固定钳身铸造工艺设计

固定钳身铸造工艺设计,固定,铸造,工艺,设计 佳木斯大学佳木斯大学Jiamusi University学生姓名：王晓宇学生姓名：王晓宇学学 号：号：17080140212指导教师：孙建波指导教师：孙建波固定钳身铸造工艺设计固定钳身铸造工艺设计20202020秋材料成型及控制工程专业秋材料成型及控制工程专业铸造工艺课程设计答辩铸造工艺课程设计答辩目录目录佳木斯大学佳木斯大学 浇注系统的设计浇注系统的设计3 3 固定钳身结构及技术要求固定钳身结构及技术要求1 1 移动板的铸造工艺方案移动板的铸造工艺方案2 2 铸造工艺装备的设计铸造工艺装备的设计4 4 铸件生产工艺设计铸件生产工艺设计5 5 1 1 固固定定钳钳身身结结构构及及技技术术要要求求佳木斯大学佳木斯大学1.1零件的结构分析零件的结构分析固定钳身是利用螺杆或其他机构使两钳口作相对移动而夹持工件的工具。根据使用的场合一般分为钳工虎钳和固定钳身两种类型。固定钳身是一种机床附件，又称平口钳，它通常用于机床的工作台，例如铣床，钻床，牛头刨床和平面磨床。它也广泛用于现代数控机床。固定钳身三维图如下：固定钳身三维图1 1 固定钳身结构及技术要求固定钳身结构及技术要求 1 1 固固定定钳钳身身结结构构及及技技术术要要求求佳木斯大学佳木斯大学1.2零件的技术要求零件的技术要求1.材质：HT200;2.未注圆角R4;3.螺纹孔倒角均为CT1.5;4.铸件应人工时被处理;5.锐边倒角，未注倒角均为C16.造型材料：树脂砂 此次分析的固定钳身铸件结构简单，壁厚均匀，且生产批量大。这里为保证生产效率，降低制造成本，这里选择采用砂型铸造工艺。采用树脂砂造型的优点：(1)树脂砂与粘土砂相比尺寸精度更高，表面粗糙度较低，可以降低废品率。(2)自硬树脂砂能够常温自硬成型，降低了成本。1 1 固固定定钳钳身身结结构构及及技技术术要要求求佳木斯大学佳木斯大学1.3零件的铸造工艺性分析零件的铸造工艺性分析固定钳身是一种机床附件，又称平口钳，材料为HT200，成批生产。集中运用在普通的数控车床、数控铣床、以及加工中心上。铸件底部会承受一定载荷，因此要求铸件内部不能有缩孔、裂纹等缺陷。根据零件的结构特点，技术要求，应用条件及技术质量要求，确定铸造方案及铸造工艺设计。一般情况下，铸件可能存在的缺陷涉及到缩孔、缩松、夹渣、气孔、砂眼等,这其中80%的缺陷都是可以通过改善铸造工艺来避免的，也可以通过后期的处理来消除。1 1 固固定定钳钳身身结结构构及及技技术术要要求求佳木斯大学佳木斯大学1.4铸造方法及砂型选择铸造方法及砂型选择砂型铸造工艺方案通常包括下列内容：造型、造芯方法、铸型种类的选择，浇注位置及分型面的确定等。要想定出最佳工艺方案，首先应对零件的结构有详细的铸造工艺性分析。机用固定钳身零件最大轮廓尺寸为154mm130mm58mm，整体结构对称，壁厚整体均匀，属于小型铸件。对于HT200材质来说，这种结构与壁厚可以满足铸造工艺对材料流动性的要求，铸件壁厚均匀，也不会有大热节造成铸件缩孔缩松。2 2 铸铸造造工工艺艺方方案案佳木斯大学佳木斯大学2.1造型及砂芯制造方法选择造型及砂芯制造方法选择造型（芯）是砂型铸造中最基本的工序，常用的造型有手工造型和机器造型。手工造型工艺装备简单，操作灵活适应性强；机器造型生产效率高，劳动强度低铸件质量稳定，但是需要复杂的工艺装备，前期准备时间较长一般用于批量生产零件。该零件生产批次为批量生产所以采用机器造型的方法。2 2 铸铸造造工工艺艺方方案案佳木斯大学佳木斯大学2.2铸型类型的选择铸型类型的选择无论从环保、成本、生产率、操作程度考虑都应该优先采用湿型浇注。为了得到高质量的铸件并取得经济效益，另外还考虑到材料的成本和来源、工业卫生及环保方面的要求，综合这些因素，故选择使用湿型粘土砂，同时要求型砂具备良好的流动性、透气性，为了能够得到光滑的铸件表面，型砂的砂粒应当细小一些，可使用中粒偏细的砂，额外加上一定量的煤粉。2 2 铸铸造造工工艺艺方方案案佳木斯大学佳木斯大学2.3浇注位置的选择浇注位置的选择根据铸件的结构分析，所给铸件的其它加工面都与底部的操作端有关，将铸件如何放置在砂箱，放置方位，合理的浇注位置对分模、砂型的造型、砂芯的设置、铸后的开模、型砂后期的清理等各个环节都有重要影响。确定浇注位置是铸造工艺设计的重要部分。正确的铸造位置应确保铸件的成型、制芯以及清洁的方便。选择合理的铸造位置与铸件的内在质量、尺寸精度以及成型的容易性有关。根据铸件结构特点，选择正确合理的浇注位置，促进浇注时金属液能顺利进入型腔，及时充满型腔，凝固时保证各部位能区域顺利凝固，冒口设置也是直接与浇注位置相关，可以肯定的浇注位置是铸造工艺设计的第一步，也是重要的一步，对铸造出完整、质量优异的铸件毛坯至关重要。2 2 铸造工艺方案铸造工艺方案佳木斯大学佳木斯大学2.3浇注位置的选择浇注位置的选择该固定钳身零件，整体尺寸不大，零件特征主要以平面构成，浇注位置方案如图2-1所示，列举了如下两种方案：（a）浇注位置方案一 （b）浇注位置方案二图图2-1浇注位置示意图浇注位置示意图2 2 铸造工艺方案铸造工艺方案佳木斯大学佳木斯大学2.3浇注位置的选择浇注位置的选择方案一如图2.1（a）所示，将虎钳底面在下放置，采用两箱造型，外模结构简单，此种浇注位置与分型面的选择，不仅使浇注方便，铸件的重要部位应尽量置于下部，而且更容易满足技术要求。方案二如图2.1（b）所示，将固定钳身铸件侧立放置，此位置铸件位于铸型的上下两侧，不利于铸件的充型，铸件较高，此种浇注位置的充型过程中，金属液的落差大，不利于平稳充型。需要设计水平式砂芯，可能在金属液浮力的作用下发生偏移，不利于砂芯的定位和稳定。综合比较上式两种方案的优缺点，选择方案一。2 2 铸铸造造工工艺艺方方案案佳木斯大学佳木斯大学2.5 起模斜度起模斜度在造型和制作砂芯的过程中，起模时操作不当可能会对砂型和砂芯造成损坏。为了防止这个现象的发生，应该在起模的地方留一定的斜度，这个斜度称为起模或拔模斜度12。为方便铸件能顺利从铸型中脱离出来，模样的拔模斜度必须要与出模方向保证相同方向。铸件中部的起模高度为58mm，尺寸公差等级为CT12参考文献表3-14起模斜度可查得铸件的起模斜度为1，查表得起模斜度为3o。皆符合零件的技术要求。因为铸件的壁厚较大，则选择较少料厚的铸造模样的起模斜度。2 2 铸造工艺方案铸造工艺方案佳木斯大学佳木斯大学2.6 砂芯的设计砂芯的设计砂芯的功用是形成铸件内腔、孔、和铸件外形不能出砂的部位。有时可以用砂芯来替代砂型中有特殊要求的部分4。