材料成形技術基礎課程設計

1、材料成形工藝課程設計說明書題目： 圓柱齒輪鑄造工藝設計 學院： 機械工程學院 專業(yè)： 材料成型及控制工程 班級： 1401 學號： 201402050103 學生姓名： 柏林輝 指導老師：董麗君、陳國強、高為國、羅智輝完成時間： 2016年12月 2材料成形工藝課程設計任務書題目： 圓柱齒輪鑄造成型工藝設計 專業(yè)班級： 材料成型及控制工程1403 姓名： 柏林輝 學號：201402050103指導老師： 羅智輝、高為國、董麗君、陳國強 一、目的通過本次課程設計，應使學生具備以下基本技能：(1)鞏固和加深本課程的基礎知識，并能夠運用所學知識，比較系統(tǒng)地掌握鑄造成型工藝，使學生制訂出比較合理的鑄造

2、成型工藝；(2)使學生進一步提高運算、設計繪圖和查閱鑄造成型工藝設計手冊和其他資料的基本技能，培養(yǎng)學生分析解決鑄造生產實際問題的能力，也為畢業(yè)設計和工作打好基礎。二、主要內容及任務（一）讀圖分析鑄造工藝要求和特點（1）零件圖應該標注主要尺寸，機械加工及公差要求，零件表面粗糙度，零件材質、性能及技術要求。（2）分析零件鑄造承載與工作條件，零件生產按成批生產或大量生產進行設計。（3）確定鑄造技術條件，包括鑄件材質、合金牌號、化學成分、金相組織、機械性能和機械加工要求等等。（4）審查零件結構是否符合鑄造成型工藝要求，對不合理結構、尺寸可提出修改意見。（5）分析該鑄造成型零件易產生的鑄造缺陷并提出消除

3、缺陷的相應工藝措施。（二）確定鑄造成型工藝方案，繪制鑄造工藝圖（1）確定造型方法（2） 確定澆注位置和分型面（3） 確定工藝參數（4） 確定砂芯數目（5） 設計計算澆注系統(tǒng)、冒口等（6） 繪制鑄件工藝圖（三）任務（1）結構優(yōu)化后的零件圖一張（2） 鑄造工藝圖一張（3） 鑄件圖一張（4） 工藝卡一張（5） 說明書一份三、要求（1）在課程設計中獨立思考和完成，熟練掌握鑄造成型工藝設計的流程；（2）課程設計中的每一道環(huán)節(jié)都必須認真和嚴謹，計算和分析、畫圖需準確無誤；（3）提交紙質課程設計說明書，說明書應涵蓋整個課程設計的主要內容及主要結果，包括鑄造工藝設計方法及分析，鑄造工藝參數的確定、砂芯的設計、

4、澆注系統(tǒng)的設計等。說明書字數不少于3000字，并提交一張包括所有資料的刻錄光盤，用課程設計資料袋裝袋。（4）零件的幾何參數根據學號查參數列表選取確定；四、時間安排2016.12.5:了解設計任務，讀圖，結構優(yōu)化重新畫零件圖2016.12.6:確定工藝方案：包括造型方法、分型面選擇、工藝參數、型芯數量、澆冒口設計計算等2016.12.7:繪制鑄造工藝圖2016.12.8:編寫工藝卡片、設計說明書，準備答辯，提交指導老師檢查2016.12.9:答辯目錄第1章 緒論1第2章 零件的結構分析及優(yōu)化2第3章 零件的鑄造工藝設計43.1造型方法的選擇43.2澆注位置的選擇43.3分型面的選擇53.3.1分

5、型面設計選擇53.3.2確定方案5第4章 零件的鑄造工藝參數確定74.1機械加工余量74.2鑄件最小壁厚84.3最小鑄出孔的確定84.4起模斜度的確定94.5鑄鐵的鑄造收縮率94.6型芯及型芯頭的確定104.6.1砂芯尺寸的確定104.6.2芯骨124.7澆注系統(tǒng)124.7.1 冒口的設計124.7.2 澆道的設計13結論14參考文獻16附錄明細17第1章 緒論鑄造，是將液態(tài)金屬在重力或外力作用下充填到型腔，待其凝固冷卻后，獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件，即鑄件，它是成形毛坯或零件的重要方法之一。與其他加工方法相比，鑄造具有以下優(yōu)點：1）最適合鑄造形狀復雜、特別是復雜內腔的鑄件。如復雜箱體、機

