材料成形工艺第五六章铸造工艺工装设计
材料成型工艺教学大纲
材料成型工艺MaterialFormingTechnology课程编号：07310060学分：6学时：90(其中：讲课学时：78实验学时：12上机学时：0)先修课程：材料成型原理、金属学及热处理、机械设计基础适用专业：材料成型及控制工程教材：《金属材料液态成型工艺》贾志宏编化学工业出版社2008年2月第1版《金属材料焊接工艺》雷玉成主编化学工业出版社，2006年8月第1版《冲压工艺与模具设计》牟林、胡建华主编.北京大学出版社2010年3月第2版开课学院：材料科学与工程学院一、课程的性质与任务：本课程是材料成型与控制工程专业的一门主要专业基础课。
本课程的任务是掌握金属液态成型工艺的方法、金属板料成形技术、焊接电弧及焊接方法等三大部分知识。
通过本课程的学习，了解常见的液态成型、板料成形、焊接工艺方法。
为学习有关专业课程、从事生产技术工作和管理工作打好热加工工艺知识基础；了解热加工的新工艺、新技术、新方法和发展趋势。
二、课程的基本内容及要求第一篇液态成型工艺绪论1基本内容金属液态成型工艺发展历史，液态成型工艺流程。
2教学要求了解铸造产业的发展概况；了解铸造生产的基本流程和工艺种类。
3重难点液态成型工艺的基本类型、流程及发展趋势。
第一章零件结构的铸造工艺性分析1基本内容(1)常用铸造方法的选择；(2)砂型铸造零件结构的工艺性分析；(3)特种铸造零件结构的工艺性分析。
2教学要求(1)了解各种铸造方法的特点；熟悉铸造方法选用的依据(2)掌握砂型铸造零件结构的工艺性分析方法；(3)熟悉特种铸造零件结构的工艺性分析方法。
3重难点铸造工艺性分析的方法和思路。
第二章砂型铸造工艺方案的确定1基本内容(1)工艺设计内容及流程；(2)砂型铸造工艺方案确定的基本原理；2教学要求(1)熟悉铸造工艺设计的依据、内容及流程；(2)掌握砂型铸造工艺方案制定的原理及方法。
3重难点(1)生产纲领、生产条件对工艺方案制定的影响；(2)分型面及浇注位置的确定。
第六章铸造工艺装备设计
第六章 铸造工艺装备设计第一节 概 述铸造工艺装备是造型、制芯和合箱过程中所使用的模具和装置的总称，其内容见教材表 61。
第二节 模样设计一、材质的选择1．木模适用于单件、小批量生产的各种铸件。
2．金属模样常用的金属为：适用于大量、成批生产的各种铸件。
3．聚苯乙烯泡沫塑料模（消失模）用于实型造型法、磁丸造型的中、小铸件和单件生产的中、大型铸钢件。
二、金属模样的结构设计1．模样本体结构类型平装式结构简单，容易加工，最常用。
嵌入式在特殊条件下应用，如模样部分表面凹入分型面以 下（图 62a）；分型面以上模样过薄，加工、固定困难（图 62b）；分型面通过模样圆角（图62c）；很 小的模样（图 62d）而方便于加工、定位和固定等。
选定模样结构后，即可依铸造工艺图确定模样的外形。
图 6-2 嵌入式模样1－模样 2－底板2．壁厚及加强筋应尽量减轻模样的质量。
除了薄小模样（小于 50 ㎜×50 ㎜或高度低于 30 ㎜）以外，都应制成空 心结构。
平均轮廓尺寸大于 150 ㎜的模样，内部设加强筋。
3．固定和定位孔模样在模底板上的固定，可用螺钉或螺栓，用定位销定位。
模样上钻通孔，螺钉穿过模样与模底 板固定，称为上固定法，如图 64a 。
优点有：便于选择螺孔位置，钻孔和装配方便；缺点是：破坏模 样的工作表面，紧固后需用塑料或铝等填平模样表面上之螺孔坑。
