减速器上下壳体金属浇注模具设计手册081215

减速器上下壳体金属浇注模具设计手册081215 减速器上下壳体金属浇注模具设计手册08.12.15 “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 “以生产典型合格产品，培养高技能 合格人才”教学模式 项目二 减速器上下壳体金属浇铸模设计 安徽机电职业技术学院数控工程系 - 1 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 前 言 本项目为“以生产合格产品培养合格人才”教学模式的子项目(二)。本项目内容为完成一级圆柱齿轮减速器壳体浇注成型及模具结构设计。 本设计手册主要包括项目成员及项目任务书、设计说明书、模具结构零件图和模具结构装配图。 项目组选用 “以生产合格产品培养合格人才”教学模式的子项目(一)的设计产品作为零件，进行其相关的浇注成型工艺分析及模具结构设计。考虑到浇注成型的工艺性，零件的尺寸及结构由子项目(一)、(二)设计人员共同来确定，以确保产品能顺利浇注成型。 本项目的实施意义在于: (1)减速器壳体来源于工程实践，具有现实意义。 (2)在浇注成型工艺分析过程中，学生能够掌握整个铸造工艺过程，包括1)材料选择2)生产前的准备工作3)涂料配比4)铸造铝合金浇注工艺5)铸造铝合金的熔炼过程6)金属型浇注过程需注意的问题7)浇注时间的估算等，模拟工厂生产环境，带学生提前进入工作空间，引导他们去解决问题，从而激发他们的创新精神。 (3)在金属型铸件工艺分析及金属型结构设计过程中，学生能够掌握独立判定零件结构可行性的能力，也就是是否满足浇注工艺性。此外还能锻炼学生在考虑到成型方便和加工容易的基础上去合理的设计模具结构。 (4)最后要求学生进行模具建模，巩固学生对模具结构的认识、软件的使用以及自动编程加工的应用。 2008年3月 - 2 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 目 录 第一项、项目任务书„„„„„„„„„„„„„„„„4 第二项、减速器上下壳体金属浇铸模设计说明书 第三项、金属浇铸模具装配图及零件图、实体图 „„„„6 „„„20 - 3 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 项 目 任 务 书 - 4 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 安徽机电职业技术学院数控工程系 “以生产合格产品培养合格人才”教学模式 “项目二”任务书 - 5 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 减速器上下壳体 金属浇铸模设计 说明书 - 6 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 目 录 1.金属模铸造工艺述 .............................................. 2.金属型铸件浇注工艺分析 ........................................ 3.金属型铸件工艺分析 ............................................ 4.金属型结构设计 ................................................ 5.金属型铸件的浇注系统及冒口 .................................... 6.模具二维图及三维建模(见图纸) - 7 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 一、金属模铸造工艺述 1、铸造原理 金属型铸造俗称硬模铸造，是用金属材料制造铸型，并在重力下将熔融金属浇入铸型获得铸件的工艺方法。由于一副金属型可以浇注几百次及至数万次，故金属型铸造又称为永久型铸造。金属型铸造既适用于大批量生产形状复杂的铝合金、镁合金等非铁合金铸件，也适合于生产钢铁金属的铸件、铸锭等。