6、架、閥體、泵體、缸體、葉輪、螺旋槳等。2）適應性廣，工藝靈活性大。凡能融化成液態(tài)的金屬均可鑄造成型，如工業(yè)上常用的鑄鐵、碳素鋼、合金鋼、非鐵合金金屬材料。對于塑性很差的材料，鑄造幾乎是其唯一的成型方法，如鑄鐵等。3）成本較低。鑄造所用原料大多來源廣泛，價格較低，鑄件與最終零件的形狀相似、尺寸相近，可節(jié)省材料和加工工時。鑄造也有很多不足，如鑄態(tài)組織疏松、晶粒粗大，鑄件內部常有縮孔、縮松、氣孔等缺陷，導致鑄件力學性能、特別是沖擊性能低于塑性成型件；鑄造涉及的工序很多，不易精確控制，鑄件質量不穩(wěn)定；由于目前仍以砂型鑄造為主，自動化程度還不是很高，工作環(huán)境較差，大多數鑄件只是毛坯件，需要經過切削加工才

7、能成為零件。鑄造在工業(yè)生產中的應用非常廣泛，而且隨著特種鑄造方法的發(fā)展，還可以生產出少或無切削加工的、力學性能更高的鑄件。鑄造可分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類。砂型鑄造：是將熔融金屬澆入砂質鑄型中，待冷卻凝固后，取出鑄件的鑄造方法，是應用最廣泛的鑄造方法，它適用于各種形狀、大小及常用合金鑄件的生產。掌握砂型鑄造技術是否合理選擇鑄造方法和正確設計零件結構的基礎。但砂型鑄件的精度低，表面粗糙，手工造型的生產率低，生產環(huán)境差，工人的勞動強度大。特種鑄造：用砂較少或不用砂，采用特殊工藝裝備的鑄造方法。如熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、實型鑄造、擠壓鑄造等。第2章 零件的結構分析及優(yōu)化

8、生產鑄件，不僅需要采用先進的合理的鑄造工藝和設備，而且還要使零件結構本身符合鑄造生產的要求，易于保證鑄件品質，簡化鑄造工藝過程和降低成本。對于此齒輪，材料為HT200，流動性好，收縮小，鑄造過程中一般不會出現縮松、縮孔等缺陷。齒輪是個中心對稱結構，開設的六個小孔、凹槽，主要是為了減少零件的重量，減少材料的浪費，同時又要保證齒輪的每個部位的受力強度達到所需要的要求。因為其不是齒輪的工作部位，對受力強度要求不高，又無精度要求，因此，可以在原零件圖的基礎上進行適當的優(yōu)化，從而達到省時、省材料、省錢的目的，比如，凹槽部位屬于非加工面，可以采用一定的斜度（結構斜度），一來方便造型，二來易于起模。綜上，需

9、要對齒輪的結構進行優(yōu)化。a：基本信息：零件：圓柱直齒輪成型方法：鑄造零件材料：HT200毛坯重量：5.6KGb：技術要求鑄件表面應平整、澆口、毛刺、粘砂等應清除干凈。優(yōu)化前與優(yōu)化后的零件對比如圖2-1、圖2-2（優(yōu)化的零件結構圖見附錄） 圖2-1 原零件圖 圖2-2 優(yōu)化零件圖第3章 零件的鑄造工藝設計3.1造型方法的選擇該零件需批量生產，為中小型鑄件，查鑄造工藝設計手冊表2-1采用手工造型，砂型鑄造。濕型。表2-1 手工造型造型種類主要特點應用范圍 按造型砂型鑄造造型操作方便，勞動量少。大、中、小件的大批量，成批量生產。單件生產時應盡量使用車間已有砂型。一箱多鑄一個沙箱內，同時做幾個鑄件。節(jié)

10、約金屬和工時。用于小件，多是潮模。迭箱造型將幾個甚至幾十個造型，重疊起來澆注。節(jié)約金屬和生產面積，對小件便于澆注。用于中、小件。特別是小的鑄鋼常用此法，用于潮模，半干模、干模水玻璃砂等劈箱造型將模箱和砂箱分成相應的幾塊，分別造型，造型方便，便于烘干，起重方便合型時便于檢查鑄型內部尺寸，制造模型工作量大，對砂箱等工藝裝備精度要求高，砂箱一般必須刨口。用于大型、復雜的鑄件。如車床床身。適用于大批量生產。3.2澆注位置的選擇澆注位置選擇原則：1）澆注位置應有利于所確定的凝固順序，而且要有利于鑄件的補縮以及冒口的安放2）鑄件的重要部分應盡量置于下部3）重要加工面應朝下或呈直立狀態(tài)4）應使鑄件的大平面朝

