三角皮带轮铸造基本工艺设计.doc

三角皮带轮铸造工艺设计

目录
摘要………………………………………………………………………3
1零件概述………………………………………………………………3
1.1零件基础信息……………………………………………………3
1.2 零件结构特征及作用……………………………………………4
1.3 零件结构审查……………………………………………………4
1.4 零件技术要求……………………………………………………5
2 铸造工艺方案设计……………………………………………………5
2.1 造型、造芯材料及方法…………………………………………5
2.2 浇注位置确实定…………………………………………………6
2.3 分型面选择……………………………………………………7
2.4 砂芯设计…………………………………………………………8
2.5 铸造工艺设计参数 ……………………………………………11
3 浇注系统 ……………………………………………………………15
3.1 浇注系统类型选择 ……………………………………………15
3.2 浇注系统结构设计 ……………………………………………15
3.3 内浇口位置及数量确实定 ……………………………………15
3.4 浇注系统尺寸计算 ……………………………………………16
3.5 浇注系统各单元结构及尺寸 …………………………………17
4. 冒口设计 …………………………………………………………19
5冷铁设计 …………………………………………………………20
5.1冷铁放置位置确实定……………………………………………20
5.2冷铁尺寸确实定…………………………………………………21
5.3设计冷铁时注意事项……………………………………………21
6 出气孔设计………………………………………………………22
参考文件………………………………………………………………22

摘要
皮带轮是带传动结构关键零件之一，相比较传统汽车乘用车发动机减震皮带轮,轻型柴油乘用车发动机减震皮带轮既可满足家用轿车发动机上,又可适用大型客车,大型货车,农用车上发动机上,含有回收循环使用、重量轻、增强发动机动力、降低油耗等优点。本文依据铸造工艺设计通常程序对三角带轮进行了分析，从技术条件和结构着手，参考相关铸造手册和分析相关实例，确定了合理铸造工艺方案，最终完成了其铸造工艺设计，这为我们以后设计铸造工艺奠定了理论和实践基础。
1 零件概述
1.1 零件基础信息
零件名称：三角皮带轮
零件材料：QT450-10
产品生产纲领：大批量生产
砂箱高度：250
三角带轮零件图：

图1 三角带轮零件图

1.2 零件结构特征及作用
本三角皮带轮采取腹板式结构，结构简单，且是左右上下对称回转体，易于分型和铸造，大大提升生产效率，反复率高。
1.3 零件结构审查
审查、分析铸件结构时应考虑以下多个方面：
（1）铸件应有适宜壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺点铸件不应太薄。
（2）铸件结构不应造成严重收缩阻碍，注意壁厚过渡和圆角。
（3）铸件内壁应薄于外壁。
（4）壁厚努力争取均匀，降低肥厚部分，预防形成热节。
（5）利于补缩和实现次序凝固。
（6）预防铸件翘曲变形。
（7）避免浇注位置上有水平大平面结构。
三角皮带轮零件轮廓尺寸为290mm*290mm*90mm，由《铸造
工艺学》表2-1，知：砂型铸造时球墨铸铁铸件最小许可壁厚为4~8mm。而三角皮带轮最小壁厚为11mm，符合要求。
1.4 零件技术要求
铸造圆角R5，铸造斜度1:20，全部倒角2×45°，铸件除满足几何尺寸精度和材质要求外，没有其它特殊要求。
2 铸造工艺方案设计
2.1 造型、造芯材料及方法
零件轮廓尺寸为290mm*290mm*90mm，尺寸较小，属于中小型零件且需要大批量生产。采取湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。所以，采取湿型粘土砂机器造型，模样采取金属模是合理。
在造芯材料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料成本较低，不过烘干后轻易产生裂纹，轻易变形。在大批量生产条件下，因为需要提升造芯效率，且常要求砂芯含有高尺寸精度，此工艺所需砂芯采取热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及确保铸件质量。选择使用射芯工艺生产砂芯，采取热芯盒制芯工艺热芯盒法制芯，是用液态固性树脂粘结剂和催化剂制成一个芯砂，填入加热到一定芯盒内，贴近芯盒表面砂芯受热，其粘结剂在很短时间内硬化。而且只要砂芯表层有数毫米硬壳即可自芯取出，中心部分砂芯利用余热可自行硬化。
2.2 浇注位置确实定
铸件浇注位置是浇注状态下铸件在铸型内所处位置。确定浇注位置是铸造工艺设计中关键步骤，关系到铸件内在质量、铸件尺寸精度及造型工艺过程难易程度。确定浇注位置时应注意以下多个标准：
（1）铸件关键部分或关键加工面、耐磨面、受力部位等应在下部或呈直立状态；
（2）铸件局部薄壁部位或铸件大平面应朝下；
（3）有利于铸件次序凝固和补缩；
（4）尽可能避免用吊砂、吊芯或悬壁式砂芯；
（5）通常使合型位置、浇注位置和铸件冷却位置一致。
基于以上标准，铸件浇注位置图2所表示：

