高锰钢锤头铸造工艺及工装毕业设计说明书

目录

摘要 (4)

绪论 (6)

第一章高锰钢锤头的铸造工艺方案的确定 (7)

1.1 高锰钢锤头的铸造工艺性分析 (7)

1.1.1 设计任务 (7)

1.2 造型材料的选择 (7)

1.3 造型和造芯方法的选择 (8)

1.4 分型面和浇注位置的选择 (8)

1.4.1 分型面的选择 (8)

1.4.2 浇注位置的确定 (8)

1.4.3 铸件在砂箱中的排列 (9)

第二章高锰钢锤头工艺设计 (10)

2.1 高锰钢锤头工艺参数的选择 (10)

2.1.1 机械加工余量 (10)

2.1.2 拔模斜度 (10)

2.1.3 铸造收缩率 (10)

2.2 砂芯的设计 (10)

2.2.1 砂芯的固定 (10)

2.2.2 芯头的尺寸和间隙 (10)

2.2.3 芯骨的设计 (11)

2.3 浇注系统的设计 (11)

2.3.1 浇注系统类型的选择 (11)

2.3.2 浇注系统各部分尺寸的计算 (11)

2.3.3 浇口杯尺寸的设计 (12)

2.4 冒口的设计 (13)

2.4.1 模数的计算 (13)

2.4.2 冒口位置的确定 (13)

2.5 冷铁的设计 (14)

2.5.1 冷铁的作用 (14)

2.5.2 冷铁位置的确定 (15)

2.5.3 冷铁尺寸的确定 (15)

第三章模拟分析 (15)

3.1 分析系统 (15)

3.2 设计方案模拟分析结果 (15)

第四章铸造工艺装备设计 (16)

4.1 摸样的设计 (16)

4.1.1 模样材料的选择 (16)

4.1.2 模样尺寸的计算 (16)

4.1.3 模样壁厚及加强肋 (17)

4.2 模板的设计 (18)

4.2.1 模板的类型和材料 (18)

4.2.2 造型机的选用 (18)

4.2.3 确定模板尺寸 (18)

4.2.4 模底板的壁厚和加强肋 (18)

4.2.5 模底板与砂箱的定位装置 (19)

4.2.6 模底板的搬运结构 (21)

4.2.7 模底板在造型机上的安装结构 (22)

4.2.8 模样与模底板的装配 (22)

4.3 热芯盒的设计 (24)

4.3.1 热芯盒的材料 (25)

4.3.2 芯盒内腔尺寸的计算 (25)

4.3.3 热芯盒结构设计 (25)

4.3.4 加热装置的设计 (26)

4.3.5 芯盒结构图 (27)

4.4 砂箱的设计 (28)

4.4.1 砂箱的选择 (28)

4.4.3 箱壁截面尺寸和尺寸 (28)

4.4.4 砂箱侧壁加强肋的布置形式和尺寸 (28)

4.4.5箱带的布置形式、结构和尺寸 (29)

4.4.6 砂箱调运部分的结构和尺寸 (30)

4.4.7 砂箱定位部分的结构和尺寸 (30)

4.4.8 砂箱合箱夹紧部分的结构和尺寸 (31)

第五章铸件热处理工艺 (31)

5.1 水韧处理工艺 (31)

5.1.1 加热速度 (32)

5.1.2 水韧处理温度 (32)

5.1.3 保温时间 (32)

5.1.4 水韧处理中的冷却 (32)

第六章编制工艺卡 (32)

总结与体会 (34)

致谢 (35)

参考文献 (36)

摘要

高锰钢锤头是破碎物料的重要部件，需要较高的耐磨性和抗冲击能力。然而由于种种原因，高锰钢的质量不稳定，经常发生变形、断裂、耐磨性低的现象，为了解决这些问题，需要对其进行热处理以提高其力学性能，本文介绍了高锰钢水韧处理的工艺过程。

另外本文完成了对高锰钢锤头的铸造工艺方案设计，包括铸造工艺分析、分型面的选择、浇注位置的确定、铸造工艺参数的选择、浇注系统的设计、冒口的设计、冷铁的设计以及砂箱、芯盒和模板的设计等等。并且在华铸CAE模拟的基础上，对凝固过程的温度场和铸造缺陷进行了分析，根据分析结果对工艺进行改进，最终设计出合理的铸造工艺方案。

【关键词】高锰钢锤头；水韧处理；铸造工艺设计；模拟分析

Abstract

High manganese steel hammer is a important equipment for material crushing, it needs high wear resistance and impact resistance. However, due to various reasons, the quality of high manganese steel is unstable, the phenomena of deformation, fracture, low wear resistance often occur. In order to solve these problems，it needs to carry on the heat treatment to improve its mechanical properties, this paper introduced the water-quenched process of high manganese steel.

