右铰接支架设计说明书

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“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛

参赛作品

铸件名称:B件—铰接支架

自编代码:ABQYZL08 方案编号:

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目 录

摘 要.............................................................1 1 产品概述.........................................................2 2 铸造工艺方案的拟定...............................................2 2.1 铸造方法的选择.............................................2 2.2 分型面方案的选择...........................................2 2.3 铸件浇注位置的确定.........................................3 2.4 铸造工艺参数的选择.........................................3 3 浇注系统初步设计.................................................4 3.1 浇注系统类型的选择.........................................4 3.2 浇注系统结构设计...........................................4 3.3 浇注系统的计算.............................................5 3.4 冒口的设计.................................................6 4 CAE模拟与优化....................................................6 4.1 模型网格划分...............................................7 4.2 初始条件及边界条件.........................................8 4.3 模拟结果分析...............................................8 4.4 浇注系统优化...............................................11 5 模板的设计.......................................................13 5.1 模底板类型的确定...........................................13 5.2 模底板尺寸和结构的确定.....................................13 5.3 模底板上模样及浇注系统的布置...............................13 5.4 浇注系统各组元与模板间的连接...............................14 6 模样的设计.......................................................15 6.1 模样材质的确定.............................................15 6.2 上模样结构及尺寸设计.......................................15 6.3 下模样结构及尺寸设计.......................................16 7 结 论...........................................................16 8 参考文献.........................................................17

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9 附 录...........................................................17 附录A 右铰接支架铸造工艺卡 附录B 铸造工艺图 附录C 上模板图 附录D 下模板图 附录E 上模样图 附录F 下模样图

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摘要:本文通过对驾驶室右铰接支架的结构、材料、生产性质、应用特点、技术要求等方面的综合分析,选择了适合的铸造方法,设计了两种内浇口工艺方案,并利用CAE模拟分析,依据模拟结果获得优化方案,完成模板和模样设计。 关键词:铰接支架;工艺方案;CAE分析;工艺装备。

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1 产品概述

产品零件图和三维图如下图1.1、图1.2所示:

图1.1 产品零件图

图1.2 产品三维图

1.2零件技术要求

(1)未注明铸造圆角R3;

(2)未注明壁厚及筋厚均为10; (3)铸造拔模斜度不大于3°;

(4)铸件表面应光洁,去除毛刺和锐边,且不允许有砂眼、气孔、夹渣等明

显的铸造缺陷。

1.3零件结构特点

由上述零件图可以看出,其外形尺寸为424.5×363×152.5mm,最大壁厚

20mm,最小壁厚8mm,平均壁厚15mm,属于薄壁小质量结构件,结构较简单,形状不规则。此外,零件支撑板部位的几处凸台,吊耳,以及端部都有较高的表面质量和定位公差要求,属于零件重要部分,在工艺制定方面需要注意和考虑。

2 铸造工艺方案的拟定

2.1 铸造方法的选择

此件为汽车驾驶室座椅下所使用的铰接支架,需求量较大,此外零件尺寸不大,故采用大批量生产,选用砂型铸造自动生产线,提高生产率,减少劳动力,改善铸造工人作业环境,在保证铸件质量的前提下同时也降低了成本。

由于铸件长度相对较大,选用垂直分型难以选择适合的造型机,综上所述,本设计采用了水平分型,没有砂芯,使用水平分型高压自动生产线,一箱生产两件。

2.2 分型面方案的选择

对于分型面的选择,提出了以下三种方案,如图2.1所示:

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图2.1 分型面方案示意图

分析与比较:

方案Ⅰ:从右边平板上表面分型,上模板需要制作凹槽,有较高的吊砂。这

样既保证了大部分铸件位于下箱,也减少了由于分型面上铁液渗透所产生的毛边,减少后期精整量,这在大批量生产中极为重要。

方案Ⅱ:从右边平板中间分型,上下对称分布,并保证了大部分铸件位于下

箱,比方案Ⅰ摸样制作更简单,更便于安装,但是增多了分型面的毛刺,增加了后期精整工作量。

方案Ⅲ:从右边平板下表面分型,这样做的好处是可以减少吊砂的高度(减

少约40mm),且增加了吊砂的截面积,使起模和合箱更加方便和准确,但是此种方案使超过三分之一的铸件位于上箱,位于上箱的平面有较多的加工面和尺寸公差要求,板厚又属于较薄部分,增加了铸件缺陷的可能性,左边两条肋板被分开,增加了模板的制造难度。

