1、ZG45齿轮铸造工艺设计（论文）（论文）（论文）（论文）摘 要为了获得 ZG45齿轮铸造的合理铸造工艺设计方案 ， 初步设计了 ZGc45齿轮的铸造工艺方案 ， 通过 PROCAST进行模拟仿真 ， 根据模拟结果 ， 对其进行分析 ， 铸造工艺方案的合理性。结果表明： 45齿轮轮的浇注系统采用底注式；浇口比为 S内 ： S横 ： S直 =1.0： 0.8： 1.2； 冒 口 为 标 准 腰 形 暗 冒 口 ， 个 数 为 6个 ， 尺 寸 为 a=70mm ， b=140mm ，h=105mm 。这样的铸造工艺设计方案对于 45大齿轮轮来说是合理的。对齿轮工作条件的分析 ， 根据其性能特点 制
2、定正火 、 调质 、 高频退火 、 低温回火热处理工艺。关键词 铸造工艺设计， 齿 轮 ， PROCAST，热处理目 录摘要 I目录 I1铸件铸造性能与结构特点 .12铸造工艺设计 .22.1铸 件结 构铸 造工 艺性 分析 .22.铸 造方 法的 选择 .22.3工 艺参 数设 计 .32.31铸 件尺 寸公 差 .32.32铸 件重 量公 差 .32.3机 械加 工余 量 .42.34铸 件线 收缩 率 .42.35起 模斜 度 42.4砂 芯设 计 42.5浇 注系 统设 计 .42.51计 算静 压头 尺寸 42.52浇 注系 统尺 寸设 计 42.6冒 口设 计 42.7铸 造工 艺
3、图 53铸件充型及冷却过程模拟 .63.1铸 件的 充型 模拟 及其 分析 .63.2铸 件冷 却的 模拟 及其 分析 .84热处理工艺设计 .125结论 .13参考文献 .1411铸件铸造性能与结构特点45铸钢齿轮在铸造过程中容 易产生裂纹，因为：齿 轮 壁 厚 差 异 大 ， 齿 轮 幅 25mm ， 轮 毅 150mm ， 轮 缘 100mm ， 由 于 凝 固 收 缩 不 均衡极易产生铸造热裂纹 。 45铸钢收缩大 ， 因此热应力也大 。 如果铸造工艺 、 热处理工艺处理不当极易产生裂纹 (冷裂纹 )。齿轮类铸件要求组织致密，应保证齿轮在加工过程中无铸造缺陷 。 该齿轮重点是轮毂和轮缘
4、较厚 、 较高 ， 工艺设计必须充分考虑补缩 ， 同时控制铸件凝固过程中的顺序，创造有利的补缩条件，提高铸件补缩的致密度 1。22铸造工艺设计2.1铸件结构铸造工艺性分析技术要求 ： 该钢件在铸造后加工 ， 表面不得有夹渣 、 裂纹等铸造缺陷 。 粗车调质 HB220 255。 128HD双 键 槽 对 中 心 不 得 0.04/150。 未 注 明 铸 造 圆 角 均 为R510mm 。 为了保证吃轮的高质量所以齿轮的齿和轮毂上的键槽不铸出 ， 后期加工出来 ，其结构如下图：图 1齿 轮结 构简 图2.铸造方法的选择采用砂型铸造方法来进行，选用水玻璃砂来造型和制芯。水玻璃砂有以下特点 ： 水
5、玻璃的原材料资源丰富 、 价格便宜 ； 水玻璃砂在混制 、 造型 、 浇注和落砂过程中不析出有毒气体，也无黑色污染，是一种较好的清洁造型、制芯的型砂粘接剂；型砂不含氮 、硫 、 磷 ， 在高温下呈现一定的塑形 ， 比较适用于浇注铸钢件和大型铸铁件 。 目前在我国铸造生产中得到应用的水玻璃砂工艺按其硬化方法可普遍分为如下四种：干燥法、 CO2法、酯硬化法和 VRH-CO2法。但 CO2法主要有以下几点缺点：3（ 1） CO2硬化水玻璃砂强度低，导致水玻璃加入质量分数高达 8.0%以上，浇注后型、芯砂溃散性很差，铸件清砂极端困难。 （ 2） CO2硬化时水玻璃砂易于过吹 ， 而且硬化的水玻璃砂在存
6、放过程中容易吸湿 ，表面形成白霜和粉化，表面安定性明显下降。 （ 3） 水 玻 璃 砂 旧 砂 再 生 非 常 困 难 ， 我 国 基 本 上 不 回 用 ， 增 加 了 新 砂 用 量 ， 也 造 成了环境污染。 由于上述问题 ， 水玻璃砂应用受阻 ， 特别是 20世纪 70年代呋喃树脂砂的开发成功 ，使 CO2硬化水玻璃砂收到了冲击而迅速萎缩。但是，树脂的价格高，也存在环保问题 ，又迫使人们重新对水玻璃基本组成的深入研究，发现新制备的水玻璃是一种真溶液 ， 在它存放过程中，硅酸分子产生缩聚反应而形成大分子结构，导致水玻璃粘接性能下降 ，即被称之为 “老化 ”现象 。 若对已老化水玻璃给予能
