球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计

毕业设计（论文）

题目：球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计

学生：王XX

指导老师： XXX

系别：材料科学与工程系

专业：材料科学与工程

班级：

学号：

2010年6月

本科毕业设计(论文)作者承诺保证书

本人郑重承诺：本篇毕业设计(论文)的内容真实、可靠。如果存在弄虚作假、抄袭的情况，本人愿承担全部责任。

学生签名：

年月日

福建工程学院本科毕业设计(论文)指导教师承诺保证书

本人郑重承诺：我已按有关规定对本篇毕业设计(论文)的选题与内容进行了指导和审核，该同学的毕业设计（论文）中未发现弄虚作假、抄袭的现象，本人愿承担指导教师的相关责任。

指导教师签名：

年月日

目录

摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract ............................................................................................................................................ II 第一章绪论. (1)

1.1铸造的定义 (1)

1.2铸造行业的现状 (1)

1.3铸造的发展趋势 (1)

第二章轴承盖的工艺结构分析 (3)

2.1铸件壁的合理结构 (3)

2.1.1铸件的最小壁厚 (3)

2.1.2铸件的临界壁厚 (3)

2.1.3铸件壁的联接 (3)

2.2铸件加强肋 (3)

2.3铸件的结构圆角 (4)

2.4避免水平方向出现较大平面 (4)

2.5利于补缩和实现顺序凝固 (4)

第三章轴承盖整个铸造设计流程 (5)

3.1造型材料的选择 (5)

3.1.1造型材料的定义 (5)

3.1.2造型材料的分类及其特点 (5)

3.1.3造型材料的选择 (6)

3.2铸件浇注位置的选择 (7)

3.3分型面的选择 (8)

3.4 砂芯设计 (10)

3.4.1砂芯分块 (10)

3.4.2芯头设计 (10)

3.5铸造工艺设计 (12)

3.5.1铸件机械加工余量 (12)

3.5.2机械加工余量 (13)

3.5.3铸造斜度 (14)

3.5.4铸件收缩率 (14)

3.5.5最小铸出孔和槽 (15)

3.5.6分型负数 (16)

3.6浇注系统设计 (17)

3.6.1浇口杯选择 (17)

3.6.2浇注系统类型 (17)

3.6.3浇注系统的尺寸计算 (18)

3.6.4冒口的选择 (20)

3.7合箱 (20)

第四章结论 (22)

4.1结论 (22)

4.2 研究方向和展望 (22)

致谢 (23)

参考文献 (24)

球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计

摘要

随着科学技术的发展，我国的铸件水平有了很大提高，为了提高铸件质量，降低成本，对某球墨铸铁轴承盖进行了铸造工艺设计。首先，对铸件的铸造工艺性进行分析，包括：铸件壁的合理结构、铸件加强肋、铸件的结构圆角等。其次，进行砂型工艺方案的确定，主要是确定造型材料、浇注位置、分型面、砂芯工艺、工艺参数及浇注系统的设计。最后，进行合箱。

关键词：球墨铸铁轴承盖铸造工艺设计

A Process Design on the Bearing Covers of the Ductile Iron

Abstract

With the development of science and technology, the casting technology in China has made a great improvement. In order to improve the quality of cast while reducing the cost, the author of this article makes a process design on the bearing covers of the ductile iron. Firstly, the thesis analyzes the casting technique, including a reasonable structure of castings’ thickness, stiffeningribs of castings, structural fillet of castings and so on. Secondly, the thesis makes an assessment on the sand casting program, including evaluating molding materials, pouring position of casting, parting surfaces, sand core technology, technological parameter and the design of gating system. Finally, the thesis deals with the mouldassembling.