模底板上钻通孔，模样上攻螺纹孔的 固定方法称下固定法，如图 64b 。
优点是模样工作表面不受损害；缺点是确定螺孔位置要避开模底板 底部之筋条，还要让出扳手空间，安装不甚方便。
下固定法用于模样高大且四周没有低矮的凸边可以利 用的条件下。
定位销孔的位置应选在模样上矮而平的部位，两孔间距尽量远。
每块模样上至少应设 2 个。
图6-4 模样的固定和定位a ）上固定法b ）下固定法1－模样 2－模底板 3－螺钉 4－定位销4．模样（芯盒）的尺寸标注模样（芯盒）的尺寸有两类：一类是与铸件有关的尺寸；另一类为非关联尺寸，如芯头长度等。
第五 六章 铸造工艺工装设计
6．工作内腔尺寸
热（壳）芯盒内腔尺寸只考虑铸造收缩率。
7．芯盒的定位与夹紧
多用定位销定位。静芯盒上 装销，动芯盒上装套。销直径 为φ15㎜、φ20㎜。 采用可靠的夹紧操作手柄。
8．排气
分盒面上开排气槽，死角处 钻孔，装排气塞。 可利用镶块、顶芯杆的间隙 排气。 总排气道面积应为射口面积 的0.1～0.2倍。
二、铸造工艺符号、表示方法和注意事项
铸造工艺符号及表示 方法是由原国家机械工 业部统一规定的，详见 教材 P148~158。 绘制铸造工艺图的注 意事项将在下一节结合 典型铸件铸造工艺图的 介绍中给予提示。
第二节
车轮轮毂
典型铸件铸造工艺图
Hale Waihona Puke 铸件重13.6 ㎏ ；HT200；主要壁厚为15mm；法兰盘 厚19mm；重要加工表面φ90和φ92 (内装轴承外圈)。
Lm ( L j Ly )(1 K )
式中
Lm —模样尺寸； Lj —零件尺寸； Ly —工艺尺寸，如机械加工余量、
起模斜度等。 K—铸造合金的线收缩率 铸件相关尺寸，可准确到0.1 ㎜ 。
模样标注实例
3）模样（芯盒）的壁厚及加强肋
为减轻质量，模 样（芯盒）都应制成 空心结构。 平均轮廓尺寸大于 150 mm的模样，内部 设加强肋。 金属模（芯盒）的 壁厚及加强肋见右图。
第一节
铸造工艺图
一、铸造工艺图的内容
以符合国家统一标准的 各种铸造工艺符号及表示 方法，在产品图上用不同 颜色反映全面工艺内容， 是完成后续工艺装备设计 的技术依据。
下 上
Ⅰ
上
下
Ⅱ
支架铸造工艺图
图中标出浇注 位置、分型面、加 工余量、不铸孔和 砂芯形状。浇注系 统、冒口、芯座及 芯头间隙等必要内 容。
铸造工艺及工装的设计共52页文档
为操作方便将砂芯分块的实例
（三）保证铸件壁厚均匀
使砂芯的起模斜度和模样的起模斜度 大小、方向一致，保证铸件壁厚均匀
保证铸件壁厚均匀
a) 不合理
b) 合理
（四）应尽量减少砂芯数目
用砂胎（自带砂 芯）或吊砂可减少砂 芯 ， 右 图 为 12VB 柴 油机曲轴定位套的机 器造型方案。
砂胎
在手工造型时，遇到难
铸造工艺设计参数主要有：
铸件尺寸公差
铸件重量公差
机械加工余量
铸造收缩率 起模斜度 最小铸出孔及槽 工艺补正量 分型负数 反变形量 砂芯负数
非加工壁厚的负余量
分芯负数
一、铸件的尺寸公差 指铸件各部分尺寸允许的极限偏差
我国的铸件尺寸公差标准GB6414－86
ISO8062-1984《铸件尺寸公差制》
3
2
2
1
2
345
6
78
9 10 11 12 13 14 15 16
CT1
精度
CT16
铸件尺寸公差数值 (mm)
铸件基本尺寸