由于金属型铸造具有很多优点，故广泛地应用于发动机、仪、农机等工业部门。 二、 金属型铸件浇注工艺 (一)、材料选择 根据实际情况需要，确定本产品为铝合金制品，铸造铝合金适宜铸造加工，我们要确定选 出铝硅合金进行金属型铸造。 (二).生产前的准备 1、合金浇注温度 根据铝合金性能确定，铝合金的浇注温度为680-740摄氏度 2、金属型预热温度 金属型在喷涂前应预热至150-200摄氏度，金属型在浇注前应预热至200-300摄氏度，并 且保证工作温度不变，此处我们选定: a) 喷涂前应预热至150摄氏度 b) 金属型在浇注前应预热至300摄氏度 c) 保证工作时温度在250摄氏度左右 (三)、涂料配比 铝合金铸件金属型涂料配比 1.涂料采用: 氧化:水玻璃:水,13:7:其余。 此种涂料用于小型表面要求光滑的铸件，用于型腔成形表面。 2.涂料前预热铸型 1)预热温度为150-200摄氏度 (四)、金属型浇注过程 铝合金熔融至浇注温度730?金属型预热至喷涂温度150 ?喷涂 - 8 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 ?金属型预热 ?铝合金浇注入金属型 ?冷却 ?开模 (五).浇注时间的确定 浇注时间与铸件结构、材质、铸型条件、浇注温度等因素有关，每一个铸件，都有一个合 理的浇注时间与其对应。浇注时间对铸件质量有重要影响。确定浇时间一般依据各种经验公 式与图表。无完善的计算。一般依据铸件重量来确定。 估算为12s 三、金属型铸件工艺分析 1.查表得知:铸造铝合金ZL101密度为2.68g/cm3 铸造铝合金ZL102密度为2.65g/cm3 2.估算铸件体积 方法:将零件分块计算，拟化成简易型体进行体积估算 减速器上盖体积: V上,173550 cm3 M,0.46kg 减速器下座体积: V下,330416 cm3 M,0.88kg 综上所述，减速器上盖0.46kg，减速器下盖0.88kg。 (二)、金属型铸件设计的主要参数 1.金属铸件最小壁厚 根据表格说明，确定本产品是否能铸造成形，依据零件设计人员提供的零件尺寸说明，铸件设计尺寸的壁厚为6mm，外轮廓小于70*70-150*150，在此范围 - 9 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 求，可以通过铸造加工出来。 3.金属铸件的起模斜度 查表确定铝合金铸件起模斜度: 外表面为1度， 因铸件内表面高度小于50，内表面为1.5-2.5度。 4.铸造圆角与加强筋 查表确定铝合金铸造圆角与加强筋尺寸: R=(6+6)/6=2mm 加强筋厚度为4mm，铸造圆角为1mm 四、 金属型结构设计 好的金属型设计和制造技术是满足工艺设计、适应大批量、高质量铸件生产的关键。金属型设计主要包括金属型结构、排气系统、锁紧机构，冷却系统、连接机构以及铸件顶出机构。合理的铸造工艺和金属型设计只有通过先进的金属型加工制造技术来体现。 (一)、金属型材料的确定及热处理 1.金属型材料的确定 从金属型破坏的原因分析可以看到，制造金属型的材料，应满足下列要求:耐热性和导热性好，反复受热时不变形、不破坏;应具有一定的强度、韧性及耐磨性;机械加工性好。 在实际生产中，灰铸铁金属型用的最广泛.实践证明，球墨铸铁有良好的耐热性，而力学性能又较高，固球墨铸铁也是较好的金属型材料。 考虑到生产环境和生产条件、经济性等因素，决定采用铸铁或优质碳钢45。 (二)、金属型结构工艺分析 分析产品零件图，确定模具分型面。 1、分型面的确定 分型面是指铸型组元间的结合面。分型面选择合理可简化铸造工艺、提高生产率、降低成本、提高铸件质量。 分型面的确定原则是: (1)尽可能将铸件的全部或大部分放在同一箱内以减少错型。 (2)应尽量把铸件的加工定位面和主要加工面放在同一箱内，以使加工定 - 10 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 位的尽寸偏差减少。 (3)应尽量减少分型面的数量，以减少造型引起的偏差。 (4)机器造型一般采用一个分型面，必要时可加型芯以方便造型，避免使用活块。 (5)尽量减少型芯数量。 (6)如有可能，分型面以平面为佳。 (7)分型面选在铸件最大截面处可使起模更方便。 (8)分型面的选择应有利于清理。 2、工艺分析 1.减速器上盖 步骤一、初步确定减速器上盖的分型面在其下表面 步骤二、分析是否有哪些结构在成型后无法脱模，通过分析发现，减速器上盖有一斜孔，若不进行特殊处理，此处在成形后无法脱模，会导致生成废品。 步骤三、分析缺陷，找出解决办法，首先想到该结构是通孔，继而考虑通孔成型方法，确定该斜孔应通过组合式型芯成型，具体形式如下 组合型芯可以成型异形孔，并且脱模方便。 但是该结构给加工带来麻烦，因此放弃，选择另一种:抽芯完成斜孔。 步骤四、最终确定分型面位置为下平面，half分型面选在工件中间。 - 11 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 2.减速器下盖 步骤一、初步确定减速器下盖的分型面在其上表面。 步骤二、分析是否有哪些结构在成型后无法脱模，通过分析发现，减速器下盖有三处无法脱模: 1)因加强筋的存在，造成侧面有凹进，不能脱模。 2)减速器一侧面因挂耳和凸台的存在不能脱摸。 3)减速器另一侧面，因有需要相互垂直分型的结构，无法脱模。 若不进行特殊处理，减速器下盖在成形后无法脱模，会导致生成废品。 步骤三、分析缺陷，找出解决办法，由于无法脱模处比较多，因此必须将型腔做成镶拼结构，通过分析结构，决定将型腔分为四部分。最终确定主分型面位置为上表面，次分型面为half中间分型面。下模设置两处抽芯结构。 3、金属型芯的特点: 1).采用金属型芯时铸件的冷却速度快，铸件的结晶组织细致、均匀。 2).铸件尺寸稳定、表面粗糙度低。 3).减少了制造砂芯和壳芯的工艺装备和工序。 4).内腔复杂的铸件可与砂芯和壳芯同时采用，否则会增加金属型芯的复杂性，给制造和浇注带来困难，甚至无法取出型芯。 4、金属型芯的设计原则: 1).不影响零件使用和外观塞情况下，应按铸件图给出足够的铸造斜度。对有加工余量的铸造表面，其铸造斜度可适当放大，以利于型芯的抽拔。 - 12 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 2).型芯的定位要很准确，导向要可靠，保证型芯移动时不产生歪斜，以免拉伤铸件。金属型芯的定位长度，不仅余型芯直径大小有关，而且与型芯工作深度、型芯固定形式等多种因素有关，如果是活动型芯，则型芯的定位长度就长些。 3).在能方便抽拔型芯的情况下，应尽量减少型芯数量。这样可以简化操作，提高铸件的质量。 4).型芯的结构应考虑制造与加工方便。 5).圆形金属芯的直径在50mm以上时，应制成空心，壁厚取12-20mm，大型金属芯壁厚按金属型来计算。 6).组合金属芯，当铸件内形阻碍型芯取出时，金属芯可以制造成顺序抽拔形。 (三)、金属型设计的主要参数 1.金属型铸造合金的线收缩率 铸造铝合金ZL101线收缩率为0.7-1.1 铸造铝合金ZL102线收缩率为0.5-1.0 确定选取铸造铝合金ZL102，线收缩率为1.0 2.有色金属铸件金属型壁厚 本次设计是金属型铸造铝合金，金属型壁厚为6-7mm，查表取金属型壁厚为15-20mm，根据实际生产经验，常用金属型壁厚为20-25mm，不能小于15mm，因此确定金属型平均壁厚为20mm。 3.金属型各部位表面粗糙度要求 根据实际要求，查表确定各加工表面的表面粗糙度要求。 (四)、金属型内部尺寸计算 1、金属型型腔尺寸计算，除根据铸件公称尺寸及偏差外，还应考虑到铸件的收缩率、涂料的厚度及铸型的膨胀，型腔凹处取上限，凸处取下限。 计算公式: AX=(AP+APK? )??AX 式中:AX——型腔尺寸 AP——铸件的平均尺寸 K——综合线收缩率 ——涂料厚度 - 13 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 ?AX——型腔尺寸制造公差 综合收缩率K包括铸件的收缩率和金属型的膨胀率。 型腔长度尺寸制造公差为: ,50——?0.1 ,50-260——?0.15 五、 金属型铸件的浇注系统及冒口 (一)、浇注系统设计原则及各组元 浇注系统由浇口杯(外浇口)、直浇道、横浇道和内浇道等组成。 