基于ZG340-640鑄鋼件的撥叉鑄件鑄造工藝CAD設計

楊　明

(中國農業(yè)大學 工學院，北京　100083)

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基于ZG340-640鑄鋼件的撥叉鑄件鑄造工藝CAD設計

楊明

(中國農業(yè)大學 工學院，北京100083)

依據ZG340-640(鑄鋼牌號)型號鑄鋼件的撥叉鑄件的結構、工作原理和工藝特性，制定了撥叉鑄件的鑄造工藝方案。通過確定撥叉鑄件鑄造工藝參數和澆注系統(tǒng)類型，對澆注系統(tǒng)各組元的尺寸和截面大小進行設計。同時，對冷鐵和冒口的作用進行分析，確定了冷鐵和冒口的類型及其安放的位置，并計算出其數量和尺寸。最后，運用CAD設計出了撥叉鑄件的鑄造工藝圖。

撥叉鑄件；鑄造工藝；CAD；設計

0　引言

現(xiàn)代鑄造業(yè)[1]中，對鑄件的力學性能、物理性能都提出了更多的要求，為了到達設計目的，對鑄造工藝[2]的要求就越來越高。未來主要向鑄件的高精度、低加工余量、高力學和物理性能發(fā)展。這就要求對傳統(tǒng)鑄造生產工藝路線上提出新的改進措施，進一步提高生產效率，減輕一線鑄造工人的勞動強度，提高鑄造作業(yè)環(huán)境的舒適性。隨著計算機技術和互聯(lián)網的發(fā)展，采用計算機輔助制造(CAM)和計算機輔助設計(CAD)[3]代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法來改進鑄造工藝已經成為一個新的趨勢，鑄造業(yè)也將朝著智能化的方向發(fā)展，形成智能鑄造新局面。

1　撥叉零件的工藝分析

撥叉是重型機床上的一個非常重要的工作零件，主要用在操縱機構中，比如改變車床滑移齒輪的位置，實現(xiàn)變速；或者應用于控制離合器的嚙合、斷開的機構中，從而控制橫向或縱向進給。此次研究的拔叉鑄件如圖1所示：

圖1　拔叉鑄件Fig.1　Fork casting

1.1拔叉的工作原理

拔叉通過左側內孔和軸的配合傳動，推動右側叉口來撥動齒輪，實現(xiàn)機床的撥叉預期功能。因此該撥叉的重要工作表面是右側凹檔表面和左側通孔表面。通過對圖2拔叉鑄件零件圖的分析可知該零件屬于帶深孔及右側凹的中小尺寸形體結構較復雜的零件。

圖2　零件圖Fig.2　Part drawing

1.2撥叉零件的力學性能要求

重型機床的撥叉零件形體結構復雜，工作時要承受較大的沖擊載荷，撥動重量及拉應力作用，該零件的力學性能要求為：抗拉強度σb≥510MPa，沖擊性能ak=10～15，伸長率δ>7%～10%，同時要求零件具有耐沖擊、高強度、高韌性。為了保證零件的力學性能要求，采用力學性能良好，牌號為ZG340-640的鑄鋼件。

1.3零件生產性質及條件

生產性質：50件，屬單件小批量生產；生產條件：造、鍛造、熱處理車間，可制作聚苯乙烯樹酯氣化模，地坑造型，干型、濕型砂制備車間；質量要求：零件工作時要承受較大的沖擊載荷和撥動重量及拉應力作用，為了降低生產成本，采用泡沫塑料氣化模鑄造方法。

