第5章 铸件结构设计

1第5章铸件结构设计2第五章铸件结构设计进行铸件设计时，不仅要保证其力学性能和工作性能要求，还必须考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。铸件的结构是否合理，即其结构工艺性是否良好，对铸件的质量、生产率及其成本有很大的影响：当产品是大批量生产时，则应使所设计的铸件结构便于采用机器造型；当产品是单件、小批生产时，则应使所设计的铸件尽可能在现有条件下生产出来；当某些铸件需要采用特种铸造方法时，还必须考虑这些方法对铸件结构的特殊要求。本章介绍砂型铸件对结构设计的主要要求，其中包括：铸件结构与铸造工艺的关系（铸件设计的内容）铸件结构与合金铸造性能的关系（铸件结构设计应考虑的其他内容）3铸件结构应尽可能使制模、造型、造芯、合箱和清理过程简化，并为实现机械化生产创造条件。铸件结构设计的要考虑如下问题：第一节铸件设计的内容铸件外形的设计铸件内腔的设计铸件壁厚的设计铸件壁（肋）间的的连接设计铸件结构设计指的是铸件结构应符合铸造生产要求，满足铸造性能和铸造工艺对铸件结构的要求。4一、铸件外形的设计1．避免外部侧凹、凸起；2．分型面应尽量为平直面；上中中下上下3．凸台、筋条的设计应便于起模。第一节铸件设计的内容5避免铸件的外形有侧凹。67结构斜度结构斜度是指在铸件所有垂直于分型面的非加工面上设计的斜度。8910二、铸件内腔的设计1．应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。芯撑2．便于型芯的固定、排气和清理。11图a采用中空结构，要用悬臂型芯和型芯撑加固，图b采用开式结构，省去了型芯。图a图b图a因出口尺寸小，要采用型芯，图b中D〉H，可用用砂垛形成空腔，省去了型芯。图a图b1213三、铸件壁厚的设计1．合理设计铸件壁厚1）铸件的最小壁厚铸造方法铸件尺寸（mm）合金种类铸钢灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金砂型铸造200×20085～66533～5200×20~500×50010～126～1012846～8500×50015～2015～2015～2010～12610～12在一定铸造工艺条件下，所能浇注出的铸件最小壁厚。铸件壁厚小于“最小壁厚”，易产生浇不到、冷隔等缺陷。表5-2砂型铸造条件下铸件的最小壁厚142）铸件的临界壁厚在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。在砂型铸造条件下:临界壁厚≈3×最小壁厚3）铸件截面形状厚壁铸件，易产生缩孔、缩松、晶粒粗大等缺陷，力学性能下降，故存在一个最大壁厚。152．铸件壁厚应均匀、避免厚大截面16铸件的外壁、内壁和筋的厚度比约为：1：0.8：0.6铸件壁厚力求均匀，避免局部过厚形成热节的结构所谓铸件壁厚均匀性，是为了使铸件各处的冷却速度相近，并非要求铸件所有的壁厚完全相同。172.壁厚不均匀的铸件的设计应有利于定向凝固图5-8铝活塞结构的改进铸件因工作需要其壁厚不均匀或厚度较大，而合金的收缩倾向也较大时，铸件壁厚设计应有利于定向凝固，铸件结构应便于安放冒口进行补缩，以防止缩孔和缩松。18①直角联接处形成了金属的积聚，而内侧散热条件差，较易产生缩松和缩孔；②在载荷的作用下，直角处的内侧产生应力集中，使内侧实际承受的应力较平均应力大大增加(图2-53a)；③一些合金的结晶过程中，将形成垂直于铸件表面的柱状晶。若采用直角联接，则因结晶的方向性，在转角的分角线上形成整齐的分界面(图2-54a)，在此分界面上集中了许多杂质，使转角处成为铸件的薄弱环节。1、采用圆弧连接，圆滑过渡四、铸件壁（肋）间的的连接设计19上述诸因素均使铸件转角处力学性能下降，较易产生裂纹。当铸件采用圆角结构时(图2-53b和图2-54b)，可克服上述之不足。此外，外圆角还可美化铸件的外形，避免划伤人体；铸造内圆角还可防止金属液流将型腔尖角冲毁。202、避免锐角联接为减小热节和内应力，应避免铸件壁间锐角联接。若两壁间的夹角小于90，则应考虑过渡形式。21图例尺寸b≤2a铸铁R≥(1/6~1/3)(a+b)/2铸钢R≈(a+b)/4b＞2a铸铁L＞4(b-a)铸钢L＞5(b-a)b＞2aR≥(1/6~1/3)(a+b)/2；R1≥R+(a+b)/2C≈3(b-a)1/2，h≥（4~5）C3、厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡铸件各部分的壁厚往往难以做到均匀一致，甚至存有很大差别。为了减少应力集中现象，应采用逐步过渡的方法，防止壁厚的突变。2222缺陷分析：铸件各部分冷却速度不同而收缩不一致，形成较大的内应力。当此应力超过合金的强度极限时，铸件会产生裂纹。•实例分析：轮缘、轮辐、轮毂间若比例不当，常因收缩不一致，内应力过大，使铸件产生裂纹。4．减缓筋、辐收缩的阻碍23实例分析：改进后的交错接头或环状接头，其热节均较改进的小，且可通过微量变形来缓解内应力，抗裂性能均较好。5．