毕业设计

机械技术学院

毕 业 设 计 论 文

车床拨叉零件毛坯铸造工艺

学生姓名： 孙前智

指导教师姓名： 黄晓徐

所在班级 材料10731 在专业 材料成型与控制技术 论文提交日期 2011年12月 1日 论文答辩日期 2011年12月 9日 答辩委员会主任 主答辩人 马海波

机 械 技 术 系

2011 年 12月 1日

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目录

1.概述………………………………………………………………………………………….3 2.零件毛坯分析…………………………………………………………………………….....4 2.1 零件图…………………………………………………………………………………4 2.2 零件的技术要求……………………………………………………………………....5 2.3 零件材料的选择…………………………………………………………………….....5 2.4 HT250合金的熔炼和化学成分……………………………………………………….6 2.5 确定毛坯制造的方法………………………………………………………………….7 3.铸造工艺方案的确定…………………………………………………………………..…..8 3.1铸造工艺方法……………………………………………………………………. ……8 3.2 造型方法的选择……………………………………………………………………....8 3.3 浇位置的确定.................................................................................................................9 3.4 分型面的选择…………………………………………………………………….…...10 3.5 凝固方法的确定………………………………………………………………….…..10 4.砂芯设计……………………………………………………………………………….….11 5.铸件工艺参数…... ………………………………………………………………….……..13 5.1 最小铸孔 …………………………………………………………………………...13 5.2铸件尺寸公差…………………………………………………………………….…...14 5.3机械加工余量 ………………………………………………………………………15 5.4铸件工艺补贴（余量）…………………………………………………………..…..16 5.5起模斜度………………………………………………………………………………16 5.6铸造收缩率……………………………………………………………………………17 5.7浇注温度………………………………………………………………………………17 6.浇注系统设计…………………………………………………………………………...…17 7.冒口及其冷铁设计…………………………………………………………………...…...19 7.1冒口…………………………………………………………………………………....19 7.2 冷铁………………………………………………………………………………..….19 8.铸造工艺装备设计…………………………………………………………………...........21 8.1. 模样………………………………………………………………………………..…21 8.2模板…………………………………………………………………………………...22 8.3砂箱………………………………………………………………………………..….23 8.4芯盒………………………………………………………………………………..….24 9.铸型装配………………………………………………………………………………..…24 9.1下芯原则…………………………………………………………………………..…24 9.2合型及定位…………………………………………………………………………..25 9.3砂型、砂芯的烘干……………………………………………………………..…....25 9.4铸型装配图………………………………………………………………………......25 10.小结…………………………………………………………………………………..…...26 结论参考文献

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车床拨叉零件毛坯铸造工艺

材料10971 孙前智

摘要：国家的综合国力是看这个国家的制造业发展水平。其中铸造、锻造的生产水平，标

志着这个国家制造业能力的水平，影响着国民经济。这次设计，是对拨叉零件毛坯铸造工艺的设计，通过这次设计学会了使用和查阅各种设计资料、手册、和国家标准等。并对自己未来将从事的工作进行一次适应性训练。由于能力有限，设计尚有很多不足之处，恳请老师给予批评和指导。

关键词：铸造 拨叉 铸造工艺

1．概述

机床是人类进行生产劳动的重要工具，也是社会生产力发展水平的重要标志。 普通机床经历了近两百年的历史。随着电子技术、计算机技术及自动化，精密机械与测量等技术的发展与综合应用，生产了机电一体化的新型机床（数控机床），数控机床一经使用就显示出了它独特的优越性和强大生命力，经过半个世纪的发展，数控机床已是现代制造业的重要标志之一。现在车床是主要用车刀对旋转的工件进行车削加工的机床。在车床上还可用钻头、扩孔钻、铰刀、丝锥、板牙和滚花工具等进行相应的加工。车床主要用于加工轴、盘、套和其他具有回转表面的工件，是机械制造和修配工厂中使用最广的一类机床。在车床中主轴箱是关键部分，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。由于主轴箱和进给箱的传递是靠变速机构传递动力的，在变速机构中，拨叉是重要的零件之一，它位于机床变速箱内：主要作用是机床的变速换挡，使主轴回转运动按照工作者的要求工作。拨叉在推动滑动齿轮时，滑动齿轮上有一个环槽，拨叉就骑在这个环槽里，当工作者推动操纵杆时变速杆带动拨叉轴，拨叉轴带动拨叉，拨叉又推动齿轮从而达到变速，拨叉最容易磨损的地方就是拨叉和齿轮环槽接触的部位，因为齿轮在高速旋转而拨叉不转，拨叉受磨损，如果强度不够，可能导致齿轮挂不到位，或拨叉断掉。所以在生产零件时，其性能要求要满足零件在工作中受拉应力和冲击力的作用，使零件更加耐用。

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2. 零件毛坯分析

2.1零件图

2. 3.

