汽车前轮毂铸造工艺设计(范例)
中文摘要
本设计是对汽车前轮毂零件进行铸造毛坯工艺设计。根据零件的使用条件、结构特点、生产批量，结合工厂现有设备等进行铸造工艺分析，确定了铸造方法、造型及造芯方法、凝固原则及浇注位置、分型面、砂箱中铸件数量、砂型数量等，完成了砂芯、浇注系统、冒口及冷铁、相关工装设备等设计，并进行铸件质量控制分析及制定了检验要求。
关键词：砂型铸造，工艺分析，工艺设计，质量控制
ABSTRACT
This design is the casting blank technology design for front hub bearing in car. According to the application conditions, structural features, production batch of the part and existing equipment, it does the casting technology analysis, determines the method of casting, modeling, core making, solidification principles and pouring position, parting surface, the quantity of casting and mold, etc. It completes the design of sand core, pouring system, riser, chill, equipment, does the quality control analysis of casting and constitutes the inspection requirements.
Keywords: sand mold casting，technology analysis，technology design，quality control
目录
第一章汽车前轮毂工艺分析....................................................... 错误！未定义书签。
1.1汽车前轮毂............................................................................... 错误！未定义书签。
1.2生产条件及技术要求............................................................... 错误！未定义书签。
1.3工艺分析................................................................................... 错误！未定义书签。第二章工艺方案的确定............................................................... 错误！未定义书签。
2.1铸造方法的选择....................................................................... 错误！未定义书签。
2.2造型、造芯方法的选择........................................................... 错误！未定义书签。
2.3 凝固原则、浇注位置的确定.................................................. 错误！未定义书签。
2.4分型面的选择........................................................................... 错误！未定义书签。
2.5砂箱中铸件数量的确定........................................................... 错误！未定义书签。
2.6砂芯数量的确定....................................................................... 错误！未定义书签。
2.7 主要工艺参数的确定.............................................................. 错误！未定义书签。
2.7.1铸造收缩率的选择........................................................ 错误！未定义书签。
2..7.2铸造精度及尺寸、重量偏差的确定........................... 错误！未定义书签。