In addition, this paper completed the design of casting process of high manganese steel hammer，including the analysis of casting process, the choice of parting surface，pouring location, casting process parameter，the design of gating system，riser, densener, sandbox, corebox,shuttering, and so on. On the basis of Huazhu CAE simulation, the solidification process of temperature field and casting defects were analyzed，and according to the results we improved the process, finally the reasonable casting process were established.

Keywords: high manganese steel hammer；water-quenched；casting process design；

simulation analysis

绪论

1. 铸造业在国内的状况

铸造业是一个具有5000多年的历史，至今仍充满活跃的基础产业，为我国国民经济支柱产业之一的装备制造业提供毛坯及零部件。目前我国已经成为世界上最大的铸件生产国，虽然我国的铸造生产具有悠久的历史及巨大的产量，但我国的铸造技术水平与工业发达国家相比还存在较大的差距，主要体现在铸件品质较低、生产设备和工艺比较落后、企业专业化程度不高，因此必须全面提高我国铸件生产的技术水平，以适应我国现代装备制造业的技术进步和发展。

2. 高锰钢简介

高锰钢作为耐磨材料，在抵抗强冲击、大压力作用下的磨料磨损或凿削磨损方面，其耐磨性是其他材料所无法比拟的。生产的耐磨件广泛用于冶金、矿山、电力、建材、能源等领域在重力冲击或挤压的工作条件下经受摩擦的零件，如冶金矿山机器、履带式拖拉机和破碎机上都装有用高锰钢制成的机器零件。为提高高锰钢的性能，进行过很多合金化、微合金化、水韧处理和沉淀强化处理等方面的研究，并在生产实践中得到了应用。

3.课题设计的内容

本设计的主要对象是高锰钢锤头的铸造工艺及工装设计，其基本内容包括：（1）高锰钢锤头的铸造工艺方案的确定

（2）高锰钢锤头工艺设计

（3）模拟分析

（4）铸造工艺装备设计

（5）铸件热处理工艺

（6）编制工艺卡

第一章高锰钢锤头的铸造工艺方案的确定

1.1 高锰钢锤头的铸造工艺性分析

高锰钢锤头是锤式破碎机核心零件之一，锤头在破碎机高速运转时直接打碎物料，工作环境恶劣，因此质量要求高，不允许有任何铸造缺陷存在，锤头头部需要良好的耐磨性和抗冲击性。并且锤头头部是铸件的厚大部分，易出现缩孔、缩松，因此需要采用冒口补缩。

1.1.1 设计任务

高锰钢锤头是矿山、水泥等行业破碎物料的易耗件，工况恶劣，需求量大，5000件每月，其结构如图1-1所示。材料为ZGMn13-4，铸件不允许有裂纹、气孔等缺陷。

图1-1 高锰钢锤头结构示意图

1.2 造型材料的选择

近年来石灰石砂铸造高锰钢铸件取得了良好的效果，其中若以水玻璃为粘结剂的石灰石砂作为型砂，可以得到光洁的外表面，清砂也比较容易[1]。本次设计采用热芯盒射芯机，故采用湿态树脂砂[2]。

