。 ③ 表干型。 指将铸型表层烘干一定深度，是介于湿型和干型之间的一种改良铸型。它与湿型相比，砂型表面层水分少，浇注大件就不容易产生气孔、粘砂、夹砂和冲砂等缺陷。与干型相比，节约能源，缩短了生产周期。因此，适合于轮廓尺寸较大或地坑中生产的铸件。 在此选用湿型。 3.6确定铸件浇注位置 确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的一环，关系到铸件的内在质量、铸件的尺寸精度及造型工艺的难易程度。确定铸件浇注位置在很大程度上取决于控制的凝固。实现顺序凝固的铸件，可消除缩孔、缩松、保证获得致密的铸件，确定浇注位置应遵循“三下一上”的原则。 ①重要加工面应朝下或呈直立状态。 ②尽可能使铸件大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷。 ③薄壁部位应尽量朝下。 ④厚大部分应放在上部，以利于铸件的补缩。 ⑤尽量避免用吊砂、吊芯或悬臂芯，便于下芯、合箱及检验。 ⑥应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致。 3.7铸型分型面的选择 分型面的选择在很大程度上影响着铸件的质量、成本和生产率。因此，分型面要仔细分析对比、慎重加以选择的。分型面的选择要根据铸件的结构特点，生产类型和车间生产条件来确定。选择分型面应注意如下几项原则： ①要保证起模方便，尽量不用或少用活块。 ②应尽量减少分型面数目。 ③尽量选用平直分型面。 ④应尽量使铸件整个或大部分置于同一半型内。 ⑤应尽量使砂芯数量少，芯头稳固可靠，下芯方便，便于合箱及检验壁厚。 ⑥应尽量降低铸型总高度。 ⑦分型面的选择，应尽量减少铸件毛刺飞边。 ⑧分型面的选择应尽量避免铸型合箱后再翻转铸型。 初步对端盖进行分型有：一如图a、方案二如图b； 图3—3a 分型面方案一 图3—3b 分型面方案二 对方案一进行综合分析如下： ①铸件位于同一半型内，合箱对准却误差小； ②砂胎全部位于上半型内，呈吊砂状态； ③浇注类型为顶注式，压头压力小，较易充型； ④凝固顺序为由下至上，端盖重要部分先凝固； 对方案二进行综合分析如下： ①铸件位于同一半型内，合箱对准却误差小； ②浇注类型为底注式，压头压力大，易冲型； ③凝固顺序为由上至下，端盖重要部分最后凝固； 考虑铸件的重要部分与缺陷产生条件，选择方案一。 3.8浇注系统设计及其选择 ① 浇注系统的特点及其应用 浇注系统按内浇道在铸件上的注入位置，可分为顶注式、中间注入式、底注式以及阶梯注入式。 1）顶注式。 此类浇注系统结构简单紧凑，便于造型，节约铁水。顶注式铸件中所形成的温差，符合顺序凝固原则，有利于冒口补缩。缺点是铁水对铸型底部有冲击，铁水飞落激溅，易造成砂眼、铁豆、气孔和氧化夹渣等缺陷。 顶注式浇注系统适宜于结构比较简单且高度不大的薄壁铸件，或致密性要求较高，需用冒口补缩的中、小型厚壁铸件。 2）中间注入式 它对于铸件在分型面一下部分相当于顶浇，对于上半部分则是底浇，故兼有顶浇和底浇两方面特点。 中间注入式浇注系统，适宜于壁厚均匀，高度不很大的各类中、小型铸件。机器造型中应用普遍。 3）底注式。 底注式冲型平稳，不会冲坏型腔和产生铁水激溅，型腔内的气体易于排除，挡渣效果较好。由于高温铁水从底部引入型腔，对铸件补缩不利。此外，冲型速度比较慢。底注式浇注系统，适用于技术要求高，结构复杂的铸铁件。 4）阶梯注入式。 这种浇注方式铁水冲击力小，冲型平稳，高温铁水集中在型腔上部，有利于补缩和排气，内浇道分散，减轻了铸型局部过热程度。但是这种浇注系统铁水消耗多，造型比较麻烦。 阶梯式浇注系统，适用于形状复杂和高大的铸件。 该铸件选用顶注式浇注系统。 浇注系统按各组员截面比例，可分为封闭式、开放式、半封闭式以及封闭——开放式四种类型。 