2　撥叉鑄件鑄造工藝的設計

2.1撥叉鑄件澆注位置的確定

鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在鑄型中所處的位置，澆注位置是由鑄件的結構、技術要求，鑄件合金特性，鑄造方法以及生產車間的條件共同決定。根據拔叉鑄件的結構特點和工作原理，該工件的左端圓筒內壁和右側叉口為重要工作面，連接板為寬大截面，應將工件豎直放置，使其加強筋向下，有助于金屬液的流動充型。但考慮到鑄件的形體及澆注的便利性，將工件水平放置更好，使其大平面在下，通孔豎直放置，保證通孔和右凹面的加工質量。同時由于鑄件的熱節(jié)在大平面與左側圓柱連接處，若使大平面在下，不易安置冒口進行補縮，不易實現(xiàn)順序凝固。 所以應使鑄件的大平面在上，鑄件澆注位置圖3所示：

圖3　澆注位置和分型面位置Fig.3　Pouring position and parting surface position

2.2撥叉鑄件分型面的選擇

分型面是指鑄型單元間的結合面，分型面的合理選擇，有助于減少模樣制造的難度。拔叉零件分型面設計時，考慮到模樣制造的難易程度，分型面應盡量選擇在鑄件的最大截面處。同時在造型、澆注位置的基礎上，分型面的選擇還要有利于清理。選擇分型面還應考慮到鑄件的造型方法，因為該拔叉鑄件鑄造的工藝路線為干砂泡沫塑料氣化模鑄造，不用起模，所以采用整模造型的方法，使整個鑄件在同一砂箱，保證鑄件的尺寸精度。分型面位置如上圖3所示。

2.3撥叉鑄件造型方法的選擇

具體拔叉鑄件，選擇干砂泡沫塑料氣化模鑄造，采用聚苯乙烯樹酯直接制造出該工件的模樣。澆注時模樣自動氣化消失，采用手工埋砂造型，將模樣及澆注系統(tǒng)、冒口等直接埋入砂型中，壓實后直接澆注。

2.4撥叉鑄件凝固方式的確定

具體撥叉鑄件所采用的材料是牌號為ZG240-640的鑄鋼件，由于鑄鋼的流動性差，收縮率較大，金屬液易氧化，容易形成夾渣和縮孔，且鑄件結構較復雜，鑄件中有多個重要工作面，為了減小鑄造內應力，防止鑄件變形和裂紋，故采用順序凝固。為了實現(xiàn)鑄件的順序凝固，在右側叉口放置1、2號冷鐵，以達到實現(xiàn)順序凝固的目的。冷鐵位置如圖4所示：

2.5砂箱鑄件數量的確定和布置設計

查閱《鑄造手冊》p115表3-56按鑄件重量確定吃砂量，鑄件質量在5kg以下，查得鑄件底、鑄件

圖4　順序凝固及冷鐵放置位置Fig.4　Sequential solidification and cold iron placement

頂的最少吃砂量為40mm，到沙箱壁的最少吃砂量為30mm，鑄件之間的最少距離為30mm。由于是單件小批量生產，沙箱盡量選擇常見通用尺寸，查《鑄造手冊》p630表4-99通用沙箱，選擇內壁尺寸為300mm×250mm×75mm的沙箱。由于該拔叉零件尺寸較小，采用一箱多件可提高生產效率，故選用一箱四件的鑄造方式。鑄件的放置位置如圖5所示：

布局一　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　布局二 圖5　鑄件數量及位置Fig.5　Number and location of castings

在上圖中，有兩種不同的布局方式，布局一的特點是對稱布局，定位方便，但內澆道數量少，充型較慢，不易實現(xiàn)定向凝固；布局二的特點是斷開分散布局，內澆道數量多，充型快，易實現(xiàn)定向凝固。通過分析兩種布局的形式和結構特點，此次研究采用布局2的澆注布局方式。

3　撥叉鑄件的型芯設計

撥叉鑄件型芯的設置是為了制造零件的通孔，而制造通孔采用的是泡沫塑料氣化模為模樣[4]的方法直接鑄出該工作孔。在形成該孔位時，有以下兩種設計方案可供選擇：

方案1：仿照普通砂型鑄造型芯的設計，設計出型芯以形成該孔位。

采用方案1設計的型芯能夠滿足設計要求，但是設計及操作復雜，在使用氣化模制造的時候芯頭不易定位，易造成較大的鑄造誤差。

方案2：采用埋砂造型時，用型砂填充孔位，即使用砂胎。

采用方案2，操作簡單可行，但是在充型時由于金屬液的沖刷可能導致砂胎損壞。拔叉鑄件高為28mm，金屬液的沖刷力度很小，加之采用干砂造型后要進行烘干，可認為砂胎能夠滿足設計需要。