2.7.3机械加工余量的确定.................................................... 错误！未定义书签。
2.7.4拔模斜度的确定............................................................ 错误！未定义书签。
2.8 砂芯设计.................................................................................. 错误！未定义书签。
2.9 浇注系统的设计...................................................................... 错误！未定义书签。
2.9.1浇注系统类型的选择.................................................... 错误！未定义书签。
2.9.2浇注系统的设计与计算................................................ 错误！未定义书签。
2.10 冒口及冷铁的设计................................................................ 错误！未定义书签。
2.10.1冒口的设计.................................................................. 错误！未定义书签。
2.10.2冒口的校核.................................................................. 错误！未定义书签。
2.10.3 冷铁的设计................................................................. 错误！未定义书签。
2.11 排气的设计............................................................................ 错误！未定义书签。
2.12铸件图及铸件工艺图............................................................. 错误！未定义书签。第三章型、芯砂种类及配方的选择........................................... 错误！未定义书签。
3.1型砂种类及配方的选择........................................................... 错误！未定义书签。
3.2芯砂种类及配方的选择........................................................... 错误！未定义书签。
3.2芯砂种类及配方的选择........................................................... 错误！未定义书签。第四章工艺装备的设计............................................................... 错误！未定义书签。
4.1模样的设计............................................................................... 错误！未定义书签。
4.2模底的设计............................................................................... 错误！未定义书签。
4.3芯盒的设计............................................................................... 错误！未定义书签。
4.4砂箱的设计............................................................................... 错误！未定义书签。第五章铸件的熔炼、浇注、落砂、清理、热处理要求........... 错误！未定义书签。
5.1熔炼........................................................................................... 错误！未定义书签。
5.2浇注........................................................................................... 错误！未定义书签。