表3—6 浇注系统按各组员截面比例分类 型 式 特 点 应 用 封闭式 Az﹥Ah﹥An 充型迅速，呈有压流动状态，有一定挡渣作用 灰铸铁大、中、小件 开放式 Az﹤Ah﹤An 冲型平稳，冲刷力小，但易带入熔渣和气体 1t以上灰铸铁 半封闭式 Ah﹥Az﹥An 系统中呈充满状态，撇渣能力强，对铸型冲刷力小 灰铸铁件，表干型，薄壁球铁件，底注式 封闭—开放式 Az﹥Azu﹤Ah﹤An或Az﹥Azu﹤An﹤Ah 在横浇道阻流片处封闭，靠阻流片挡渣，后段开放，充型平稳 成批或大量流水线生产 Ab﹥Az﹤Ah﹤An 在直浇道根部处封闭，靠浇口杯挡渣，后段开放，充型平稳 大量生产的中、小铸件 Ab﹥Az﹥Aj﹤Ah﹤An 在集渣包处封闭，靠集渣包挡渣，后段开放，充型平稳 重要的中、大型铸件 该铸件选用封闭式充型。 ②浇注系统设计 1）铸件的体积和质量 （1）体积 V1=3.14×（57.5²—46.5²）×38=136502.08㎜³ V2=3.14×9.5²×38×3×1∕2=16152.945㎜³ V3=（148.5²—138²）3.14×44=415619.8㎜³ V4=3.14×7×（138²—67²）=319918.9㎜³ V5=（38+25）×15×1∕2×4+10×20×71×3=44490㎜³ V=136502.08+16152.945+415619.8+319918.9+44490=932683.7㎜³ （2）质量 灰铁的密度ρ=7.2g／㎝³ m=ρv （3—2） M=7.2g／㎝³×932.68㎝³=6715.3g=6.8㎏ 2）浇注时间 t=k （3—3） 式中：t—浇注时间（s）; G—浇入型内的金属液总质量（㎏）； δ—铸件的平均壁厚（㎜），对于圆形或正方形的铸件，δ取其直径或边长的一半； k—系数。 表3—8 铸铁件k值的选择 铸件种类或工艺要求 大型复杂铸件、高应力及大型球墨铸铁件 防止侵入气孔和呛火 一般铸件 壁厚小件、球墨铸小件防止缩孔、缩松 K值 0.7～1.0 1.0～1.3 1.7～2.0 3.0～4.0 t=k =7.6s 3）型内金属液面上升速度 V=C／t （3—4） 式中C—铸件最低点到最高点的距离，按浇注时的位置确定（㎜）； T—计算的浇注时间（s）。 V= C／t =31.6㎜／s 表3—9 一般允许铁液的最小上升速度V范围的参考值 公 式 铸件平均壁厚／㎜ 上升速度V／（㎜／s） V=C／t 式中C—铸件高度，㎜ t—浇注时间，s ﹥40或大型平面水平浇注 40～10 10～4 ﹤4 5～15 10～20 20～30 30～100 4）阻流截面的面积 （1）平均压头Hp的计算 Hp=Ho- （3—5） Hp—内浇到以上的金属液压头，等于内浇道至浇口盆液面的高度（㎝）； C—浇注时铸件高度（㎝）； P—内浇道以上的铸件高度（㎝）。 表3—10 平均压头Hp的计算方法 浇注方法 平均压头 顶注式 P=0 Hp=Ho 底注式 P=C Hp=Ho-C／2 中间注入式 P=C／2 Hp=Ho-C／8 由于本铸件浇注选用顶注式，所以Hp=Ho=12cm² （2）阻流截面积 S阻= （3—6） 式中：S阻—阻流截面面积（㎝²）； G—浇注重量（㎏）； μ—流量系数； t—浇注时间（s）； Hp—作用于内浇道的金属液静压头，一般取平均压头（㎝）。 