图2 三角带轮浇注位置
2.3 分型面选择
分型面是指两半铸型相互接触表面。分型面优劣在很大程度上影响铸件尺寸精度、成本和生产率。
通常来说，选择分型面时应注意一下标准： 
1.应使铸件全部或大部分置于同二分之一型内 
2.应尽可能降低分型面数目 
3.分型面应尽可能选择平面 
4.便于下芯、合箱和检测 
5.不使砂箱过高 
6.受力件分型面选择不应减弱铸件结构强度 
7.注意减轻铸件清理和机械加工量
2.4 砂芯设计
砂芯用来形成铸件内腔或外形上有碍起模局部凸凹部位。设计砂芯总标准是：铸件内腔尺寸正确、通气顺畅、芯盒结构简单。
2.4.1 芯头设计
砂芯关键靠芯头固定在砂型上。对于垂直芯头为了确保其轴线垂直、牢靠地固定在砂型上，必需有足够芯头尺寸。
垂直芯头设计数据包含上、下芯头高度和芯头斜度、芯头间隙、上部压紧环和下部集砂槽等。具体数据可查标准JB/T5106-1991。
1．芯头高度
对于φ60mm孔，L=90mm，D=60mm，查《铸造工艺学》表6-17知，芯头高度h=25~30mm，取h=30mm。因为带轮垂直砂芯是上、下对称，且产品是大量生产，故上、下芯头可采取相同高度。
对于φ42mm×6均匀分布孔，L=18mm，D=42mm，查表6-17知，芯头高度h=15~20mm,取h=20mm。
2.芯头斜度
为避免合型时上芯头和铸型相碰，上芯头和上芯座应大部分。
查《铸造工艺学》表6-18知，上芯头α=10º，下芯头α=5º。
3.芯头和芯座间间隙
机器造型时，制芯时间隙通常较小，常见间隙为0.5mm~1mm。
4.压紧环
湿型铸造时，为阻止金属液沿间隙钻入芯头堵塞通气孔，应在上芯座上安置一圈凸起砂环，称为压紧环。合型后它能将砂芯压紧，能有效阻止金属液钻入芯头中心通气道中。
5.集砂槽
集砂槽用来存放遗漏散落残砂或小砂块，可避免芯头和芯座因残砂垫起而位置不正。集砂槽通常深2 ~5mm，宽3~6mm，关键用于机器造型。
2.4.2 芯头承压面积核实
芯头承压面积应足够大，以确保在金属液最大浮力作用下不超出铸型许用压应力。芯头承压面积S应满足
S≧k F芯/ [σ压]
式中，F芯——所要计算最大浮芯力，应为砂芯所排开金属液重力（N）；
K——安全系数，k=1.3~1.5；
[σ压]——铸型许用应力（MPa），对于湿型，[σ压]可取（40~60MPa）。
2.4.3 芯骨设计
为了确保砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不开裂、不变
形、不被金属液冲击折断，生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提升其
刚度和强度。用水玻璃砂和树脂砂制作中、小砂芯时，通常采取圆钢
作为芯骨。
2.4.4 砂芯排气
砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中有机物要燃烧（氧化反
应）放出气体，砂芯中残余水分受热蒸发放出气体，假如这些气体
排不出型外，则要引发铸件产生气孔。为此，应采取透气性好芯
砂。砂芯中应开设排气道，芯头尺寸要足够大，以利于气体排出。
可用以下方法开设砂芯排气道：用通气孔、通气模板，用蜡线、尼龙
管，用手工开挖法。 
2.4.5 砂芯负数
大型粘土砂芯在春砂过程中砂芯向四面涨开，刷涂料和在烘干过程中发生变形，使砂芯四面尺寸增大。为了确保铸件尺寸正确，将芯盒长、宽尺寸减去一定量，这个被减去量叫做砂芯负数。 
因为砂芯负数只用于大型粘土砂芯，本设计中砂芯为中小型砂芯，故不设计砂芯负数。
2.5 铸造工艺设计参数
铸造工艺参数指铸型工艺设计中需要确定合理工艺数据，通常包含铸件尺寸公差，机械加工余量，最小铸出孔、槽，起模斜度，铸造收缩率及多种工艺补正量。
2.5.1 铸件尺寸公差
铸件尺寸公差是指铸件各部分尺寸所许可极限偏差，铸件生产过程中很多原因全部会影响铸件尺寸公差，同时铸件尺寸公差在一定范围内会对铸件生产成本产生极大影响。
查《铸造工艺学》表6-1知，大批量生产球墨铸铁毛坯铸件公差等级为CT8~CT12，取带轮公差等级为CT10。
2.5.2 机械加工余量
机械加工余量指铸件预加工表面上留出为进行最终机械加工所需金属层厚度。
加工余量过大，浪费金属和机械加工工时，增加零件成本；过小，则不能完全除去铸件表面缺点，甚至露出铸件表皮，达不到产品设计要求。
查表2-4知，带轮机械加工余量为6.0mm。
2.5.3 最小铸出孔
查表2-5知，球墨铸铁铸件大量生产时最小铸出孔直径为12~15mm，因为带轮最小孔直径为42mm，故需要将其铸造出来。
2.5.4 起模斜度
为使模样轻易从铸型中取出或砂芯自芯盒中脱出，不致损坏砂型和砂芯，应该在平行于起模方向上使模样和芯盒壁含有一定斜度。这个斜度，称为起模斜度。起模斜度应在铸件上没有结构斜度、垂直于分型面表面上应用。
初步设计起模斜度以下：
外形模A面（图5所表示），高度为85mm，查《铸造工艺学》表6-11知，粘土砂造型时模样起模斜度为α=0°30′，a=1.0mm。
外形模B面（图5所表示），高度为2.5mm，查表6-11知，粘土砂造型时模样起模斜度为α=2°20′，a=0.4mm。
内腔C面（图5所表示），高度为90mm，查表6-11知，粘土砂造型时模样起模斜度为α=0°30′，a=1.0mm。
不过同一铸件要尽可能选择同一起模斜度，以免加工金属模时频繁更换刀具。且起模斜度应小于或等于产品图上所要求起模斜度值，以预防零件在装配或中工作和其它零件相妨碍。因为带轮零件图上要求铸造斜度为1:20，内腔锥度为1:10，所以选择同一起模斜度为α=2°20＇,a=0.4mm。
因为A、C面全部是和其它零件配合关键加工面，故起模斜度形式选择增加壁厚法。而B面为非加工面，故起模斜度形式选择加减壁厚法。