5.3落砂........................................................................................... 错误！未定义书签。
5.4清理........................................................................................... 错误！未定义书签。
5.5热处理....................................................................................... 错误！未定义书签。第六章铸造质量控制................................................................... 错误！未定义书签。
6.1 铸造缺陷分析及防止措施...................................................... 错误！未定义书签。
6.2 铸件质量检验.......................................................................... 错误！未定义书签。参考文献......................................................................................... 错误！未定义书签。致谢................................................................................................. 错误！未定义书签。
第一章汽车前轮毂工艺分析
1.1汽车前轮毂
图1-1为汽车前轮毂零件三维图，汽车在行驶过程中轮毂作旋转运动，内孔装有轴承。由于汽车前轮也起支撑汽车的作用，因此，装于前轮中央的轮毂是受力零件。
图1-1 汽车前轮毂零件三维图（可以是零件照片）
1.2生产条件及技术要求
汽车前轮毂生产性质为成批生产，材质为ZG270-500。
零件的主要技术要求：
机械性能应满足：σb＞500MPa ak＞35MPa
精度要求：详见图1-2汽车前轮毂零件图。
铸件内部不得有缩孔、缩松等缺陷，Φ420的圆加工后允许出现黑皮，铸件表面光洁，轮廓清晰。
图1-2 汽车前轮毂零件图（此图应从CAD图中抓取）
1.3工艺分析
该零件的主要壁厚为21 mm，最大壁厚为30mm , 最小壁厚为4mm，整个铸件的壁厚较均匀，外轮廓尺寸为：420×420×184mm3。法兰与轮毂体交接处形成热节需冒口补缩，最小壁厚处加加工余量后可以铸出来，法兰上12XΦ16、毂体上8XM22X1.5及12XM6可不铸出，铸造后机械加工出来，安装轴承的Φ210和Φ200表面有较高的加工要求，零件的结构铸造工艺性较好，生产批量为成批生产，所以毛坯的生产方法为砂型铸造。
材料ZG270-500能满足零件的使用要求和适于砂型铸造。
第二章工艺方案的确定
2.1铸造方法的选择
由于汽车前轮毂生产批量为成批生产，零件结构不复杂，结合工工厂材料的供应情况，考虑技术上的先进性与经济的合理性，所以确定其毛坯生产方法为普通砂型铸造，砂型种类为湿型。
2.2造型、造芯方法的选择
根据零件轮廓尺寸420×420×173 mm3和工厂设备条件，造型方法为Z148B单机砂箱地面造型，气吊与行车运输，造芯方法为手工芯盒造芯。
2.3凝固原则、浇注位置的确定
凝固原则：铸件材质为ZG270-500，收缩较大（εV=4.3%），为了有利于补缩，采用顺序凝固。
浇注位置：为了保证铸件质量，必须把最重要的加工面在浇注时向下或直立状态。由零件的技术要求知道：Φ200和Φ210的圆表面光洁度要求高，内部安装轴承，尺寸精度比较高，因此，应将两圆柱面呈直立状态，同时从顺序凝固的原则出发，将厚大部位放在上面，以便于安放冒口，得到顺序凝固。综合考虑结果：确定本件的浇注位置如图2-1所示。
图2-1 浇注位置
冷却位置与浇注位置一致。
2.4分型面的选择
此件可有三种分型面方案：
方案?：，如图2-2所示可将铸件对称分布在两铸型内，模样易制作，但造型、下芯不方便，铸
件内孔的精度不易保证，且为了保证浇注位置须将铸型翻转90o，劳动量大。
图2-2 方案Ⅰ
方案II：如图2-3所示铸件在同一铸型内，可以保证其尺寸精度，且下芯后便于检查壁厚是否均匀，砂型稳固，造型简单，但顶注不平稳，易产生冲砂，同时上箱小，下箱大，起模行程大。有一个砂芯较大，不易制作。
图2-3 方案Ⅱ