表3—11 灰铸铁的流量系数μ值 铸型类型 铸型阻力 大 中 小 湿型 0.35 0.42 0.50 干型 0.41 0.48 0.60 该铸件铸型阻力小选用湿型，μ=0.5 表3—12流量系数μ的修正值 影响μ值的因素 μ的修正值 内浇道总截面积相同而数量增多时，阻力增大，μ值减小 两个内浇道时 四个内浇道时 -0.05 -0.10 该铸件选用两个内浇道 μ=0.5 修正后μ=0.45 S阻= =2.3cm² ②浇道的设计 表3—13 灰铸铁件浇注系统各组元截面比例及其应用 截 面 比 例 应 用 Az Ah An 2 1.5 1 大型灰铸铁件砂型铸造 1.4 1.2 1 中大型灰铸铁件砂型铸造 1.15 1.1 1 中小型灰铸铁件砂型铸造 1.11 1.06 1 薄壁灰铸铁件砂型铸造 该铸件为小型铸件，并且为薄壁铸件，因此，截面比例为 Az：Ah：An=1.11:1.06:1 S内=2.3cm² 2.3:S横:S直=1：1.06:1.11 S横=2.4cm² S直=2.55cm² 内浇道： b=1.6cm 横浇道： b=1.7cm 直浇道： =2.55 = 1.8cm ③浇口杯的计算 浇口杯的尺寸大小必须保证其容量满足直浇道的流量要求，以发挥挡渣作用。浇口杯中的金属液重量可以有单位时间内进入铸型的金属液量乘以系数计算。 G杯= （3—7） 式中G杯——浇口杯中的金属液重量（㎏）； G——浇注重量（㎏）； T——浇注时间（s）； m——与铸件重量有关的系数。 表3—14 铸件重量与系数m的关系 铸件重量（㎏） ≤100 101～500 501～1000 1001～5000 5001～50000 m 3 4 6 7.5 8 G杯= =3.3㎏ 四、造型材料及其制备 4.1型砂的制备及性能控制 ① 黏土型砂 黏土型砂是目前砂型铸造中应用最多的造型、制芯的造型材料。它是由原砂、黏土、附加物和水，根据工艺要求按一定比例混制而成。 砂型是指型砂在外力作用下成形并且达到一定紧实度的毛细管多孔隙体系，原砂是主要材料，约占型砂总量的82%～98%；黏土是作为粘结剂以粘结膜形式包覆砂粒起粘结砂粒的作用，使型砂具有强度和韧性；附加物是为了改善型砂所需要性能而加入的物质。 黏土砂型根据在合箱和浇注时的状态不同可分为湿型、干型和表干型三种。湿型砂型是使用最经济、最方便的造型方法，约占所有砂型造型使用量的50%以上。 该铸型选用湿型。 铸件用砂，选用二氧化硅含量大于85%的硅砂，粒度代号为15，粘结剂选用铸造用膨润土，它具有较大的吸水膨胀性、胶体分散性、吸附性、离子交换性和湿态粘结性能。附加物选用煤粉，它能在高温金属液的作用下生成一层还原性气体保护膜，将液态金属与砂型隔开，同时煤粉受高温作用后在砂型和金属液界面生成一层亮碳膜，不仅防止机械粘砂，也能防止化学粘砂。 表4—1 铸铁件湿型黏土砂配比及性能 配比（质量分数）% 性能 新砂 旧砂 膨润土 煤粉 含水量／% 湿强度／MPa 紧实率／% 透气性 5～10 90～95 0.5～1.0 0.8 3～4 0.08～0.12 40～45 100～150 湿型砂的制备：黏土湿型砂的加料顺序为回用的砂、新砂、黏土、煤粉、水。 混砂时间由混砂机形式和型砂中黏土含量决定，粘土含量越高，混砂时间越长。碾轮式混砂机的混砂时间为，单一砂3～5min。 ② 型砂混合 混合是用混砂机将砂、粘结剂和附加物混制成型砂的过程。常用的混砂机有碾轮式、碾轮转子式、摆轮式等几种。在此，选用碾轮是混砂机。 碾轮式混砂机是靠刮板和碾轮实现搅拌，碾压和挫研作用的间歇式混砂机。它的混合质量好，特别适用于混制含黏土量较多的面砂。它主要由主轴、刮板、碾轮、卸料门、防护罩和气动拉杆组成。 图4—1 碾轮式混砂机 1—主轴；2,4—刮板；3,5—碾轮；6—卸料门；7—防护罩；8—气动拉杆 4.2涂料 型腔（芯）表面的涂覆材料称为涂料，呈液态、膏状或粉状。通常在砂型(芯)表面涂覆一层涂料以提高铸型（芯）的耐火度、化学稳定性、抗金属冲刷性和表面强度，并使型（芯）表面光洁，已获得优质光洁的铸件。涂料是防止粘砂、夹砂、砂眼等表面缺陷，以及可以减少落砂清理工作量，降低铸件成本的有效技术措施，它已成为铸造生产中不可缺少的造型材料之一。 ①涂料的作用。铸型涂料的作用有以下几方面。 1）防止铸件粘砂。 