公差等级CT
大于 至 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
－
10
－ － 0.18 0.26 0.36 0.52 0.74 1.0 1.5 2.0 2.8 4.2 － － － －
除上述的原则外，还应使没块砂芯有足够的断面， 保证有一定的强度和刚度，并能顺利排出砂芯中的气 体；使芯盒结构简单，便于制造和使用等。
二、芯头设计
芯头伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分。 ➢ 对芯头的要求
✓ 定位和固定砂芯，使砂芯在铸造中有准确 的位 置，并能承受砂芯重力及浇注时液体 金属对砂芯的浮力，使之不破坏
铸造工艺方案及工艺图示例PPT课件
整理版课件
9
(2)方案Ⅱ 沿底面分型，铸件全 部位于下箱，为铸出 110 mm凹槽必须采用 挖砂造型。
方案Ⅱ克服了方案工的 缺点，但轴孔内凸台 妨碍起模，必须采用 两个活块或下型芯。 当采用活块造型时， φ30 mm轴孔难以下芯。
整理版课件
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(3)方案Ⅲ 沿110 mm凹槽底面分 型。
优缺点与方案Ⅱ类同， 仅是将挖砂造型改用 分模造型或假箱造型， 以适应不同的生产条 件。
该方案只需制造 一个圆柱形内孔 型芯，利于减少 制模费用。
整理版课件
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(2)大批生产工艺方案
方案(2)所示，采用一个分模面、两箱造型，轴孔处于 中间的浇注位置。该方案造型操作简便，生产效率高，但增 加了四个形成Φ16 mm圆形凸台的1＃外型芯及一 个形成 长 方形凹坑的3＃外型芯，因而增加制造芯盒及造芯的费用。 但由于批量大，该费用均分到每个铸件上的成本就较低，因 而是合算的。
零件的铸造工艺图的制定及铸件图举例(一) 首先应综合考虑浇注位置和分型面的确定，1 加工余 量、2 起模斜度，3 砂芯的部位，要画出砂芯的位置、 形状和芯头。
整理版课件
2
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3
上 下
收缩率 1%
Φ150 Φ70
全部 M15×4均布
110
Φ50
Φ100
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4
Φ80
收缩率1%
Φ50
Φ200
产效率高。
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车床刀架转盘：
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第四节 综合分析举例 砂铸工艺设计综合分析举例
铸造工艺及工装设计
第二节 造型、造芯方法的选择
三、造型方法应适合工厂条件 每个铸工车间只有很少的几种造型、造芯方法，所以选择的 方法应切合现场实际条件。
四、要兼顾铸件的精度要求和成本 各种造型、造芯方法所获得的铸件精度不同，初投资和生产
率也不一致，最终的经济效益也有差异。
第三节 浇注位置的选择
浇注位置的选择
浇注位置：金属浇注时铸件所处的空间位置。同一个铸件， 可以有多种浇注位置。