Key words：ductile iron; bearing covers; casting; process design

第一章绪论

在材料成型工艺发展的过程中，铸造是历史最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年的历史了。如今铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济发展起着重要作用，在汽车、钢铁、造船、纺织、航空航天等工业的重、大、难装备中，铸件都占有很大的比重，为国民经济发展作出了很大贡献。但是，我们也应该清醒的看到，目前，我国铸造技术的现状与工业发达国家相比仍有较大的差距。

1.1铸造的定义

铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融的金属液浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法。

1.2铸造行业的现状

新中国成立以来，随着国民经济的迅速发展，铸造生产技术也不断提高。在机械制造业中，越来越占据着重要的地位。因此，学校铸造方法，研究铸造技术基础理论，发展铸造事业是非常重要的。

铸件能得到如此广泛的应用，还是因为铸造生产具有一系列的优点：

（1）适应性强铸造方法不受零件大小、结构形状和壁厚大小的限制。

（2）成本低铸件的形状和尺寸与零件相近，一般比锻件、焊接件尺寸精确，可节约大量金属材料和机械加工工时，同事铸造生产中的金属废料和废件可以回炉重熔，生产周期短，投资少。

1.3铸造的发展趋势

随着科学技术的发展，我国的铸造技术水平也有了极大的提高，许多铸件已进入国际市场，例如，计算机辅助铸造工艺设计，模拟铸件凝固过程，控制合金熔炼使铸造生产过程不断地得到完善，少余量和无余量的铸造新工艺也得到迅速发展，开创了铸造生产发展的新局面。作为准备从事铸造行业的新的从业者，应该看到我国的铸造工业潜力很大，资源丰富，通过我们的努力，铸造业会对国民经济的发展

作出更大的贡献，从而实现我们的人生价值。

第二章轴承盖的工艺结构分析

2.1铸件壁的合理结构

铸件是由不同结构、形状、壁厚、大小的壁构成，其结构以及之间的联结过渡的合理性对铸造工艺性有很大的影响。

2.1.1铸件的最小壁厚

在确定铸件壁厚时要考虑两个问题。一是壁厚尺寸设计应保证铸件达到要求的强度；二是使其易于铸造。考虑到以上的这两个问题，又查表得到砂型铸造最小允许壁厚数据球磨铸铁为5mm～7mm，这个数值低于轴承盖的最小壁厚20.5mm。所以铸件的最小壁厚能达到要求。

2.1.2铸件的临界壁厚

铸件壁厚增大，对充满铸型虽然有利，但壁厚太大则容易产生缩孔、缩松等缺陷。通过查表知道球墨铸铁的砂型铸件的临界壁厚是50mm，而轴承盖的最大壁厚是37mm，这个值在规定的范围之内，所以铸件壁厚不易产生缩孔等缺陷。

2.1.3铸件壁的联接

由于本次设计的是一个轴承盖，铸件壁的尺寸分布比较均匀，没有突然变大的情况，所以不容易产生热节。

2.2铸件加强肋

因为在铸造生产中，有时为了提高铸件的强度是通过加大壁厚来实现的，但这种方法会增大铸件的质量，有时也容易产生热节的，所以可以选择用加强肋来提高铸件的强度，本次的轴承盖选择在侧壁加四块的加强肋来提高铸件的强度。设计铸肋时，其厚度应小于铸件的厚度，根据式

a外筋=0.8u

a外筋—铸件外表面上筋的厚度，mm；

u—与筋连接的铸件壁厚，mm；

在铸件中部，平均壁厚为25mm，根据上面公式计算得出外筋的厚度为20mm左右，与实际的尺寸相符，所以这个肋的尺寸符合要求。

2.3铸件的结构圆角

为了满足液态金属充型条件的要求，同时也是减小热节形成、避免铸造缺陷形成，所以在铸件结构的转角处及联接处设置铸造圆角，又由于铸件的尺寸不是很大，因此铸造圆角确定为R2～4mm。

2.4避免水平方向出现较大平面

由于在型腔内水平方向出现较大平面时，当充型过程中金属液上升到该位置时，金属液上升速度会减慢很多，使得高温金属液持续长时间、近距离烘烤顶面型壁，容易产生夹砂、粘砂、浇不足等缺陷，因此把轴承盖设计成阶梯式的，不会出现较大平面。