方案III：如图2-4所示铸件大部分在同一铸型内，能够保证其尺寸精度，下芯也便于检查，同时满足合箱，浇注，冷却位置一致，采用侧浇，切向引入改善了浇注时的充型不平稳，减少了冲击，防止了冲砂缺陷的产生，上、下箱相差不大，造型简单。缺点是有一个砂芯复杂，要求高，模样加工困难。
图2-4方案Ⅲ
经过比较，综合考虑，为保证铸件质量，采用方案III较合理。
2.5砂箱中铸件数量的确定
由[3] 附录附表1-1查得Z148B造型机所对应的砂箱最大内尺寸长X宽为850X475mm2，四个顶杆间距长X宽为736X538，根据铸件重量63.2kg由 [3] 表12-3查得其最小吃砂量各参数为：a=50mm，b=70mm，c=90mm，d=70mm，f=40mm，g=50mm，铸件轮廓为420×420×184mm3，因此砂箱中最多只能放一只铸件。
2.6 砂芯数量的确定
根据铸件结构和已选定的分型面，必用两个芯子，如图2-5所示。
图2-5 砂芯数量图
2.7主要工艺参数的确定
2.7.1铸造收缩率的选择
根据实际生产情况，并参考[3] 表3-1，确定该件的收缩率为2%。
2.7.2铸造精度及尺寸、重量偏差的确定
由于铸件的精度要求较高，且是机器造型金属模，确定该件的精度为Ⅰ级，由 [3] 表3-17查得尺寸偏差为±2.5mm，表3-20查得重量偏差8%。
2.7.3机械加工余量的确定
按一级精度铸件查[3] 表3-7，并考虑实际情况，确定加工余量，具体数值见铸件工艺图。
2.7.4拔模斜度的确定
按零件图尺寸采用增厚法。根据[3] 表3-21确定拔模斜度为1o30'-2o。
2.8 砂芯设计
铸件需2个砂芯，均用手工芯盒造芯。砂芯由砂芯主体和芯头组成，1#砂芯用水玻璃砂，根据铸件放置位置确定为垂直芯头，结合其基本尺寸参考[3] 表4-2取下芯头高为50mm，因砂芯高度和直径差不多，不用上芯头，由表4-3确定下芯头斜度为5°，由表4-4确定下芯头与芯座间隙为1.
5 mm，由表4-7确定防压环和集砂槽的尺寸, 2#砂芯形状复杂，局部有细薄突起，故2#芯选用脂砂,详见铸件工艺图。
合箱时先下1#砂芯，后下2#砂芯。
2.9 浇注系统的设计
浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。浇注系统截面积大小对铸件质量影响很大，截面积太小，浇注时间长，可能产生浇不足、冷隔、砂眼等缺陷；截面积过大，浇注速度快，又可能收起冲砂，带入熔潭和气体，使铸件产生渣孔、气孔等缺陷。为了使金属液以适宜的速度充填铸型，就必须合理确定浇注系统的面积。
2.9.1浇注系统类型的选择
由于铸件材质为ZG270-500，铸造质量要求较高。浇注系统应要求较高的防氧化能力，本应采取漏包浇注，但由于铸件较小，使用漏包不易控制，为此使用转包浇注。
采用转包浇注铸钢件，浇注系统应有较好的撇渣能力，需要用封闭式或半封闭式，本设计浇注系统采用封闭式的，根据[6]表5-53，及工厂的情况，选用侧注式浇注系统。
因砂箱中只放置一个铸件，所以浇注系统只需设计浇口杯、直浇道和内浇道，无横浇道，使铸件内腔与内浇道相切，内浇道与直浇道相连，采用梯形的内浇道。
2.9.2浇注系统的设计与计算
因采用了转包浇注，浇注系统是封闭式的，其浇注方式与铸铁件相同，所以计算公式都采用转包浇注铸铁件公式，但式中的系数选择不一样，以此计算出该浇注系统浇注时间、内浇道截面积、浇注系统各组元断面尺寸，并校核最小压力头。
1浇口杯设计：
浇口杯是用来接纳来自浇包的金属液流的，因为铸件是小型的铸钢件，所以浇口杯采用结构简便、制作方便、容积小、在机器造型中广泛使用的普通漏斗形浇口杯，其截面形状与尺寸如图2-6中a所示。
2浇注时间：
t
G
c
其中：C 是系数根据相对密度K V 查取，G 是浇入砂型内钢水的总重量（kg ）。
V
G
Kv =
式中V 是铸件的轮廓体积。V=π/4×4.22×1.84 = 25.5dm 3
取铸件重量是零件重量放大15%得到 55（1+15%）=63.2（kg ） 浇冒口系统选铸件重量的50%，即：G=63.5（1+15%）=94.8（kg ）
2/7.35
.258.94dm kg V G Kv ===
由[3]表5-34查得C=1.1
故浇注时间8.941.1==G c t =10.7秒 选取 t=11秒。
3内浇道截面积的计算：
由[3]P132查得以浇注比速为基础的计算公式：
tKL
G F
∑=
内
式中：G=94.8kg ， t=11秒，K 是浇注速比由表5-34查得0.75（根据K V =3.7查表)，L 是钢水流动系数，碳钢L 取1.0。 代入上式： 则
tKL
G
F ∑=
内≈11.5cm 2 截面形状为梯形，根据面积确定尺寸如图2-6中b 所示：
a b c
图2-6浇口杯、内浇道、内浇道截面形状与尺寸
4各组元面积的确定：
