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1、液态成型工艺设计吴士平 徐实谦一、液态成型工艺与模具设计的目的 课程设计是培养材料成形与控制工程专业人才的一个重要实践环节，其目的是通过设计实践来巩固和加深液态成形工艺基础课及有关基础课和技术基础课的知识，并能够运用所学知识，比较系统地学习掌握液态成型工艺及工装模具设计方法，使学生能够制定出比较合理的液态成型工艺规程并设计出结构正确的工装模具；同时，通过课程设计，使学生进一步提高运算、设计绘图和查阅运用铸造工艺及工装模具设计手册与其它技术资料的而基本技能，培养学生分析、解决铸造生产实际问题的能力，也为毕业设计和工作打好基础。二、设计任务要求 每个学生在三周内必须独立完成某一零件（中等复杂程度，
2、采用机械化造型生产线）的液态成型工艺与模具设计及技术文件绘制工作，包括：设计绘制零件铸造工艺图 1张；设计绘制（上或下）模板装配图 1张；设计并绘制芯盒模具图 1张 编写液态成型工艺与模具设计说明书 1份二、设计任务要求 所设计图纸尺寸、投影图的比例及图面布置，均按机械制图标准和模具图纸要求设计绘图；图纸中应注明必要的尺寸与技术要求，必要的剖视、剖面和部件明细表。完成液态成型工艺与模具课程设计，最后通过答辩进行考核（按优、良、中、及格、不及格评分），学生在参加答辩前一天，所设计的图纸、设计说明书必须经指导教师审核签字，否则不允许参加答辩。三、设计内容和步骤 每个学生接到液态成型工艺及模具设计任
3、务后，先对零件图进行详细的工艺分析，设计绘制工艺图，以工艺图为依据，设计绘制模样、模板、模具图与芯盒模具图，最后编写液态成型工艺模具设计说明书，（本指导书所列“查表”均引自砂型铸造工艺及工装设计参考书）三、设计内容和步骤（一）读图（见图1）分析液态成型工艺要求和特点 1）应清楚零件的结构形状与格投影关系，绘出该零件立体图三、设计内容和步骤图1 零件图三、设计内容和步骤2）零件图应标注主要尺寸（壁厚、长、宽、高级主 要轮廓尺寸等），机械加工及公差要求，零件表面粗糙度，零件材质、性能与技术要求。3）分析铸造零件承载情况与工作条件，零件生产批量按成批或大量生产进行设计。三、设计内容和步骤4）确定铸件
4、技术条件，包括铸件材质、合金牌号（HT200）、化学成分、金相组织、机械性格和机械加工要求，铸件质量检查、热处理要求等。5）审查零件结构是否符合液态成型工艺要求，对不合理结构、尺寸可提出结构修改意见。6）分析该液态成型零件易产生的铸造缺陷并提出消除缺陷的相应工艺措施。三、设计内容和步骤（二）确定液态成型工艺方案绘制液态成型工艺图1、确定液态成型工艺方案 根据设计任务可知，该铸件为大批量生产，故采用机械化流水线生产。对各种可能的方案进行比较，选择最先进、经济、合理的最佳方案进行设计，包括：（1）造型方法 选择粘土砂造型、湿型机械化造型，树脂砂或粘土砂芯手工制芯。三、设计内容和步骤（2）确定浇注位
5、置与铸型分型面（模样分型面）确定浇注位置时，考虑重要面、加工表面放在下（底）面，或侧面，考虑顺序凝固应将厚壁部分放在上面或侧面，综合考虑确定该铸件的浇注位置如图2所示。三、设计内容和步骤图2 铸件浇注位置与分型面三、设计内容和步骤分型面的选择有两种方案：方案I：铸件可按放在上、下两铸型内，但不能保证铸件同心，下芯困难；方案II：铸件在同一铸型内，下芯方便，可保证铸件尺寸精度，造型简单，排气方便，但上箱尺寸高。综上，方案II较为合理。三、设计内容和步骤（3）确定工艺参数 给出机械加工余量，查表3-24、25，是否铸出孔、槽，查表3-26；因采用机器造型，金属模板、芯盒，铸件精度高，加工余量选小值