2.5利于补缩和实现顺序凝固

从铸件图可以看出铸件的壁厚自上而下是依次降低的，而我们浇注是采用中注式，因此可以实现自上而下顺利凝固，有利于补缩，可以减少缩孔、缩松等缺陷。

第三章轴承盖整个铸造设计流程

3.1造型材料的选择

在金属铸造过程中，造型材料的选择也是一个重要的过程，因为正确的选择造型材料，不仅能降低成本，还能提高铸件的质量。

3.1.1造型材料的定义

广义而言，所以用于制造铸型的材料都是造型材料，如制造砂型用的原砂、涂料、各类黏结剂、添加物等，制造金属型的钢、铸铁或铜合金等合金材料，以及诸如石墨、石膏、陶瓷浆料等用于特种铸型的材料。但一般意义上，造型材料又特指制造砂型用的材料，如原砂、黏结剂以及各类添加剂等。

3.1.2造型材料的分类及其特点

1黏土型砂

黏土型砂由原砂、黏土、水和其他附加物按一定比例混制而成，是目前用量最大、应用最广的造型混合料。黏土型砂按不同的使用条件可分为湿型砂和干型砂两类。

湿型砂是以膨润土做黏结剂的一种不经烘干的型砂，其基本特点是不需要烘干、不经固化而具有一定的湿强度；虽然强度较低但退让性好，便于落砂；湿型砂造型效率高，生产周期短，材料成本低，适合于大工业的流水生产。但由于湿型砂含有水分，在浇注过程中，砂型表面会出现水分的汽化和迁移，使铸件表面容易产生砂眼、气孔、黏砂、夹砂等缺陷。

干型砂是以黏土或膨润土做黏结剂的一种烘干砂型用砂，其湿强度可以稍微低些，含水量可高些，以达到较高的干强度。干型砂主要用于中、大型铸件的生产，型砂和砂型质量较容易控制，但铸件精度较差，需专门的烘干设备，生产周期较长。因此大的干型砂正逐步被树脂自硬砂所取代。

2水玻璃砂及其他无机黏结剂砂

水玻璃自1947年二氧化碳吹气硬化法问世后，由于其具有强度高、成本低、生

产工艺简单、生产环境好等优点，得到了广泛的应用。但由于水玻璃砂存在溃散性差，旧砂再生困难这两大难题，也使其应用受到一些限制。

3油砂

油类黏结剂包括植物油和矿物质油两大类，以此为黏结剂的芯砂称为油砂，有时油砂也仅指植物油砂。矿物油砂根据所用的黏结剂又分为合脂砂、沥青砂等。常用于铸造生产中形成不加工的内腔、形状复杂、断面细薄、要求强度高和溃散性好的砂芯。

4树脂砂

树脂砂是以合成树脂为黏结剂的型砂或芯砂，主要有热芯盒、覆膜砂工艺、冷芯盒、温芯盒、树脂自硬砂等工艺方法。树脂砂的应用，大大提高了造型或制芯的效率，显著提高了铸件的质量，其主要优点有：

①生产效率高；

②型（芯）强度高，适合用于制造复杂的砂型（芯），能满足自动化，机械化输送的要求；

③型（芯）能得到较高的尺寸精度，比黏土砂、油砂制得的铸件高1～2个等级；

④减少了对熟练造型和制芯工人的依赖；

⑤减少铸件的缺陷，提高表面粗糙度及尺寸精度，改善铸件质量。

从技术、经济综合效益分析，在大批量生产中，用树脂砂制芯，配合高密度造型技术，为生产薄壁、光洁、加工余量小的复杂铸件已成为主流；对单件、小批量生产，树脂自硬砂和冷芯盒的应用，也使车间生产面貌、生产效率以及铸件得到很大的改善。

3.1.3造型材料的选择

从轴承盖的尺寸看，高134mm、直径198mm，这算小铸件的，通常选择的造型材料会是黏土型砂、树脂砂，但由于树脂砂费用比较高，比较不适合用于批量生产，所以初步选择黏土型砂作为造型材料，因为黏土型砂中的湿型砂是不经烘干的型砂，虽然强度较低但退让性好，从强度上看，因为铸件比较小，所以强度可以达到要求；至于型芯，可以选择黏土型砂和树脂砂，如果用黏土型砂做的来看，由于黏土型砂含有水分，作为型芯，容易在内壁产生气孔；如果用树脂砂做型芯，型芯强度可以