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图1（零件图和三维截图）

图 2

技术要求 1.未注明铸造圆角R4～R5

铸造后滚抛毛刺 材料为HT250

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零件图样分析

1）拨叉右端两侧面，对基准孔轴线A的垂直度公差为0.15mm。 2）拨叉右端R20mm为少半圆孔，其端面与孔中心相距2mm。 3）零件最大壁厚10mm，最小壁厚5mm。

2.2零件的技术要求

1）技术要求：1、铸造圆角半径不得超过1mm；2、铸件应进行时效处理；3、铸件应进行清理，保证表面平整；4、零件加工完后所有棱边应去除毛刺；5、不加工表面先涂以防锈漆，再涂以绿色油漆。

2）作力学性能分析：根据拨叉零件在工作中受拉应力和冲击力作用，要求最大抗拉强度硬度为HBS210～241。 ?b?275MPa，2.3零件材料的选择

拨叉工作条件：拨叉工作时主要承受拉应力和冲击力作用，且工作频繁。要求拨叉强度、硬度设计值为：HBS210～241 ，根据拨叉零件在工作中受拉应力和冲击力作用，?b?275MPa，要求最大抗拉强度?b?275MPa，硬度为HBS210～241。查表1得知：宜选用HT250，但必须经过孕育处理，孕育处理后，它的强度和硬度显著提高（?b=250～350MPa，硬度=170～270HBS）

都可以满足该零件的机械性能。

表1材料的牌号及应用 牌号 铸件壁厚 /mm ?b/MPa 不小于 175 145 130 120 220 195 170 特性及应用举例 铸造性能好，工艺简便，铸造应力小，不需要人工时效处理适用于负荷小，对摩擦磨损无特殊要求的简单零件。如：普通机床上的支柱、刀架，轴承座：发动机的进排气管，泵壳，法兰等。 强度较高，耐磨耐热性较好，减震性好：铸造性能较好，但但需要人工时效处理。适用于承受较大负荷和要求一定的气密性或耐蚀性的零件。例如：一般机械制造中较为重要的HT150 2.5～10 10～20 20～30 30～50 HT200 2.5～10 10～20 20～30 5

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30～50 HT250 2.5～10 10～20 20～30 30～50 HT300 10～20 20～30 30～50 HT350 10～20 20～30 30～50 160 270 240 220 200 290 250 230 340 290 260 属于高强度、高耐磨性的灰铸铁，其强度和耐磨性均优于以上牌号的铸铁，但白口倾向大，铸造性能差，需要人工时效处理。适用于承受高负荷和保持高度气密性的零件，例如机械制造中的某些重要零件，如剪床、压力机、自动车床及其他重型车床的床身、机座、机架、主轴箱、卡盘及受力较大的齿轮等。 铸件（如气缸、村套、棘轮、链轮、齿轮、拨叉等）：汽车、拖拉机的汽缸体、汽缸盖、活塞环联轴器等；具有测量平面的检验工件（如划线平板、V形铁、平尺、水平框架等）；承受压力小于785X的带轮等。 MPa的油缸、阀体；圆周速为12~20m/s2.4 HT250合金的熔炼和化学成分

1）合金液化学成分的控制

a)如对250HT铸铁件的熔炼铁水技术的研究：

石墨是决定灰铸铁性能的主导因素。石墨本身的力学性能极差，它好似空洞和缺口存在于金属基体中，因此石墨数量愈多，形态愈粗大，分布愈不均匀，对金属基体的割裂就愈严重，灰铁的抗拉强度底，塑性差，但却有良好的吸震性减磨性和底得缺口敏感性，易于铸造和切削加工。

b)对化学成分的研究：

碳和硅。碳是石墨化元素，含碳愈多，可能析出的石墨就愈多，但这种可能性还取决于硅的含量，硅是强烈促进石墨化的元素（孕育剂）。含硅愈多，石墨化的可能性就愈大，反之碳含量高而硅含量少时，，容易得到白口铸铁。

硫和锰。硫是强烈的反石墨化元素，硫含量高，易促使铸铁形成白口组织。同时，硫还是形成低熔点（985°C）的、分布于晶界上的FeS-Fe共晶体，造成铸铁的热脆性。硫是铸铁中的有害元素，一般将硫控制在0.1%～0.15%之间。锰也是阻碍石墨化，具有稳定珠光体的作用，能提高铸铁的强度和硬度，同时，锰对硫的亲和力大，易形成熔点高（1600°C）、密度

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小的MnS,MnS上浮随熔渣排除炉外，故锰是有益元素，一般控制在0.6%～1.2%之间。

磷。 磷对石墨化的影响不显著，但当磷的含量超过0.3%时，便形成呈网状分布于晶界的低熔点、高硬度（390HBS～520HBW）的Fe3P共晶体。这有益于增加铸铁的耐磨性，但过高会增加铸铁的冷脆性，所以，高强的的铸铁件一般将磷限制在0.2%～0.3%之间。 结论：铸件化学成分和壁厚的一般范围，如表2所示

表2 铸件化学成分和壁厚范围

铸铁 铸件壁化学成分（%） 牌号 厚/mm W Wp Wc Wsi Ws

HT250 5～25 3.5～4.0 2.5～3.0 0.7～0.9 <0.3 <0.12

2）是否须进行孕育处理，以保证铸件要求的力学性能呢？粗大的石墨对灰铸铁金属的基体割裂作用，灰铸铁的力学性能偏低（?b=100～200MPa）。提高灰铸铁性能的途径是改善其基体组织，减少石墨数量及减小石墨尺寸、并使石墨分布均匀。孕育处理是提高灰铸铁性能的有效方法。孕育处理的原理是：先熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、含硅量（ω（C）=2.7%～3.3%、ω（Si）1.0%～2.0%）的高温（1400～1450℃）铁液，然后向铁液中冲入少量细粒状或粉末状的孕育剂。孕育剂在铁液中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然加强，从而得到细晶粒珠光体和分布均匀的细片状石墨组织。处理后强度和硬度都得到明显的加强（?b=250～350MPa，硬度=170～270HBS）。由表1不难得知，光是HT250本身的性能是不足

mn以满足机床拨叉零件的机械性能的，必须经过孕育处理后，才能满足其所需要的强度和硬度（最大抗拉度?b?275MPa，硬度为HBS210～241。）

2.2.1确定毛坯制造的方法

主要有铸造、塑性体积成形和焊接。因为是批量生产，经过初步分析，本机床拨叉零件毛坯的生产有两种方式：可选用铸造和锻造，首先，对于锻造来说，锻出的锻件的质量往往比铸件质量要好，但是，由于锻造的模具设计过于复杂以及在设计成本上往往高出很多，而且对于设备的要求也相当高一些，而对于机床的拨叉零件，经过合理的选用铸造合金和相应合理的设计要求，是可以达到零件所需的工作性能的，而且对于设备的要求没有锻件的高，而且成本也会大大降低，所以鉴于设备和成本要求分析、机床的拨叉零件选用铸造最为合适。