2）降低铸件表面粗糙度。 3）提高型（芯）表面强度。 4）此外涂料还有屏蔽隔离作用，在涂料中加入某些特殊合金成分可以实现铸件表面合金化和晶粒细化；涂料中加入某些保温材料可制成保温性能良好的绝热涂料，实现对铸件局部温度场的调节和对凝固顺序的控制；涂料中加入激冷材料，对铸造热节有较强的激冷作用，有时可代替冷铁。 ② 涂料的分类。 按照涂料的载体不同分为水基涂料和有机溶剂涂料。依使用方法分为刷、浸、喷、淋等。 ③ 涂料的组成物 1)耐火材料。是涂料的骨干材料，是涂料抗粘砂性的决定因素。铸铁用涂料主要用石墨粉。 2)黏结剂。常用的黏结剂大致分为无机和有机两类。按涂料与水亲和能力又可分为亲 水型和憎水性。 3)悬浮剂。常用钠基膨润土作为水基涂料的悬浮剂，有机膨润土作为有机溶剂是较为理想的悬浮剂。 4)载体。又称载液或溶剂，或称稀释剂。其主要作用是使耐火材料分散，形成便于涂覆的浆状涂料，最常用的是以水为载体的水基涂料，和用乙醇为载体点火干燥有机溶剂涂料。 5)添加剂。为了改善涂料的某些性能而添加的少量附加物。 4—2 铸铁用醇基涂料配方（质量分数，%） 土状石墨粉 鲮片状石墨粉 悬浮稳定剂 甲醇 酒精 丙酮 膨润土 PVB① 15～40 10～30 0～3 1～2 15～20 10～30 5～10 注：①PVB即聚乙烯醇缩丁醛。 ④ 涂料的配置工艺。 1）浆状涂料的制备。 先在所有水溶剂材料中加入适量水，在搅拌机中搅拌使其完全溶解。加入耐火材料以及其他粉状材料，进行充分的搅拌分散，研磨，最后边加水边搅拌，并调整涂料的密度和黏度。 2）膏状涂料的制备。 先将所有干性原材料在混砂机中混碾和碾压30分钟，达到充分的均匀后，然后加入液态材料和少量水进行较长时间碾压，制成均匀的涂料膏，使用前将涂料膏放入搅拌机中加水搅拌均匀，达到所要求的密度和黏度即可使用。这种涂料成分均匀，性能较好。 选用浆状涂料。 ⑤ 涂料的涂覆方法。 涂料的应用范围很广，无论是干型、表面干型还是金属型或湿型铸造都使用涂料。涂料的涂覆方法有刷、浸、喷和流涂等。生产实践中应综合考虑生产工艺，批量，型（芯）大小和结构等因素合理选择涂覆方法。 1）刷涂法。 是最简单、最灵活、最常用的涂覆方法。应注意的是：涂料要涂刷均匀，厚薄适当，镘刀单方向地将涂膏压紧压实，再刷一层稀涂料。该方法生产效率低，涂层质量也不易稳定。 2）浸涂法。 生产效率高，容易获得光洁、均匀的涂层，适用于机械化作业的砂芯上涂料，浸涂的流变性，渗透性和悬浮性都有很高要求。 3）流涂法。 流涂法的生产效率高，涂后无刷痕，表面光洁，涂料浪费少，对环境污染小，操 作容易。缺点是涂层厚度不易控制，对涂料性能要求严格。 4）喷涂法。 生产效率高，适用于机械化流水线生产，用于大面积型芯，容易获得光洁、无痕迹、厚度均匀的涂层。不足之处是在型芯的凹处形成气垫影响喷涂效果，另外部分雾气的涂料进入作业现场，既耗费涂料又加重环境污染。 在此选用喷涂法。 4.3手工造型的方法 ① 手工造型概况。 手工造型是用手工完成紧砂、起模、修型及合箱等主要操作的造型过程。手工造型操作灵活，模样等工艺装备简单，无论铸件尺寸大小，复杂程度及合金的种类如何，均能适应。但手工造型要求工人有较高的技术水平，劳动强度大，生产效率低，铸件质量在很大程度上取决于工人的技术水平和熟练程度，不易稳定。因此手工造型主要应用在单件小批量生产中。 ② 方法选择。 手工造型的方法很多，在此选用吊砂造型，上箱型腔内悬着的砂胎，称为吊砂。吊砂通常用来形成顶部（指在砂型中）具有凹下部分的铸件。吊砂处于悬吊状态，所以在吊砂的深度较大时就要进行加强。根据吊砂使用情况和应用场合不同，可用木材、砂钩、钉子、骨架及具有特殊箱带的砂箱等来加强。 五、铸造工艺装备设计 5.1模样的类型及其结构 ① 模样的类型 根据铸件的结构特点、造型方法和生产批量不同，可选用不同的材料制作模样。