对于砂芯有一些必要的条件：砂芯的形状、尺寸应满足铸件要求，并且不能在砂型中随意放置；在性能方面，砂芯被要求有一定的强度和刚度，也要考虑铸造过程中砂芯中的气体能否及时排出，而且铸件最后冷却时不能有太大阻力，否则会影响其收缩；也需要考虑其后续清理操作。芯头是指深处铸件以外不与金属接触的砂芯部分。有定位、固定砂芯和排出浇注后砂芯所产生的气体的作用。本设计砂芯的高径比不大，而且砂芯宽度较大时，则不必做出上芯头，下芯头高度按查表的数值增加大约百分之三十。2 2 铸造工艺方案铸造工艺方案佳木斯大学佳木斯大学2.6 砂芯的设计砂芯的设计查表得，芯头高度为1020mm，具体的上芯头高度为10mm，下芯头高度为10mm。芯头斜度图图3.3 芯头斜度芯头斜度芯头斜度参数如图3.7所示，由于此砂芯设计时可以不需要设计上芯头，通过表3-5得下芯头斜度为10。2 2 铸造工艺方案铸造工艺方案佳木斯大学佳木斯大学2.6 砂芯的设计砂芯的设计表表3-1 垂直芯头斜度垂直芯头斜度芯头高h152025303540506070用a/h表示斜度用角度表示时上芯头234567911121/510下芯头11.522.533.54561/105芯头的模样上做出压环、防压环和集砂槽是为了快速下芯、合型以及保证铸件的质量。水平芯头和垂直芯头的压环、防压环和集砂槽的各个尺寸参数如图3.4所示：图图3.4 水平芯头和垂直芯头压环、防压环和集砂槽尺寸水平芯头和垂直芯头压环、防压环和集砂槽尺寸2 2 铸造工艺方案铸造工艺方案佳木斯大学佳木斯大学2.6 砂芯的设计砂芯的设计通过查铸造手册表2-4得，砂芯如图3-5所示，下方蓝色部分是方形的砂芯，只需要采用一个锥形芯头定位即可。图图3-5 砂芯示意图砂芯示意图2 2 铸造工艺方案铸造工艺方案佳木斯大学佳木斯大学2.6 砂芯的设计砂芯的设计砂芯排气孔设置主要是将金属液在浇注过程中产生的一些粘结剂等有机物在氧化燃烧的气体排出到型腔之外，这样避免在铸件内产生气孔。本设计中的砂芯材料是自硬树脂砂，其透气性也一般，这里需要设置一定的排气孔。由于固定钳身结构简单，因此出气孔的设置只需要在上砂型随便设置几个就可以满足，并没有特殊的要求。3 3 浇注系统的设计浇注系统的设计 3.1浇注系统类型选择浇注系统类型选择浇注系统设计应遵循以下原则：(1)合理的控制浇铸系统的压头，使金属液的流动逐渐趋于稳定，并在充填终了时具有一定的赋形能力，使铸件能够具有清晰的轮廓。避免在浇铸过程中由于压力太小导致金属液在充填过程停止流动，或者压力过大导致在充填过程中造成金属液的飞溅。(2)合理的控制金属液进入型腔时的速度。金属液在进入型腔以后如果流速较小可能会导致铸件产生冷隔或浇不足等缺陷，又或者由于金属液冲型速度过快造成喷射现象。(3)金属液在进入砂型时要避免金属液对砂型、砂芯的正面冲击和高温作用，以免造成型壁或砂芯的破损或多肉缺陷。(4)当浇铸的金属液量较大时不宜过于集中进行浇铸，应较分散的从内浇道进入。这样能够减小金属液对型壁和砂芯的冲击，以及型腔中的局部过热问题，有利于防止或减少因此而引发的粘砂或缩陷、缩松问题。佳木斯大学佳木斯大学3 3 浇注系统的设计浇注系统的设计 3.1浇注系统类型选择浇注系统类型选择本铸件的浇注系统采用封闭式浇注系统，保证进入浇道内的金属液且呈现压流动，充型速度快，冲刷力大，因此根据铸件尺寸与重量来综合考虑浇道的截面。在对浇注系统进行设计时，要严格把握各个浇道之间的距离，如果距离太近，则浇注过程中易形成紊流产生的金属氧化物，砂砾就会进入型腔，使得型腔内产生缺陷。考虑到铸件的壁厚不均匀，零件中心会有较大腔体。顶注式浇注系统虽然有结构简单，造型方便的优点，但在充型过程中并不平稳，易产生飞溅、氧化和吸气，往往会导致夹渣、气孔等缺陷。除此此外还会对型腔内部产生较大的冲击，易导致砂孔、铁豆等缺陷。综合分析，此设计最终选择底注式浇注系统。佳木斯大学佳木斯大学3 3 浇注系统的设计浇注系统的设计 3.2浇注时间的的计算浇注时间的的计算为进一步计算铸件浇注系统及冒口消耗金属量，这里采用铸件工艺出品率计算浇注金属液总质量：佳木斯大学佳木斯大学3 3 浇注系统的设计浇注系统的设计 3.3浇注系统尺寸的确定浇注系统尺寸的确定（1）浇注系统尺寸的确定根据铸造手册表3-146得封闭式系统各组元的断面比为：Ag:Aru:As=1：1.1：1.15计算浇注系统最小阻流截面积，以内浇道为阻流截面的浇注系统原理图，由奥赞公式：（4-2）式中m为流经阻流断面金属液的总量为充填型腔的总时间为全部型腔被填充时，浇注系统阻流断面的流量系数1Hp为平均静压力头高度Hp：对于底注式浇注系统Hp=H0-Hc （4-3）H0为阻流截面以上的液态金属的静压头；Hc为铸件型腔的总高度 则Hp=8.5cm。佳木斯大学佳木斯大学3 3 浇注系统的设计浇注系统的设计 3.4 冒口的设计冒口的设计 在铸件凝固过程中，设置冒口是为了补缩铸件的体积变化，可以达到消除或防止缩孔缩松等缺陷的目的，以至于可以获得优质铸件，除此之外，还有排气、集渣、引导充型等作用。因此设置合适的冒口可以达到补缩的目的，以提高铸件致密性。设计冒口时其形状直接影响冒口的补缩效果，冒口的形状一般有圆柱形、球顶圆柱形、球形等。要使整个铸铁件的冒口的补缩效果最好，可以采用均衡凝固理论的冒口设计。当铸件膨胀时，流动的金属液就不能返回到冒口，此时就可以利用灰铸铁使铸件引起二次补缩。灰铸铁流动性好，不容易产生疏松等缺陷，所以此次固定钳身的铸造工艺不设计冒口。佳木斯大学佳木斯大学4.1模板的设计模板的设计考虑到铸件树脂砂工艺的特点，采用型板，模板图如下图所示，型板尺寸：长2200mm，宽为1700mm，为了保证铸件的尺寸精度，模底板与砂箱之间的定位精度要高。本设计模底板和砂箱的定位采用定位销和销套的定位方式。4 4 铸造工艺装备的设计铸造工艺装备的设计4.2芯盒的设计芯盒的设计芯盒设计应满足以下要求：1）结构设计应与生产批量相适应；2）芯盒要有足够的强度与耐磨性；3）形状与尺寸精度需要达到工艺要求；4）尽可能减轻重量，降低劳动强度；5）使用简单，操作方便；4 4 铸造工艺装备的设计铸造工艺装备的设计4 4 铸铸造造工工艺艺装装备备的的设设计计佳木斯大学佳木斯大学4.2浇注系统的尺寸计算浇注系统的尺寸计算1.芯盒材质与结构芯盒的种类包括木质、金属、塑料、和金木结构，根据其各自的特点，根据铸造手册表4-27与表4-28，本次芯盒采用金属铝芯盒。金属铝芯盒具有重量轻，制作周期短，尺寸精度高，易于加工，使用寿命长。采用垂直对开式结构，由左右两片组成，芯盒左右两边设有定位与夹紧装置。芯盒分型面垂直于芯盒的填砂面。