7、量 ， 消除其老化现象 ， 那么它的粘接强度可提高 20%30%。 同时 ， 采用液体有机酯取代 CO2气体 ， 又可使水玻璃砂的强度提高 30%以上 。 由于上述二项有效措施的应用 ， 使其水玻璃加入质量分数可降低到 3.5%以下，明显改善了它的溃散性，使其旧砂再生回用成为可能 2。采用手工造型中的砂箱造型，采用两箱造型。齿轮轮毂的通孔中间是需要铸造出来的 ， 因此必须制作一个芯子 。 对于一箱一件的铸造工艺来说 ， 我们可以采取手工制芯中的芯盒制芯方法 。 该方法的主要特点是 ， 用芯盒内表面形成的砂芯的形状，砂芯尺寸精确，可制造小而复杂的砂芯。 2.3工艺参数设计2.3.1铸件尺寸公差由
8、 于该铸件的材质是 ZG45， 并且尺寸精度要求比较高，再考虑到该铸件是用砂型铸造手工造型，所选用的造型材料为化学粘接剂砂。经查资料 2可得，铸件尺寸公差等级 为 CT12， 铸 件 尺 寸 公 差 数 值 为 10mm 。 但 考 虑 到 铸 件 的 实 际 要 求 ， 选 取 铸 件 尺 寸 公差数值为 1mm 。 由于该铸件的材质是 ZG45， 并且尺寸精度要求比较高 ， 再考虑到该铸件是用砂型铸造手工造型，所选用的造型材料为化学粘接剂砂。经查资料2可得，铸件尺寸公差等级为 CT12， 铸件尺寸公差数值为 9m m 。 但考虑到铸件的实际要求 ， 选取铸件尺寸公差数值为 1mm 。2.3
9、.2铸件重量公差铸件采用的是砂型手工造型，且为铸钢件 ， 该铸件重量为 92kg。经查 资料 2可得 ，铸件重量公差数值为 14%。42.3.机械加工余量齿轮的材质为 ZG45，要求的机械加工余量等级为 H，最大轮廓尺寸为 580m m ， 机械加工余量为 10m m 。2.3.4铸件线收缩率齿轮 结构复杂 ， 其各部分冷却速度不同 ， 互相制约 ， 使铸件不能自由收缩 ， 铸件线收缩率较小。因此选定其线收缩率为 2.0%。2.3.5起模斜度采用增加铸件壁厚法来设计起模斜度 齿轮 轮是采用木模样自硬砂造型，经资料2可得，模样外表面的起模斜度 =040， a=2.0mm 。2.4砂芯设计齿轮轮毂
10、 中间孔是需要铸造出来的 ， 因此必须安放一个砂芯 。 为了不影响冒口的摆放位置 ， 所设计的砂芯在靠近冒口的端面与铸件齐平 。 砂芯高为 150m m ,芯头斜度为 45。2.5浇注系统设计2.5.1计算静压头尺寸 280840MHLtgmtgm=有冒口高度为 105及采用底注式所以直浇道高取 300mm 。2.5.2浇注系统尺寸设计根据资料3,查表 17页表格选取浇注系统的浇口比为： S内： S横： S直 =1： 0.8： 1.2内浇道面积为 7.7cm 2。所以横 浇道为 6.2cm2，直浇道为 9.2cm2。2.6冒口设计轮缘与福板上肋板交界处有热节，需要 6个冒口。此处的模数可以当作
11、是 T形接口来算模数 3：铸件出圆弧状用标准腰形暗冒口取模数为 3.22的 ， 冒口尺寸是 a=70mm ， b=140mm ，h=105mm 。 100501.0661.0661.8cm2 50MM = = =+杆 （ 100）52.7铸造工艺图 齿轮的铸造工艺图如下图直浇道为的压头有 300mm ，冒口个。图 3齿 轮铸 铸造 的工 艺图其直浇道，横浇道，内浇道的横切面如下图：图 4直 浇道 的示 意图 图 5横 浇道 的示 意图 图 6内 浇道 的示 意图图 2冒 口的 尺寸 图6铸件充型及冷却过程模拟3.1铸件的充型模拟及其分析用 PROCAST模拟软件对铸件进行充型及冷却模拟其分析。
12、浇注温度为 1640 ， 冲型时间经过计算为 10s。浇注时间 可以采用下面经验公式来计算 4：=Am n式中 浇式注时间 s；m铸件或浇注金属质量 kg；A、 n系数。经查资料 1表 3-4-4公中的系数， A=1， n=0.5。=1920.510s。其模拟的充型结果如下：图 7金 属液 开始 进入 铸型7图 8金 属液 经过 福板图 9金 属液 到达 齿轮 轮缘8图 10金 属液 进入 冒口图 1铸 型填 充完 成由图 10可以看出金属液从齿轮福板进入齿轮轮缘时，金属液最前端在冒口下方汇合最后进入了冒口，这对铸件的质量是非常有利的 5。3.2铸件冷却的模拟及其分析铸件在冷却过程中的温度变化