按照制作模样的材料主要分为木模、金属模和塑料模三类。 1）木模。 用木材制成的模样称为木模，是生产中应用较多的一种模样。它具有质轻、易加工、生产周期短、成本低等优点。但强度和硬度低，容易变形和损坏，一般用于单件小批量生产中。制造模样的木材要求纹理平直、纤维坚韧、硬度适中、质地细密、吸湿性低、缩胀性小、无木节裂纹等缺陷。 木模按结构形式分为实体模样、空心框架模样、刮板模样等三种类型。小型铸件的模样，特别是高压造型使用的模样采用实体结构。大、中型木模一般采用多块木料品接组合的中空框架模样。对较大的木模，中心可做成钢骨架结构。单件或小批量生产的回转体或形体简单的铸件，为节省制模材料和加工工时，常用刮板模进行造型。 2）金属模。 金属模是用铝合金、铸铁、铸钢、铜合金等金属制成的模样，它具有强度高、尺寸精确、表面光洁、耐磨耐用等优点。但制模的生产周期长、成本高、多用于成批大量生产。 金属模样较小时，可做成实体结构，中大型模样一般都做成空心结构。 3）塑料模。 塑料模是以环氧树脂为主要材料制成的模样。它具有表面光洁、起模性能好、不易变形、质轻、耐磨、耐腐蚀、制造工艺简单、生产周期短等优点。缺点是使用中不能加热，在制造时挥发出有害气体。多用于成批生产的小件，特别是形状复杂和机械加工困难的模样。 该铸件选用木模。 ②模样的结构 1）模样本体。 模样本体是指与形成铸件外轮廓相对应的结构部分。模样本体的形状和尺寸除了要考虑产品零件的形状和尺寸以外，还要考虑零件的铸造工艺尺寸，包括零件材料的铸造收缩率、机械加工余量、起模斜度、工艺补正量等各种工艺参数。 模样尺寸的计算公式： Am = ( Aj ± Ay ) ( 1+K ) （5—1） 式中 Am—模样的尺寸； Aj—零件尺寸； Ay—零件的铸造工艺尺寸； K—铸造收缩率； （+）—号用于模样的轴类尺寸； （—）—号用于模样孔类尺寸。 2）分模样。 3）芯头。 4）定位与连接结构。 5）起出结构。 6）其它铸造工艺结构。 ③ 模底板本体结构设计 模底板，结构设计主要包括下列内容：模底板材料、平面尺寸、高度、定位销孔中心距，壁厚和加强肋，与砂箱的定位，手把以及吊轴，模底板在造型机上的安装等。 成批大量生产小件时模底板常用铝合金，中大件平面模底板常用铸铁、球铁，也可用铸钢。单件小批用的模底板也有用木材的。 该铸件为单件小批量，所以采用木材。 图5—1 常用模底板结构 1—导向销；2—底板；3—固定砂箱用楔形块；4—固定于造型机上用的紧固耳； 5—定位销耳；6—吊轴；7—定位销 表5—1模板与砂箱的定位方式及应用 图5—2 定位销结构 图5—4 吊轴结构 图5—3 模底板上定位销耳的结构 图5—5 模样在模底板上的定位及紧固 5.2砂箱的选用及设计 ①砂箱的使用要求 砂箱的结构和尺寸对于铸件质量、生产效率、劳动强度有很大影响，砂箱的基本工艺要求包括： 1）砂箱内壁和模样之间留有足够的吃砂量，箱带不妨碍浇冒口的收缩，箱壁设有排气孔，利于铸型的烘干和浇注中排气。 2）砂箱的箱壁、吊轴、吊环等结构要有足够的强度和刚度，确保安全生产，经久耐用，又要结构简单、轻便和容易制造。 3）砂箱的定位装置要准确、使用方便。紧固装置要安全可靠。 4）箱壁和箱带结构既要有利于附着型砂，又要便于落砂和脱出铸件。 5）砂箱的规格尽可能化、系列化、通用化，以减少砂箱数目，降低铸件成本，便于使用和管理。 ②砂箱的选用 选用砂箱的总体原则是：砂箱大小和高度合适，重量轻，强度高，箱壁能很好的粘附型砂，易装配合型并保证定位准确，紧固方便可靠。 1）砂箱尺寸的确定 砂箱尺寸一般用分型面处砂箱内框的长度A、宽度B及高度H来表示，即A×B×H（㎜）表示（圆形砂箱用内框直径D表示）。确定砂箱尺寸的主要依据是铸造工艺图、模样、浇冒口及冷铁的布置，再加上合理的吃砂量。 