4 4 铸铸造造工工艺艺装装备备的的设设计计佳木斯大学佳木斯大学4.2浇注系统的尺寸计算浇注系统的尺寸计算2.芯盒的分盒面与结构设计为了简化芯盒结构，保证砂芯尺寸精度，砂芯芯盒面的选择一般遵循以下原则：1）芯盒分盒面与砂芯分型面尽量保持一致；2）应优先选择平直分盒面，尽量避免曲面或折面；3）应有利于填砂与紧实；4）有利于芯盒结构简单，方便操作。4 4 铸铸造造工工艺艺装装备备的的设设计计佳木斯大学佳木斯大学4.2浇注系统的尺寸计算浇注系统的尺寸计算2.芯盒的分盒面与结构设计根据表8表9选取芯盒壁厚与加强肋尺寸，将结果汇总到表10。芯盒平均轮廓尺寸芯盒壁厚(mm)铝合金灰铸铁300686300500810785008001012108001250121412表表8 芯盒壁厚芯盒壁厚芯盒平均轮廓尺寸abR30010012575100530050012515010012585008001501751251758800125017520015010表表9 芯盒加强肋芯盒加强肋芯盒编号123456芯盒壁厚13131110147芯盒加强肋a180180160130200100b15015014011015080R101088105表表10 芯盒壁厚与加强肋尺寸芯盒壁厚与加强肋尺寸(mm)4 4 铸铸造造工工艺艺装装备备的的设设计计佳木斯大学佳木斯大学4.2浇注系统的尺寸计算浇注系统的尺寸计算2.芯盒的分盒面与结构设计本次铸件采用树脂自硬砂造芯，芯盒的定位方式采用凸凹面式的定位结构方式，夹紧方式选择双螺母铰链式。6组芯盒结构图如下图所示。4.3砂箱的设计砂箱的设计本铸件采用整铸式砂箱，选择HT200为砂箱材料，砂箱造型为手工造型用砂箱。本次设计中箱壁壁厚选择15mm。为避免砂箱的四个拐角出现损坏，砂箱采用10 mm过渡圆角。砂箱其他的辅助结构设计，包含了箱带、排气孔和吊运装置等结构设计，为了浇注时排出铸型内的气体，要在砂箱壁上开设排气孔。4 4 铸造工艺装备的设计铸造工艺装备的设计4.3砂箱的设计砂箱的设计本次设计选用的是手工造型用砂箱，材质选用灰铸铁，上砂箱尺寸为2200mm1700mm600mm，下砂箱2200mm1700mm300mm。如下图。4 4 铸造工艺装备的设计铸造工艺装备的设计5.1QT500-7的熔炼的熔炼球墨铸铁良好的金相组织和性能取决于化学成分的选择。铸态球墨铸铁是由生铁、回炉铁废钢、脱硫剂、球化剂、孕育剂、增碳剂等进行熔炼而成。根据铸造手册对球墨铸铁的熔炼要求，生铁应该选用锰、磷、硫含量较低的，需要把干扰球化的因素严格控制住。5 5 铸件生产工艺设计铸件生产工艺设计5.2铸件的落砂铸件的落砂为了防止铸件在浇注以后因冷却引起的缺陷，保证铸件在清理过程中有足够的强度与韧性，铸件在砂型内应保证足够的冷却时间。根据表11移动板铸件的冷却时间为812h。本次设计根据熔胶座移动板的铸件尺寸，型砂种类以及生产量来看，选择固定式惯性振动落砂机。5 5 铸件生产工艺设计铸件生产工艺设计铸件重量kg501001002502505005001000铸件壁厚mm30405060冷却时间min80160120300240600480720表表11 铸铁件在砂型内的冷却时间铸铁件在砂型内的冷却时间5.3铸件的清理铸件的清理落砂后的铸件会带着浇注系统、冒口及出气孔等，通常采用铁锤敲断，然后将铸件进行表面处理。抛丸表面处理是利用叶轮旋转产生的离心力，将铁丸以较高的速度抛向铸件表面，从而达到清除铸件表面的粘砂与氧化皮的清理方法。根据铸造手册表5-32，本次移动板铸件表面清理选择吊钩式抛丸清理机。铸件经过抛丸处理后，表面还会残留坯缝以及抛丸机处理不到的内腔等部分，需要用砂轮机、气铲等设备，进行手动清理。5 5 铸件生产工艺设计铸件生产工艺设计佳木斯大学佳木斯大学 佳木斯大学佳木斯大学Jiamusi University 学校：佳木斯大学 铸造工艺卡片 产品型号 J23016001F 第 页 产品名称 固定钳身 第 页 零件图号 A3 零件名称 固定钳身 材质 HT200 每台件数 4 合箱（或工艺）简图： 模型 模型等级 精度等级 模型材料 模型件数 芯盒数量 活块数量 缩尺 分型负数 拔模斜度 模型工时定额 9 10 HT200 4 4 8 1.02 0-5 0.5 12s 造型制芯 砂型 砂芯 面砂 芯砂 型砂量 芯砂量 涂料 砂箱（内尺寸或图号） 上400*500*85 湿 湿 140号 120号 650M2 160M2 醇基锆英 下 400*500*85 浇口杯 个 直浇口 个 横浇口 个 内浇口 个 冒口 个 1 1 1 2 8 合箱浇注 浇注料号 铸件毛重 浇注重量 浇注温度 浇注时间 热处理 是 设备 造型机 HT200 2 8 1520 11S 规范 铸型紧固 装配样板 打箱时间 清砂方法 螺丝 造型工时定额 ≤24小时 技术要求 工艺要求要求及操作要点： 1.铸造收缩率为1%；2.未注拔模斜度均为3°；3.下面加工余量1.4mm,其余1mm；4.下箱芯头四周均向内斜3mm；5.铸件单向底铸浇注； 绘制： 审核： 会签： 批准： 实施日期： 铸造工艺课程设计说明书设计题目固定钳身铸造工艺设计学 院年 级专 业学生姓名学 号指导教师佳木斯大学目目 录录1 1 前前 言言.31.1 选题背景.31.2 灰铸铁的简介以及发展历史.31.3 砂型铸造工艺的应用及特点.41.4 铸造数值模拟的应用与发展.51.5 本课题的研究内容及意义.51.5.1 研究的主要内容.51.5.2 研究的意义.62 2 机用固定钳身工艺分析机用固定钳身工艺分析.72.1 零件图与技术要求.72.2 固定钳身结构分析.82.3 固定钳身的工艺分析.83 3 铸造工艺方案设计铸造工艺方案设计.103.1 造型及砂芯制造方法选择.103.2 铸型类型的选择.103.3 浇注位置的选择.103.4 分型面的确定.123.5 砂箱中铸件数量和吃砂量的确定.133.6 铸造工艺参数的确定.143.6.1 铸件机械加工余量公差.143.6.2 机械加工余量的选择.143.6.3 铸件收缩率.153.6.4 起模斜度.153.6.5 最小孔铸出及槽.163.7 砂芯的设计.174 4 浇注系统的设计浇注系统的设计.204.1 浇注系统类型的选择.204.2 浇注时间的的计算.204.3 浇注系统尺寸的确定.214.4 直浇道窝的设计.234.5 浇口杯的设计.244.6 冒口的设计.255 5 铸造工艺装备的设计铸造工艺装备的设计.265.1 模板的设计.265.1.1 模样材料的选择.265.1.2 模样结构.265.2 砂箱的设计.275.2.1 模底板的壁厚和加强肋设计与确定.275.2.2 砂箱.285.3 芯盒的设计.29结论结论.31参考文献参考文献.321 前 言1.1 选题背景固定钳身是利用螺杆或其他机构使两钳口作相对移动而夹持工件的工具。