由于撥叉毛坯是小批量單件生產，在保證制造質量的前提下應盡量減少制作工作量，降低操作人員的工作量，減少操作誤差。所以型芯采用砂胎形式，在埋砂緊實時注意加強砂胎的緊實度。

4　撥叉鑄造工藝參數的確定

4.1撥叉鑄件尺寸公差的計算

在鑄造設計中對鑄件尺寸公差的計算，主要是為了保證鑄件重要工作面有足夠的加工余量。按照GB/T6414—1999《鑄件尺寸公差與機械加工余量》的規(guī)定，鑄件尺寸公差分為16級，表示為CT1～CT16。此次研究為單件小批量生產，砂型為手工造型，材料為鑄鋼件，所以零件選取鑄件尺寸公差CT=12，又因零件尺寸范圍是63～100mm，則加工余量取6mm。

4.2撥叉鑄件機械加工余量

按照GB/T1614—1999《鑄件尺寸公差與機械加工余量》的規(guī)定，要求的機械加工余量適用于整個毛坯零件，且該尺寸應根據最終機械加工后成品鑄件的最大輪廓尺寸和相應的尺寸范圍選取。要求的機械加工余量等級有10級，具體撥叉鑄件選取機械加工余量等級為H級，根據零件尺寸可知RMA=2mm。

4.3撥叉鑄件工藝補貼(余量)

鑄件采用順序凝固的凝固方式，鑄件尺寸較小。在采用了冷鐵激冷實現(xiàn)定向凝固后，鑄件產生縮孔和縮松的可能性很小，考慮到機械加工的工作量，故鑄件不采用工藝補貼。

4.4撥叉鑄件工藝補正量計算

工藝補正量是在鑄件某些加工表面上適當增加金屬層的厚度，以保證鑄件局部尺寸鏈的準確性。根據零件圖6可知，鑄件需要添加工藝補正量的部位如下圖所以，以保證10mm和16mm的尺寸精度，結合零件尺寸分析，這里取A=1mm。

圖6　鑄件工藝補正量Fig.6　Process correction amount

4.5撥叉鑄件模樣的起模斜度

由于此次研究采用干砂型泡沫塑料氣化模鑄造，直接澆注成型，不用考慮起模，故不考慮撥叉鑄件模樣的起模斜度。

4.6撥叉鑄件的鑄造收縮率選擇

鑄件線收縮率ε與鑄造金屬收縮率，收縮開始溫度，鑄件結構與種類、澆注系統(tǒng)和冒口等因素有關。鑄鋼件的線收縮率見表1。

表1　鑄鋼件的線收縮率/%Tab.1　Linear shrinkage of steel castings/%

此研究中具體的鑄件尺寸范圍是63～100mm，根據上表，線收縮率選擇ε=2.0%。

4.7撥叉鑄件最小鑄孔的處理

具體撥叉零件的左端通孔直徑為14mm，遠遠小于鑄鋼件的最小鑄出孔直徑60mm。如果采用后期機加工方式獲得該孔，不僅增加了工作量與成本，而且不易得到適合工作要求的精度。而此次研究的拔叉鑄件的鑄造方法采用的是氣化模鑄造，砂胎型芯的方式獲得該孔位，保證其精度。

5　撥叉鑄件澆注系統(tǒng)設計

鑄件的澆注系統(tǒng)設計的正確與否關系到鑄件的成敗，是鑄造工藝生產的關鍵技術。澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬液流入型腔的通道的總稱。由澆口杯(外澆口)，直澆道，橫澆道，內澆道組成。