结论：该零件一般属于小批量生产，形状比较简单、壁厚比较均匀，且该材料为灰铸铁，所以

确定毛坯的生产方法为砂型铸造

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3. 铸造工艺方案的确定

3.1 铸造工艺方法

可供选择砂型铸造方法的种类 （1）干型和表干型：

干型的主要特点是水分少，强度高，透气性好，成本高，劳动条件差，不易实现机械化和自动化。主要应用在结构复杂。

（2）实型铸造：

实型铸造应用范围较广，几乎不受铸件结构、尺寸、材料、批量的限制，特别适用于高精度、小余量、复杂铸件的生产。

（3）负压铸造：

铸件清理方便，劳动强度低，浇注过程中有有害气体，既适用于单件小批量生产，特别适用于大中型精密铸件、薄壁铸件生产。

（4）砂型铸造和特种铸造：

铸造成型工艺依铸形材料，造型工艺和浇注方式不同，可分为砂形铸造和特种铸造两大类。砂形铸造适用于金属材料，大小形状和批量不同的各种铸件，成本低廉，有砂形铸造生产的铸件占铸件总产量的90%以上，而砂形铸造的机器造型按成形机理分类又分为：震击，压实，射压，抛砂，气流紧实。

（5）手工铸造：

可分为两箱、三箱、叠箱和劈箱造型，适用于小型铸件的批量生产。

两箱造型按其模样分，可分为整体模样、分开模样和刮板模样造型。本设计的零件为轴支座类零件，根据图2，可以看出它的下表面为基准面，￠14孔位装配孔，属于重要加工面，要保证它的质量。如图，可以看出零件的顶面也为重要加工面，也要保证它的质量。为了综合考虑两者的重要加工面的质量，采用上下联办模样进行铸造生产，并在顶面位置加大加工余量，以保证铸件质量。

结论：由于小批量生产，结构复杂,尺寸不大，故选择手工铸造。

3.2 造型方法的选择

拨叉铸件带有侧凹结构，考虑为方便取模，是否采用活块造型、挖砂造型；考虑为使铸

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件上的重要面朝下浇注，可能要采用假箱造型等。

结论：砂箱中逐渐数量的确定原则：砂箱中的铸件数量一般要根据工艺要求和生产条件来确定，因本零件生产的属于小批量生产，因此采用一个砂箱生产一个铸件，一箱一铸。

3．3铸件浇注位置的确定

铸件的浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置，浇注位置是根据铸件的结构、技术要求，铸件合金特性，铸造方法以及生产车间的各种条件决定的如图3。

浇注位置确定的一般原则：

（1）铸件的重要加工面、主要工作面和受力面应尽量放在底部或侧面， 以防止这些表面上产生沙眼、气孔和夹渣等缺陷。

（2）浇注位置应有利于所确定的凝固顺序。对于体收缩较大的合金，浇 注位置应尽量满足顺序凝固的原则。铸件厚实部分一般应置于浇注位置的上方， 以利于设置冒口补缩。

（3）浇注位置应有利于砂芯的定位和稳固支撑，使排气通畅。尽量避免 吊芯、悬臂砂芯。

（4）铸件上的大平面应置于下部或倾斜放置，以防止夹砂等缺陷。有时 为了方便造型，采用“横做立浇”、“平做斜浇”的办法。

（5）铸件的薄壁部位应置于浇注位置的下部或侧面，以防止浇不到、冷 隔等缺陷。

（6）在大批量生产中，应使铸件的毛刺、飞翅易于清理。 （7）要避免厚实铸件的冒口下面的主要工作面产生偏析。

图3 浇注位置

综上确定浇注位置.

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3.4 分型面的选择

浇注位置确定后，即可确定分型面。铸造分型面是指铸型组元间的结合面，分型面确定的合理与否，关系到模样制造的难易程度。同时合理选择分形面，对于简单化铸造工艺，提高生产率，降低成本，提高铸件质量等有直接关系。

根据分型面确定的原则，重点考虑应尽量把铸件的加工定位面和主要加工面放在同一箱内，以减少加工定位的尺寸偏差。为方便起模，分型面应选在铸件的最大截面处。对于较高的铸件，尽量不使铸件在一箱内过高。在考虑造型、浇注、置芯的基础上，分型面的选择还有利于清理。选择分型面是应考虑到造型方法，所以选用方案一，如图4。

方案一

方案二

图4分型面的选择示意图

3.5凝固方式的确定

控制铸件凝固的措施很多，但指导运用这些措施的基本原则只有两个，即定向凝固和同时凝固。

（1）定向凝固原则：铸件的定向凝固，采取各种工艺措施，保证铸件各部分按照远离冒口的部分最先凝固，然后向着冒口方向逐步凝固，最后才是冒口本身凝固的顺序进行。铸件按照定向凝固原则进行凝固，就能保证缩孔集中在冒口中，以获得致密的铸件。它的优点