6、（查表3-3），最小壁厚、圆角查表1-3、1-4、1-5.选取拔模斜度，活块，查表3-21、3-22、3-23，一般选030130 选取铸造收缩率K、工艺补正量和分型负数等，查表3-1，一般选0.81.0%三、设计内容和步骤（4）确定砂芯数目/轮廓选择砂芯种类（粘土、油砂、自硬砂、树脂砂芯）与制芯方法（手工、机器制芯）；芯头种类、结构尺寸，其中垂直芯头、水平芯头，尺寸查表4-3、4-4。压环、防压环、集砂槽，查表4-2，砂芯通气系统、芯骨、芯撑形状、尺寸和数量 F横F直F内，F内为控流断面三、设计内容和步骤（5）设计、计算浇注系统、冒口、冷铁、出气孔、铸筋I 浇注系统类型选择 由于铸件的材质为
7、灰铁，要求浇注系统撇渣能力较强，铁水充型平稳，所以，选择半封闭式浇注系统，F横F直F内，F内为控流断面三、设计内容和步骤ii)内浇口断面积计算 铸件重G 应包括零件的浇冒口系统（重量为铸件重的2030%），再加上给出加工余量，拔模斜度后增加的重量，按照选定的收缩率，再求得铸型内金属液总重量为G。浇注时间 浇注时间按单件计算，按照铸件重G，查表3-13，浇注时间 s=0.59 由于该件为灰铁，应对铁水的上升速度进行校验，根据公式：查表3-3，根据壁厚验算上升速度。三、设计内容和步骤 计算内浇口截面积 a.取平均压头Hp，选取流量系数=0.42（查表3-5）根据奥赞公式三、设计内容和步骤b.图表法
8、 见（附页图表），在表上按计算铸件毛坯重量G，垂直向上引线与铸件平均壁厚线相交，再向左引平行线与计算平均压头Hp线相交点向下引垂线，即可查出浇注系统总截面F内尺寸（cm2）.三、设计内容和步骤 确定每个铸件开设浇口数量。从两种计算方法得出F内有差别，实践中根据产品质量，F内可做些修正，增大或减小截面积。三、设计内容和步骤 确定浇注系统各组元的断面积比与尺寸 根据表3-7半封闭式浇注系统各断面比取为：计算各组元断面积，各组元断面形状、尺寸，查表5-25-23、5-24.为了加强裆渣和具有足够的压头，采用漏斗形浇口杯，具体形状和尺寸查表5-16三、设计内容和步骤 最小压头验算 根据初步布置校核最小
9、压头，已知静压头HM（mm）及浇口中心距铸件远端距离L（mm），可根据 公式，计算压力角。(6)砂箱尺寸、造型机初选三、设计内容和步骤（三）绘制液态成型工艺图 液态成型工艺图是最基本、最主要的工艺文件，是生产过程指导性文件，是设计和制造工艺装备的依据，它是液态成型工艺方案的具体体现，必须认真的绘制。绘制时将各种简明的工艺符号标注在零件图上，表示模样、砂型、砂芯制造工艺及浇冒口系统等液态成型工艺方案的基本内容。三、设计内容和步骤1）按机械制图规定绘制零件图（按比例1:1或1:2比例放大）；2）标出不铸孔、槽及加工余量；3）绘出拔模斜度；4）标注浇注位置和分型面；5）绘出芯子形状、芯头间隙、压紧环
10、、防压环、集砂槽及有关尺寸；6）按设计计算浇注系统，在零件图上绘出浇注系统（用红线）结构形状，按视图标准绘制，标注各部尺寸。7）绘出铸筋、活块，标出有关尺寸和数量；8）铸造收缩率确定后，各方向选同一缩尺，不必再图上分别标注，只在工艺条件中说明。9）校核砂箱尺寸和造型机选择（顶箱式、顶杆式）；六、工艺设计实例 工艺图三、设计内容和步骤（四）模板、模具设计绘制模板装配图 包括：模底板、模样（包括浇冒口、出气孔模样）及模样定位），紧固装置、砂箱定位装置、模板在造型机上的紧固装置及起吊装置等。三、设计内容和步骤图 9-1 装配式图 9-2 整体式三、设计内容和步骤1.设计原则1）要求模板有足够的强度和