5.1澆注系統(tǒng)類型選擇

澆注系統(tǒng)類型按各組元截面積比例有：封閉式澆注系統(tǒng)，開放式澆注系統(tǒng)。具體鑄造零件是鑄鋼件，鑄件尺寸不大，不須采用漏包澆注，故選擇開放式澆注系統(tǒng)。

5.2內澆道的引入位置

根據內澆道在鑄件上開設的位置不同分為：頂注式澆注系統(tǒng)，底注式澆注系統(tǒng)，中間注入式澆注系統(tǒng)，階梯式澆注系統(tǒng)。鑄鋼件易氧化，充型能力較差，原本應該選擇可以盡量減少金屬氧化性的底注式澆注系統(tǒng)，但是根據該研究零件的形體特征，若采用底注式澆注系統(tǒng)，很難實現(xiàn)鑄件的定向凝固，較易在鑄件內部產生縮松和縮孔等鑄造缺陷。對于泡沫塑料模樣的鑄造方法，澆注時金屬液必須先使模樣氣化才能進入型腔充型，所以金屬液不會因直接自由下落而翻騰。由于鑄件的高度尺寸較小，僅為28mm，綜合分析，采用頂注式澆注系統(tǒng)，不會給金屬液帶來額外的氧化。

鑄件采用順序凝固，對于要求順序凝固的鑄件，內澆道應開在鑄件厚壁處，使金屬液快速均勻地充滿型腔。對于頂注式澆注系統(tǒng)，結合零件的結構和澆注的便利性，內澆道設計如圖7所示：

圖7　澆注系統(tǒng)位置示意圖Fig.7　Diagram of gating system position

5.3澆注系統(tǒng)尺寸計算

5.3.1計算平均靜壓力頭和最小剩余壓力頭

1)平均靜壓力頭Hp

根據水力學相關公式推導得知，對于從分型面注入：

(1)

式中，H0阻流面以上的金屬液靜壓頭；P阻流面以上型腔高度；hc鑄件高度；單位(mm)。

對于頂注入式澆注系統(tǒng)P=0，Hp=H0。

2)最小剩余壓力頭hM

最小剩余壓力頭hM，是為了保證金屬液能充滿鑄件上距直澆道最遠最高的部分，獲得輪廓清晰、結構完整的鑄件。鑄件最高點到澆口杯內液面的高度必須大于或等于最小值hM，即直澆道應有必要的高度。

計算公式為：hM=Ltanα

(2)

由2.5砂箱鑄件數量的確定和布置設計可知L=72+35=108mm

鑄件主體最小壁厚為8mm，由《鑄造手冊》表3-148查得壓力角為10°，因此最小剩余壓力頭為：hM≥108×tan10°=19mm。為了使鑄件的最遠最高點能夠順利完成充型，直澆道的高度必須高于19mm。此研究采用埋砂造型，內澆道的高度取30mm，澆口杯高度為40mm，即滿足設計要求。

5.3.2撥叉鑄件內澆道的橫截面積的計算

根據已經計算出的鑄鋼件的相對密度ρ相對=2.47g/cm3，查《鑄造手冊》p218表3-170，鑄鋼件內澆道橫截面積選擇A內為1.8cm2。

5.3.3撥叉鑄件澆注系統(tǒng)各組元的比例的確定

由于此鑄件屬于小型砂型鑄造鑄鋼件，采用的是開放式澆注系統(tǒng)，根據《鑄造手冊》p197表3-146，選擇澆注系統(tǒng)各組元的比例為：A直:A橫:A內=1∶1.5∶1.8。