因该浇注系统无横浇道，所以只需再确定直浇道，其截面为圆形，形式为无斜度的圆管，H 0
即内浇道静压头高度为200 mm 。
参考[3]P132得比例关系为∑F 直:∑F 内=1.1:1
则∑F 直=11.5×1.1=12.7 cm 2
由面积确定直径尺寸为40mm ，如图2-6中 c 所示。
5最小压力头的校核：
为了保证能充满离最远最高的部分，并且能轮廓清晰完整，上表面无缩凹缺陷的铸件，铸件最高点到浇口杯内液面的高度必须有一最小值，即最小剩余压力头H m ，这就要求直浇道应该有必要的高度。
由所设计的铸件工艺图可得到如图2-7 最小剩余压力头的压力角简图： L=300+210=510mm
Hm=200-30=170mm
校核公式tgα= Hm /L=170/510=0.337
查得α =18o26'
式中：α是最小剩余压力头的压力角，L是直浇道到铸件最高最远的距离，H m是最小剩余压力头。由[3]表5-8查得α=9o，故压力头足够。
图2-7 最小剩余压力头的压力角简图
2.10 冒口及冷铁的设计
2.10.1冒口的设计
铸件法兰与轮毂体交接处形成热节，容易产生分散性的缩松，严重降低铸件的机械强度。该件在汽车工作时是个受力件，其技术条件要求铸件内部不得有缩孔、缩松等缺陷，所以在铸件上必需设置一定数量的冒口以消除缩孔、缩松。
因铸件在上砂箱高度只有30mm，且铸件较小并采用机器造型，为减少冒口的金属消耗而采用暗顶型。冒口设置在铸件最高最厚的部位。
铸钢件冒口的计算方法很多，常用的方法有按照补缩液量计算、按照比例法计算、按照模数法诸，本设计用按照比例法中的热节圆法计算设计。
1确定热节圆直径
用作图得热节圆直径d y（作图时包括加工余量、补贴等），如图2-8所示。
2-8作图法求热节圆
d y由计算机作图得34，取d y=40mm。
2确定冒口形状、尺寸
冒口的尺寸对于铸件的质量很重要，冒口过小将导致铸件产生缩孔、缩松等缺陷；冒口过大，浪费金属，增加铸件成本，甚至有时会因冒口过在，使铸件局部组织粗大，内应力过大，造成裂纹，致使铸件报废，所以冒口尺寸应查表确定。
由铸件结构特点在[3]表6 -7中选第3号腰形暗冒口：
因为H件/d y=184/40=4.6 （H件是铸件高度）
所以B=(2.1~2.5) d y=(2.1~2.5) ×40=84~100（B为冒口宽度）
取B=85mm
H=1.5B=1.5×85=127.5mm ，取H=120mm（H为冒口高度）
冒口形状尺寸如图2-9所示。
图2-9 冒口形状及尺寸
3补贴
为了达到顺序凝固的目的，保证有良好的补缩通道，以充分发挥冒口的补缩作用，在冒口下面增加的铸件工艺余量，即为补贴。补贴尺寸一般是根据生产经验确定的，查[3]图6-8，该件可不加补贴。为了提高补缩效果，加补贴6mm。
根据铸件的结构特点及冒口的补缩能力，共放两个，布局如图2-10所示。
2-10 冒口布局
2.10.1冒口的校核
1冒口补缩距离的核算：
补缩距离冒口的补缩范围，由[3]表6-4查得该铸件有效补缩距离为(4~6)T （此处T 为热节圆直径），铸件冒口补缩距离为两段弧长，如图2-11所示。
计算冒口补缩距离=π×220-[π×220(38×2)/360+2×42.5] ×2=115 mm (4~6)T=(4~6) ×40=160~240 mm 因为115<160~240
所以冒口补缩距离足够。
图2-11 补缩距离
也可由冒口延续度来校核。
由[8表3-10]查得普通铸钢件的冒口延续度为38～40%。 %100?=同方向铸件长度
冒口根部尺寸之和冒口延续度
实际冒口延续度=(π×220×(38×4)/360+4×42.5) / ( π×220)=66.8% 因为66.8%>40%
所以冒口的补缩距离足够。
2冒口补缩能力的较核：
由[3]表6-16冒口补缩能力的计算查得腰形冒口内缩孔的总体积为0.14V 冒，能补缩的最大体积为(14%-εV 总)/ εV 总 ×V 冒，得到V 铸件= (14%-εV 总)/ εV 总 ×V 冒 式中的εV 总查[3]表6-2查得金属凝固时的体收缩率εV 总=4.5% V 冒=π [0.852+(3.052-1.352) × 38×2÷360]÷4×1.2=4.3dm 3 V 铸件=(14%-4.5%)/ 4.5% ×4.3=9.07 dm 3
实际 V'铸件=重量/密度=63.2/7.8=8.1 dm 3
式中密度取7.8kg/ dm3。
由于V铸件>V'铸件，冒口足够补缩的。
3工艺出品率核算：
冒口各部分尺寸计算后，应用经过大量生产实践总结出来的“铸件工艺出品率”即成品率来校核，衡量。工艺出品率太大时，说明所设计的冒口偏小或数量不够，应加大冒口或增加冒口数量；工艺出品率太小，则应适当减小所设计的冒口。
查由[3]表6-5碳钢及低合金铸件的工艺出品率为61～65%。