根据使用的场合一般分为钳工虎钳和固定钳身两种类型。固定钳身是一种机床附件，又称平口钳，它通常用于机床的工作台，例如铣床，钻床，牛头刨床和平面磨床。它也广泛用于现代数控机床。HT200是灰铸铁的牌号，灰铸铁具有较高的耐磨性，耐热性以及减震性，而HT200为较高强度铸铁，基体为珠光体，珠光体灰铸铁组织主要是珠光体的基体上分布着细小、均匀的石墨片，强度、耐磨性、耐热性较好，减震性也良好，铸造性能较好，常用来制造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件等重要件14，所以用灰铸铁来铸造机用固定钳身。在当下工业发展日新月异的时代，加工机床数控化率也随之提高。如今，固定钳身于数控加工过程中的装夹使用已经十分广泛，尤其集中运用在普通的数控车床、数控铣床、以及加工中心上，但不容忽视的是，一般的固定钳身仍然存在良多需要改进的地方，至于品质更佳的虎钳，例如液压虎钳，其不仅成本高昂，价格亦是不菲。所以，将数控机床中使用的机用固定钳身的工艺优化不仅可以弥补固定钳身的弊端，同时也能将降低成本。1.2 灰铸铁的简介以及发展历史选择铸造机用固定钳身的是灰铸铁。灰铸铁历史悠久，人类已有3000年的使用历史。由于灰铸铁拥有多种优良的性能，所以即便是到了现在，仍然是用量最大的铸造合金，其影响非常广泛。然而，在上个世纪80年代中期的时候，由于追求轻量化，汽油机缸体、缸盖出现了用铝合金代替一直在材料中占主体地位的灰铸铁的趋势，甚至到了2007年，铝合金材料快速增长到占50%左右。但是从2010年开始，出现了逆转的趋势。由于铝合金的高温力学性能无法满足不断提高的内燃机废气排放温度的要求；1t铝合金的冶炼能耗约是灰铸铁的10倍；铝合金的生产成本高于灰铸铁，所以铝合金的在缸体、缸盖的用量开始逐渐下降，与此同时，灰铸铁的使用量出现了逐步增长的趋势。灰铸铁是迄今用量最大的铸造合金，应用面非常宽泛，且造价低廉，而恰因为于此，其之于大众已然是不足为奇的存在，通常被视为再司空见惯不过的事物，甚至被有些人低估乃至轻视其作用。实际上，哪怕人类掌握灰铸铁件的生产技术至今已近三千年，几经历史变迁，我们对它的认识也依旧停留在非常表层的阶段，远远没有发掘出灰铸铁潜在的功能，关于它的研究与开发仍需要后辈孜孜不倦的努力。各个工业国家于近三十年来皆对灰铸铁方面的探索和创新表达了高度重视，由此在其应用方面取得了相对蓬勃的发展，并出现了振奋人心的新动向。铸铁预处理工艺的出现源于感应炉熔炼的冶金特性。它首先在20世纪70年代后期在欧洲应用，然后几乎与感应炉中的铸铁熔炼过程同时进行。当含石墨铸铁在感应炉中熔化时，预处理过程可以改善石墨结晶的成核条件，从而提高铸铁的共晶转变温度，降低过冷度，增加共晶组的数量，并且降低了铸铁力学性能的波动范围，提高了铸件的加工性能10。1.3 砂型铸造工艺的应用及特点铸造就是把金属液或者合金浇注到已经设计好的铸型空腔内，等待其冷却凝固后就得到了零件或者毛坯的这样一种金属成型方式，生产简单灵活，既可以手动生产，也可以机械化生产，一般可以铸造各类形状的毛坯。尤其是内部的型腔复杂的铸件更加适合这种方式。铸造的适用性很广泛，不限于材料本身的大小形状或者铸件的自身质量。铸件材料上到铸铁铸钢或者各种合金，下到报废的工厂里的金属残屑和废钢。铸件的质量也不受限制，可以小至几克，大到几十吨甚至是几百吨。铸件的壁厚可以小到0.5mm，也可厚至1m。尤其是大型铸件的生产更为优越，且铸件的形状以及尺寸与实际的零件很接近，不会有很多材料的浪费，节省了金属材料，同样降低了切削时的难度，也能降低成本。砂型铸造工艺的优点:可用于各种铸件合金的生产。铸铁、铸钢和各种有色金属合金;广泛的应用。铸件的尺寸，结构的复杂性和壁的厚度几乎不受限制;不限于铸件的生产量。适用于单件生产、成批生产、大批量生产;采用多种造型材料，造型美观，制芯工艺简单，成本低廉。砂型铸造工艺的缺点:工作环境差，强度高，铸件表面质量差以及尺寸精度低，模具只能一次性使用，生产效率低。1.4 铸造数值模拟的应用与发展数值模拟是把计算科学和材料科学结合起来的一种新型技术，将材料科学里面的理论知识用计算机技术仿真技术来体现，也结合了其他学科，是一门很先进的科学技术，有很好发展前景。铸造过程可以通过数值模拟来体现金属具体的充型以及凝固过程，可以通过温度场的变化发现最后凝固的位置，可以通过这种方式一定程度上体现缺陷产生的部位，从而可以提前做出工艺调整，从而节约了成本，提高了零件的质量。一定程度上可以提高生产合格率，提高了产品的竞争力。现如今的模拟软件有如Procast软件、Magmasoft软件、Anycasting软件以及华铸CAE软件等，运用这些软件为实际生产提供了便利。如今的铸造技术蓬勃发展，众多软件的出现以及计算机技术的迅速发展使得生产具体的形状、尺寸的铸件成为可能。实际生产中有了这些产品的辅助得以效率的提升以及产品的优化。同时，传统铸造工业也受到了巨大冲击。由计算机、网络技术这些信息技术在铸造行业得以广泛应用。这改变了传统铸造工艺的面貌。所以说现代铸造技术就是传统铸造工艺和信息技术的结合。随着计算机网络技术的发展，造型过程的数值模拟逐渐受到现代铸造界的关注，国内外高校以及研究所对湿粘土砂型的紧实过程进行了模拟分析。德国亚琛工业大学、清华大学等对射芯过程进行模拟分析。同样信息技术的发展同样影响了企业的传统管理方式、生产方式以及技术生产的革新。例如美国福特汽车公司的铸造部与其公司总部相距甚远，却可以通过互联网对其旗下的铸造部进行技术管理，及时解决所遇到的技术难题，生产效率有了大大的提升。1.5 本课题的研究内容及意义1.5.1 研究的主要内容(1)绘制固定钳身的AutoCAD图以及Pro/Engineer的三维图。(2)对机用固定钳身进行工艺分析，设计浇冒系统，选取几种分型方案，分析每种方案优劣，选择最佳分型方案、确定浇注位置、砂箱尺寸和铸件数量，设计砂芯以及浇冒系统，查阅铸造工艺手册，选择合适的铸造工艺参数等。(3)基于数值模拟软件AnyCasting的模拟，对铸件的充型过程，金属液的流动状态进行分析，对铸件凝固时的温度场进行分析，并预测铸件内部存在的缺陷，对造成缺陷的原因进行分析。(4)根据产生原因改进工艺方案，再次模拟来验证改进方案的可行性。1.5.2 研究的意义我国是世界制造中心，也是机床使用大国，随着现代工业的进步，信息技术的发展，使得加工机床数控化率越来越高。