1.3 造型和造芯方法的选择

铸件毛重53.66Kg ，材料为ZGMn-13，大批量生产，故采用机器造型和机器造芯、金属模、砂型铸造。

1.4 分型面和浇注位置的选择

1.4.1 分型面的选择

分型面在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。综合考虑有以下两种方案，如图1-2所示：

图1-2 分型面方案图

方案I：以上平面作为分型面，使零件全部处于下箱，虽然避免了错箱的问题，但是铸件有下凹部分不易起模，需要增加砂芯或者采用吊砂，增加了造型难度和工序。

方案II：分型面选择在对称面上，使铸件一部分在上箱，一部分在下箱，虽然容易出现错箱现象，但若采用机器合箱，则能在一定程度上避免。并且对称分型容易起模，造型简单。

综合以上的分析，决定选择方案II，虽避免不了一些不合理的地方，但总体来讲还是优于方案I，故选择方案II。

1.4.2 浇注位置的确定

为了造型和起模方便，综合考虑，将浇注位置设置在方案II的分型面上，即中间注入式，如图1-3所示：

图1-3 浇注位置图

1.4.3 铸件在砂箱中的排列

铸件轮廓尺寸为450mm×250mm×100mm，单件质量约为53.66Kg，属于中小型铸件，由于是大批量生产，采用的机器造型和造芯，因此选用一箱四件，查表3-37[2]并结合砂箱尺寸的实际情况，铸件与箱壁的距离为c＝40mm，铸件与砂箱底部的距离b＝90mm，浇注系统内浇道长度为f＝40mm。

第二章高锰钢锤头工艺设计

2.1 高锰钢锤头工艺参数的选择

2.1.1 机械加工余量

由于高锰钢硬度大，难于加工，因此不设定加工余量。

2.1.2 拔模斜度

当零件本身没有足够的结构斜度，应在铸件设计或在铸造工艺设计时给出铸件的起模斜度以保证铸件的起模操作。查表3-53[2]得，拔模斜度取1°。

2.1.3 铸造收缩率

由于高锰钢的线收缩和体收缩较大，常规的Mn13的线收缩率为2.4%～3.0%，本次设计取3.0%，体收缩率为6.7%[3]。

2.2 砂芯的设计

本次设计需要铸出一个孔，故需要设置一个砂芯，并且选用垂直砂芯。

2.2.1 砂芯的固定

采用芯头定位，上下都做出芯头，这样可以使砂芯定位准确，支撑固定可靠。

2.2.2 芯头的尺寸和间隙

一般情况下，机器造型、生产量较大时，常用间隙为0.5～1.0mm，并根据表3-75[2]得，取芯头间隙为s＝1mm。

垂直芯头的上芯头高度h1和下芯头高度h可根据表3-77[2]得出，根据砂芯长度L＝50mm、砂芯直径D＝100mm查出h＝25mm、h1＝15mm。

垂直芯头斜度α根据表3-76查出，上芯头斜度为10°、下芯头斜度为5°。

2.2.3 芯骨的设计

为了保证砂芯在制造、运输、装配、和浇注过程中不变形、不开裂、不被液

体金属冲坏，折断，砂芯应具有足够的刚度和强度。生产中通常应在砂芯中埋置

芯骨，以提高其强度和刚度。

在本次设计中由于砂芯尺寸较小，而且采用树脂砂，砂芯强度较好，因此砂

芯内不埋置芯骨。

2.3 浇注系统的设计

2.3.1 浇注系统类型的选择

本设计为中小型铸钢件，故采用半封闭式浇注系统，以加强撇渣能力。并且

为了起模方便，造型简单，采用中间注入式浇注，因而降低了液流下落高度，改

善了顶注式浇注系统充型不平稳的缺点。

2.3.2 浇注系统各部分尺寸的计算

用转包浇注系统尺寸计算，常采用的浇注系统截面比为： ∑ F 内︰∑ F 横︰∑ F 直＝1︰（0.8～0.9）︰（1.1～1.2），取∑ F 内︰∑ F 横︰∑ F 直＝

1︰0.9︰1.2。内浇道截面尺寸按经验计算公式F 阻＝'

t kS G （cm 2）计算，其中金属流动系数'S ＝0.8，系数C 、K 由表3-154[2]知，C ＝1.4，K ＝0.95。另外浇注时间计算公

式t ＝C G ，代入数据得t ＝10s ，F 阻＝7.1cm 2，因此F 内＝7.1cm 2、F 横＝6.3 cm 2、

F 直＝8.4 cm 2。

内浇道、横浇道截面尺寸由表3-156[2]查得，内浇道截面尺寸a ＝60mm 、b ＝

56mm 、h ＝12mm ，长度视砂箱而定，取40mm ，因为是一箱四件，所以需设置

4个内浇道；横浇道截面尺寸a ＝25mm 、b ＝18.5mm 、h ＝25mm ，长度视砂箱而

定，取600mm 。其截面形状如图2-1所示。

本次设计采用圆柱形直浇道，其截面形状如图2-1所示。前面已经知道直浇道截面积为8.4cm2，则通过计算得直径为32mm，长度视砂箱尺寸而定，取210mm。直浇道窝长度取12.5mm。