避免采用十字形交叉连接接头因交叉处热节较大，内部容易产生缩孔或缩松，内应力也难以松弛，故较易产生裂纹。241、采用圆弧连接，圆滑过渡2．避免锐角连接3．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡4．减缓筋、辐收缩的阻碍四、铸件壁（肋）间的的连接设计5．避免采用十字形交叉连接256.防止铸件翘曲变形的设计细长形或平板类铸件收缩时由于内应力易产生翘曲变形，可采用对称结构或采用加强筋。如图所示。图2-51防止变形的铸件结构设计a)不合理b)合理26267、避免出现过大的水平面缺陷分析：薄壁罩壳铸件，当其壳顶呈水平面时，因薄壁件金属液散热冷却快，渣、气易滞留在顶面，易产生浇不足、冷隔、气孔和夹渣缺陷。实例：27第二节铸件结构设计应考虑的其它问题一．铸件的结构应考虑铸造合金的某些使用性能灰铸铁具有抗压强度与钢相近而抗拉强度较低的特性，因此，在设计灰铸铁件的结构时，应用其抗压强度好的长处，避其抗拉强度差的短处。图5-15灰铸铁支座件28二、铸件的结构应考虑不同铸造工艺的特殊性1．熔模铸件的设计1）便于从压型中取出蜡模和型芯，如下图所示。a)改进前b)改进后2）熔模铸造工艺上一般不用冷铁，少用冒口，多用直浇口直接补缩，故壁厚要均匀，或是壁厚分布满足顺序凝固要求，无分散热节。293）为了便于浸挂涂料和撒沙，铸孔的直径不要太小和太深，应大于2mm，薄壁件则应大于0.5mm，通孔深度不大于直径的4∼6倍，不通孔不大于2倍；铸槽的宽度不要太小和太深，宽度应大于2mm，为深度2∼6倍；铸件壁厚不要太薄，一般为2∼8mm。图5-16熔模铸件平面上的工艺孔和工艺筋4）熔模型壳的高温强度低，易变形，平板型壳的变形尤甚，故熔模铸件应尽量避免有大平面。为防止变形，可在铸件大平面上设工艺孔或工艺筋，增加型壳的刚度。302．压铸件的设计压铸件的设计应尽量避免侧凹坑和深腔，在无法避免时，至少应便于抽芯，以便压铸件能从压铸型中顺利取出。图5-17压铸件的两种设计方案31三、铸件结构的剖分与组合设计1．铸件的剖分设计将大铸件或形状复杂的铸件设计成几个较小的铸件，经机械加工后，再用焊接或螺钉连接等方法将其组合成整体。优点：1）能有效解决铸造熔炉、起重运输设备能力不足的困难，以小设备制造大设备。2）可根据使用要求用不同材料制造一个铸件的不同部分，铸造工艺简单，铸件品质优良，结构合理。图5-18底座的焊接结构323）易于解决整铸时切削加工工艺或设备上的某些困难。33因成形工艺的局限性无法整铸的结构需采用剖分结构。零件上性能要求不同的部分需采用剖分结构。当零件上各部分对耐磨、导电或绝缘等性能要求不同时，常采用剖分结构，分开制造后，再镶铸成一体。图5-20砂型铸件改为压铸件342．铸件的组合设计利用熔模及气化模铸造等铸造工艺具有无需起模、能制造复杂铸件的特点，可将原需加工装配的组合件，改为整铸件，简化制造过程，提高生产效率，方便使用。图5-21车床摇手柄的设计a)原设计（加工装配）b)改进后的设计（整铸）35总结铸件的结构设计合理与否，对铸件的质量、生产率以及成本有很大的影响。铸件的结构包括：铸件外形、内腔、壁厚、壁与壁的连接及加强肋、凸台、法兰等。设计铸件时，不仅要保证使用性能的要求，还要满足铸件在制造过程中工艺性的要求。即考虑铸造生产工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。应尽量使生产工艺中的制模、造型、制芯、装配、合型和清理等各个环节简化，节约工时，防止废品产生。符合合金铸造性能的要求，以避免出现如缩孔、缩松、变形、裂纹、浇不足、冷隔、气孔和偏析等缺陷。使铸件的具体结构与这些要求相适应，以达到工艺简单、经济、快速地生产出合格铸件的目的。36常见铸件结构的设计名称不合理结构合理结构设计理由铸件外形的设计尽量避免曲面分型，以避免挖砂造型37续表39名称不合理结构合理结构设计理由铸件外形的设计对凸台、肋条及法兰设计时，应便于起模，避免不必要的型芯和尽量少用活块尽量使铸件有最少的分型面应设计结构斜度38续表40名称不合理结构合理结构设计理由铸件外形的设计应避免水平放置较大的平面细长件或大而薄的平板件要防止弯曲避免铸件收缩受阻39续表41名称不合理结构合理结构设计理由铸件内腔的设计应尽量不用或少用型芯型芯必须安装方便、稳固可靠，排气通畅必须考虑清砂便利40续表42名称不合理结构合理结构设计理由铸件壁的设计铸件壁厚应尽可能均匀铸件壁应有圆角过渡避免交叉和锐角连接4142返回文档图2-34箱盖的浇注位置43图2-37机床床脚的浇注位置返回文档44返回文档图2-39外芯减少分型面45返回文档图2-43垂直芯头的形式46返回文档图2-44水平芯设计47返回文档图2-48壁厚逐步过渡48返回文档图2-52端盖铸件a)b)49返回文档图2-60金属型铸件结构与抽芯50作业P80（2）、（5）；P96(2)、(3)1．轴承座，如图所示，材料为HTl50，批量生产。请在此图上定性绘制出零件的铸造工艺图。512、请对下列铸件的结构作适当改进，并说明理由。（a）（b）（c）上中下52