在数控加工过程中，尤其是数控机床、数控铣床、以及加工中心，使用固定钳身使用相当普遍，要保证机用固定钳身的质量安全，对机用固定钳身的工艺优化至关重要。固定钳身的底座要承受巨大的冲击力，并应具有高强度和高伸长率。一般来说它的材质是灰铸铁，灰铸铁具有良好的铸造性能和减震性能。但是在实际生产过程中，可能存在不充分的浇注，冷隔以及诸如缩松缩孔等缺陷，这可能严重影响铸件的性能。要从从熔炼工艺、混砂工艺和铸造工艺三个主要影响孔洞类缺陷产生的环节进行分析与研究。本文旨在为机用固定钳身选择合适铸造方法，设计浇注方案，通过数值模拟来分析缺陷的产生，在实际生产中优化浇注方案，通过铸造工艺的改进来减少孔洞类缺陷的产生，铸造出符合质量的固定钳身。2 机用固定钳身工艺分析2.1 零件图与技术要求固定钳身座零件图如图2-1 所示。图图2.1 虎钳零件图虎钳零件图零件技术要求1.材质：HT200;2.未注圆角R4;3.螺纹孔倒角均为CT1.5;4.铸件应人工时被处理;5.锐边倒角，未注倒角均为C16.造型材料：树脂砂此次分析的固定钳身铸件结构简单，壁厚均匀，且生产批量大。这里为保证生产效率，降低制造成本，这里选择采用砂型铸造工艺。采用树脂砂造型的优点：(1)树脂砂与粘土砂相比尺寸精度更高，表面粗糙度较低，可以降低废品率。(2)自硬树脂砂能够常温自硬成型，降低了成本。2.2 固定钳身结构分析固定钳身是一种机床附件，又称平口钳，材料为HT200，成批生产。集中运用在普通的数控车床、数控铣床、以及加工中心上。铸件底部会承受一定载荷，因此要求铸件内部不能有缩孔、裂纹等缺陷。图图2.2 虎钳三维虎钳三维根据零件的结构特点，技术要求，应用条件及技术质量要求，确定铸造方案及铸造工艺设计。一般情况下，铸件可能存在的缺陷涉及到缩孔、缩松、夹渣、气孔、砂眼等,这其中80%的缺陷都是可以通过改善铸造工艺来避免的，也可以通过后期的处理来消除。2.3 固定钳身的工艺分析砂型铸造工艺方案通常包括下列内容：造型、造芯方法、铸型种类的选择，浇注位置及分型面的确定等。要想定出最佳工艺方案，首先应对零件的结构有详细的铸造工艺性分析1。机用固定钳身零件最大轮廓尺寸为154mm130mm58mm，整体结构对称，壁厚整体均匀，属于小型铸件。对于HT200材质来说，这种结构与壁厚可以满足铸造工艺对材料流动性的要求，铸件壁厚均匀，也不会有大热节造成铸件缩孔缩松。表2-1 灰铸铁铸件最小壁厚参考（mm）铸件的最大轮廓尺寸铸钢种类200200400400800800120012502000合金钢灰铸铁8.0799.091011.0121416161820HT200 材料性能及参数如下：牌号： HT200标准： GB/T 9439-2010灰铸铁指的是最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。特性及适用范围抗拉强度和塑性低，但有良好的铸造性能和减震性能，主要用来铸造汽缸套、汽车发动机箱体、车床床身等承主要受压力及振动部件。弹性模量： 1.131.57 105MPa剪切模量： 0.45 105Mpa泊松比： 0.230.27熔点：1200 C线膨胀系数： 8.511.6 10-6/K热导率：39.2W/ （mk）比热容：（J/（ kgK）3 铸造工艺方案设计3.1 造型及砂芯制造方法选择造型（芯）是砂型铸造中最基本的工序，常用的造型有手工造型和机器造型。手工造型工艺装备简单，操作灵活适应性强；机器造型生产效率高，劳动强度低铸件质量稳定，但是需要复杂的工艺装备，前期准备时间较长一般用于批量生产零件。该零件生产批次为批量生产所以采用机器造型的方法。3.2 铸型类型的选择无论从环保、成本、生产率、操作程度考虑都应该优先采用湿型浇注。为了得到高质量的铸件并取得经济效益，另外还考虑到材料的成本和来源、工业卫生及环保方面的要求，综合这些因素，故选择使用湿型粘土砂，同时要求型砂具备良好的流动性、透气性，为了能够得到光滑的铸件表面，型砂的砂粒应当细小一些，可使用中粒偏细的砂，额外加上一定量的煤粉。3.3 浇注位置的选择根据铸件的结构分析，所给铸件的其它加工面都与底部的操作端有关，将铸件如何放置在砂箱，放置方位，合理的浇注位置对分模、砂型的造型、砂芯的设置、铸后的开模、型砂后期的清理等各个环节都有重要影响。确定浇注位置是铸造工艺设计的重要部分。正确的铸造位置应确保铸件的成型、制芯以及清洁的方便。选择合理的铸造位置与铸件的内在质量、尺寸精度以及成型的容易性有关。根据铸件结构特点，选择正确合理的浇注位置，促进浇注时金属液能顺利进入型腔，及时充满型腔，凝固时保证各部位能区域顺利凝固，冒口设置也是直接与浇注位置相关，可以肯定的浇注位置是铸造工艺设计的第一步，也是重要的一步，对铸造出完整、质量优异的铸件毛坯至关重要。该固定钳身零件，整体尺寸不大，零件特征主要以平面构成，浇注位置方案如图3-1所示，列举了如下两种方案：（a）浇注位置方案一 （b）浇注位置方案二图图3-1浇注位置示意图浇注位置示意图方案一如图3.1（a）所示，将虎钳底面在下放置，采用两箱造型，外模结构简单，此种浇注位置与分型面的选择，不仅使浇注方便，铸件的重要部位应尽量置于下部，而且更容易满足技术要求。方案二如图3.1（b）所示，将固定钳身铸件侧立放置，此位置铸件位于铸型的上下两侧，不利于铸件的充型，铸件较高，此种浇注位置的充型过程中，金属液的落差大，不利于平稳充型。需要设计水平式砂芯，可能在金属液浮力的作用下发生偏移，不利于砂芯的定位和稳定。综合比较上式两种方案的优缺点，选择方案一。3.4 分型面的确定分型面设置是便于砂型的造型，模样的设计与后期模样的设计，它影响到浇注系统的设计，砂芯的设置等，对铸件精度及铸件质量有重要影响。一般分型面的设计原则，是将分型面设置在铸件的最大截面位置，便于砂芯的下芯、砂箱的合型、分型面便于砂型的制造与对砂型各型腔尺寸的检查。砂型铸造工艺设计中，对分型面的选择积累了很多实用、成熟的经验，这里列举如下：分型面设置位置，为砂型制造的方便，应尽量将铸件全部或者大部分放置在同砂型内。分型面的设置数量，会影响到模具结构的复杂程度，因此分型面的数目不宜过多。分型面一般选择零件的大截面或平面，要确保分型面设置合理，砂箱高度要求适中。分型面的设置就决定了铸型结构与砂芯安装与定位方式，因此，必须保证砂芯的安装方式，定位可靠，且便于检查型腔尺寸。分型面是砂箱合箱位置，分型面既不能削弱铸件本身的强度，又要保证加工余量适中，要求便于砂箱的开模，各浇道与型砂的定时清理。