交错接头适用于中小型铸件； 环形接头适用于大型铸件；
一、从避免缺陷方面审查铸件结构
（六）铸件内壁应壁均衡散热。
阀体的结构改进
一、从避免缺陷方面审查铸件结构
（七）壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节 热结处易造成缩孔、缩松和 热裂纹。
一、从避免缺陷方面审查铸件结构
零件结构的铸造工艺性分析 浇注位置 分型面的选择
1、机械加工余 量和最小铸出孔 2、拔模斜度 3、收缩率 4、铸造圆角 5、型芯头
铸造工艺参数
型芯的数量及其设计
浇注系统设计
冒口、冷铁、铸筋设计
模型图 合箱图 绘制铸造工艺图
第二章 铸造工艺方案
第一节 零件结构的铸造工艺性
零件的铸造工艺性指的是零件的结构应符合铸造生产 的要求，易于保证铸件品质，简化铸造工艺过程和降低 成本。 对产品零件图进行审查、分析作用： （1）审查零件结构是否符合铸造工艺的要求。 （2）在既定的零件结构条件下，考虑铸造过程中可能 出现的主要缺陷，在工艺设计中采取措施予以防止。
一、从避免缺陷方面审查铸件结构
（一）铸件应有合适的壁厚 最小壁厚：在各种工艺条下，铸造合金能充满型腔的最小 厚度。主要取决于合金的种类、铸件的大小及形状等因素。 临界壁厚：各种铸造合金都存在一个临界壁厚，砂型铸造， 临界壁厚约=3x最小壁厚。 缺陷分析： 铸件壁厚小于 “最小壁厚”。浇不足、冷隔。 铸件壁厚大于 “临界壁厚”。缩孔、 缩松、结晶组织粗 大。
铸造工艺及工装设计任务书
铸造工艺及工装设计课程设计任务书
1，用CAD绘制符合国家制图标准的铸件零件二维三视图（零件图就是第4次作业绘制的铸件图），经过指导老师检查合格打印出图，图纸采用A0图幅;（12月16日至17日，2天）；
2、在A0铸件图样上用红蓝铅笔做铸造工艺设计，包括分型面、加工余量、分型（芯）负数、拔模斜度、铸造体（线）收缩率、补正量、冷铁，浇注系统设计、冒口设计、砂芯设计、工艺说明等；必须设计3种分型方案，从中选取一种合适的方案做铸造工艺设计，设计中冒口及浇注系统等设计须有详细的计算过程和计算依据；（12月18日至23日，6天）
3、铸造工艺图设计完成后，根据铸造工艺图设计金属模板装配图、金属芯盒装配图（中等难度砂芯），用A2图幅打印出图；（12月24日至29日，6天）
4、撰写铸造工艺及工装设计说明书，说明书必须是打印文件；（12月30日至元月3日，5天）
5、答辩。
（元月4日至元月5日，2天）
注：1）做课程设计时间包括星期六和星期天。
2）提前完成的同学经指导老师检查认可后，可以申请提前答辩，
提前答辩时间安排在12月29日至31日其中的一天。
3）本次课程设计时间及进程安排不受学校提前放假日期的影响，
完全按学校制定的原教学计划执行。
砂型铸造工艺及工装设计
砂型铸造工艺及工装设计一、工艺流程设计砂型铸造的工艺流程设计是整个工艺的基础，包括以下步骤：设计铸造模具：根据产品需求和工艺要求，设计铸造模具的结构和尺寸。
制作砂型：根据模具和产品需求，制作符合要求的砂型。
浇注：将熔融的金属液体注入砂型，填充模具的型腔。
冷却：让金属液体冷却凝固，形成铸件。
脱模：将凝固的铸件从砂型中脱出，完成整个铸造过程。
二、铸造模具设计铸造模具的设计是整个工艺的核心，直接影响产品的质量和工艺的效率。
设计时需考虑以下几点：模具材料选择：根据产品需求和工艺要求，选择合适的模具材料。