综合考虑,分型面选择方案Ⅰ。

2.3 铸件浇注位置的确定

由于本铸件壁厚较均匀,在选择浇注位置时主要保证铸件的重要部位、受力部位和主要加工面等位于下箱,此铸件上凸台,吊耳,以及端部等为重要部位,将内浇口位置选择在支架大平板的侧面,且选择在没有吊耳的一面,接近最大壁厚处,侧面较平整,便于精整,浇注位置和内浇口位置如下图2.2所示:

图2.2 浇注位置和内浇口位置

2.4 铸造工艺参数的选择

2.4.1 机械加工余量

由零件图可知,零件的最右端断面和上表面精度要求较高,吊耳上下表面、垂直支撑板两个凸台以及右端平板上八个凸台有尺寸精度和表面粗度要求,

铸件

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尺寸公差等级为CT10,加工余量等级MAG,由零件外形尺寸可得加工余量范围为2-4mm【1】,考虑到零件壁厚较薄,且为大批量生产,将所有需加工面机械加工余量取为2mm,需加工面及加工余量示意图如下图2.3所示,具体详见附录B铸造工艺图。

图2.3 机械加工余量示意

2.4.2 铸件上孔的成形方法

零件上有共有9个孔,分别是2个M14螺纹孔,1个Φ13mm通孔,2个Φ17mm沉头孔,4个Φ17mm通孔和1个Φ100mm通孔,球墨铸铁最小铸出孔的直径范围为12-15mm,除Φ100mm通孔外,其他8个孔均有尺寸精度要求,故这8个孔均采用机械加工的方法成形,Φ100mm通孔直接铸出。 2.4.3 起模斜度

由于零件外形本身没有斜度,为了便于起模,故需增加起模斜度。根据查表得到相应的起模斜度为1°【1】。 2.4.4 铸造收缩率

从所查资料手册以及相关工厂实际生产情况调研得知,砂型铸造球墨铸铁的铸造收缩率为0.8-1.2%【1】,由于此铸件壁厚较薄,形状并不是太复杂,故取铸造收缩率为0.8%。 3 浇注系统初步设计

3.1 浇注系统类型的选择

本铸件属于薄壁小件,根据上述浇注位置和分型面的选择,在此采用顶注式浇注系统。此外,选择封闭式浇注系统,封闭式浇注系统组元截面积比一般为

【2】

∑A内:∑A横:A直=1:(1.2~1.3):(1.4~1.9),本次设计取∑A内:∑A横:A直=1:1.25:1.5。

3.2 浇注系统结构设计

综合上述各种设计方案,设计了以下两种内浇口结构方案,如图3.1所示:在方案一中,采用1个铸件2个内浇口引入,分别位于两端;方案二中,使用1个铸件1个内浇口引入,内浇口仅位于最大壁厚附近。

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3.3 浇注系统的计算

3.3.1 最小阻流截面计算

浇注系统最小阻流截面积的计算,参照水力学计算公式进行计算:

F内 G/(0.31 Hp)

【3】

其中:∑F内---内浇道截面积;

G---一个铸件的浇注重量(kg); μ---流量系数; τ---浇铸时间 (s);

Hp---平均静压头高度(mm)。

(1)铸件浇注重量G

铸件的质量在零件图中已经给出,G件=11.676kg,工艺出品率取60%,则G=G件×60%=11.676×60%=19.46kg。 (2)流量系数

由所查资料显示,工程上计算所取的μ值,在顶注时范围为0.45-0.5,这

【1】

里计算选用0.5。(3)浇注时间

对于浇注重量小于450kg,且形状复杂的铸铁件,其浇注时间工程上一般按照以下公式计算: τ=SL

其中:S---系数,取决于铸件壁厚,这里取2.2; GL---浇注重量(kg)。 τ=SGL=2.2×.46=9.7s

对于球墨铸铁铸件,浇注时间应减少三分之一到二分之一,在此减少三分之一的浇注时间,则:

2

τ=9.7× =6.47s,取τ=6.5s。

3

(4)平均静压头高度

由于该铸件模样在垂直面上的截面积变化不大,故可以使用水力学公式进行近似计算。公式如下:

Hp H0 p2/2c

其中:H0---阻流截面以上的金属液静压头;

p---阻流截面“重心”以上型腔高度,一般可以近似取分型面以

上型腔高度;

c---铸件在砂箱内的垂直高度。 对于顶注式,p=0,故Hp=H0=250mm。 (5)求出最小阻流截面积 ∑F内=

G0.31u Hp

=

19.46

0.31 0.5 6.5 25

=3.71cm2

取∑F内=3.8cm2,

对于方案一,则单个内浇口截面积F内=1.9cm2,截面形状为梯形,截面尺寸为:A=25mm,B=23mm,C=8mm;

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对于方案二,则单个内浇口截面积F内=3.8cm2,截面形状为梯形,截面尺寸为:A=38mm,B=35mm,C=11mm; 3.3.2 横浇道的计算

在上述3.1中已经提到,本次设计的浇注系统各组元截面积比取∑A内:∑A横:A直=1:1.25:1.5,因此计算出方案一和方案二中的横浇道截面积: ∑A横=∑A内×1.25=3.8×1.25=10cm2。

横浇道截面积形状为梯形,截面尺寸为:A=34,B=23,C=40。 3.3.3 直浇道的计算

根据上述浇注系统各组元截面积比,可以计算出直浇道的截面积: A直=∑A横×1.5=3.8×1.5=12cm2

直浇道的截面积形状为圆形,圆的直径为:D=Φ40。

综上所述,所设计的两种浇注系统各组元截面尺寸如下表3.2所示:

3.4 冒口的设计

此铸件材料为QT450-10,球墨铸铁本身具有糊状凝固的特征,采用传统冒口设计方法很难消除缩孔、缩松问题,且球铁QT450-10的碳当量较高,可以考虑利用石墨化膨胀作用进行自补【3】。铸件的体积为1662.8cm2,表面积为3386.1cm2,平均模数约为0.49,符合无冒口铸造工艺条件,并且在实际生产中也常使用无冒口铸造。

本次设计的两种方案均采用无冒口设计,下面通过CAE模拟来分析方案的合理性并对其进行优化。 4 CAE模拟与优化【4】

对于浇注系统方案一(1个铸件2个内浇口引入)与方案二(1个铸件1个内浇口引入),均采用ProCAST进行CAE模拟分析。

ProCAST是业界领先的铸造过程模拟软件,它基于强大有限元求解器和高级选项,可以提供高效和准确的求解来满足设计的要求。ProCAST可以提供整体软件解决方案,能够进行完整的铸造工艺过程预测评估,包括充型、凝固、微观组织以及热力耦合模拟等。这给方案的模拟及分析提供了有力依据。

对上述设计的两种工艺方案,方案一及方案二,进行数值模拟。两种方案均采用顶注式、封闭式浇注系统。铸件材料为QT450-10,型砂选用粘土砂,两种材料的热物性参数如下表4.1所示:

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4.1 模型网格划分

利用UG导出模型文件之后,首先需要对其进行网格划分,在ProCAST模拟的过程中,一般要求网格保证铸件厚度方向最薄的网格数不得小于3,这样可以提高模拟精度,并对充填气化的过程不影响。

为了使模拟结果更精确,同时减少模拟的时间,将砂型网格系数设置为2,铸件网格系数设置为0.5,建好的模型体网格如下图4.2、图4.3所示: 方案一:节点总数44568,元素总数222856,网格较致密。

图4.2 方案一模型体网格信息

方案二:节点总数40305,元素总数200296,网格致密度与方案一近似。

图4.3 方案二模型体网格信息

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4.2 初始条件及边界条件

进行初始条件以及边界条件参数设置,具体各参数设置如下表4.4所示:

4.3 模拟结果分析

针对两种方案的模拟结果,就充型过程、凝固过程、缩松缩孔预测和裹气等方面进行了比较和分析。 4.3.1 金属液充型过程

方案一和方案二的金属液充型过程如下图4.5、图4.6所示: 方案一(1个铸件2个内浇道引入):