5.3.4撥叉鑄件各組元截面積的計算

直澆道橫截面積：A直=1.8÷1.8=1.0cm2；橫澆道橫截面積：A橫=1.8÷1.8×1.5=1.5cm2；內澆道橫截面積：A內=1.8cm2。

5.3.5直澆道、橫澆道和內澆道尺寸、形狀的確定

根據各組員截面積，查《鑄造手冊》p219表3-171內澆道，橫澆道截面尺寸(單位為mm)，對內澆道有：a=31，b=28，h=6.0；對橫澆道有：a=19，b=15，h=10.0；對直澆道有：R=5.65，即d=11.30。

根據各澆道的截面的幾何尺寸，設計出相應截面圖，如圖8澆注系統(tǒng)圖中所示。

5.3.6撥叉鑄件澆口杯的尺寸計算

澆口杯的直徑或寬度至少要比金屬流直徑大一倍，頂部寬度要比直澆道直徑大一倍。沿澆注方向的長度要兩倍于寬度，深度可等于寬度。澆口杯中容納的金屬量應比直澆道的容量大。而中、小型澆注口杯的尺寸可根據直澆道的直徑或者鑄件的重量，用查表法確定。具體以小型鑄鋼件為研究對象，其直澆道直徑為11.3mm，查《鑄造手冊》可選擇D1為56mm，D2為52mm，h為40mm，金屬容量為0.5kg的普通漏斗形澆口杯普通漏斗形澆口杯。尺寸如圖11所示。

5.4繪出撥叉鑄件澆注系統(tǒng)圖

根據上面對澆注系統(tǒng)的各組元的設計繪制出如下澆注系統(tǒng)圖：

圖8　澆注系統(tǒng)圖Fig.8　Diagram gating system

6　撥叉鑄件冷鐵計算

6.1撥叉鑄件冷鐵的作用分析

冷鐵是為增加鑄件局部冷卻速度，減少鑄件內部形成縮孔或縮松等鑄造缺陷，置于鑄件表面或內部的激冷材料[5]。該研究中選用冷鐵的目的是為了提高鑄件右側叉口的冷卻速度，實現(xiàn)鑄鋼件的順序凝固。

6.2撥叉鑄件外冷鐵位置確定

從鑄造生產理論的角度，要求鑄件在其重要工作面—零件左端內孔面和右側凹叉口和連接這兩個部分的連接板處的組織致密、晶粒度細小。冒口設置在鑄件的頂部，則用于鑄件的補縮。冒口、冷鐵和澆注系統(tǒng)的配合使用，則需要在右側叉口端放置外冷鐵，實現(xiàn)該鑄件的定向凝固。外冷鐵設置位置如圖9所示：

圖9　冷鐵和冒口位置Fig.9　location of the riser and chill

6.3撥叉鑄件外冷鐵尺寸的計算

冷鐵放置在叉口截面處，其截面與鑄件截面一致，查詢《鑄造手冊》表3-343[6]板形外冷鐵的應用及規(guī)格，長度取鑄件厚度為10mm，寬度取7mm，厚度取15mm。

7　撥叉鑄件冒口設計

7.1撥叉鑄件冒口位置確定

對于鑄件合金材料是牌號為ZG340-640的鑄鋼件，由于其流動性和充型能力較差，收縮率較大，容易產生縮孔和縮松現(xiàn)象。凝固方式為順序凝固，在澆注口遠端設有冷鐵，澆注方式為頂注式澆注，設計的直澆道不在鑄件熱節(jié)側面或正上方，不能夠完全保證鑄件的補縮，故需要采用專用冒口進行補縮。為了與放置在拔叉鑄件遠端的冷鐵配合使用實現(xiàn)鑄件的順序凝固，并達到補縮的目的，所以將冒口設置在熱節(jié)上方的鑄件頂部。在圖9中，從最右端冷鐵處向冒口所在位置，從最下端向上的方向實現(xiàn)鑄件的定向凝固，內澆道和冒口位置最后凝固。