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为：冒口补缩作用好，铸件内部致密。缺点为：在凝固期间容易使铸件各部分存在着较大的温度差。在铸件过渡部分产生热裂。凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固需加冒口、冷铁。

（2）同时凝固原则：采取各种工艺措施，保证铸件结构上各部分同时凝固，铸件各部分之间几乎没有温度差。它的优点为：不宜产生热裂，凝固后也不易产生热裂和变形。缺点为：在铸件的中心区域往往有缩松，铸件不致密[2]。

结论:对灰铸铁来说，由于灰铸铁在浇注时的流动性比较好，在冷却过程中，其塑性较差，不易补缩，所以该铸件选用同时凝固原则。

4. 型芯设计

4.1．型芯种类的选择

砂芯的种类有：

（1）按尺寸大小分：大、中、小。

（2）按干湿程度分类：湿芯用于中小薄壁件；干芯用于大中小件均可。

（3）按粘结剂分类：粘土砂芯，水玻璃砂芯，水泥砂芯，油脂砂芯，树脂砂芯等。 （4）按制芯工艺分类：常规砂芯，自硬砂芯，热芯盒砂芯，冷芯盒砂芯，壳芯等。 （5）按砂芯复杂程度分类：可分为5级。

结论：根据以上的种类的分析比较，确定选用干芯。

4.2砂芯顺序设计

砂芯设置的基本原则：

（1）尽量减少砂芯数量：为了减少制造工时，降低铸件成本和提高其尺寸精度，对于不太复杂的铸件，应尽量减少砂芯数量，且采用合并砂芯减少砂芯数量，提高铸件尺寸精度。

（2）复杂砂芯可分块制造：因尺寸太大，制芯和下芯操作困难而分成几块制造，砂芯是为了操作方便而分块制造的。

（3）选择合适的砂芯形状：砂芯形状的选择，应使芯盒有宽阔的捣砂面，便于填砂、舂砂、安放芯骨和采取排气措施。

（4）砂芯烘干支撑面最好是平面：这一点对于需要烘干硬化的砂芯尤其重要。 （5）砂芯得分盒面应尽量与砂型得分型面一致：起芯与起模斜度的大小与方向应尽量一致，以保证由砂芯和砂型之间所形成的壁厚均匀，减少披缝，同时也有利于砂芯中气体的排

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出。

（6）便于下芯、合型：将砂型分成两块后，便于下芯时检验窗口型腔的尺寸，以避免整体砂芯移动的影响，从而保证窗口位置的准确。

（7）沿高度方向的分层砂芯：选择砂芯的划分面时，应力求使同层砂芯组合后的上面为平面。

（8）被分开的砂芯每段要有良好的定位条件，要尽量避免靠芯撑支撑，尤其是压力容器铸件，防止因芯撑溶合不好造成铸件渗漏。

4.3．型芯的形状、数量

结论：根据以上原则，为了提高本铸件的尺寸精度，采用合并砂芯减少砂芯数量且方便下芯，采用一个砂芯。如图5所示。

图 5砂芯示意图

4．4芯头设计

砂芯的定位

砂芯在砂型中的位置一般是靠芯头来固定的，也有用芯撑或铁丝来固定。因本铸件只有一个孔需要安防芯头，壁厚不均，属结构较复杂的零件，图所示。因此采用芯头固定。

砂芯定位要准确，不允许沿芯头方向移动或绕芯头转动。芯头需要有一定的定位结构，根据砂芯在砂型中放置的位置，定位芯头通常分为以下三种形式：

1）垂直定位芯头

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2）水平定位芯头 3）特殊定位芯头

结论：由于上面用了垂直芯头，故选用垂直定位芯头。

4．5 砂芯的排气方案确定

由于本铸件只有一个砂芯，而砂芯在高温金属液的作用下，由于水分蒸发及有机物的挥发，分解和燃烧，在浇注后很短时间内会产生大量气体，当砂芯排气不良时，这些气体会侵入金属液中，使铸件产生气孔缺陷。因此，在砂芯的结构设计、制造方式，以及在下芯、合型操作中，都要采取必要的措施，使浇注时在砂芯中产生的气体能顺利地通过芯头及时排出。

5. 铸造工艺参数的确定

5.1最小铸孔

在机械零件上往往有很多孔和槽，一般应尽可能在铸造时铸出。这样既可以节约金属，减少机械加工的工作量、降低成本，又可使铸件壁厚比较均匀，减少形成缩孔、缩松等铸造缺陷的倾向。但在铸件上的孔和槽尺寸太小，而铸件的壁厚又较厚和金属压力较高时，，反而会使铸件产生粘砂，造成清理和机械加工困难。有的孔必须反复采用复杂而且难度较大的工艺措施才能铸出，而实现这些措施还不如用机械加工的方法制出更为方便和经济。本题中队孔距的要求很精确，铸出的孔如有偏心，就很难保证加工精度。因此在确定孔零件上的孔和槽是否铸出时，又要考虑到铸出这些孔和槽的必要性和经济性。