图5 模样起模斜度示意图
2.5.5 铸造圆角
铸件上相邻两壁间交接角，应做出铸造圆角，带轮零件图要求铸造圆角为R5。
2.5.6 工艺补正量
在单件小批量生产中，因为选择缩尺和铸件实际收缩率不符，或因为铸件产生了变形等原因，使得加工后铸件一些部分壁厚小于图样要求尺寸，严重时会因强度太弱而报废。所以工艺需要在铸件对应非加工壁厚上增加层厚度称为工艺补正量。但带轮在大批量生产前小批量试制和试产过程中将进行调整尺寸改变，所以设计中不考虑工艺补正量。
2.5.7 铸造收缩率
铸造收缩率K定义是
K=（LM-Lj）/Lj×100％
式中 LM——模样（或芯盒）工作面尺寸；
Lj——铸件尺寸。
通常，灰铸铁K=0.7％~1.0％。
3.5.7 分型负数
干砂型、表面烘干型和尺寸较大湿砂型，分型面因为烘烤，修整等原因通常全部不很平整，上下型接触面很不严。为了预防浇注时分型面跑铁液，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳或耐火泥条，这么在分型面处显著增加了铸件尺寸。为了确保铸件尺寸正确，在确定工艺时为抵掉铸件增加尺寸而在模样上减去对应尺寸称为分型负数。而带轮是湿型且是小型铸件，故不予考虑分型负数。
3 浇注系统
3.1 浇注系统类型选择
浇注系统分为封闭式浇注系统、开放式浇注系统、半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。因为封闭式浇注系统控流截面积在内浇道，浇注开始后，金属液轻易充满浇注系统，呈有压流动状态。挡渣能力强，但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。适适用于湿型铸件小件。而带轮就是采取湿型铸件小件，所以选择封闭式浇注系统。
3.2 浇注系统结构设计
采取顶注式浇注系统，内浇道设在铸件顶部，金属液由顶面流入型腔。易于充满，有利于铸件形成自下而上凝固次序，补缩效果好。浇注系统简单，造型及清理方便，金属液消耗少。
3.3 内浇口位置及数量确实定
带轮结构较为简单且是小型件，故每个铸件上只用一个内浇道。为了方便造型，内浇道开设在分型面上。因为铸件全部在下箱，这么铸件凝固次序为由下至上凝固，这么有利于带轮关键部分先凝固并得到补缩，如此内浇道则开设在厚壁处引入金属液，图6所表示。