图4.5 方案一金属液充型过程

图4.5显示的是方案一不同时刻的金属液充型状态图,从这些示意图中可以看出,金属液首先是从离直浇道最近的内浇口进入铸件型腔,且两个铸件的充型时间不同,其中一个铸件先于另外一个铸件被充满,且其中一个铸件最后充填的部位是两端,另外一个铸件则是一端先被充满,另一端后被充满。

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方案二(1个铸件1个内浇道引入):

图4.6 方案二金属液充型过程

图4.6显示的是方案二的充型过程,从示意图可以看出,方案二同样也是一个铸件先充满,另一个铸件后充满,但是两个铸件都是两端处最后被金属液填充。 综上所述,由于两种方案内浇道的截面积之和不变,则方案二的1个内浇道截面积比方案一大,于是方案二比方案一的充填时所受到的阻力更小,更容易快速充满型腔,两个铸件的充填顺利相同,整体上方案二好于方案一。 4.3.2 凝固过程

由于该件为薄壁铸件,故不存在热节,这里只分析两种方案的凝固时间分布,如下图4.7所示:

方案一

方案二

图4.7 两种方案的凝固时间分布

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由上图可以看出,两种方案的凝固时间分布差不多,铸件的大部分凝固时间都较快,只有顶面凹槽转角附近凝固时间较长,这部分也就是铸件最后凝固位置。 4.3.3 缩松缩孔预测

两种方案的缩松缩孔预测如下图4.8所示:

图4.8 两种方案的缩松缩孔缺陷预测

从图中可以看出,铸件可能出现缩松缩孔的位置为上平面凹槽转角处,这也是最后凝固部位,从对比上来看,方案二的缺陷要少于方案一,但是还是无法消除此缺陷,因此在后期的优化中需注意。 4.3.4 充气裹气位置分布

两种方案的充气裹气位置分布如下图4.9所示:

方案一

方案二

图4.9 两种方案的充气裹气分布

由此对比图可以看出,两种方案均有裹气,而且都位于凹槽表面,但是方案一相对方案二来讲裹气少一些,因此在这方面,方案一略优于方案二。

综上所述,对比了方案一与方案二的模拟结果,发现方案二在充型能力、充型时间和缩松缩孔等方面都优于方案一,但是方案二在充气裹气方面又表现得比方案一差,而且无法消除缩松缩孔缺陷,此外,不管是方案一还是方案二,都没有实现两个铸件同时填充和同时凝固,因为两个铸件的内浇道相距较远,这一点将造成一个砂箱中两个铸件的质量差异,故也需要考虑。因此,在分析和综合了两种方案之后,提出了浇注系统的优化方案。

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4.4浇注系统优化

在方案二的基础上加以优化和改进,仍采用一个铸件一个内浇口引入,主要在两个方面有改变:一是改变了两个铸件的平面分布,使内浇道分布更合理,实现两个铸件同时充型;二是增加冒口,金属液经冒口引进型腔,减少甚至消除缩松缩孔,减少充气和裹气分布。

改进后浇注系统结构设计如下图4.10所示:

图4.10 改进后浇注系统结构示意图

4.4.1 冒口的计算

本次冒口的设计采用模数法计算,具体计算过程如下: (1)铸件模数

V1662.8

铸件的模数M件= = =0.49cm

A3386.1

(2)冒口尺寸计算

以下公式中:Dm为冒口模数,Ms为冒口颈模数,L为冒口颈长度,B为经验常数,当采用边冒口,且铁水经过冒口浇入型腔时取2.5-3.5,这里取的2.5,Hm为冒口高度,h为冒口窝高度,则: Dm=4.6Mj+B=4.6×0.49+2.5=4.75cm; Ms=0.8M件=0.8×0.49=0.39cm;

L=0.3Dm=0.3×4.75=1.42cm,取L=15mm; Hm=1.4Dm=1.4×4.75cm=66.5mm,取Hm=70mm; h=20mm;

冒口的体积Vr=176.6cm3,质量Gr=1.27kg 冒口补缩能力的验证:

取体收缩率ε=2%,冒口补缩效率η=30%,Ve=0,则: ε(V件+V冒)+Ve=0.02×(1662.8+176.6)=36.8cm3 V冒η=176.6×0.3=53cm3