此固定钳身零件底面需要与机床工作台接触良好，也要为保证零件重要表面铸造质量。根据前面分析的浇注位置，设计了两种分型面方案。 (a) 分型面方案一 (b) 分型面方案二 图图3-2铸件分型面铸件分型面第一种方案，如图3-2所示,采用整模造型，将虎钳水平放置，铸件整体放置上箱中，但这种方法无论是放置砂芯还是取模都较为困难。 方案二采用虎钳的下部台阶面为分型面，采用上下两箱分型，这样简化了砂型制造难度。此种分型面的设置，有效减少了砂型造型，便于浇注系统的设计，通过在铸件顶部设置冒口对铸件补缩。铸件的重要部位放在了下部，避免产生砂眼、气孔夹渣等缺陷。综上，本设计中的固定钳身铸件的分型面选择分案二。3.5 砂箱中铸件数量和吃砂量的确定当确定（或同时）造型方法，浇注位置，分形面和砂芯时，应首先确定放置在砂箱中的铸件的数量，作为设计浇冒口的依据。放置在砂箱中的铸件数量主要与铸件的大小、砂型大小以及吃砂量都有关，在保证工艺性和铸件质量的前提下越多越好。由模样平均轮廓尺寸确定吃砂量，模样平均轮廓尺寸计算17: （3-1）2/BLA）（式中：A模样平均轮廓尺寸（mm）； L模样在分型面的最大长度（mm）； B模样在分型面的最大宽度（mm）；由上式可得模样平均轮廓尺寸为114mm，由铸造手册17查表3-55确定吃砂量为50，采用一箱四件。表3-1为中小型砂箱的平面尺寸。采用树脂自硬砂造型制芯则可以不受限制。表表3-1 推荐中小型砂箱尺寸推荐中小型砂箱尺寸砂箱尺寸(mm)500400600500800600100080012001000造型机ZZ145Z146AZB148AZB1410 砂箱高度要根据模样高度、直浇道压头来确定，零件总体尺寸为154mm130mm58mm。在生产线浇筑系统。采用树脂自硬砂造型制芯的，上下砂箱高度可不同。3.6 铸造工艺参数的确定3.6.1 铸件机械加工余量公差加工余量这里指铸件机械加工面上预留的、将切除的金属层厚度。机械加工余量取决于零件的精度等级，与铸件材料、生产批量、铸造方法、浇注位置、铸件尺寸等因素有关。铸件的尺寸公差 CT，其精度等级从高到低有1、2、3 16共16个等级；加工余量等级MA，从精到粗可分为A、B、C、D、E、F、G、H、J共9个级别。表3-1为砂型铸造一般情况铸造合金单件和小批生产时的铸件公差等级及与之对应的加工余量等级。表表3-23-2 砂型铸造铸件公差等级砂型铸造铸件公差等级CT/MA造型材料铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金轻金属合金干、湿砂型13-15/J13-15/H13-15/H13-15/H13-15/H12-14/H自硬砂12-14/J11-13/H11-13/H11-13/H10-12/H9-11/H单件和小批生产时铸件公差等级及与之配套的加工余量等级（摘自GB/T1350-89）铸件材质为灰铸铁，由于该铸件材料为灰铸铁，并且采用机械造型干砂型铸造方法，查表3-2选用公差等级CT13-CT15，考虑到工厂的生产效率和操作的工艺性，故选择CT14。根据最大尺寸、砂型手工造型、零件尺寸公差以及公差等级进行查询。查表（GB/T 64141999）得机械加工余量等级为K取11mm。3.6.2 机械加工余量的选择为了确保零件的加工精度，在工艺过程中，要增加一层金属层厚度，在加工过程中可以允许被切除，这个金属层被称为机械加工余量。从细到粗，它分为9个等级：A，B，C，D，E，F，G，H和J，用“MA”表示3。查表（GB/T 64141999）得机械加工余量等级为K取1-1.4mm，如图3-3所示需要加工的表面均留加工余量的位置。 图图3-3固定钳身机加工量固定钳身机加工量3.6.3 铸件收缩率根据产品大小，产品壁厚，综合线收缩率包括铸件收缩和砂型膨胀。铸造收缩率又称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12： (3-2) 121100%LLL 铸造收缩率； 模样长度；1L 铸件长度；2L根据铸造手册表3-6，中小型灰铸铁铸件的收缩率为0.81.0% ，本工艺取1.0%。 表表3-6 砂型铸造灰铸铁铸件的铸造收缩率砂型铸造灰铸铁铸件的铸造收缩率收缩率（%）合金自由收缩受阻收缩灰铸铁：中小型件中大型件特大型件简型件：长度方向 直径方向孕育铸铁：HT200 HT300 HT3501.00.90.80.90.71.01.01.50.90.80.70.80.50.80.81.03.6.4 起模斜度在造型和制作砂芯的过程中，起模时操作不当可能会对砂型和砂芯造成损坏。为了防止这个现象的发生，应该在起模的地方留一定的斜度，这个斜度称为起模或拔模斜度12。为方便铸件能顺利从铸型中脱离出来，模样的拔模斜度必须要与出模方向保证相同方向。铸件中部的起模高度为58mm，尺寸公差等级为CT12参考文献1表3-14起模斜度可查得铸件的起模斜度为1，查表得起模斜度为3o。皆符合零件的技术要求。因为铸件的壁厚较大，则选择较少料厚的铸造模样的起模斜度。图图3-3 起模斜度示意图起模斜度示意图3.6.5 最小孔铸出及槽砂型铸造太小的孔一般不铸出，可根据表3-5选择。表表3-5 砂型铸件内孔最小最小尺寸表砂型铸件内孔最小最小尺寸表最小铸出孔直径生产批量灰口铸铁件铸钢件大量生产成批生产单件、小批生产121515303050305050 该零件为批量生产零件材料为HT200孔最小直径12mm，从零件图上看零件有两个M5螺纹孔不铸出；左端12 孔需要机械加工，留加工余量后孔小于12mm，因此不铸出；零件两侧11的螺钉过孔不铸出；零件右端18通孔留加工余量后为12mm选择不铸出。图图3.4 铸件非铸出孔位置铸件非铸出孔位置3.7 砂芯的设计砂芯的功用是形成铸件内腔、孔、和铸件外形不能出砂的部位。有时可以用砂芯来替代砂型中有特殊要求的部分4。对于砂芯有一些必要的条件：砂芯的形状、尺寸应满足铸件要求，并且不能在砂型中随意放置；在性能方面，砂芯被要求有一定的强度和刚度，也要考虑铸造过程中砂芯中的气体能否及时排出，而且铸件最后冷却时不能有太大阻力，否则会影响其收缩；也需要考虑其后续清理操作。芯头是指深处铸件以外不与金属接触的砂芯部分。有定位、固定砂芯和排出浇注后砂芯所产生的气体的作用。本设计砂芯的高径比不大，而且砂芯宽度较大时，则不必做出上芯头，下芯头高度按查表的数值增加大约百分之三十。查表得，芯头高度为1020mm，具体的上芯头高度为10mm，下芯头高度为11hh0mm。芯头斜度图图3.7 芯头斜度芯头斜度芯头斜度参数如图3.7所示，由于此砂芯设计时可以不需要设计上芯头，通过表3-5得下芯头斜度为10。