图6 内浇口位置
3.4 浇注系统尺寸计算
3.4.1 直浇道位置和高度
实践证实，直浇道过低会使充型及液态补缩压力不足，轻易出现铸件棱角和轮廓不清楚、浇不到、上表面缩沉等缺点。初步设计直浇道高度等于上沙箱高度250mm。但应检验该高度是否足够。
检验依据：剩下压力应满足和压力角以下关系，即
HM≥Ltanα
式中 HM——最小剩下压力头；
L——直浇道中心到铸件最高且最远点水平投影距离；
α——压力角。
查表3-9知，α为6~7，取7°。
Ltanα=145×tan7°mm≈18mm
因为铸件全部在下箱，所以剩下压力头HM等于上箱高度290mm，经过验证剩下压力头满足压力角要求。
3.4.2 计算浇注时间并核实金属上升速度
依据铸件图计算单个铸件体积V= [ 3.14*(602-302) ] *90+ [3.14*(682-602)]*18+[3.14*(1452-1182)*85]+ [3.14*(1452-1102)*18]mm3≈3220.6cm3
由《铸造实用手册》相关表知，球墨铸铁密度为7.3g/cm3,则单个铸件质量m=ρV=3220.6*7.3=23.5kg。
带轮大批量生产工艺出品率约为85%，可估量铸型中铁水总重量G
G=23.5/85%≈28kg
由《铸造工艺学》知，球墨铸铁铸件浇注时间
t=s1*(δG)1/3=2.0*（37*28）1/3≈20s
计算铁水液面上升速度ν上升=C/t=90/20mm/s=4.5mm/s
核实铸铁液上升速度，由表3-2知，型内铸铁液最小上升速度为8~10mm/s，计算值小于核实值。因为此铸件快浇有些困难，工装条件又不许可直立或侧立浇注，便将铸型倾斜15°。此时铸件高度由C（90mm）变为C1，C1值可作近似计算：C1=90+290sin15°=165mm，并可求出v≈8.3mm/s。基础上满足了对上升速度要求。
3.4.3 计算阻流截面积F阻
查《材料成形工艺》图3-16知，球墨铸铁件流量系数μ=0.6
依据水力学计算公式：
F阻=G/[0.31τμ(H均) 1/2]
式中 F阻——浇注系统阻流（最小）截面积（cm ²）;
G——流经阻流面积金属液总质量（kg）；
τ——浇注时间（s）；
μ——流量系数；
Hp—— 充填型腔时平均静压头(cm)，对于顶注式H均=Ho，本例中H均=29cm。
∴ F阻=28/(0.31*20*0.6*(29)1/2)=1.4cm2
3.4.4 确定各组元截面积比
封闭式浇注系统组元截面比通常为：
∑A直：∑A横：∑A内=1.15：1.1:1
3.5 浇注系统各单元结构及尺寸
3.5.1 浇口杯结构及尺寸
浇口杯用来承接来自浇包金属液并引入直浇道，以防金属液飞溅和外溢，有利于浇注并能分离浮渣和气泡等。
因为漏斗形浇口杯结构简单，制作方便，其本身消耗金属液少，关键用于小型铸件，在机器造型中广泛使用，故采取漏斗形浇口杯。其断面形状图7所表示：

图7 浇口杯截面示意图
浇口杯截面尺寸由《铸造技术应用手册 》表4-4查得，
D1=68mm，D2=64mm，h=52mm
3.5.2 直浇道结构及尺寸
直浇道将金属液导入型腔，提供压力头以克服流动阻力充满型腔。直浇道通常为圆形。机器造型机上使用直浇道多是上小下大倒锥形，这时要靠增加直浇道出口阻力，如在直浇道中增加滤网。
因为设计直浇口有一个，所以S直=1.15*1.4=1.61cm²，直浇道截面尺寸图8所表示：

图8 直浇道截面尺寸
圆形断面大小由《铸造工艺设计》查表3-240得：
D=15mm
为了方便取模，直浇道通常做成上小下大倒圆锥形，（通常锥度取1/50），所以直浇道上端是直径约为：
D1=15+（1/50）*250=20mm
3.5.3 横浇道结构及尺寸
横浇道起使金属液流平稳和挡渣作用。为加强横浇道挡渣效果，可采取阻流式挡渣方法，即在横浇道中底部分别设置一水平缝隙阻流和一垂直狭小截面阻流片。液流先经过阻流后又忽然扩大，流量不变，流速减小，有利于杂质上浮。
因为设计横浇道有一个，所以S横=1.1*1.4=1.54cm ²，横浇道形状取梯形断面形状图9所表示：