满足冒口补缩验算公示:ε(V件+V冒)+Ve≦V冒η 故本次设计的冒口具有足够的补缩能力【2】。

根据铸造工艺设计手册【1】,可以查出冒口和冒口颈的尺寸,冒口直径D=Φ50mm,高度H=90mm,冒口颈截面积尺寸2a×a矩形=24×12mm,冒口颈代替内浇道,由冒口颈直接引入金属到型腔内。 4.4.2 方案三模拟结果

此次方案三的网格划分与初始条件设置与方案一和方案二相同,在此不再累述。具体结果如下图4.11、图4.12、图4.13和图4.14所示:

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图4.11 方案三金属液充型过程

图4.13 方案三缩松缩孔缺陷预测

图4.12 方案三凝固时间分布

图4.14 方案三充气裹气分布

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由上所示,可以看出,方案三可以实现两个铸件同时充型且几乎同时凝固,保证了一个砂箱内两个铸件的质量相同;且增加冒口之后,缩松缩孔缺陷明显减少,充气裹气现象也同样有所减少。

综上所述,方案三是最优方案,本次设计采用方案三。 5 模板的设计

5.1模底板类型的确定【1】

本铸件属于成批大量生产的小件,选用HT200做模板材料,采用普通单面顶箱式模板。

5.2模板尺寸和结构的确定

采用水平分型自动生产线的模底板尺寸与结构,采用的模板基本尺寸为1200mm×690mm,砂箱内框尺寸为920mm×610mm×250mm。 5.3 模底板上模样及浇注系统的布置【3】

5.3.1 模样在模底板上的布置

模样的外形尺寸为424.5mm×363mm,一箱放置两件,既要保证上、下模板合理分布,也要保证最小吃砂量,由铸造工艺手册查的最小吃砂量为30mm,两铸件相距最小距离50mm,通过反复尝试,采用了两铸件沿模底板Y轴中心线对称布置,使模板的重心适中,便于模样起模和搬运。 5.3.2 浇注系统在模底板上的布置

在确定模样布置方案之后,按照铸件分布设计浇注系统分布方案,其中:直浇道棒布置在上模板,直浇道窝布置在下模板,直浇道棒留拔模斜度。横浇道采用缓流式,降低横浇道内的金属流速,增强挡渣效果。横浇道以模板的Y轴、X轴中心线对称分布,X轴上横浇道位于下模板,Y轴上横浇道位于上模板。 5.3.3 冒口在模底板上的布置

冒口布置在横浇道与内浇道之间,金属液由横浇道引入冒口,再由冒口进入冒口颈引人铸件型腔,取消传统的内浇道。冒口分布在X轴中心线上,按照Y轴中心线对称分布。

上下模底板图示意图如下图5.1、图5.2所示,详见附录C上模板图、附录D下模板图:

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图5.2 下模板示意图

5.4 浇注系统各组元与模板间的连接

直浇道采用六角螺栓固定,尺寸为M10,穿过模底板装配到直浇道模样上,如下图5.3所示;横浇道的固定采用沉头螺钉,尺寸为M8,穿过横浇道模样装配到模底板上,如下图5.4所示:

图5.3 直浇道固定方式 图5.4 横浇道与模底板固定方式

冒口采用沉头螺钉固定,尺寸为M10,穿过模样装配到模底板上去,如图5.5所示;冒口颈采用圆柱头螺钉与模底板固定,穿过冒口颈模样装配到模底板上,如图5.6所示:

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直浇口窝和冒口窝采用铆钉固定,如图5.7所示:

图5.7 直浇口窝和冒口窝固定方式

6 模样的设计

6.1 模样材质的确定

由于采用大批量生产,选择金属模样,根据各金属模样材料的性能和适用范围,选用灰铸铁作为模样材料,牌号为HT150。 6.2 上模样结构及尺寸设计

根据分型面的选择,可以看出上模样主要是成形两条肋板和凹槽,形成较大的吊砂,为此设计了整体嵌入式上模样,在最大凹槽处,壁厚选择20mm,另外还设计了较大的结构斜度(10°),一是便于吊砂取出,二是增加吊砂的强度。 为了便于固定,在凹槽的外轮廓设计了宽大约30mm,深24mm的一整体固定边,采用嵌入式固定方式与模底板固定,这样既方便固定,也方便在模样磨损之后更换模样。一个模样使用6个六角螺栓固定,螺钉穿过模底板装配在模样上,螺钉尺寸为M10;此外,使用2个定位销定位,也是穿过模样装配在模底板上,定位销尺寸d(定位销直径)为15mm。