最小铸出孔和槽的尺寸，和铸件的生产批量、合金种类、逐渐大小、孔处铸件壁厚、孔的长度和直径有关。表 列出灰铸铁铸件不铸出孔直径的最小铸出孔（槽）尺寸，见表3

表3 灰铸铁不铸出孔直径

生产批量 大量生产 成批生产 单件或小批量生产 不铸出孔直径≤ 12~15 15~30 30~50 灰铸铁和球墨铸铁的最小铸出孔和槽的经验数值取下表4：

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表4 铸件的最小铸出孔 铸件厚壁 应铸出的最小孔径 球墨铸铁 35 40 45 另行规定 灰铸铁 <50 30 50~100 35 101~200 40 >200 另行规定

但是考虑到本铸件，Φ14如果不铸出，就使得壁厚悬殊太大，在铸件冷却时造成的应力就很大，加上灰铸铁的流动性很差，在浇注冷却时会产生很大的应力，就容易造成裂纹，是铸件质量难以保证，所以得出一结论：该零件的孔要铸出。

5.1铸件尺寸公差

铸件的尺寸公差是指铸件的公称尺寸的两个允许极限尺寸之差。在这两个允许极限尺寸之内可满足加工、装配和使用的要求。铸件的尺寸精度取决于工艺设计过程控制的严格程度，铸件的尺寸精度越高，对工艺的控制就越严格，但铸件的生产成本相应的就越高。因此在规定铸件的尺寸公差时，必须从实际出发，综合考虑各种因素，达到既保证铸件的质量，又不过多的增加生产成本的目的。

按照GB/T6414—1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》的规定，铸件尺寸公差分为16级，表示为CT1-CT16。参见表5：

表 5 摘自（GB/T6414—1999）单位：mm 毛皮铸件 基本尺寸 大于 至 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 铸件尺寸公差等级CT - 10 16 10 16 25 0.09 0.1 0.11 0.13 0.14 0.15 0.18 0.2 0.22 0.26 0.28 0.30 0.36 0.38 0.42 0.52 0.54 0.58 0.74 0.78 0.82 1 1.1 1.2 1.5 1.6 1.7 2 2.2 2.4 2.8 3.0 3.2 4.2 4.44.4 - - 6 - - 8 - - 10 - - 12 考虑到是小批生产，该铸件的最大壁厚为10mm，综上因素考虑。该铸件选用公差等级14级。如表6

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表6小批生产铸铁的尺寸公差等级（ GB/T6414—1999）

方 法 砂型铸造手工造型 砂型铸造机器造型和壳型 12~14 11~13 11~13 11~13 10~12 10~12 12~14 13~15 13~15 13~15 13~15 13~15 11~13 13~15 铸钢 公 差 等 级CT 铸 件 材 料 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铜合金 轻金属合金 镍基合金 5．2机械加工余量

GB/T1614—1999《铸件 尺寸公差与机械加工余量》中规定，要求的机械加工余量适用于整个毛坯零件，且该值尺寸应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸和相应的尺寸范围选取。

要求的机械加工余量等级有10级，称之为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K共10个等级。参见表7、表8。

表7要求的铸件机械加工余量（RMA）（GB/T6414—1999）单位：mm

最大尺寸 大于 至 _ 40 A B 要求机械加工余量等级 C D E F G H J K 1.4 0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.5 0.7 1 表8 毛坯铸件典型的机械加工余量等级 方 法 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 砂型铸造手工铸造 砂型铸造机器造型和壳型 E~H E~G E~G E~G E~G E~G F~H F~H G~K F~H F~H 要求的机械加工余量等级 铸 件 材 料 可锻铸铁 F~H F~H F~H 铜合金 锌合金 轻金属合金 G~K 镍基合金 G~K 15

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在这里，我们选用机械加工余量等级为F级。 凸台外面的机械加工： R=F+2RMA+CT/2=F+2.1； 内腔作机械加工： R=F-(2RMA+CT/2)=F-4.2； RF-铸件毛坯的基本尺寸。 F-最终加工后的尺寸。 RMA-要求的机械加工余量。 CT-铸件公差。

5.3铸件工艺补贴（余量）

在手工造型和制芯时，为了起模和起芯的方便。需要敲动模样和芯盒内的肋板，以及由于木模和肋板吸潮而引起的膨胀，这都会造成铸件非加工壁的的厚度增加，致使铸件尺寸超差和重量超重。为了保证铸件尺寸准确，对形成铸件非加工面壁厚的木质模样，肋板的尺寸应予以减小，即小于图样上尺寸，所减少的尺寸称为非加工壁厚的负余量。在确定铸件线收缩率时，如果已经考虑负余量的因素，就不用另作考虑了。

5.4起模斜度

当铸件本身没有足够的结构斜度，应在铸件设计或铸造工艺设计时给出铸件的起模斜度，以保证铸型的起模。起模斜度可采取增加壁厚或减少铸件壁厚的方式来形成。在铸件上加起模斜度原则上不应超出铸件壁厚公差要求。这里采用木模，查阅《铸造手册 铸造工艺》得知:参见表9：

表9模样的起模斜度

模样外表面的起模斜度 测量高度 金属模样、塑料模样 起模斜度? 木模样 ? 〉10—40 1o10′ a/mm 0.8 模样凹处内表面的起模斜度 ? 1o25′ a/mm 0.6 〉10—40 2o20′ 1.6 2o50′ 2.0 结论 采用木模，模样外表面的拔模斜度为：a=1o25′；内表面的拔模斜度为：a=2o50′。

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5.4铸造收缩率

铸件线收缩率又称铸件收缩率或铸造收缩率，是指铸件从线收缩开始温度（从液相中析出枝晶搭成的骨架开始具有固态性质的温度）冷却到室温时 的相对线收缩量，以模样与铸件的长度差处以模样长度的百分比表示：