达到要求，由于树脂砂成型后，表面还需要涂涂料，还需经过烘干，可以有效去除水分，比较不会产生气孔。两者一比较，选择树脂砂作为型芯的原材料。

原砂：硅砂是构成砂型的基本成分。

硅砂主要是由粒径0.053~3.35mm的小石英颗粒所组成，石英的化学成分可以SiO2来表示。硅砂的主要指标有：SiO2含量、含泥量、角形系数等。

3.2铸件浇注位置的选择

铸件浇注位置的选择，决定于合金种类、铸件结构及轮廓尺寸、铸件表面质量要求，以及现有的生产条件。选择铸件浇注位置时，主要应以保证铸件质量为前提，同时尽量做到简化造型工艺和浇注工艺。选择铸件浇注位置的主要原则可参考以下几点：

1体积收缩大的铸件及壁厚较大的铸件，应按定向凝固的原则，将壁厚较大的部位和铸件的热节部位置于上部或侧部，以便设置冒口进行补缩。

2重要加工面、耐磨表面等质量要求较高部位应置于下面或侧面，因为在液体金属的浇注过程中，一般夹杂或熔渣等的密度多小于金属液，所以其中的气体和熔渣往上浮，而且由于静压力较小的原因也使铸件上部组织不如下部的致密，夹渣、砂眼和气孔等缺陷少。

3具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置。否则，若将薄壁部分的浇注位置朝上，流入型腔的金属液在充型过程中散热快，易因流动性低而导致铸件产生浇不足或冷隔缺陷。

4将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷。

因为在金属液的充型过程中，灼热的金属液会对砂型上表面有强烈的热辐射作用，使该表面的型砂拱起或开裂，导致金属液钻进裂缝处，这将使铸件的该表面产生夹砂缺陷。

5采用型芯盒活块虽然可以制造各种复杂的铸件，但型芯和活块的使用将使造型、造芯和合型的工作量增加，且易出现废品，故应尽量避免不必要的型芯。最好使型芯位于下型，以便下芯和检查，同时应保证型芯在铸型中安放牢靠、排气通畅。

6尽可能避免采用悬砂芯、吊砂和吊臂等。

7尽可能使合箱位置与浇注位置一致。

综合以上要点，考虑到铸件的最大平面处，及重要部分位于砂箱的下型，还有方便上下箱起模，所以浇注位置定位如图3-1所示位置：

图3-1 3.3分型面的选择

在砂型铸造中，为完成造型、取模、设置浇冒口和安装砂芯的需要，砂型型

腔必须由两个或两个以上的部分组合而成，砂型的分割或装配面称为分型面。分型面可以是平面、斜面或曲面，为方便造型，分型面最好采用平面。分型面设在铸件的最大水平截面处，这样很方便起模。为简化工艺，保证铸件质量，分型面应尽量少，最好是一个。分型面的符合和线条用红色上下箭头表示，并标明“上、下”或“上、中、下”等。

分型面一般在确定铸件浇注位置后确定，但分析各种分型面优劣后，可能需要重新调整浇注位置。生产中，浇注位置和分型面一般是同时确定的。

铸造分型面，主要取决于铸件的结构。分型面的优劣，在很大程度上影响铸件的尺寸精度、生产成本和生产率，所以要慎重考虑。在选择分型时，应注意以下几个原则。

1

分型面应尽量采用平面分型，避免曲面分型，并应尽量选在最大截面上，以简

化模具制造和造型工艺，因为水平造型、下芯和合箱后，再翻动铸型进行浇注，就可能引起砂芯位置移动，影响铸件尺寸精度，金属型铸造生产中，选择分型面主要考虑应保证金属型能顺利开型和取出铸件，有利于排除型腔中的气体且操作方便，易于机械化。

2尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱以防止错型、飞翅、毛刺等缺陷，保证铸件尺寸的精确。