11、下5）應保證鑄件能充滿6）應使合型位置、澆注位置和鑄件冷卻位置相一致綜上所述：下型冷卻速度快，上型冷卻速度慢，氣孔、縮松、縮孔等缺陷大部分存在上型，故決定把澆注口設在鑄件最底部，并同時開設兩個澆注口，減少澆注時間。金屬液從下往上累積，直到金屬液充滿整個型腔，此時，型腔內金屬液的溫度相差不大，從而達到同時凝固的目的，減少縮松、縮孔、氣孔等缺陷。另外，金屬液從上往下澆注，選用此澆注位置，減少了流動的金屬液對造好的型砂的破壞。澆注位置示意圖如圖3-1圖3-1 澆注位置示意圖3.3分型面的選擇3.3.1分型面設計選擇分型面選擇原則：1）應使鑄件全部或大部置于同一半型內2）應盡量減少分型面的的數目3）分

12、型面應盡量選用平面4）分型面通常選在鑄件的最大截面處，盡量不使砂箱高5）分型面應盡量平直6)盡量使鑄件重要加工面與加工基準面置于同一砂箱3.3.2確定方案方案：如圖1，以齒輪中間平面為分型面，且為最大截面。此方案采用了分模造型，將模樣最大截面處均分為兩半，型腔分別位于上、下兩個半型內，上下砂箱對稱分布，造型簡單，節(jié)省工時。以此平面為分型面，方便型芯的取放，定位，容易保證澆注質量，減少不必要的缺陷。但是鑄件易產生錯型缺陷?？紤]到中間孔可以通過加工余量、型芯矯正，六個減輕重量小孔屬于非加工面，無關緊要。方案：如圖1，以頂面為分型面，采用了整模造型，型腔全部在下半型內，上半型無型腔，造型簡單，鑄件不

13、會產生錯型缺陷；鑄件在同一型腔內，鑄件質量得到保證；但是以此平面為分型面，需要添置活塊，放置在型腔中的型芯不易取出，容易破壞砂型，妨礙起模，不能保證尺寸精度。方案：如圖1，以通過軸孔中心線為的平面為分型面，采用了分模造型，如同方案二，放置在型腔中的型芯取不出，容易破壞砂型，妨礙起模，不能保證尺寸精度，同時，容易產生錯型缺陷，不易保證精度。綜上，選擇方案。鑄件分型面示意圖如圖3-2 圖3-2 鑄件分型面示意圖第4章 零件的鑄造工藝參數確定4.1機械加工余量機械加工余量是指在鑄件加工表面上留下的、準備用機械加工方法切去的金屬層的厚度，目的是獲得精確的尺寸和光潔的表面，以符合設計的要求。 鑄件加工余

14、量的大小，要根據鑄件的合金種類，生產方法，尺寸大小和復雜程度，以及加工面的要求和所處的澆注位置等因素來確定。二級精度灰鑄鐵件 的機械加工余量查材料成型技術基礎表 1-6 得。表 1-6 二級精度灰鑄鐵件機械加工余量（mm）鑄件最大尺寸澆注位置公稱尺寸50>50-120>120-260>120-260頂面4.05.04.55.05.05.5底，側面3.04.03.54.04.04.5考慮到鑄件氣孔、縮松、縮孔等缺陷的影響，查表得，鑄件的加工余量為：頂面5mm ，側面3mm， 底面3.5mm， 如圖 4-1 所示。圖 4-1 鑄件加工余量示意圖4.2鑄件最小壁厚 為了避免澆不到、

15、冷隔等缺陷，鑄件不應太薄。鑄件的最小允許壁厚與鑄造的流 動性密切相關。在普通砂型鑄造的條件下，鑄件最小允許壁厚見鑄造工藝設計手冊表2-1。表 2-1. 鑄件最小允許壁厚引材料鑄件輪廓尺寸/mm200x200 以下200x200500x500500x500 以上鑄鋼810121520鑄鐵566101520球 墨 鑄 鐵612查得灰鐵鑄件在 100200mm 的輪廓尺寸下，最小允許壁厚為 56mm。由零 件圖可知，零件中不存在壁厚小于設計要求的結構，在設計過程中，也沒有出現 壁厚小于最小壁厚要求的情況。表 2-1. 鑄件最小允許壁厚引材料鑄件輪廓尺寸/mm200x200 以下200x200500x