模具结构确定：根据产品形状和尺寸，设计模具的结构和形状。
模具尺寸精度：根据产品要求和工艺条件，确定模具的尺寸精度。
浇口设计：浇口是金属液体注入模具的通道，设计时需考虑浇口的尺寸、位置和形式。
排气口设计：排气口是排除模具内的空气和挥发物的通道，设计时需考虑排气口的位置和大小。
三、砂型制作工艺设计砂型制作是整个工艺的重要环节，其质量直接影响产品的质量和工艺的效率。
设计时需考虑以下几点：砂型材料选择：选择符合要求的砂型材料，如黄沙、石英砂等。
砂型紧实度控制：控制砂型的紧实度，以保证砂型的强度和稳定性。
砂型透气性控制：控制砂型的透气性，以保证浇注过程中金属液体能够顺利填充模具的型腔。
砂型表面处理：对砂型的表面进行处理，以提高产品的表面质量。
四、浇注系统设计浇注系统是金属液体注入模具的通道，其设计直接影响到金属液体的流动和填充效果。
设计时需考虑以下几点：浇注系统结构形式：根据产品要求和工艺条件，选择合适的浇注系统结构形式。
浇注系统尺寸精度：根据产品要求和工艺条件，确定浇注系统的尺寸精度。
浇注速度控制：控制浇注速度，以保证金属液体能够平稳、充足地填充模具的型腔。
浇口位置选择：根据产品形状和模具结构，选择合适的浇口位置。
溢流槽设计：溢流槽是收集多余金属液体的结构，设计时需考虑溢流槽的位置和大小。
过滤网设置：过滤网是过滤金属液体中的杂质和气泡的结构，设计时需考虑过滤网的形式和材料。
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用补缩液量法计算冒口尺寸。
结构改进，增设内、外补缩肋；
工艺出品率：
62％ 。
三、齿轮室盖
HT150，不承载；薄壁件，平均壁厚 4.5mm； 同时凝固，不设冒口；不用砂芯；上、下模板 空腔内加通气塞与外通气，有利于起模。
四、球铁曲轴
QT700-3，44.6 kg；
一、金属模样的结构设计
图示为一幅上、下模型板。 左模板上装配有模样、下 芯座和内浇道模。 右模板上装配有直浇道、 横浇道和冒口模。 模型板两端有定位销孔。 模型板平面（分模面）上 见不到一个固定螺钉。 可见，模板上所有模样件都是从模板底部紧固的。下面分 析金属模样结构设计中的几个具体问题。
1、金属模样的结构形式
这是一张双边支架而较为简单的铸造工艺图。
图中标示 了浇注位置、 分型面、加工 余量、不铸孔 和砂芯形状。 但还未绘制出 浇注系统、冒 口、芯座及芯 头间隙等必要 内容。
下
上
Ⅰ
上 下
Ⅱ
二、铸造工艺符号、表示方法和注意事项
铸造工艺符号及表示 方法是由原国家机械工 业部统一规定的，详见 教材 P148~158。 绘制铸造工艺图的注 意事项将在下一节结合 典型铸件铸造工艺图的 介绍中给予提示。
2、模底板与砂箱间的定位
定位销与砂箱销套的 配合精度，大批大量生产 采用 H8/d8.
第三节
芯盒设计
这是一只热芯盒，一盒两件。包括芯腔、射砂 口、电热管、加热板、排气槽和顶芯杆等。5、15、 16为定位件。左边为动芯盒，右边为静芯盒。
1、芯盒类型 依据制芯方法不同分为普通芯盒、热芯盒、壳芯 盒和冷芯盒等。
＃ ＃ ＃× × × × ＃ 型 × ＃芯 × ＃ 1 型 × ＃ 芯× 3 ＃ × ＃ × × ＃ ＃×
型 芯 2
第六章 铸造工艺装备设计
铸造工艺装备主要包括模样、模型板、芯盒等的设计.