表5—2 铸型各处吃砂量参考值 该铸件砂箱的尺寸为430㎜×430㎜×120㎜。 2）砂箱及其附件的材料 砂箱各部分材料使用情况见下表 表5—3 砂箱及其附件的材料 名 称 选 用 材 料 热处理要求 砂箱本体 HT200 进行自然时效或退火处理 定位销 45钢 20、15钢渗碳，深度不小于0.8㎜，45钢应淬火，硬度45～50HRC 定位衬套 45钢 紧固箱卡 螺栓 手柄 吊轴 45钢 — 3）砂箱的定位箱耳 4）合型销 图5—6 销及销套定位 5）销套 6）锁紧装置 7）搬运和翻箱装置 图5—7 插销结构 图5—8 定位套结构 图5—9定向套结 六、合金熔炼及其浇注 6.1熔炼工艺顺序及备料 ① 熔炼工艺顺序：备料→配料→装料→熔炼→检查炉料成分→调成分测温度→出铁→静置→浇注； 生产原料选用:生铁、回炉料、废钢、硅铁、锰铁 该铸件的生产选用冲天炉。冲天炉具有结构简单、操作容易、可连续生产、热效率高等优点，也有铁液化学成分和温度波动较大，污染环境，劳动条件差得缺点。 冲天炉的操作要点：1）炉料准备，2）修炉、修包及其烘烤，3）点火及装料，4）熔化及控制，5）停风及打炉。 ② 配料计算 1） 灰铸铁化学成分 表6—1 灰铸铁化学成分（质量分数，%） 牌 号 铸件壁厚∕㎜ C Si Mn P≦ S≦ HT150 ﹤20 3.6 2.4 0.5 0.4 0.15 2)计算过程 表6—2 数据汇总表 化 学 成 分 C Si Mn P S 铁 液 3.6 2.4 0.6 ﹤0.2 ﹤0.12 炉 料 生 铁 3.8 2.5 0.8 0.2 0.05 回 炉 铁 3.3 1.7 0.6 0.2 0.10 废 钢 0.2 0.15 0.45 0.05 0.05 硅 铁 / 45 / / / 锰 铁 / / 60 / / 炉内元素 增减量 +15 -10 -15 0 +50 表6—3 灰铸铁金属炉料配比参照表（质量分数，%） 牌 号 HT100 HT150 HT200 废 钢 0～10 0～15 15～25 回 炉 料 60～40 65～40 55～35 新 生 铁 40～50 35～45 30～40 配料计算： (1)计算金属炉料中各元素应有的平均含量 W(C炉料)=W(C铁液)／（1+15%）=3.6%／1.15=3.1% W（Si炉料）=W（Si铁液）／（1+10%）=2.4%／0.9=2.7% W（Mn炉料）=W（Mn铁液）／（1-15%）=0.6%／0.85=0.7% W（S炉料）﹤W（S铁液）∕（1+50%）=0.12%∕1.5=0.08% W（P炉料）﹤0.4% (2)根据铸件情况确定回炉铁配比（质量分数）为45%。 (3)根据金属炉料应有的含碳量，计算生铁和废钢的配比。设生铁配比为X，废钢配比为Y。则得方程组 X+Y+45%=100% 3.8X+0.2Y+3.3×45%=3.1% 解方程组得X=42% Y=13% (4)核算硅量，计算硅铁加入量 由生铁、回炉料、废钢三种炉料中已带来的硅量为 2.5%×42%+1.7%×45%+0.15%×13%=1.835% 金属炉料中应有的含硅量为2.7% 尚缺硅 2.7%—1.835%=0.865% 应补加的硅铁量为0.865%÷45%=1.9% (5)核算锰量，计算锰铁加入量 三种炉料中已带来的锰量为 0.8%×42%+0.6%×45%+0.45%×13%=0.665% 金属炉料中应有的含锰量为 尚缺锰 0.7%—0.665%=0.035% 应补加的锰铁量为0.035%÷60%=0.058% (6)校验磷、硫含量 三种炉料带来的磷量为 0.2%×42%+0.2%×45%+0.05%×13%=0.181%﹤0.2% 三种炉料带来的硫量为 0.05%×42%+0.1%×45%+0.05%×13%=0.073%﹤0.12% 故磷、硫合格 (7)配料单 表6—4 配料单 牌 号 项 目 生 铁 回炉料 废 钢 45%硅铁 60%锰铁 HT150 炉料配比（质量分数，%） 42 45 13 1.9 0.058 批料重∕㎏ 84 90 26 3.8 0.1116 注：配料单中批料重量以200㎏计算。 