表表3-5 垂直芯头斜度垂直芯头斜度芯头高h152025303540506070用a/h表示斜度用角度表示时上芯头234567911121/510下芯头11.522.533.54561/105芯头的模样上做出压环、防压环和集砂槽是为了快速下芯、合型以及保证铸件的质量。水平芯头和垂直芯头的压环、防压环和集砂槽的各个尺寸参数如图3.8所示：图图3.8 水平芯头和垂直芯头压环、防压环和集砂槽尺寸水平芯头和垂直芯头压环、防压环和集砂槽尺寸通过查铸造手册表2-4得，。mmrmmfmme2;3;21砂芯如图3-9所示，下方蓝色部分是方形的砂芯，只需要采用一个锥形芯头定位即可。 图图3-9 砂芯示意图砂芯示意图砂芯排气孔设置主要是将金属液在浇注过程中产生的一些粘结剂等有机物在氧化燃烧的气体排出到型腔之外，这样避免在铸件内产生气孔。本设计中的砂芯材料是自硬树脂砂，其透气性也一般，这里需要设置一定的排气孔。由于固定钳身结构简单，因此出气孔的设置只需要在上砂型随便设置几个就可以满足，并没有特殊的要求。4 浇注系统的设计4.1 浇注系统类型的选择砂型铸造工艺中，浇注系统的设计对金属液的充型及凝固顺序、补缩等起到重要作用，直接决定了铸件的质量。浇注系统的结构分类如下：本铸件的浇注系统采用封闭式浇注系统，保证进入浇道内的金属液且呈现压流动，充型速度快，冲刷力大，因此根据铸件尺寸与重量来综合考虑浇道的截面。在对浇注系统进行设计时，要严格把握各个浇道之间的距离，如果距离太近，则浇注过程中易形成紊流产生的金属氧化物，砂砾就会进入型腔，使得型腔内产生缺陷。考虑到铸件的壁厚不均匀，零件中心会有较大腔体。顶注式浇注系统虽然有结构简单，造型方便的优点，但在充型过程中并不平稳，易产生飞溅、氧化和吸气，往往会导致夹渣、气孔等缺陷。除此此外还会对型腔内部产生较大的冲击，易导致砂孔、铁豆等缺陷。综合分析，此设计最终选择底注式浇注系统。4.2 浇注时间的的计算为进一步计算铸件浇注系统及冒口消耗金属量，这里采用铸件工艺出品率计算浇注金属液总质量： 工艺出品率铸件重量LG表表4.1 灰铸铁件工艺出品率灰铸铁件工艺出品率9铸件重量/kg10010010001000单件小批生产657575808090成批生产708080858590工艺出品率（%）大量流水生产75808085- 本铸件的采用一模4件浇注方式，其铸件重量小于100kg，且为成批量生产，选择工艺出品率为75%。kg计算浇注系统截面时，一般先计算该浇注系统中的最小截面，再通过比例关系得到其它组元的截面积。 浇注时间由铸件的高度和型腔内金属的液面上升速度来确定，即 (公式4-1)=HV式中浇注时间（s）H铸件高度（cm）58mmv金属液在型腔中平均上升速度（cm / s）2130 mm / s-1过长的浇注时间会使得金属液面产生较厚的氧化层，造成夹渣气孔等缺陷。铸件所允许的最小液面上升速度见表4-2。表表4-2灰铸铁最小液面上升速度灰铸铁最小液面上升速度浇注时间 =58/25=2.25s4.3 浇注系统尺寸的确定（1）浇注系统尺寸的确定根据铸造手册表3-146得封闭式系统各组元的断面比为：Ag:Aru:As =1：1.1：1.15计算浇注系统最小阻流截面积，以内浇道为阻流截面的浇注系统原理图，由奥赞公式：铸件最小壁厚/mm 铸件厚度/mm 铸件厚度大于40mm以及所有水平位置浇注的平板铸件 1-40 4-10 4 最小上升速度/（mm. s-1）8-1011-20 21-30 31-100 （4-2） pgH2m阻A式中m为流经阻流断面金属液的总量为充填型腔的总时间为全部型腔被填充时，浇注系统阻流断面的流量系数1Hp为平均静压力头高度Hp：对于底注式浇注系统Hp=H0-Hc （4-3）H0为阻流截面以上的液态金属的静压头；Hc为铸件型腔的总高度 则Hp=8.5cm。（2）铸造方式是砂型铸造通过计算最小阻尼面积后确定内浇道截面积，选择浇注系统各组元的比例关系：表4-3 浇注系统各组元截面比例推荐横浇道和直浇道的截面积可根据选定的各组元的比例关系，以及通过计算所得内浇道总截面积，就可依次算出来。内浇道截面积：31. 03pLHtGF内=1.62cm由封闭式系统各组元的断面比为：Ag:Aru:As =1：1.1：1.15可得A横=1.76 cm2 ；A直=1.84cm2（3）内浇道形状及尺寸内浇道的功能是控制充型速度和方向，分配金属液，本设计我们选用扁平形截面形式，因为这种形状内浇道易于清理。铸件两个内浇口，面积为1.6平方厘米。去除浇道时为不破坏泵盖铸件，内浇口厚度取6mm，截面宽度为上底15mm，下底边长为13mm，截面实际面积为1.6平方厘米。 图图4-1（4）横浇道形状及尺寸横浇道是直浇道末端到内浇口前端间的通道，提供稳定金属液流，对金属液的流动有较小的阻力。本铸件采用梯形截面的横浇道，横浇道厚度尺寸确定为13mm，根据横浇道计算面积F横=1.76cm2，这里参考铸造工艺手册确定浇注截面尺寸：a=12mm，b=15mm，c=13mm。 横浇道形状与尺寸如图4-2所示。图图4-2 横浇道横浇道 （5）直浇道形状及尺寸直浇道是引导从浇口杯金属液向下，引导金属液向下进入横浇道、内浇道，提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服流动阻力完成充型。这里直浇口设计为1支，为方便脱模，直浇道设置为倒锥形，最小圆形截面形状D直=16mm，截面面积为1.84mm。图图4-3 直浇道直浇道4.4 直浇道窝的设计在金属液从直浇道流入横浇道时方向发生急剧改变，金属液对直浇道底部产生强烈的冲击，而且会产生涡流和高度湍流区，会导致冲砂、渣孔等缺陷。因此需要设计直浇道窝。直浇道窝有以下几个优点：1.减轻金属液对底部的冲刷; 2.使金属液转弯的湍流区缩短; 3.可以改善内浇道的流量分布; 4.可以减小拐弯处的局部阻力系数和水力压头损失;5.可以将金属液带入的气体浮出。根据以上分析计算，浇道窝的直径是直浇道底部直径的1.4-2倍，浇道窝高度为横浇道高度的2倍。图图4-44.5 浇口杯的设计为了方便金属液的浇注，防止金属液的飞溅和溢出，减小金属液对型腔的冲击，则需要设置正确的浇口杯的结构，配合恰当的浇注操作，才能避免这些问题的出现。浇口杯按照结构形状可以分为漏斗形和池形浇口杯。漏斗形浇口杯结构太过简单，挡渣作差，适用面很小；而池形浇口杯的综合性能较好。所以本次设计采用普通的浇口杯。 图图4-54.6 冒口的设计在铸件凝固过程中，设置冒口是为了补缩铸件的体积变化，可以达到消除或防止缩孔缩松等缺陷的目的，以至于可以获得优质铸件，除此之外，还有排气、集渣、引导充型等作用。