3应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中，以保证铸件的某些重要尺寸的精度。

4若铸件的加工面很多，又不可能全部与基准面放在分型面的同一侧时，则应使加工基准面与大部分加工面处于分型面的同一侧。

5尽量减少分型面的数目，最好只有一个分型面。分型面数量越多，铸型错箱的可能性就越大，铸件尺寸精度越低，而且减少分型面处铸件表面的披缝，能减少清理工作量。

6铸件的非加工表面上，尽量避免有披缝。

图3-2

由于铸件的重要平面位于铸件尺寸较大的区域，如果采用从轴心线分型，则重要部分不能保证在砂箱的下部，还有假如采用轴心线做分型面的话，因为铸件有四个加强肋如图3-2中①所示，还有四个凹台，如图3-2中②所示，有了这些肋和凹台，就会导致造型时取模困难，或者根本就没办法取模，所以沿轴心线分型是不可能的；在选取从竖直方向的横截面作为分型面时，考虑到造型时的取模问题及分型面的各个原则，选取的分型面如图3-3所示。

图3-3 图3-4

3.4 砂芯设计

型芯一般由芯体和芯头两部分组成。芯体的形状应与所形成的铸件相应部分的形状一致。芯头是型芯的外伸部分，落入铸型的芯座内，起定位和支承型芯的作用。芯头的形状取决于型芯的形式，芯头必须有足够的高度（h）或长度（l）及合适的斜度如图，才能使型芯方便、准确和牢固地固定在铸型中，以免型芯在浇注时的漂浮、偏斜和移动。如图3-4

3.4.1砂芯分块

因为轴承盖是一个回转体，没有复杂的结构，在考虑到下芯、尺寸检验这些操作的方便性，及减少砂芯数目、保证铸件壁厚均匀。所以选择单一的砂芯。

3.4.2芯头设计

因为芯头有定位、支撑及排气的作用，所以芯头的设计也是很重要的一部分。

（1）芯头尺寸的确定及芯头强度校核

［1］

经查表3-1知道，上芯头D 1=D=44mm ，下芯头D 2≤0.8D=158mm ；h 上=30～35mm ，h 下=30～35mm ，又因为是垂直芯头，所以h 下＞h 上，所以最终选择尺寸为 h 上=30mm, h 下=35mm 。通过校核公式： F ≥KP/u 许 F —承压表面积；

K —安全系数，取K=1.3～1.5；

P —作用在芯座上实际压力，对于下芯座，P 就等于砂芯的重力； u 许—芯座允许的抗压强度，一般湿型砂可取40～60Kpa 。

其中F=3.14×7.92

=19，KP/u=1.3×37808÷400000=1.23，得出F ≥KP/u ，所以设计的尺寸符合要求。

（2）芯头斜度

通常在芯座芯头总要留有斜度，至少在端面上要留有斜度，而且上箱斜度比下箱的大，以免合箱时和砂芯相碰。

表3-2 垂直芯头斜度［1］根据表3-2，因为芯头高度为30～35，所以上心头的斜度α上=10～15,下芯头斜度α下

=7～10。

（3）芯头与芯座的配合间隙

在芯头与芯座之间留有间隙，这样可以方便下芯，但这个间隙不能太大，因为当间隙大时，虽然容易下芯、合箱操作方便，但铸件的尺寸精度较低，甚至会造成金属液流入间隙，造成“披缝”现象，使得铸件落砂、清理困难；配合间隙过小，加大下芯、合箱操作的难度，易产生掉砂或塌箱等缺陷。综合考虑上面的原因，选择合适的配合间隙也是重要的一个环节，通过查表得上芯头间隙为0.3mm，下芯头间隙为0.6mm。

（4）砂芯的排气

在浇注过程中，砂芯中的有机物要氧化释放出大量气体，砂芯中的残余水分受热分解也会形成气体，如果排气不畅，则铸件产生气孔类缺陷的倾向性很大，因此砂芯的排气也是工艺设计中需要关注的。

这次的轴承盖砂芯所占体积比较大，必须设计排气孔，因为砂芯的直径也相对较大，所以可以在中间竖直方向上设计通气孔，这个孔在造型时就可以制作出来，只要在砂芯中放一根通气针，在造型完后把通气针取出，形成一个通气孔，这样就能比较有效地排气了。