6.2铸件的浇注 ① 浇注温度 浇注温度的高低，对铸件的质量影响很大，温度越低则流动性越差，容易产生冷隔和浇不足等，但温度过高，会使铸件表面粘砂，铸件缩孔体积增大，晶粒变粗。 具体的浇注温度应按铸件的牌号及结构尺寸而定，从铸件结构来看：小铸件、薄壁铸件，结构复杂及不容易浇成，要采用较高的浇注温度。反之，应采用较低的浇注温度。从铸件牌号来看，高牌号灰铸铁件宜采用较高的浇注温度。 灰铸铁具有良好的流动性，在铸造工艺上常采用“高温出炉，低温浇注”，这既有利于去除夹渣、细化组织、提高力学性能，又可以避免高温浇注带来的各种缺陷。 常见铸铁件的浇注温度见表5—5。 表6—5 铸铁件砂型铸造浇注温度 单位：℃ 铸铁名称 熔点 浇注温度 壁厚﹤20㎜ 壁厚20～30㎜ 壁厚﹥30㎜ 灰铸铁 1130～1200 1340～1400 1320～1380 1280～1360 ② 浇注速度 浇注速度对铸件质量的影响也是很大的，较高的浇注速度可使铁液更好的充满铸型，减少金属的氧化，对要求均匀冷却的铸件有利，能使铸件各部分温差减小，但浇注速度过高，对铸件的冲刷力大，容易产生冲刷等缺陷。较低浇注速度，能使铸件各部分温差较大，使铸型的缩孔集中而便于补缩。但浇注速度过低，型砂因过热时间较长，易使型砂脱落，使铸件产生皱纹、冷隔、夹渣、砂眼等缺陷。 一般情况下，薄壁、形状复杂或有较大平面的铸件，采用快速浇注；形状简单、壁厚较大的铸件，宜采用低速浇注；湿型的浇注速度比干型快。 浇注速度使用浇注时间来衡量的，由浇注系统断面积大小来控制，一般铸件凭工作经验来确定浇注时间，而重要铸件需经过计算来确定浇注时间，一般灰口铸铁的浇注时间见表5—6。 表6—6 浇注时间 铸件质量∕㎏ 5～10 10～50 50～100 100～250 250～500 浇筑时间∕s 3～4 4～9 9～12 12～20 20～28 ②浇注操作 1)扒渣。浇注以前，一般须把包内铁液表面的熔渣除尽。 2)浇注。浇注时浇包嘴要靠近浇口杯，把挡渣棒放在包嘴附近的铁液表面上，防止熔渣随铁液流下。 3)引火。在浇注同时，在出气孔、冒口和分箱面附近点火引气，以利于型腔和砂型中因受热而产生的气体迅速排出。 4)去压铁载荷，浇注后，按规定时间及时去除压铁或卸下其他卡紧装置。 6.3落砂与清理 ①铸件的落砂 从砂型内取出铸件的操作，叫落砂，也称打箱。 浇注后，铸件在型砂内应有足够的冷却时间，才能开始落砂。提早落砂，铸件的强度和韧性不够，易产生变形和裂纹；过晚落砂，将延长生产周期，降低生产率。 1)落砂时间的选择。 铸铁件在型砂内的冷却时间 一般铸铁件在砂型内冷却到300～500℃，易冷裂和变形的铸铁件冷却到200～300℃，易热裂和需要提高强度和硬度的铸铁件冷却到800～900℃时，方可开箱落砂。 中小型铸件的冷却时间见下表。 表6—7 中小型铸铁件冷却时间 铸件重量∕㎏ 铸件壁厚∕㎜ 冷却时间∕min ﹤5 ﹤8 20～30 5～10 ﹤12 25～40 10～30 ﹤18 30～60 30～50 ﹤25 50～100 注：薄壁、重量轻的铸件，冷却时间取下限值，反之，取上限值。 2)落砂方法。 在此选用震动落砂机中的偏心震动式落砂。震动落砂机可分为偏心震动式、惯性震动式和电磁震动式三种形式。 偏心震动落砂机。其工作原理是工作时电动机带动偏心轴转动，使栅格随偏心轴的转动而作周期性的上下震动，是放在栅格上的铸型发生猛烈碰撞，而达到落砂的目的。型砂经栅格孔落下到输送皮带上运走，铸件则沿栅格斜面滑下至下道工序。 