= (L1-L2)/L1×100/％

式中 L1表示——模样长度; L2表示——铸件长度

表 10各种铸铁件的收缩率

铸件的种类 受阻收缩 灰铸铁 中小型铸件 0.8～1.0 线收缩率 自由收缩 0.9～1.1 线收缩率是考虑各种影响因素后的铸件实际收缩率，它不仅与铸造金属的收缩率和线收缩起始温度有关，而且还与铸件结构、铸型种类、浇冒口系统结构、砂型和砂芯的退让性因素有关。见表10。

见表10 得出铸造收缩率：受阻收缩率为0.9%，自由收缩率为1.0%。

5.5浇注温度

浇注温度对铸件的影响是非常关键的，主要表现在以下几个方面：

（1）在浇注时，金属液温度越高，实际结晶温度就越低，过冷度就越大，形核就越多，得到的铸件需要孕育处理。

（2）保证浇注温度，防止铸件产生冷隔，浇不到等缺陷。

（3）铁水要求有一定的过热度，浇注温度取熔点+1500C，这里一般取1450℃～1470℃

6. 浇注系统设计

生产中常用的几种浇注系统

浇注系统按照各单元的比例分类分为：封闭式，开放式，半封闭式，封闭-开放式。 按内浇道在铸件上的注入位置分类，又分为：顶部浇注，中间浇注底部注入，和分层注入。

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6.1 铸件采用的浇注系统

浇注系统是砂型中引导液态金属进入型腔的通道。合理的浇注系统设计，应根据铸件的结构特点、技术条件、合金种类，选择浇注系统结构类型，确定引入位置，计算节目尺寸等。浇注系统的设计应遵循的原则如下：

（1）引导金属液平稳、连续的充型，避免由于端流过度强烈而造成夹卷空气，产生金属氧化物夹杂和冲刷型芯。

（2）充型过程中流动的方向和速度可以控制，保证铸件轮廓清晰、完整。 （3）在合适的时间内充满型腔，避免形成夹砂、冷隔、皱皮等缺陷。

（4）调节铸型内的温度分布，有利于强化铸件补缩，减少铸造应力，防止铸件出现变形、裂纹等缺陷。

（5）具有挡渣、溢渣能力，净化金属液。

（6）浇注系统结构应当简单、可靠，减少金属液消耗，便于清理。

一般铸件的浇注系统由以下4部分组成：外浇口、直浇道、横浇道、内浇道。 据铸件合金的种类，铸造性能特点，铸件的高度尺寸，结合所采用的铸造工艺，确定采用普通砂型铸造。

6.2 内浇道在铸件上开设位置、内浇口引入方向的设计及内浇道数量

A、顶部注入：基本形式、雨淋式、压边式、楔形式、搭边式。 B、中间注入：基本形式、阻流式、稳流式、锯齿式、过滤网式。 C、底部注入：基本形式、底雨淋式、牛角式、阶梯式、垂直缝隙式。

结论：根据以上各种浇注系统的比较，并结合本铸件的结构特征，选用C、底部注入。

6.3选择直浇道、横浇道和内浇道的截面形状，确定其几何尺寸如图6：

图 6 浇道设计

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7. 冒口及其冷铁设计

7.1冒口

7．1.1冒口的作用

冒口是在铸型内设置的储存金属液的空腔，用以补偿铸件形成过程中可能产生的收缩，起防止铸件产生缩孔、缩松并兼有排气、集渣、引导充型的作用。

冒口设计的基本原则如下：

（1）冒口的凝固时间应不小于铸件被补缩部分在凝固过程中的收缩时间。

（2）冒口所能提供的补缩液量应不小于铸件的液态收缩，凝固收缩和型腔扩大量之和。 （3）冒口和铸件需要补缩部分之间在整个补缩过程中应存在通道。

（4）冒口体内要有足够的补缩压力，使补缩金属液能够定向流动到补缩对象区域，以克服流动阻力，保证铸件在凝固过程中一直处于正压状态，即补缩过程终止时，冒口中还有一定高度的残余金属液压头。 7.1．1本铸件冒口位置设计分析

孕育可提高灰铸铁的力学性能，但影响凝固方式，使糊状凝固特性增强，高牌号灰铸铁的共晶度低，结晶温度范围宽，因而冒口相应补缩距离有缩短趋向。

灰铸铁件冒口与尺寸设计可以采用两种方法：（1）收缩模数法（2）经验比例法，这我们采用经验比例法。

根据铸件的结构特征，综合HT250金属液良好的流动性能，直浇道能达到补缩作用，故无需再增设冒口。

7.2冷铁

7.2.1冷铁的作用

冷铁是控制铸件凝固最常用的一种激冷物。各种铸造合金均可使用冷铁。冷铁的作用是： （1）与冒口配合使用，加强铸件的定向凝固，扩大冒口的有效补缩距离，防止铸件产生缩孔或缩松缺陷。

（2）加快铸件局部的冷却速度，使铸件倾向于同时凝固，以防铸件产生变形或裂纹。 （3）加快铸件某些特殊部位的冷却速度，以达到细化晶粒，提高铸件表面硬度和耐磨性。 冷铁分为外冷铁和内冷铁两种。前者作为铸型一部分，不与铸件熔合，可回收复使用；后者和铸件熔合在一起最后作为铸件壁厚的一部分。