因此设置合适的冒口可以达到补缩的目的，以提高铸件致密性18。设计冒口时其形状直接影响冒口的补缩效果，冒口的形状一般有圆柱形、球顶圆柱形、球形等14。要使整个铸铁件的冒口的补缩效果最好，可以采用均衡凝固理论的冒口设计19。当铸件膨胀时，流动的金属液就不能返回到冒口，此时就可以利用灰铸铁使铸件引起二次补缩。灰铸铁流动性好，不容易产生疏松等缺陷，所以此次固定钳身的铸造工艺不设计冒口。5 铸造工艺装备的设计5.1 模板的设计5.1.1 模样材料的选择模样按材料分有木模、钢模、塑料模、气化模，更加零件实际情况选择金属模为模样材料，有制造方便、表面光洁、强度高等优点。模样设计需要根据生产批量及零件结构复杂程度来确定。常用的模样材料主要有木质材料、铝质金属材料等。木模材料的特点是质量轻、加工简便、价格低廉，但强度低、尺寸精度较低，适用于单件、小批量生产。金属模（铝合金模、铸铁合金模等）表面精度高，强度好、使用寿命场，但制造费用高，适合大批量生产。故结合本端盖铸件工艺，其铸型型腔尺寸较小、结构简单，精度要求不高，选用木质模样。5.1.2 模样结构模样在分型面处分为上模和下模。模样之间的连接要牢靠，模样在模板上的定位必须准确，以免造成分型面处的错型。图图5-1 砂型制造流程砂型制造流程考虑到铸件收缩率，模样尺寸需要设计时需要较铸件本体放到收缩量。保证上下砂箱合型面精度要求，要求上下型错模量不得大于1mm。结合树脂砂造型的，需要保证砂型能够连续放砂，铸造砂型的设计需要采用型板，型板上设计定位孔，安装定位销。模样尺寸（产品的铸件尺寸+零件铸造工艺附加尺寸） （1+K） 其中，模样的收缩率为K=1%；零件铸造工艺附加尺寸中更具前面为3mm；起模斜度为1.2mm；非机械加工壁厚的负余量为-0.5。5.2 砂箱的设计根据本铸件的材料，选用铸铁模板。模板结构尺寸的设计及尺寸的计算（1按下式确定模底板的平面尺寸：A0=A+2b B0=B+2b (5-1)式中：A砂箱内框长度尺寸(mm)；B砂箱内框宽度尺寸（mm）； A0模底板长度尺寸（mm）；B0模底板宽度尺寸（mm）； b砂箱分型面外凸缘的宽度（mm）。（2）模底板的高度：模底板的高度h必须根据使用要求和选用的造型机来确定。普通平面式模底板：H=80150mm （3）模底板定位销孔中心距：模底板定位销孔中心距应与所配用砂箱的定位孔中心距相一致。5.2.1 模底板的壁厚和加强肋设计与确定（1）根据模底板平均轮廓尺寸与选用材料壁厚和加强肋厚度及连接圆角半21,径r，选用：=15mm，=12，。21,8rmm（2）加强肋的布置：加强肋之间的距离为。 50Kmm（3）模底板和砂箱的定位装置：模底板与砂箱之间用定位销与销套定位14。结论：根据上面的叙述，在满足以上要求后得出模底板的长为400、宽为500mm。mm图图5-35-3 模底板模底板5.2.2 砂箱在砂型铸造的过程中，砂箱是必要的。在手工造型的时候，对砂箱没有那么严格的要求，但是在机械造型的时候，要求会高一点。如果能够合理地设计砂箱的尺寸，对铸造生产的过程的益处是非常大的。砂箱有多种材料，有木质、铝合金、灰铸铁、球墨铸铁和铸铁合金五种。还有手抬、吊运和滑道等搬运方法。形状也多样，有正方形、矩形和圆形。同时还分为整铸、铸接和拼合三种铸造方法。本设计选用整铸式砂箱，材料为灰铸铁，灰铸铁有很多种类、花费不高，制作起来比较方便，并且有高强度和刚性。图图5-4 砂箱砂箱确定砂箱的内部结构时，要考虑很多因素。砂箱的内框有多大，要把模样的大小、浇口杯冒口的位置和铸件的吃砂量综合起来考虑才行。砂箱箱壁的截面形式非常重要，因为它关系到了强度和刚度。决定截面形式的因素有很多，比如砂箱在哪种条件下工作，内框的大小以及要用什么样的材料来制造砂箱。为了进一步使强度和刚度增强，可以为砂箱设置加强肋。加强肋的设置同样需要根据砂箱的高度和内框的大小来确定。5.3 芯盒的设计在制作砂芯的时候，需要使用芯盒，这是工艺设备的一种。如果能为芯盒选择正确的尺寸和材料的话能够确保铸件的质量，加快生产速度，降低花费。本设计选择批量生产，采用金属芯盒能够用让芯盒的寿命延长，并且是精度得到提高。芯盒的种类也有很多，根据芯盒材料的来分的话，可以分为木芯盒、铝合金、塑料芯盒等。由于本设计的铸件是小批量生产，所以确定使用木芯盒。木芯盒十分适合本设计的手动制芯、自硬砂制芯。芯盒还可以分为敞开整体式，垂直对开式等，由于本设计的零件形状简单，并且砂芯具有起模斜度，所以选择敞开整体式芯盒。在设计的时候，芯盒的厚度要尽可能的小，因为要控制其质量，厚的芯盒也会增大操作的难度。因此只要能够保证强度和刚度以及使用寿命，就要考虑尽可能减小厚度。同砂箱一样，也可以通过加强肋来增加芯盒的强度和刚度，加强肋设置在外壁上，设置得合理的话，可以让芯盒用起来更方便。根据铸造工艺手册选，。300mm100 125a mm75 100k mm5R mm在砂箱上设置了定位装置以后可以保证尺寸精度，还可以防止合箱的时候错位。定位的方法有很多，要根据生产条件选择。常见的方法有楔定位、定位销定位、箱垛定位等。本设计选用箱垛定位。烘干工艺的控制是干型和表干砂型二者皆有的十分关键的步骤。每刷上一次水基石墨涂料，表干砂型都需经过喷烘方能进行下一遍涂料的刷抹。厚重大型的铸铁件通常要刷23遍的涂料。砂型被烘干之后，砂芯干燥层的深度也会随之增大。几种砂型（芯）烘干保温温度：一般砂型，木型用木屑，砂芯用有机粘合剂干燥温度为350-400C，比如湿型砂，干型砂和表面干砂需要定期混合量和旧砂上有效膨润上的含量和pH值，用以调整新旧砂的比例，要求型砂和芯砂性能的稳定。总含混量要求控制在1618以下。图图5-55-5合箱示意图合箱示意图结论机用固定钳身为HT200，采用砂型铸造的方式进行生产，选择能够自硬成型的树脂砂来制作砂型，采取低注式浇注系统，浇口比为：=1.0：1.8：2.0F内F横F直。选择造型造芯的方法及浇注位置与分型面的确定。然后分析计算了零件的各种铸造工艺参数并且砂芯进行设计。最终计算和设计浇注系统、冒口、冷铁、出气孔等。工艺装备中模样和模板采用金属模，材料为灰铸铁，牌号为HT200，线收缩率为1%，需要采用加强筋，模样实心。使用冷芯盒法制作芯盒，材料为铝合金。砂箱尺寸为：154mm130mm58mm。参考文献参考文献1 魏尊杰. 金属液态成形工艺. 北京：高等教育出版社，2010:56-60.2 Babton RG. 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