7.2撥叉鑄件冒口種類和形狀確定

鑄鋼件常用冒口種類[7]有兩種：明頂冒口和大氣壓力頂冒口。具體鑄件合金材料為ZG340-640的鑄鋼件，采用頂澆式澆注系統(tǒng)，應選擇明頂冒口。又由于單件小批量生產，手工造型，為了操作簡單，使用明頂冒口，既能實現(xiàn)冒口補縮功能，還可充當出氣口。

冒口的形狀應使其容量足夠大而其相對的散熱面積最小(即有足夠大的模數)，有一定的金屬液壓頭，以達到延長其凝固時間，提高補縮效果的目的。常用冒口形狀有球形，球頂圓柱形，帶斜度的圓柱形，腰圓柱形(明冒口)，腰圓柱形(暗冒口)，此研究中采用普通圓柱形冒口。

7.3撥叉鑄件冒口數量及尺寸計算

根據圖2拔叉鑄件零件圖，計算出鑄件需要補縮的長度S=33mm，參考鑄鋼件冒口比例尺寸表，選擇A型冒口。冒口尺寸的計算根據圖10所示的比例法示意圖計算。由于鑄件較小，取d=1.4dy，由圖可得熱節(jié)圓直徑dy為8.50mm，則：

圖10　冒口尺寸計算示意圖Fig.10　Diagram the riser size calculation

冒口底部直徑為：d=1.4×8.50=11.90mm；冒口根部周長為：L=πD=3.14×11.90=37.36mm；冒口數量計算公式：

(3)

冒口數量：N=33.06÷37.36=0.885≈1；所以該研究具體使用的冒口數量為1個。d1=1.4d=11.90×1.4=16.66mm；H=2.2d=2.2×11.90=26.18mm。

8　撥叉鑄件鑄造工藝圖

通過前文對拔叉鑄件，鑄件圖，澆注系統(tǒng)各組元(澆口杯，直澆道，橫澆道，內澆道)，冷鐵，冒口的設計，使用CAD繪制出了撥叉鑄件鑄造工藝圖，如圖11所示：

圖11　撥叉鑄件鑄造工藝圖Fig.11　Casting process diagram of the shifting fork casting

在鑄造生產過程中，首先利用CAD對鑄造工藝進行設計；在實際鑄件生產之前，鑄件充型凝固過程中利用CAE進行模擬分析，預測產品性能，優(yōu)化工藝設計，為產品結構優(yōu)化提供依據和手段。再利用CAM完成對鑄造零件的數控加工程序的編制。這樣不僅能提高鑄件的設計效率，縮短其設計和制造周期，同時也是對CAD/CAE/CAM[8]一體化技術的應用。目前在鑄造領域，該技術已成為一個新的發(fā)展趨勢。

9　結論

1)根據鑄件的三維效果圖，零件圖，結合其性能要求和生產性質及條件，完成了拔叉鑄件的鑄造工藝設計，主要包括澆注位置，分型面，造型方法，凝固方式，型芯設計，砂箱鑄件數量的確定和布置設計。

2)完成了撥叉鑄造工藝參數，澆注系統(tǒng)，冷鐵，冒口設計。

3)使用計算機輔助設計(CAD)繪制出了拔叉鑄件圖，澆注系統(tǒng)圖，鑄造工藝圖，對實際生產起到指導規(guī)范的作用。

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Using CAD to design of casting process of casting process for casting steel castings based on ZG340-640

YANG Ming

(College of Engineering, China Agricultural University, Beijing 100083, China)

According to the materials of the ZG340-640 (cast steel grades) models of steel castings structure, working principle, process characteristics,We designed the casting process scheme of the shifting fork casting. Based on the casting process parameters and casting system type,we designed the size and section size of each component of the gating system. By analyzing the roles of chills and risers the types of chills and risers and their locations were determined, and their number and size were calculated. Finally,the shifting fork casting was designed the roagh CAD software.

fork casting; casting method; CAD; design

1004—5570(2016)04-0091-07

2016-04-15

楊明(1989-)，男，碩士，研究方向：機械工程，E-mail：769466160@qq.com.

TG24

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