这种落砂机有事先设定的振幅，工作性能比较稳定，但冲击载荷全部由主轴轴承承受，因而轴承寿命短，维修工作量大，适用于生产中小型的落砂。 ②铸件的清理 1)浇冒口的去处 选用电弧气割。将碳精棒和铸件分别与工作电源两级相连，通电发生电弧，产 生大量热量，将金属熔化而铸件切割，电弧切割比氧气切割速度慢的多，且切口质量不好。若在切割同时通以压缩空气，将熔化金属吹走，称为电弧气割。这种方法可用于铸铁件和铸钢件。 2)铸件表面的清理 选用喷丸清理。喷丸清理是以压缩空气为动力，将金属丸、粒或石英砂等高速喷射到铸件表面。打掉铸件表面的附加物（表面粘砂或氧化皮等）。这种设备可以清理铸件的复杂表面、内腔、深坑等处，常在清理大型复杂铸件时采用，以弥补抛丸清理的不足。 但设备消耗动力大，工作条件差。 铁丸（砂）经过漏斗和锥形阀进入圆筒内。工作时阀门被圆筒内形成的压缩空气的压力所关闭。打开出丸（砂）阀体、铁丸（砂）由圆筒落到混合室与压缩空气气流相遇。丸（砂）气流经胶管和喷嘴射到被清理的工件上。 图6—1 喷砂器 1—上盖；2—漏斗；3—锥形阀体；4—储砂筒；5—出砂阀体； 6—混合室；7—喷嘴； 8—压缩空气管路 七 、铸件质量检验与缺陷修补 7.1铸件质量检验方法 铸件质量包括内在质量、外在质量、使用质量等。为了保证铸件质量，铸件生产的各个环节，特别是清理后，都要进行质量检验。凡是有缺陷的铸件，经修补后满足要求，不影响使用者均应进行修补。 7.2铸件的修补 铸件修补的目的在于，避免重新铸造，而是有缺陷的铸件恢复，达到验收标准规定的外观质量和内在质量要求，从而赢得时间，保证工期，提高产品合格率，创造更好的经济效益。铸件的修补是铸造生产中不可缺少的一道重要环节。 铸件修补的原则是：经修补铸件的外观。性能和寿命均能满足要求，且经济上合算，即应修补。 八、结论 通过此次毕业设计，对砂型铸造及其设计过程进行了系统的了解。从中让我们学会了运用自己学过的专业知识来解决实际工作生产中的问，培养了我们的运用能力，学会了理论与实际的衔接，提高了我们分析问题和解决问题的能力，从查阅相关资料的过程中，拓宽了我们的知识面，感谢学院为我们提供这次通过毕业设计提高我们自身各种能力的机会。 本设计本着确保铸件质量，追求最实惠最方便最有效的设计理念，对端盖零件做了如上的工艺，并且使其得到了更高的要求： ①铸件在其原有基础上强硬度有了增加，更有利于应用。 ②铸件的表面粗糙度值降低。 ③提高了铸件的力学性能。 ④增强了铸件的铸造性能。 参考文献 [1] 韩晓峰.铸造生产与工艺工装设计.长沙：中南大学出版社，2010.10. [2]刘喜俊.铸造工艺学.北京：机械工业出版社，1999.10. [3]于尔元.铸铁件生产指南.北京：化学工业出版社，2008.01. [4]杜西灵，杜磊.袖珍铸造工手册. 北京：机械工业出版社，1999.11. [5]林勃.砂型铸造工艺学. 北京：机械工业出版社，1993.10. [6]王晓江.铸造合金及其熔炼. 北京：机械工业出版社，1999. 致 谢 在这次毕业设计中，由于各位老师的指导、帮助，才使我的毕业设计顺利完成，在此我向各位老师表示由衷的感谢和崇高的敬意！ 特别要感谢的是：我的毕业设计指导老师。每周都按时检查我的设计工作，并给予认真、耐心的指导，这使我更明确了毕业设计的思路，从而使毕业设计顺利完成，并达到了预期的效果。再次向李老师和张老师表示感谢！ 感谢胡斌、刘冰，魏飞等同学，在设计中帮我解决了许多问题，给了我很大的帮助，共同协作才使得毕业设计的顺利完成，在此过程中让我们学到了更多书本上没有的知识，对待事情的态度，处理问题的方式和方法，相互协作，相互沟通，团队合作精神，使我们终生受益。感谢父母以及关心我学习和成长的亲人朋友，在以后的学习生活中我会跟加努力。 最后，向答辩委员会的各位老师致敬，祝各位老师身体健康，工作顺利。 编者：王海莎 33