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7．2.2冷铁设计

灰铸铁件的缩孔、缩松倾向性小，线收缩也小，因此很少采用冷铁控制其凝固过程；但当相邻铸壁的厚度相差悬殊时，也常在厚壁处及厚薄壁的过渡转角处采用冷铁进行均衡凝固控制，以减少铸造缺陷。对表面层要求有一定的致密度或硬度的铸件，也常采用冷铁进行控制。本题目对铸件提出质量要求，如铸件上重要工作面，规定了工作硬度，耐磨性要求等，在铸造生产理论上，要求铸件该部位组织致密、晶粒度细小。为此，在工艺上对铸件重要的部位采用：1）放置激冷物，以加快局部冷却速度。再有铸件结构上有热节，而采用定向凝固方式，为控制铸件的凝固过程，需设置冷铁，与浇注系统、冒口配合使用，以获得合格铸件。2）直接外冷铁易引起灰铸铁件表面产生白口层或过冷石墨层，有时又由于激冷过大可能引起铸件产生裂纹，用蓄热系数较大的材料，如铬镁砂、铬砂、镁砂等做局部激冷材料。 7.2.3冷铁位置及种类的确定

1）铸件需按自下而上的顺序凝固，应将冷铁放在铸型下部。注意，即使铸件底部不厚大，但为加强铸件自下而上的顺序凝固，增加凝固过程的温度梯度，也要在铸型底部放置冷铁。 2）特别强调，根据该题目铸件结构特点，重要的面和厚大部位，须保证铸造质量，应放置冷铁。

7.2.4外冷铁、内冷铁尺寸和重量的确定

参考铸造工艺设计，铸铁件冷铁的厚度

=0.8～1.2σ(σ是铸件的壁厚)；长度

L=0.8-1.2b(b为铸件冷铁安放面的长度)；宽度为S=0.8b(b为铸铁安放面得宽度，若采用两排冷铁则宽度减半

7.3 至此，就可以做出机床拨叉零件的铸造工艺图了，如图7所示：

图7铸造工艺图

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8. 铸造工艺装备设计

8．1 模样

8.1.1模样设及模样的种类

模样的按其材质可分为木模模样、金属模模样、塑模模样。

木模：质轻、易加工，价格低廉，但强度低，易吸潮变形和损伤，尺寸精度低。适用范围：用于单件、小批量或成批生产的各种模样。

金属模:包括铝合金、铜合金，铸铁模样。特点：易加工、表面光滑、耐蚀耐磨，强度高，精度高、多次运用。适用范围：用于制造精度要求高、批量大的薄壁，小铸件及肋板活块等。

泡沫塑料模样：质轻、制作简便，但成本高，表面不光滑，压力下不变形，只能用一次。适用范围:用于制造单件小批量的各种模样，制造用普通铸造难于生产的铸件，特别是不易起模的部分。

8.1.2模样材质的选择及制造步骤

A.选择木模样，它的特点是：质轻、易加工、价廉，但强度低，易吸潮变形和损伤，尺寸精度低。

适用范围：用于单件、小批量或成批生产的各种模样。

木模式用木材制成的模样。木材随着水分的蒸发发生干缩，且木模各个方向干缩的程度相差较大，所以制造木模的木材，应经干燥处理。

木模制造时采用多块木料，经过合理组合拼接的结构。这种结构不仅能提高木模的强度，减少变形量，还能充分利用小块木料，节约材料。 B.制造木模的步骤如下

（1）画放样图：在制造较复杂的木模时，为了便于取料和计算尺寸，根据铸造工艺要求绘制的木模制造图，称为放样图。

（2）确定木模结构：木模工应根据放样，确定木模的具体结构。

（3）整体分析：任何一个复杂铸件的木模，都是由许多结构简单的通用部件。 （4）检验、着色和涂漆：木模做好后，按铸造工艺进行检验，合格后表面涂漆，用线条或颜色表示出芯头、活块等。

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8.1.3模样尺寸的计算

模样的工作尺寸是模样所用尺寸中最重要的尺寸，其正确与否直接影响铸件的尺寸精度，模样的工作

式中

=(

+

)(1+

)

——模样工作尺寸（mm）； ——产品的铸件尺寸（mm）；

——零件铸造工艺尺寸（加工余量+起模斜度+其它工艺余量）(mm)； ——铸造的线收缩率（%）。

8.2模板

8.2.1模板的选择

根据本铸件的材料HT250，选用铸铁模板。 5.2.2模板结构尺寸的设计及尺寸的计算

（1）模底板的平面尺寸：模底板的平面尺寸与已定的砂箱内框尺寸和所选造型机有关。模底板如图8所示。

模底板的平面尺寸按下式确定：

=A+2b B0=B+2b

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）。

图 8模底板图

（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：

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=80~150mm

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（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。

8.2.2模底板的壁厚和加强肋设计与确定

（1）壁厚?和加强肋厚度?1,?2及连接圆角半径r可根据模底板平均轮廓尺寸和选用材料，选用： ??10?12mm，?1?12?14mm，?2?10mm，r?3mm。

（2）加强肋的布置：加强肋之间的距离为K?50mm。

（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。

结论：根据以上的叙述，模板在满足以上的基础上确定为，模底板的长为120mm、宽为80mm。

8.3砂箱

8.3.1砂箱选择和设计原则

按砂箱外形一般有木质、铝合金、灰铸铁、球墨铸铁及铸钢五种；按搬运方式不同有手抬、吊运和滑道三种；按砂型外形一般有方形、矩形和圆形三种；按制造方法不同有整铸、铸接和拼合三种。根据前面的分析和选用，这选择灰铸铁整铸式砂箱，它的特点是铸铁砂箱应用广泛，材料成本低，制造方便，强度、刚度较高。