内浇道横浇道直浇道

图2-1 浇注系统各组元截面形状

2.3.3 浇口杯尺寸的设计

本次设计选用普通漏斗形浇口杯，已知直浇道下端直径d＝32mm，查表3-217[2]知，D1＝70mm，D2＝66mm，h＝54mm。由于一箱四件，所以要加大浇口杯尺寸，其体积要乘以4，最终尺寸得出D1＝120mm，D2＝110mm，h＝80mm。

2.4 冒口的设计

2.4.1 模数的计算

铸件模数：M ＝A V （cm ）＝48

.3103906879179≈22mm ＝2.2cm ，式中M —模数（cm ），V —体积（cm 3），A —冷却表面积（cm 2）

2.4.2 冒口位置的确定

根据构成铸件各组元模数的大小，推定各组元的凝固顺序，凝固较晚的组元可作为设置冒口的部位。如图2-2所示：

图2-2

将图中①视作空心圆筒体，得M ＝1.5cm 。

将图中②视作长杆件，得M ＝1.9cm 。

将图中③视作长杆件，得M＝3.0cm。

从分析模数的大小表明：③部位的模数较大，凝固较晚，若不采取措施，将产生缩孔或缩松。据此拟定在③处设置冒口进行补缩。

2.4.3 冒口尺寸的确定

为了减少不必要的浪费以及减轻冒口的去除和减少机械加工的工作量，高锰钢铸件常采用细颈冒口和易割冒口。本次设计采用易割冒口，其形状如图2-3所示：

图2-3 易割冒口

1—冒口2—隔片

前面已知铸件模数为2.2cm，根据公式：b≈0.093d＝0.56Mc[2]得：b＝12mm，d＝132mm。然后查表3-10[1]得易割冒口及隔片尺寸，d1＝34mm,d2＝30mm,b＝7mm,l＝8mm。

2.5 冷铁的设计

2.5.1 冷铁的作用

防止在冒口难于补缩的部位出现缩孔、缩松，使整个铸件接近于同时凝固，既可防止或减轻铸件变形，又可提高工艺出品率。本设计采用直接外冷铁，与冒口配合使用，扩大冒口补缩距离，减少冒口数或体积[4]。

2.5.2 冷铁位置的确定

冷铁1为两个，配合冒口使用，冷铁2加速铸件局部冷却速度，防止其产生缩孔、缩松。其位置如图2-4所示：

图2-4

2.5.3 冷铁尺寸的确定

查表16-16[5] 得铸钢件外冷铁的厚度公式：δ＝（0.3～0.8）T，代入数据得，δ＝（30～80）mm，取50mm。冷铁1的长度取150mm、宽度取100mm；冷铁2长度取80mm、宽度取50mm。另外冷铁的材料为高碳钢，涂料选取洛铁矿粉。

第三章模拟分析

3.1 分析系统

华铸CAE铸造工艺分析软件是分析和优化铸造工艺的重要工具，是华中科技大学经20多年研究开发，并在长期的生产实践中不断改进、完善起来的集成软件系统，本次设计使用的版本是8.0。它以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件的成型过程进行工艺分析和质量预测，从而协助工艺人员完成铸件的优化工作。

3.2 设计方案模拟分析结果

在设计完以上内容后，进行了铸造工艺的计算机模拟。利用华铸CAE模拟了

铸件的凝固过程，发现铸件缩松和缩孔问题比较明显，因此修改了一些参数，最终模拟结果如图3-1所示。由图3-1可以看出铸件内没有缩孔、缩松，缩孔和缩松都在浇道内和冒口内，对铸件没有影响，由模拟分析结果可知，理论上本次设计的方案可获得致密的铸件，工艺可操作性符合实际的铸造生产，铸造工艺出品率为69%，满足产品经济性要求。