1、设计浇注系统的原则 (1)使液态合金平稳充满铸型，不冲击型壁和型芯，不产生涡流和喷溅，不卷入体，并利于将型腔内的空气和其他气体排出型外。 (2)阻挡夹杂物进入型腔。 (3)调节铸型及铸件各部分温差，控制铸件的凝固顺序。 (4)不阻碍铸件的收缩，减少铸件的变形和开袭倾向。 (5)起一定的补缩作用，主要是在由浇道凝固前补给部分液态收缩。 (6)控制浇注时间和浇注速度，得到轮廓清晰、完整的铸件。 (7)浇注系统尽可能简单，体积小，有利于减少冒口体积。 2、浇注系统结构形式设计及尺寸计算 金属型浇注系统由浇口杯(外浇口)、直浇道、横浇道和内浇道等组成。小型铸件的金属型一般不设浇口杯，有时为了浇注方便，直浇道上部加大。直浇道断面最好是圆的，这样可以避免热量的散失和气体的卷入，垂直直浇道由于金属液对底部的冲击比较大，所以高度一般不超过150mm，斜浇道的高度一般不超过 - 14 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 250mm，横浇道起缓冲、稳流、挡渣的作用，并将金属液分配给内浇道，但是金属型往往受到分型面的限制，出水平分型外，有的浇注系统不设横浇道，内浇道的大小、形状与位置直接影响铸件的质量，设计内浇道时应考虑铸型热量的分布、合金液在型腔中流动平稳、操作方便等因素。从热分析角度考虑，内浇道的宽度与厚度比应大于3，比例越大，热分析越均匀。从工艺简单的角度来考虑，内浇道尽量开在分型面上。 铝合金铸件通常采用开放式浇注系统，且多为底注式或垂直缝隙式只有对一些不重要的小件采用顶注式。为了减少冲击、防止吸气，直浇道有时做成10-15度的倾斜式或蛇形。当内浇口的总截面积最小时,浇注开始后整个浇注系统很快就充满了金属液,有利於阻止熔渣 及夹杂物进入型腔,这种浇注系统通常称为封闭式浇注系统,一般都优先採用。 金属型的浇注系统一般分为顶注式、底注式、侧注式三种。，其中顶注式，铸件温度分布较合理，有利于顺序凝固。若用于浇注铝合金，一般只适用于铸件高度小于100mm的简单零件。底注式，金属液流动较平稳，有利于排气，但温度分布不合理，不利于铸件顺序排气。 金属型浇注系统的结构与砂型铸造基本相似，但由于金属型壁不透气，导热能力强，因此要求浇注系统结构能有利于降低金属液流速，流动平稳，减少其对型壁的冲刷，除应保证型腔内气体有充裕的时间排除外，还应保证在冲型过程中不得产生喷溅。如浇注铝合金时，直浇道可作成斜弯浇道和蛇形浇道。 浇道的尺寸既要保证铸件质量，又要求金属液消耗量和铸件清理工作量小。要做到这些，一般可用计算或凭经验确定，然后再经过生产实验验证，即可得出较合理的尺寸 1).直浇道 铝合金铸件通常采用开放式浇注系统，，其最小断面为直浇道 F直,2 cm2取圆形，d,8mm减速器上盖和减速器下盖浇注系统形式采用底注式浇注系统，直浇道选则斜浇道。 2).横浇道的断面形状为梯形: a=20 b,25 c=(1-1.5)a=24,且c?4e(e为内浇道厚度) L,80mm - 15 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 3). H0=50+50,100mm (三)、浇注系统引入位置的确定 浇注系统的引入位置影响到浇注系统结构类型的确定，同时对液态金属充型方式、铸型温度分布、铸件质量影响很大，因此，在浇注系统设计中，对于内浇道的引入位置，要给予充分考虑。下面从不同角度说明金属液引入位置的选择原则。 - 16 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 1、有利于铸件凝固补缩 (1)要求同时凝固的铸件，充满型腔，避免内浇道附近局部过热。 (2)要求顺序凝固的铸件，内浇道应开设在铸件厚壁处。如设有冒口补缩，最好将冒口设在铸件与内浇道之间，使金属液经冒口引入型腔，以提高冒口的补缩效果。有时为避免铸件因温差过大产生较大的收缩应力，内浇道也可开设在铸件次厚壁处。 (3)对于结构复杂的铸件，往往采用顺序凝固与同时凝固相结合的所谓“较弱顺序凝固”原则安排内浇道。