图9 横浇道截面尺寸
查《铸造工艺设计》表3-241知，A=15mm，B=10mm，C=16mm
3.5.4 内浇道结构及尺寸
内浇道功效是控制充型速度和方向，分配金属，调整铸件各部位温度和凝固次序，浇注系统金属液经过内浇道对铸件有一定补缩作用。
因为设计内浇口有一个，所以S内=1.4cm²，内浇道形状取梯形断面形状图10所表示：

图10 内浇道截面尺寸
查《铸造工艺设计》表3-242知，a=20mm，b=18mm，c=8mm
4 冒口设计
冒口是铸型内用于储存金属液空腔，在铸件形成时补给金属，有预防缩孔、缩松、排气、集渣作用。
因为实用冒口工艺出品率高，铸件质量好，成本低，比通用冒口更实用，故选择实用冒口。
铸件散热面积A=3.14*（60*60-30*30）+3.14*（145*145-118*118）=307.8cm ²，所以铸件模数M=V/A=3220.6/307.8=10.5cm，故球墨铸铁铸件选择直接实用冒口。
4.1 冒口体积
对于QT450-10铸件，从浇注温度（tp）冷却到共晶温度（1150°C）体收缩率依下式计算得
ε液=（90+30*3.6）（{ tp }-1150）×10-6+0.9×10-2
冒口体积比铸件所需补缩铁液量要大些。为了愈加好地发挥直接实用冒口补缩作用，可采取大气压力冒口形式，在冒口顶部放置大气压力砂芯或造型时做出锥顶砂凸。
4.2 冒口颈计算
冒口颈模数Mn计算公式：
Mn=Mc(tp-1150)/( tp-1150+L)
式中 Mn——冒口颈模数；
Mc——铸件“关键”模数；
tp——浇注温度；
L——铸铁熔化热，其值为209J/g。
冒口颈位置，可选在最关键部分或更厚任何部分上。冒口设在最高部位能节省金属。
5 冷铁设计
5.1冷铁放置位置确实定
外冷铁位置和激冷能力选择，确保补缩通道通畅，避免在热节处形成缩孔。当冷铁和冒口配合使用时，冷铁离冒口不能太近，不然会加速冒口冷却。尽可能把外冷铁放在铸件底部和侧面。顶部外冷铁不易固定，且常影响型腔排气。综合以上考虑，最终冷铁放置位置图11所表示：

图11 冒口和冷铁位置
5.2 冷铁尺寸确实定
查《铸造工艺学》表4-7知，板形冷铁直径B=10mm，长度L=50mm，间距为6mm。查表4-7知，外冷铁厚度δ=（0.3~0.8）T，T为铸件热节圆直径。
5.3 设计冷铁时注意事项
1.外冷铁位置和激冷能力选择，不应破坏次序凝固条件，不应堵塞补缩通道。
2.每块冷铁勿过大、过长，冷铁之间应留间隙。
3. 尽可能把外冷铁放在铸件底部和侧面。顶部外冷铁不易固定，且常影响型腔排气。
4.外冷铁工作表面应平整光洁，不得有气孔、缩凹等缺点，去除油污和锈蚀，涂以涂料并烘干，以免使铸件产生气孔。
5.铸铁外冷铁数次使用后，易使铸件产生气孔，用于要求高铸件应限制使用次数。
6 出气孔设计
出气孔用于排出型腔内气体，改善金属液充填能力、排除先冲到型腔中过冷金属液和浮渣，还可作为观察金属液充满型腔标志。
预防出气孔过大造成铸件形成热节，以至产生缩孔，出气孔根部直径，不应大于设置处铸件壁厚0.5倍。即出气孔直径应小于17mm(0.5*34mm)。
预防出气孔过小造成型内气压过分增大，出气孔根部总截面应大于内浇口总截面积1.4cm²。
所以设计出气孔根部直径为16mm，每个铸件一个出气孔。为方便取模采取上小下大锥形，斜度为起模斜度α=2°20＇，
出气孔总截面积为3.14*（16/2）²=0.2cm²。
参考文件
[1] 周述积，候英玮，茅鹏. 材料成形工艺 [M].北京：机械工业出版社，.7.
[2] 董选晋，李继强. 铸造工艺学 [M].北京：化学工业出版社，.8.
[3] 大连理工大学工程图学教研室. 机械制图 [M].北京：高等教育出版社，.7.