16、500500x500 以上鑄鋼810121520鑄鐵566101520球 墨 鑄 鐵6124.3最小鑄出孔的確定查材料成型技術基礎表 1-7 可知，對于成批量生產的灰鐵鑄件來說，最小鑄出孔的直徑為 1530mm，在零件上，最小的孔徑為 26mm，可以選擇鑄出，也可以選擇機加工出來。但考慮到一個齒輪六個孔，成批量制造齒輪，從經濟的角度分析，該孔選擇鑄出。表1-7 鑄件毛坯的最小鑄出孔生產批量最小鑄出孔直徑d灰鑄件鑄鋼件大量生產1215-成批生產15303050單間、小批量生產3050504.4起模斜度的確定 為了在造型和制芯時便于起模而不致?lián)p壞砂型和砂芯，應該在模樣或芯盒的出模方向帶有一定的斜度

17、。如果零件本身沒有設計出相應的結構斜度時，就在鑄型工藝設計時給出起模斜度。在鑄造工藝圖上，加工表面的起模斜度應結合加工余量直接表示出，而不加工面的斜度（稱之為結構斜度）僅用文字注明即可齒輪的頂面，底面，齒面及最中間孔面都是加工面，有加工精度要求，故起模斜度結合機械加工余量直接表示出。齒輪上六個減輕重量的小孔無需加工，但優(yōu)化后的小孔設計了結構斜度，易于起模，故也不需要表示。4.5鑄鐵的鑄造收縮率 鑄件在冷卻和凝固過程中，體積一般都要收縮。由于鑄件的固態(tài)收縮(線收縮）使鑄件各部分的尺寸小于模樣原來的尺寸，為了使鑄件冷卻后的尺寸與鑄件 圖示尺寸一致，則需要在模樣或者芯盒上加上其收縮的尺寸。增加的這部

18、分尺寸 為鑄件的收縮量，一般用鑄造收縮率表示：k=(L 模樣一 L 鑄件)/L 鑄件 X 100%式中：L 模樣模樣尺寸；L 鑄件鑄件尺寸。 鑄造收縮率主要和鑄造合金的種類及成分有關，同時還取決于鑄件在收縮時受到阻礙的大小等因素。由材料成型技術基礎表 1-2， 可知， 本設計中選用中小型灰鑄鐵件受阻收縮， 其收縮率為 0.9%。表1-2 鑄件收縮率合金種類鑄造收縮率%自由收縮受阻收縮灰鑄鐵、中小型鑄件1.00.9中大型鑄件0.90.8特大型鑄件0.80.7筒型鑄件、長度方向0.90.8直徑方向0.70.54.6型芯及型芯頭的確定型芯主要靠芯頭固定在砂型上，對于垂直砂芯，為了保證其軸線垂直、牢固

19、的固定在砂型上，必須有足夠的芯頭尺寸。對于水平砂芯，必須有足夠的芯頭長度，以承受砂型的重力和金屬液的浮力。芯頭與芯頭座之間應有適宜的間隙，以使砂型與砂芯的裝配，但又能確保鑄件的尺寸精度。經過仔細分析，決定采用垂直芯頭。如圖4-64.6.1砂芯尺寸的確定 根據鑄件澆注位置、分型面以及內腔的形狀，確定在此鑄件中只需設計一個砂芯就可達到鑄造工藝要求，即中間孔需要型芯。其他孔及凹槽采用自帶型芯。查鑄造工藝設計表1-31、表1-32、表1-33得表1-31 垂直芯頭高度和芯頭與芯座的間隙L砂型類別D（鑄件軸孔大小）5051100SHSH50濕型0.215200.330干型0.20.5自硬型0.20.55