上模样三维图如下图6.1所示,具体结构及尺寸详见附录E上模样图:

图6.1 上模样三维图

【1】

上模样与模底板固定及定位方式如下图6.2所示,具体结构及尺寸详见附录C上模板图:

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6.3 下模样结构及尺寸设计

下模样是铸件最大也是最重要的成形部分,且全部位于模底板水平面之上,与上模样较深凹槽对应,下模样上将有一部分是凸出模底板较高的结构,为了减轻模样重量节省材料,将此凸出较大部分采用空心结构,并在空心内增加加强肋来增加其强度。与上模样相对应,同样在与较大凹槽相对应的凸出较大部分设计了相同角度的结构斜度。

由于下模样主要的两部分在高度上相差较大,因此需要分别设计其各自与模底板的固定方式。凸出较大部位,使用4个六角螺栓固定,穿过模底板装配在下模样上,螺栓尺寸为M10;凸出较小部分,使用两个圆柱头螺钉固定,穿过模样装配在模底板上,螺钉尺寸为M10;一个模样采用两个定位销定位,定位销也是穿过模样装配在模底板上,定位销尺寸d(定位销直径)为15mm。

下模样三维图如下图6.3 所示,具体结构及尺寸详见附录F下模样图:

图6.3 下模样三维图

下模样与模底板固定及定位方式如下图6.4所示,具体结构及尺寸详见附录D下模板图。

下固定方式 上固定方式

图6.4 下模样固定及定位方式

定位方式

7 结 论

此次驾驶室右铰接支架的铸造工艺设计,首先分析了零件的大小、重量、材

料、生产性质、结构特点以及技术要求等方面,综合考虑之后确定了适宜的铸造方法。通过查阅大量文献,相关企业生产实际调研,结合所学的理论知识和实践经验,设计了零件的两种铸造工艺方案。接着利用铸造仿真软件ProCAST模拟了铸件的充型过程、凝固过程、缩松缩孔预测和充气裹气等,并对方案进行了优化。但是,由于零件的实际铸造生产过程中,会受各种因素的影响,仿真的结果仅仅具有指导意义,所以很多时候需要实践经验,也需要结合工厂的实际情况。最后

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根据前面的要求设计了模板和模样,并经过多次尝试得出了较合理的各组元分布方案,绘制出了详细的模样、模板图。

作为两名即将走上工作岗位的大四学生,在毕业之前能够参加这次比赛,是非常有意义的,虽然工艺设计的过程是复杂、枯燥和乏味的,但是这个过程让所学到的和所经历的都是值得的,从整个设计过程来讲,小到一个很小的工艺参数,大到通过三维软件做出整个浇注环境,最后进行费时费力的仿真,这些都可能由于一个小小的疏忽就出现严重的误差甚至错误,这就需要严谨的思维和认真的态度,还有同伴之前的配合,慢慢的两个人之间有了很强的默契,整个团队的效率有了很大的提升,这对于不久后的岗位工作极其重要。

本文最后,我想对所有指导过我们的老师说一声,谢谢您们!也对策划组织本次大赛的组委会,赞助商以及铸造行业的社会各界人士表示衷心的感谢!

8 参考文献

[1] 叶荣茂、吴维冈、高景艳 《铸造工艺课程设计手册》[M] 哈尔滨:哈尔

滨工业大学出版社,1988.5

[2] 周述积、侯英玮、茅鹏 《材料成型工艺》[M] 北京:机械工业出版社,

2005.7

[3] 李宏英 赵成志 《铸造工艺设计》[M] 北京:机械工业出版社,2005.2 [4] 李日 《铸造工艺仿真PrOCAST从入门到精通》[M] 北京:中国水利水电

出版社,2010.9

[5] 大连理工大学工程图学教研室 《机械制图(第六版)》 北京:高等教育

出版社,2007.7

9附 录

附录A 右铰接支架铸造工艺卡 附录B 铸造工艺图 附录C 上模板图 附录D 下模板图 附录E 上模样图 附录F 下模样图

本文来源:https://www.bwwdw.com/article/3kv4.html

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