8.3.2砂箱的结构设计

砂箱内框轮廓尺寸的确定，主要根据模样的大小和数量，浇冒口尺寸和位置，在四周加上适当的吃砂量，便可初步确定砂箱的结构。如图9所示。

图9 砂箱示意图

8.4芯盒：

8.4.1芯盒材料种类

木质芯盒，铝合金芯盒，金木结构芯盒，塑料芯盒，会铸铁芯盒。根据它们的应用范围，由于本铸件为小批量生产，所以选用木质芯盒，它的应用范围是适用于手工制芯、振动台制芯、蛇砂制芯及自硬砂制芯，单件或小批量生产。

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8.4.2芯盒设计的一般原则

（1）芯盒材料的结构设计应与生产批量相适应。

（2）芯盒必须具有足够的强度、刚度和耐磨性，在正常操作下，达到要求的使用寿命。 （3）确保芯盒的几何形状和尺寸精度达到工艺要求。

（4）尽可能减轻芯盒的重量，以降低能耗和工人的劳动强度。 （5）使用方便、制造简单，降低成本。

（6）应满足选用的制芯设备的装配和操作要求[2]。

手工芯盒的设计分为金属芯盒的设计和非金属芯盒的设计两类。根据本铸件的特点和生产形式选用非金属芯盒设计的木质芯盒设计。木质芯盒一般由多块木料，根据芯盒的几何形状、尺寸以及分盒形式拼接组合而成。

9. 铸型装配

9.1下芯原则 9.1.1熟悉工艺图

下芯前必须熟悉铸造工艺图和工艺要求，了解铸件的基本结构，砂芯间及砂芯与砂型的相对位置，砂芯数量等，防止下芯位置和方向发生错误或漏放砂芯。不能使用破损、吸潮、表面粉化等不合格的砂芯。

9.1.2下芯后检查

下芯后的检查项目有：砂芯的数量和位置；砂芯建的相对位置；砂芯和砂型的配合间隙；砂芯的排气通道是否畅通。

结论：为了保证本铸件的尺寸、结构，采用1：1的方法，画出和砂芯相同大小的图纸，以确定下芯的准确。

9.2合型及定位 9.2.1合型：

合型是造型的最后一道工序，如果合型不符合工艺要求，会导致铸件产生缺陷，甚至报废。合型过程：

A、为防止跑火，可根据情况再分型面四周放置封火泥条或石棉绳。

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B、合型时，上型要呈水平状态，缓慢下落，准确定位合型。 C、检查分型面处，是否合严，如有间隙，应采取杜绝跑火的措施。 D、检查直浇道与下型横浇道位置，砂芯有无卡砂的可能。 E、放好压铁或紧固好砂型。

9.2.2定位

为了保证铸件的尺寸精度，防止卡砂、错型等，砂箱上应设有定位装置，根据生产条件，使用的定位方法很多，常用的砂箱定位方法有：划泥号定位、楔定位、定位销定位、箱垛定位、止口定位，本铸件选用箱垛定位。

9.3砂型、砂芯的烘干

干型和表干砂型很重要的一个环节是烘干工艺的控制。表干砂型在每刷一次水基石墨涂料后，要经过喷烘才可刷下一遍涂料。厚大铸铁件往往要刷2～3遍涂料。砂型的烘干温度见表。烘干后的砂型，砂芯的干燥层深度更大一些。几种砂型（芯）烘干保温温度（℃）一般砂型，加木屑的砂型，加有机粘结剂的砂芯烘干温度 在350－400℃ ，和湿型砂一样，干型砂及表干型砂需要定期对旧砂的总含混量和有效膨润上含量及pH值进行监测相应调整新砂和旧砂的比例，以求得型砂和芯砂性能的稳定。总含混量至求控制在16～18％以下。

9.4铸型装配图

至此，铸型装配图如图10所示：

图10铸型装配图

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10.小结

该论文是完成车床拨叉零件铸造成形工艺，根据本设计题目生产性质、零件结构特点和用途，确定采用铸造成形工艺方法做出该零件的毛坯。其具体内容包括了铸造毛坯工艺分析，铸造工艺方案的设计，铸造工艺参数的确定，砂芯设计，浇注系统设计，冒口、冷铁和出气孔设计等，又对铸造工艺装配进行了设计，内容包括模样、模板、砂箱和芯盒等的设计。展望本题目也可以对金属液在充型、结晶、凝固和冷却过程中发生的一系列物理、化学的变化及铸件内部的变化进行了理论研究和分析。对如何保证铸件的质量和在合金液的成分上进行研究和探讨，对工艺上采取的相应措施也可进行研究和探讨。针对本题目，如何运用灰铸铁(HT250)铸造出所要求的零件的铸造成型工艺作了详细阐述，对运用砂型铸造设计的浇注系统做出了详细设计，并做出了零件图、铸造工艺图和铸型装配图。

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参考文献

[1]徐允长，铸造工技术（高级），化学工业出版社； [2]沈其文，材料成型工艺基础，华中科技大学出版社； [3]张代东，机械工程材料应用基础，机械工业出版社；

[4] 曹渝强， 铸造工艺及设备(第二版) ，机械工程出版社； [5]姜敏凤，工程材料及热成型工艺(第二版) ，高等教育出版社 [6] 廖景娱 ，金属构件失效分析，机械工业出版社廖景娱；

[7]铸造手册—铸造工艺/中国机械工程协会铸造分会编， 机械工业出版社； [8]中国机械工程学会铸造分会，铸造手册， 机械工业出版社。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d5bw.html