20、1100濕型0.225300.32530干型0.20.5自硬型0.20.5表1-32 垂直芯頭頂面與芯座的間隙間隙砂型類別D(鑄件軸孔大小)5051100S2濕型00.5干型0.51自硬型0.51表1-33 垂直芯頭斜度芯頭位置芯頭高度h、h140mm4163mm64100mm>100mm芯頭斜度上芯頭1/（º）1010881/mm7111423下芯頭1/º）77661/mm581117經查表查得：h=h1=25 s=0.2 1=10 º =5 º s2=0 圖4-6 垂直芯頭的擺放、尺寸及間隙大小示意圖4.6.2芯骨對于小砂芯或砂芯的細薄部分，通

21、常采用易彎曲成形、回彈性小的退火鐵絲制作芯骨，可防止砂芯在烘干過程中變形或干裂。由于本設計中砂芯沒有細薄 部分，所以芯骨的設計可以不考慮。4.7澆注系統(tǒng) 澆注系統(tǒng)是砂型中引導液態(tài)合金流入型腔的通道。生產中常常因澆注系統(tǒng)設計安排不合理，造成砂眼、夾砂、氣孔、粘砂、縮孔、縮松、澆不足、變形、 裂紋、偏析等缺陷。澆注系統(tǒng)與獲得優(yōu)質鑄件，提高生產效率和降低鑄件成本的 關系是密不可分的。常用的澆注系統(tǒng)大多由澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道等 部分組成。本設計采用澆口杯。4.7.1 冒口的設計 常見的鑄造缺陷如縮孔、縮松、裂紋等都與鑄件的凝固和收縮有關，在鑄件的厚實部位常設置冒口，并按順序凝固原則使冒口最后

22、凝固?；诣T鐵的結晶范 圍窄，更接近于層狀凝固。凝固時的膨脹和液態(tài)收縮趨于相互補償。故灰鑄鐵件 補縮所需要的鐵水的量少，鑄型剛度要求較低，一般灰鑄鐵件可不設置冒口。4.7.2 澆道的設計澆注系統(tǒng)截面的選擇：如鑄造工藝設計手冊表 2-8 示。表2-8. 澆注系統(tǒng)截面澆注系統(tǒng)分為開放式，封閉式，半封閉式，封閉一開放式幾種類型，由于 鑄件的材質為灰鐵，要求澆注系統(tǒng)撇渣能力較強，鐵水充型平穩(wěn)，所以，選擇半 封閉式澆注系統(tǒng)， F 橫>F 直>F 內，F 內為控流斷面。澆注開始時液態(tài)金屬很快充滿 澆注系統(tǒng)，鑄件成品率高，撇渣能力較強，澆注初期也有一定的撇渣能力13結論通過此次課程設計，使我更加扎

23、實的掌握了有關鑄造方面的知識，在設計過程中雖然遇到了一些問題，但經過一次又一次的思考，一遍又一遍的檢查終于找出了原因所在，也暴露出了前期我在這方面的知識欠缺和經驗不足。實踐出真知，通過親自動手制作，使我們掌握的知識不再是紙上談兵。過而能改，善莫大焉。在課程設計過程中，我們不斷發(fā)現錯誤，不斷改正，不斷領悟這種方法，本身就是在踐行“過而能改，善莫大焉”的知行觀。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多問題，最后在老師的指導下，終于游逆而解。在今后社會的發(fā)展和學習實踐過程中，一定要不懈努力，不能遇到問題就想到要退縮，一定要不厭其煩的發(fā)現問題所在，然后一一進行解決，只有這樣，才能成功的做成想做的

24、事，才能在今后的道路上劈荊斬棘，而不是知難而退，那樣永遠不可能收獲成功，收獲喜悅，也永遠不可能得到社會及他人對你的認可!課程設計誠然是一門專業(yè)課，給我很多專業(yè)知識以及專業(yè)技能上的提升，同時又是一門講道課，一門辯思課，給了我許多道，給了我很多思，給了我莫大的空間。同時，設計讓我感觸很深。使我對抽象的理論有了具體的認識。通過這次課程設計，我掌握了砂型鑄造的原理和方法，了解了分型面的選用原則以及如何進行工藝設計等等。我認為，在這學期的實驗中，不僅培養(yǎng)了獨立思考、動手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實驗課上，我們學會了很多學習的方法。而這是日后最實用的，真的是受益匪淺。要面對社會的挑戰(zhàn)，只有不斷的學習、實踐，再學習、再實踐。這對于我們的將來也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂，找尋有趣的事情，發(fā)現其中珍貴的事情。就像中國提倡的艱苦奮斗一樣，我們都可以在實驗結