即对每一个补缩区按顺序凝固的要求设置内浇道;对整个铸件则按同时凝固的要求采用多个内浇道分散充型。这样设置既可使铸件各厚大部位得到充分补缩而不产生缩孔及缩松，又可将应力和变形减到最小程度。 (4)当铸件壁厚相差悬殊而又必须从薄壁处引入金属液时，则应同时使用冷铁加快厚壁处的凝固及加大冒口，浇注时采取点冒口等工艺，保证厚壁处的补缩。 2、有利于改善铸件铸态组织 (1)内浇道不得开设以铸件质量要求高的部位，以防止内浇道附近组织粗大。对有耐压要求的管类铸件，内浇道通常开设在法兰处，以防止管壁处产生缩松。 (2)内浇道不得开设在靠近冷铁或芯撑处，以免降低冷铁的作用或造成芯撑过早熔化。 3、有利于提高铸件外观质量 最好将内浇道开设在铸件要求不高的加工面部位上，而不开设在铸件非加工面上，以免影响铸件外观质量。 4、有利于金属液平稳地充满铸型 (1)内浇道应使金属液沿型壁注入，不要使金属液溅落在型壁表面上或使铸型局部过热。 (2)内浇道的开设应有利于充型平稳、排气和除渣。从各个内浇道流入型腔中的液体流向应力求一致，避免因流向混乱而不利于渣、气的排除。 5、有利于减少铸件收缩应力和防止裂纹 (1)对收缩倾向大的合金，内浇道的设置应不阻碍铸件收缩，避免铸件产 - 17 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 生较大应力或因收缩受阻而开裂。 (2)内浇道应使金属液迅速而均匀地充满型腔，避免铸件各部分温差过大。 (3)对尺寸较大、壁厚均匀的铸件，应采用较多的内浇道分散均匀地充型。 6、有利于铸件清理 (1)内浇道设置应便于清理、打磨和去除浇注系统，不影响铸件的使用和外观要求。 (2)内浇道设置位置应便于开模。 7、其他要求 (1)内浇道应尽量开设在分型面上，便于造型操作。 (2)在满足浇注要求的前提下，应尽量减少浇注系统的金属消耗，以减金属液的消耗。 (3)内浇道与铸件接口处的横截面厚度一般应小于铸件壁厚的 ，至多不超过用封闭式浇注系统时，内浇道的纵截面最好离接口处呈“远厚近薄”状态。在接口处可做出断口槽，以防止清理进造成铸件缺肉。内浇道与铸件连接结构见图 (4)引入位置应有利于充型过程的可控制，避免自由重力流动造成充型过程的随机性。 考虑以上要求，减速器上盖、减速器下盖浇注系统选在底座侧面，底注式。 (四)、型腔的排气 金属型本身不透气，型腔的排气问题，必须重视，否则会造成浇不足及气孔等缺陷。因此，金属型设计时，必须考虑浇注时的气体排出，如气体从冒口或排气口中排出，开设排气槽、排气塞或排气孔，排气系统的截面积应不小于浇注系统的最小截面积。 1.排气槽开在分型面处，0.5*(10-15) 2.排气孔开在封闭端头或转角处，金属型最后充满处，直径小于5mm，不影响取件。 3.排气塞开在上模壁厚处 (五)、冒口 冒口是铸型内用以储存金属液底空腔，主要作用是在铸件凝固收缩时向其补给金属液。按是否与大气直接相通，分为明冒口和暗冒口，按位置的高低可分为顶冒口和侧冒口。铝合金铸件一般使用明顶冒口。 明顶冒口特点: - 18 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 1.明顶冒口应用最广，形状一般为圆形，因为在同等断面时周长最短，所以保温好，同时也与铸件需要补缩的地方形状相仿，便于补缩。 2.为了使冒口的上端最后凝固，冒口的尺寸多设计成下小上大，由上到下成5-8度，在水平分型时，为了便于开型取件，才设计成下大上小，用涂料控制冷却。 3.冒口根部尺寸略小于铸件尺寸，与铸件圆角相连，并留有明显的切割线。 普通明冒口直径:D=(1.2-1.5)T=1.8*6=9mm 高度:H,(1.15-1.8)D,1.5*9,13.5mm 位于直浇道旁构成浇冒口。 注意:冒口高度太低，补缩效果不好;太高则金属消耗多，并能引起内浇道过热。直径较大的冒口，在补缩条件好的情况下，高度取下限。冒口的直径不宜过小，也不易过大，太大的冒口会使铸件靠近冒口处产生缩松，当冒口的位置与铸件分不清时，应设计冒口切割线。 浇注系统简图: - 19 - “以生产合格产品培养合格人才” 数控工程系 减速器上下壳体 金属浇铸模具装配图 及零件图 - 20 -