13、如下图：9图 12齿 轮的 轮缘 处和 浇注 系统 冷却 最大图 13冒 口金 属液 下移10图 14冒 口产 生大 量缩 陷图 151图 16铸件及冒口的剖面图从 图 14可以看出冒口对铸件的补缩良好 。 从 图 16的剖面图来看铸件内部结构致密 ，冒口设置大小适中。攀 枝花 学院 本科 课程 设计 （论 文） 4热 处理 工艺 设计124热处理工艺设计齿面的接触传递动力 ， 齿部承受很大的交变弯曲应力和接触应力的作用 ， 在相互啮合的齿面上会有强烈的摩擦 。 啮合不均匀时 ， 还会产生冲击力 。 齿轮的损坏形式主要是齿部折断和齿面的过度磨损6。根据齿轮的受力情况和失效分析，可知齿轮一般都需
14、经过适当的热处理 ， 以提高承载能力和延长使用寿命 ， 齿轮在热处理后应满足下列性能要求 7： (1)高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 (抗疲劳点蚀 )。(2)齿面具有较高的硬度和耐磨性。(3)齿轮心部具有足够的强度和韧性。齿轮的材料及热处理对齿轮的内在质量和使用性能都有很大的影响。 在零件铸造后还需要正火 初加工 调质 精加工 高频淬火及低温会火 精磨其工艺卡片如表 1。表 1热 处理 工艺 卡片零件名称：大齿轮 热处理工艺卡 热处理技术要求： 硬 度： 4045HBC抗 疲劳 极限 ： 650750Mpa弯 曲疲 劳极 限 ： 560620pa材料： 45工序 号 名称 设 备 工 具 装
15、料 工 艺 规 范 冷 却 备 注工 具数 量 一 工 具 装数 量 /件 温 度 / 加 热 时间 保 温 时 /h间 合 计 介 质 温 度 /1正 火 850 120m in 空 气 252淬 火 850 80m in 油 淬 253高 温回 火 620 60m in 空 气 254高 频淬 火 8700.5s 乳 化液 255低 温回 火 204 60m in 空 冷 25攀 枝花 学院 本科 课程 设计 （论 文） 5结 论135结论(1)浇注系统的浇口比一定要选择适当 ， 避免引起太大的紊流 ， 产生较大的卷气 。 45齿轮的浇口比为 S内 ： S横 ： S直 =1.0： 0.8：
16、 1.2。(2)冒 口 的 设 计 必 须 根 据 具 体 铸 件 具 体 设 计 。 工 具 书 上 的 一 些 参 数 可 以 适 当 作 为 参考 ， 应 该 根 据 铸 件 的 实 际 情 况 来 设 计 冒 口 。 45齿 轮 的 冒 口 个 数 是 6个 ， 每 个 尺 寸 是a=70mm ， b=140mm ， h=105mm 。(3)不仅要考虑铸造方便，还应考虑到后续工序的方便。(4)在模拟仿真中 ， 网格划分个数要适当 。 若网格数量过少 ， 会导致网格过大造成模拟时前置处理时 ， 生成网格发生错误如有网格中三角形角度过小且模拟结果与实际相差很大 ， 模拟分析毫无意义 ； 若
17、网格数量过大 ， 模拟结果虽与实际吻合程度高 ， 但会造成计算机模拟时间很长可能达到几十上百小时，造成资源浪费。参 考文 献14参考文献1王 文清 ，李 魁盛 铸 造工 艺学 M.北 京： 机械 工业 出版 社， 2022中 国机 械工 程学 会铸 造分 会 .铸 造手 册 (第 五卷 ) 铸造 工艺 M.北 京： 机械 工业 出版 ， 2033李 弘英 ，赵 成志 铸 造工 艺设 计 M.北 京： 机械 工艺 设计 ， 2054励 琦， 夏琦 名 直浇 道 /横 浇道 控制 浇道 系统 的应 用 J 造型 材料 ， 205， 32（ 1） ： 45刘 冠岳 计 算机 仿真 和试 验设 计在 铸造 工艺 设计 上的 应用 研究 D 安徽 工程 大学 ， 2016郑 文伟 ，吴 坚克 机 械原 理 (第 七版 )M 北京 ：高 等教 育出 版社 ， 1977张 京山 金 属及 合金 材料 手册 M 北京 ： 金 盾出 版社 ， 205