实际工艺出品率=铸件毛坯重量/（铸件毛坯重量+浇口重量+冒口重量+补贴重量）=63.2/94.8×100%=66.6%。
两者接近，所以冒口的尺寸是合理和可行的。
2.10.3冷铁的设计
因铸件是小型件，冒口补缩能力和工艺出品率均符合规定，所以不需要再设置冷铁。
2.11 排气的设计
铸件浇注过程中，在型腔中的会产生气体，如果不能及时排出，会产生气孔铸造缺陷，所以应合理设计排气系统。
1砂型的排气
两个冒口是排气通道，上箱造完型后，在二冒口顶部各扎直径16的出气孔一个。
2砂芯的排气
1#垂直砂芯，从下砂箱扎出气孔，使气体由上向下排出，2#砂芯形状较复杂，通气道应通到分型面，使气体由下向上排出。
为增加透气性，砂箱开设了出气孔。
2.12铸件图及铸件工艺图
铸件的生产批量为成批生产，可不出铸件图，用铸件工艺图来指导生产。铸件工艺图如2-12所示。
图2-12 前轮毂铸造工艺图
第三章型、芯砂种类及配方的选择
3.1型砂种类及配方的选择
砂型和砂芯直接承受合金液的作用，关系到铸件质量和生产成本，铸件中的一些缺陷都与造型材料有直接关系，造型材料在生产中占有重要的地位。
铸件材质为ZG270-500，湿型机器造型，浇注温度在1500℃以上，要求型砂透气性好，强度、耐火度高。因铸钢液含碳量较低，型腔中缺乏防止金属氧化的强还原性气氛，在与铸型相接触的界面上金属容易氧化，生成Fe和其他金属氧化物，因而较易与型砂中的杂质进行化学反应而造成化学粘砂。所以要求原砂中的SiO2含量应较高，含Si量>96%，有害杂质应严格控制；为了防止铸件增碳，要求型砂中泥量低、水分低，因而水分控制在4-4.5%；型砂中不含煤粉和含泥量低，为了保证铸件表面光洁，不产生机械粘砂，选用较细筛号的硅砂，可选用70号或100号的硅砂，粘接剂为铸造用膨润土。
参考[2]表2-8采用2S石英砂，粒度均匀，其配比和性能见表3-1：
3.2芯砂种类及配方的选择
铸件中需个砂芯，1#垂直芯头，原砂与型砂相同，粘接剂采用水玻璃砂，用CO2硬化，在压力为0.15-0.2.5MPa下，吹气为时间2-3分钟。芯砂配方见表3-2：
表3-2（水玻璃砂配方）
2#芯结构较为复杂，原砂与型砂相同，为减少铸件缺陷，采用合脂砂，烘干温度为220℃，烘干时间为3小时，在末冷却前，不宜般动，以防损坏砂芯，合脂配方见表3-3：
表3-3（合脂砂配方）
砂芯表面一般都要刷上涂料，用以提高型芯表层的耐火度、保温性、化学稳定性，使型芯表面光滑，并提高其抵抗高温熔融金属的侵蚀能力。本铸件砂芯表面涂料成分确定为：石英粉100、陶土2-4、粘土2、水柏油4、适量的水。
第四章工艺装备的设计
铸造工艺装备是铸造生产过程中所用的各种模具、工夹量具，下面就简单介绍一下铸件的模样、模板、芯盒、砂箱的设计。
4.1模样的设计
模样是用形成铸型的型腔，关系到铸件的形状和尺寸精度，铸件的模样是金属模。
1材料
为满足生产的要求：耐磨、有足够的强度，同时考虑便于加工制造，用ZL104。
2 结构设计
如图4-1所示，因模样尺寸较大，所以设计成整铸式空心模样，壁厚为10mm，中间设计加强筋，上、下模样都无特殊要求，与模板配合均采用平放式、上固定法。用M10的螺钉紧固和两个定位销定位，螺钉孔及销孔与型板配钻，沉头螺钉安装后，均用塑料填平修光。
a上模板装配简图
b下模板装配简图
图4-1 模板装配简图
4.2模板的设计
铸件的模板由模样和浇冒口系统模样与模底板通过螺钉、螺栓、定位销装配而成。模底板的工作面形成铸型的分型面。
模底板的设计：
1材料
为满足一定的机械性能要求，同时考虑便于手工加工制造，成本低，选用材料HT150。
结构设计
根据砂箱尺寸，造型机的要求，确定底板板面尺寸为730×730，高度为90mm，设计的加强筋见上、下模板装配图，定位销与导向销安装在底板上，模上设四个紧固耳，用螺栓把其固定在制造机上，为搬运方便，模底板上设置了四个吊轴。
4.3芯盒的设计
芯盒制造型芯必需的模具，其尺寸精度和结构是否合理，对型芯的质量和造芯效率影响很大，由于本设计为手工制芯，芯盒要求结构简单，体积小，重量轻，操作方便，且要易于制造、修理，故芯盒材料选用ZL104。
根据芯盒的轮廓尺寸和材料，由[3]表11-4选取壁厚为8mm。外型随形处理，为增加强度和刚度，设置了加强筋，为延长芯盒的使用寿命，刮砂面加设了耐磨片。根据1#芯的形状特征，采用对开芯盒，由两个可折式定位销定位，夹紧装置采用蝶形螺母和活节螺栓。
4.4砂箱的设计
砂箱的结构既要符合砂型工艺的要求，又要符合车间的造型、运输设备的要求。铸件砂箱采用整铸式，材料为ZG35，为增加强度，其内设有加强筋，为防止在翻箱过程中发生塌箱，箱壁呈斜形，为增加透气性，开设了出气孔。
根据[3]表12-3，考虑合理的吃砂量及Z148B造型机的要求，砂箱内部尺寸定为650×650×200/320，合箱时采用插销定位，合箱后采用锲形卡锁紧。