模型板
金属 芯盒
第一节
模样设计
设计模样的主要依据是铸造工艺图或铸件图。 模样设计的工作内容是： 1、确定模样的结构、尺寸及其在模底板上的固定方式； 2. 选择模样材料，包括木料、塑料、铝合金和钢铁材料等。 对于消失模铸造，将直接 应用聚苯乙烯泡沫塑料。 3、单件、小批量生产条件下， 一般由模型工依据铸造工艺图或 铸件图直接用木料加工制成木模 与芯盒。 4、大量生产条件下，则需要 绘制模样及装配图。
第二节
模板和模板框设计
这是一块水 平分型无箱造型双 面用模板。
另外还有上、下单面模板。
上 模 板
下模板
1、对模底板的要求
模底板长、宽尺寸 要与造型机相匹配。 模底板外廓形状和 砂箱一致，并与砂箱、 模样间有准确的定位。 模板应有足够的强 度、刚度和耐磨性。 一般设计、制造成 空心结构，要求加工、 使用方便，尽量作到 标准化。
第五章 铸造工艺图与实例分析
第一节
铸造工艺图
一、铸造工艺图的内容
铸造工艺图是铸造工艺设计的
集中体现，是铸造工程师在工艺
设计中必须提交的首要工艺文件。 铸造工艺图是以符合国家统一标准的各种铸造工 艺符号及表示方法，在产品图上用不同颜色并说明 而能集中反映全面工艺内容或专门绘制的技术图样， 也是完成后续工艺装备设计的技术依据。
第二节 典型铸件铸造工艺图及其介绍 一、车轮轮毂
铸件重13.6 ㎏ ；HT200； 主要壁厚为15mm；法兰盘厚19mm； 重要加工表面φ90和φ92 (内装轴承外圈)。
一箱五件，直立浇注，机器造型， 热芯法制芯，压边浇口（浇口当冒口）
二、阀体 ZG230-450 ； 22 kg ； 耐压。一箱四件 。
普通芯盒的结构形式
变速箱体芯盒
2、 芯盒材质
中小芯盒多用铝合金，机器制芯中的较大芯盒常用灰铸铁。 强磨损面用镶块（3～4 mm）与活块用钢或铜合金。 镶块用钢淬火硬度达50～55HRC。
3、分盒面确定
砂芯留在动芯盒内，以便就势 顶出砂芯。 措施： ① 将形状较复杂的部分置于 动芯盒内； ② 分盒面向静芯盒偏移0.3～ 1.0 ㎜； ③ 动芯盒内用较小的起模斜度； ④ 必要时在静芯盒内设辅助推杆。
糊状凝固，用顺序凝固 原则考虑补缩，按球铁实用 冒口设计。
有多种浇注、冷却位置方 案选择。
球铁曲轴有多种浇注、冷却位置选择
横浇竖冷铸造方案
竖浇竖冷铸造方案
五、汽车变速箱外壳
HT250 ；39.5kg ；湿型高压造型； 三组合型芯，热芯法制芯；均衡凝固，直接实用冒口； 浇注系统组元截面积比： A内：A横：A直 = 1.0：1.34：1.52
起模斜度等。 K—铸造合金的线收缩率 铸件相关尺寸，可准确到0.1 ㎜ 。
二、模样标注实例
3）模样（芯盒）的壁厚及加强肋 为减轻质量，模 样（芯盒）都应制成 空心结构。 平均轮廓尺寸大于 150 mm的模样，内部 设加强肋。 金属模（芯盒）的 壁厚及加强肋见右图。
4）固定和定位孔
常用螺钉、螺栓固定； 螺钉、螺栓孔位置靠近模样四周，均匀分布。 定位销孔位于矮平部位，最少两个，至多4 个。 一般是打入定位销后再配钻。
还要包括浇、冒口 系统的模样 。
2）模样（芯盒）的尺寸标注 模样（芯盒）的尺寸分两类： 一类是铸件相关尺寸 ，要加铸造收缩率予以放大； 另一类为铸件非相关尺寸 ，如芯头尺寸等。 铸件相关尺寸按下式计算：
Lm ( L j Ly (1 K )
式中
Lm —模样尺寸； Lj —零件尺寸； Ly —工艺尺寸，如机械加工余量、
模样本体结构按有无分模面分为整体式、分开式； 按是否装配分为整铸式（模样和模型板整铸成一体）、 装配式。 装配式又分成平装式和嵌入式等。平装式好加工。
嵌入式的几种形式。图中：1—模样；2—模型板
2、模样（芯盒）的形状与尺寸标注 1）模样（芯盒）的形状
模样（芯盒）的形状依据于铸造工艺图。 分模面即铸造工艺 图上的分型面。 上、下模样的外表 形状就是图中外部轮廓。 内腔加上芯头即为 型芯形状。
4、射（吹）砂口
位置优先选择芯头处 。小于12㎏的砂芯，射口用圆形或 长条形 , 直径或宽 8～ 20 ㎜；更重的砂芯用ф10～ф14 ㎜的 多孔射口。水冷射砂板上的射口尺寸至少应小于芯盒射口 1～ 2mm。