3.5铸造工艺设计

铸件工艺设计参数是指铸造工艺设计时需要确定的某些数据，这些工艺数据一般都与铸件的精度有密切关系。工艺参数选取的准确、合适，才能保证铸件尺寸精确，方便造型、制芯、下芯、合箱等操作，提高生产率、降低生产成本。工艺参数选取不准确，则铸件精度降低，甚至因尺寸公差要求而报废。

3.5.1铸件机械加工余量

铸件机械加工余量指为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。零件上需要加工的表面，应有适当的加工余量。铸件加工余量的大小取决于铸件的材料、铸造方法、铸件尺寸与复杂程度、生产批量、加工面与基准面的距离及加工面在铸型中的位置、加工精度要求等。球墨铸铁剪较铸钢件线收缩率小、熔点低，铸件表面较光洁、平整，故其加工余量小；加工余量一般在3～10mm范围选取，而轴承盖的加工余量为5mm，有在范围之内所

以符合要求。

3.5.2机械加工余量

机械加工余量，简称加工余量，是为保证铸件加工面的尺寸精度，在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层的厚度。

表3-3 毛坯铸件典型的机械加工余量等级［2］

图3-5

本轴承盖设计的铸件预计加工面加工量如图3-5所示网格状阴影为加工量。加工量设有4mm 、4.3mm 、5mm 、5.3mm 和5mm 。轴承盖的侧面为非重要面，加工量设为4mm ；内腔壁为重要配合面，加工量为5mm ；最大轮廓处的轴承盖下表面为防止变形导致加工量不足，加大加工量为5mm ；轴承盖的上型部分侧面因高度较高，较易产生皮下气孔，因此加大加工量为5mm ；底部内壁为最重要的地方，所以加工量因尽量大，设为9mm 。

本轴承盖采用的是砂型铸造手工造型，材质为球墨铸铁，参考表3-3可知加工余量等级为F ～H 。已知最终加工后铸件的最大轮廓尺寸为190mm ，查表3-4可知该轴承盖要求的加工余量为2.5～5mm 之间。加工量4mm 、5mm 均在其范围内内，符合机械加工余量标准。

3.5.3铸造斜度

在造型和制芯时，为了很方便地把模型从铸型中或芯子从芯盒中取出，需在模型

或芯盒的起模方向上作出一定的斜度。若零件在设计时没设计足够的结构斜度，就应该在进行铸造工艺设计时确定起模斜度。起模斜度的大小取决于该垂直壁的高度、造型放法及表面粗糙度等因素。

本轴承盖要求的起模斜度为1°～2°，因为铸件尺寸比较小，为了方便起模，起模斜度取最大值为2°。 3.5.4铸件收缩率

铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：

%1001

2

1

?-=

L

L L ε （1）［2］

式中 ε——铸造收缩率（%）；L 1——模样长度（mm ）； L

2——铸件长度（mm ）。

表3-5 球墨铸铁线收缩率（%）［1］

表3-6 铸件主要尺寸的模样尺寸

本轴承盖的材质要求为球墨铸铁，可采用材质为铁素体球墨铸铁，参考表3-5可知轴承盖的受阻收缩率为0.6～1.2%，自由收缩率为0.8～1.2%。收缩率均取平均值，即受阻收缩率为0.9%，自由收缩率为1.0%。

由公式（1）可转换成：%10012

1ε-

=

L

L (2) 式中ε查表3-5已知，L 2因机械加工余量以确定，也是确定值，因此可以根据铸件的各个尺寸求出模样的尺寸。表3-6为铸件主要尺寸的收缩量和模样尺寸。 3.5.5最小铸出孔和槽

铸件上的孔、槽可通过铸造过程完成，也可由机械加工形成。在具体的工艺设计中，要根据孔、槽的大小、铸件的材质以及加工成本等方面综合考虑。一般来说，较大的孔、槽要通过铸造成型，然后利用机械加工达到较高精度；有些复杂形状的孔、槽则只能通过铸造工艺来完成。