11、刚度2）有良好的耐磨性、较高的表面光洁度及尺寸精度；3）力求结构简单、合理、安装维修方便。2.模板模具设计1)选择模板类型、结构，查表10-1.三、设计内容和步骤2）设计模底板、材料（HT150）、结构尺寸及定位销，销耳尺寸，查表10-7、9-4、9-5、9-6、9-7 模底板平面尺寸+A0=A+2b B0=B+2b 模板高度选80-150mm 模底板加强筋厚度t=15mm、间隙、底板厚度=14mm三、设计内容和步骤3)设计金属模样结构及储存 包括铸件模样、浇口、冒口、出气孔及芯头模样，反形成铸件轮廓尺寸的均应放缩尺；芯头尺寸、压紧环、集砂槽以及浇冒口系统不用放缩尺，只需按照工艺图上给出的尺寸
12、绘制。模样尺寸=件尺寸（1+K）件尺寸=零件尺寸+加工余量+拔模斜度 选定模样材料，表面粗糙度，尺寸公差。三、设计内容和步骤4）模样在底板上的装配、布置、定位、紧固 一型多铸，只画一个模样安装固定详图，用视图表示清楚，其它只画出模样外形轮廓线。所选用的标准件应符合国家标准。查表10-14、15、16、17.浇口、芯头装配查表10-18、19.三、设计内容和步骤5）模底板、砂箱定位装置（定位、导向销）定位销中心距C=A+2M 差 M=75 mm 定位销形状、尺寸 销耳尺寸6）砂箱尺寸设计，查表12-3，确定砂箱最大内尺寸（确定吃砂量）。造型机查表12-147）出气孔8）模板装配图视图及明细表。（
13、2-3个视图表示清楚）三、设计内容和步骤图5-2 模底板和砂箱尺寸的关系图5-3 模底板与砂箱的直接定位方式图5-12 模板装配图上模样定位尺寸的标注六、工艺设计实例 模板图三、设计内容和步骤（五）设计、绘制芯盒装配图 包括：芯盒本体、防磨片、镶块、定位夹紧装置、吊运装置、排气与芯骨定位元件、在制芯机上紧固结构。参考表11-2,。壁厚加强筋，查表11-4、11-5.手工制芯，芯盒设计结构力求简单，体积小，重量轻，操作方便，芯盒材料选ZL104.（查表11-3）三、设计内容和步骤1、芯盒材料三、设计内容和步骤2、金属芯盒结构形式（1）金属芯盒按不同分盒面分类三、设计内容和步骤（2）金属芯盒结构实
14、例铰链式对开芯盒三、设计内容和步骤 水平对开芯盒三、设计内容和步骤水平对开的圆棒芯芯盒结构三、设计内容和步骤链式对开芯盒结构三、设计内容和步骤三、设计内容和步骤1）芯本体结构、防磨片（厚度查表11-6）、镶块与 活块（查表11-7）设计。三、设计内容和步骤2）芯盒分盒面的确定（几个方案的比较）三、设计内容和步骤3）芯盒内腔尺寸（砂芯尺寸）计算及芯头尺寸、斜度、间隙。芯盒内腔尺寸=（零件尺寸工艺尺寸）(1+K)三、设计内容和步骤4)芯盒定位（查表11-9），夹紧装置（查表11-5）的设计芯盒的几种夹紧结构芯盒的几种夹紧结构三、设计内容和步骤5）芯盒吊运装置、排气与芯骨定位装置的设计。手工制芯用的
15、手柄三、设计内容和步骤6）芯盒尺寸精度与标注尺寸三、设计内容和步骤7)芯盒装配图视图与明细表三、设计内容和步骤（六）编写设计说明书 设计说明书是液态成型工艺与模具设计的一个重要部分，是各部分设计和计算的一个综合报告，也是设计者的设计思想、设计能力与水平的集中体现，同时，也是对设计进行检验的一个重要依据。说明书要系统、简明、扼要，论证清楚，逻辑清晰、标点、符号、单位应规范使用，计算准确、图表清晰，主要包括：三、设计内容和步骤1)设计任务及设计任务的分析（铸件结构、材质、性能特点、技术要求及生产批量）2)工艺方案分析论证 比较优缺点，选定最佳方案。包括零件结构的 铸造工艺性欲技术条件的分析3）液态