图3-1 模拟分析结果

第四章铸造工艺装备设计

4.1 摸样的设计

4.1.1 模样材料的选择

本次设计的模样为大批量生产的中小型铸钢件，故宜选用铝合金模样，材质为ZL102。它质轻、易加工、表面光滑耐蚀。

4.1.2 模样尺寸的计算

模样的工作尺寸可按下式计算：

Am＝(Ac＋At)（1＋εt）

式中：Am—模样的工作尺寸（mm）

Ac—产品的零件尺寸（mm）

At—零件铸造工艺附加尺寸（加工余量＋起模斜度＋其他工艺余量）（mm）εt—铸造线收缩率（视铸件材质、结构及其他有关条件而定）% 模样的芯头尺寸应考虑到芯头的间隙量，芯头尺寸＝砂芯尺寸＋芯头间隙。模样尺寸标注如图4-1和4-2所示。其中尺寸“51.5”＝50×（1＋3%）＝51.5mm “Φ104”＝100×（1＋3%）＋0.5×2＝104mm，其中0.5为芯头间隙。其余尺寸可以依次计算出，具体见图4-1和4-2。

图4-1 下模样图

图4-2 上模样图

4.1.3 模样壁厚及加强肋

在满足模样使用的前提下壁厚应越小越好，以减轻重量和节约金属。按照模样的大小的不同，可以制成实心或空心的，前者一般用于平均轮廓尺寸

〔2宽度长度+〕小于50mm 或高度低于30mm 的小模样；中大模样可以制成空心体，并在内腔设置加强肋，以保证其刚度和强度。

铝合金模样的常用壁厚见表4-3[2]，本次设计取8mm 。加强肋的厚度可按模样壁厚的80%～100%选取，本次设计选取肋厚8mm ，其结构如图4-1和4-2。

4.2 模板的设计

4.2.1 模板的类型和材料

由于铸件是大批量生产，本次设计采用装配式单面模板。模底板材料为HT200。

4.2.2 造型机的选用

本次设计选用顶箱震压造型机Z1410A ，其砂箱最大内框尺寸为1200×800×350，砂箱最大尺寸适合，能容下一箱四件，砂箱材料为HT200。

4.2.3 确定模板尺寸

模底板的平面尺寸与已定的砂箱内框尺寸和所选的造型机有关。模底板的平面尺寸可按以下公式计算：

???+=+=b

B B A A 20b 20 式中：A —砂箱内框长度尺寸，B —砂箱内框宽度尺寸，A 0—模底板长度尺寸，B 0—模底板宽度尺寸，b —砂箱分型面外凸缘的宽度。代入数据得： A 0=1200+2×40=1280mm ，B 0=800+2×40=880mm 。

已知模底板的材料为铸铁，其高度为80～150mm ，取100mm 。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，由表4-10[2]查得，定位销孔中心距为A+190=1200+190=1390mm 。

4.2.4 模底板的壁厚和加强肋

壁厚和加强肋的结构如图4-3所示，其尺寸由表4-11[2]查得：δ=16～18mm ，取16mm ；t=18～20mm ，取18mm ；t 1=16mm ；r=4mm 。

图4-3

加强肋的布置形式如图4-4所示，采用的是矩形正交的形式，加强肋之间的距离查表4-12[2]可知，但根据模板尺寸做了适当的调整，取K=313mm，K L=278mm。

图4-4

4.2.5 模底板与砂箱的定位装置

采用直接定位法，即模底板的定位销与砂箱的销套直接起定位作用，定位结构简单，误差小，主要应用于普通单面铸铁模板。定位销直接装在销耳上，销耳结构和尺寸见图4-5和表4-14[2]。

图4-5

查表4-14知：d1=24mm，h=30mm，F=100mm，t=20mm，e=60mm，e1=45mm，a=10°。

在造型过程中为使砂箱不被卡死，常将砂箱上的销套做成一个为圆孔形，另一个为长圆形。因而模板上的定位销也相应做成一个圆的，一个带有平行面的。前者为定位销，后者为导向销。导向销在安装时，平行平面与模底板两销孔中心线连线平行。定位销和导向销的形式如图4-6、4-7所示，其尺寸查表4-15[2]可知。

图4-6 定位销

图4-7导向销