16、成型工艺图 浇注位置、分型面的选择：铸型种类、造型方法及设备的选择；各项工艺参数确定的依据；浇注系统、冒口类型、结构的选择与比较；工艺出品率的核算。三、设计内容和步骤4）型板模具的设计与说明 模板类型，结构；模底板结构，材料；定位销，销耳结构尺寸；金属模样尺寸，材料，模样装配、定位紧固。5）砂芯与型砂材料选择6）砂箱尺寸和造型机选择7）芯盒模具设计 芯盒分盒面的选择与本体结构、防磨片；芯盒的定位与紧固；通气孔；技术条件8）铸件缺陷分析与解决方案9）设计主要参考资料10）编写说明书目录四、设计进度和安排有效设计时间共计13天，答辩1天，授课1天（8学时）。其中：读图1天 阅读资料1天 确定工艺方
17、案设计、计算浇注系统、绘制零件 图、绘制铸造工艺图共计3天 设计模板装配图及绘制工装图4天 设计芯盒及绘制芯盒装配图2天 编写液态成型工艺与模具设计说明书1天教学授 课1天（8学时）答辩1天五、设计参考资料（1）联合编写组砂型铸造工艺及工装设计，1980年（2）李魁胜主编铸造工艺设计基础机械工业出版社1981年（3）叶荣茂等编铸造工艺课程设计手册哈尔滨工业大学出版社，1989年（4）铸造用模手册机械工业出版社，1987年（5）铸造工艺装备设计手册机械工业出版社，1989年（6）施廷莲，铸造实用手册，东北大学出版社，1994年（7）机械工程学会铸造分会编，铸造手册（5 铸造工艺），机械工业出版社
18、，2003年六、工艺设计实例 立体图六、工艺设计实例 零件图六、工艺设计实例 工艺图六、工艺设计实例 模板图六、工艺设计实例 芯盒图六、工艺设计实例 设计说明书设计说明书 一、设计任务 1、设计零件的铸造工艺图。2、设计绘制模板装配图。3、设计并绘制所需芯盒装配图。4、编写铸造工艺设计说明书。设计说明书 二、生产条件和技术要求 1、生产性质：大批量生产 2、材料：HT200 3、零件加工方法：零件上有多个孔，除中间的大孔需要铸造以外，其他孔在考虑加工余量后不宜铸造成型，采用机械方法加工，均不铸出。造型方法：机器造型 造芯方法：手工制芯 4、主要技术要求：满足HT200的机械性能要求，去毛刺及锐
19、边，未注明圆角为R3R5，未注明的筋和壁厚为8，铸造拔模斜度不大于2度，漆以（A/C 202 QCATBD-12-2002），铸造表面不允取有缺陷 三、设计详细过程 1、铸造工艺设计方法及分析 1.1铸件壁厚 1.2造型、制芯方法 1.3砂箱中铸件数目的确定 2、铸造工艺参数的确定 2.1铸件尺寸公差和重量公差 2.2机械加工余量 2.3拔模斜度 2.4铸孔起模斜度 2.5铸铁的铸造收缩率 2.6铸铁的铸造收缩率 2.7铸造表面的粗糙度 3、砂芯 3.1芯头尺寸（1）垂直芯头设计说明书（2）水平芯头 4、浇注系统 4.1分型面设计及浇注位置的选择 4.2浇道的设计 5、模板图的设计 5.1金属
20、模样的材料 5.2金属模样的结构 5.3金属模样的尺寸公差和表面粗糙度 5.4模样在底面上的装配 5.5 模板的设计设计说明书 6、芯盒的设计 6.1材料的选择 6.2分盒面的设计 6.3芯盒内腔尺寸的确定 6.4芯盒主体结构的设计 6.5芯盒与耐磨护板的定 6.6金属芯盒的尺寸偏差和表面粗糙度 四、参考文献七、答辩注意事项 汇报提纲 说明铸件的材质、形状特点、铸件要求、拟采用的铸造方法 结合立体图，通过对比方案说明浇注位置的选择、分型面选择的理由、优缺点 结合工艺图说明主要工艺参数选择的方法、理由，如收缩率、加工余量、拔模斜度、最小铸出孔等。结合工艺图说明浇注系统设计方法、采用浇注系统类型、浇注系统各单元截面尺寸设计的方法、原则，内浇道的引入位置及其理由。结合工艺图说明砂芯的设计过程、砂芯的结构、定位方法及砂芯的种类。结合模板图说明铸件在砂箱中的布置，浇注系统如何布置，模板的大小、定位、导向，摸样的定位、固定、气针。顶出机构、吊装机构。结合芯盒图说明砂芯的结构、填砂口、芯盒的定位、固定等。最后说明本工艺的特点、工艺出品率，可能存在的问题。演讲完毕，谢谢观看！