大型铸造砂箱结构及铸造工艺设计实践.docx

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1、大型铸造砂箱结构及铸造工艺设计实践摘要：对大型铸造砂箱的结构及铸造工艺设计进行了探讨,使用CAE仿真计算辅助完成砂箱结构的设计,再经过充分的铸造工艺设计获得理想的砂箱毛坯;通过合理的铸造砂箱设计流程,既能保证砂箱的功能性需求,又能保证砂箱的制作成功率。关键词：大型砂箱；CAE仿真计算；砂箱铸造工艺设计铸造用砂箱是铸造厂必不可少的工艺装备，主要用于承载并定型砂型、使得金属液浇入砂型之后获得形状完好的铸件，特别在多品种小批量生产时，因铸件形状不同，大小不一，需要砂箱的规格也不同。根据公司规划，需要进行大型船用发动机开发，在机体铸造工艺开发中需要进行砂箱的设计制作。机体铸件采用碱性酚醛树脂自硬砂工艺

2、生产，手工造型、制芯，确定为三箱水平造型工艺。在满足铸造工艺要求的前提下，为了确保足够的强度和刚度，在使用中要保证不断裂或发生过大变形；并且对型砂有足够的附着力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂;砂箱载重大又要长期使用。基于以上考虑决定采用整铸式球墨铸铁砂箱。1砂箱设计砂箱在铸造车间配合行车使用，需满足造型、合模、开箱等操作需求，应设计为可吊运、翻转式结构。根据工艺要求，一套砂箱设计为上中下三扇。砂箱外形为长方形，单层壁结构，有吊轴、吊耳，箱壁有排气孔，有箱带以提高砂型的强度；砂箱的两端设有箱耳，用于安装定位销和定位套，以确保造型合型的定位精度；在砂箱上设有紧固结构；单扇砂箱采用整铸式。1.

3、1 砂箱尺寸砂箱名义尺寸是根据机体铸件轮廓尺寸、铸造工艺、每箱生产件数、吃砂量要求确定的。另外设计砂箱时长度和宽度应是50或100的倍数，高度应是20或50的倍数。基于以上考虑，下、中、上砂箱内框尺寸（长X宽X高）定为650OmmX280OmmX55Omm/70Omm/75Omm.1.2 箱壁砂箱壁的断面形状、尺寸影响强度和刚度。本砂箱为手工多箱造型，中箱因无箱带，将三扇砂箱均设计成上、下两面带内外凸缘结构。内凸缘防止砂型在翻转、搬运过程中塌落；外凸缘增加砂箱强度和刚度，并可加大接触面积而减少接触应力。为减小砂箱壁的厚度而不影响砂箱的强度和刚度,在砂箱壁的外侧做出纵向和横向加强肋，并避开砂箱的

4、定位和紧固。砂箱的箱壁结构如图1所示。1.3 壁和纵、横向加强筋示意图1.4 箱带砂箱为大型砂箱，应设计箱带，以增加对型砂的附着面积和附着力，提高砂型总体强度和刚性，防止塌箱和掉砂，延长砂箱使用期限；但箱带使填砂和落砂困难，限制浇冒口的布局。将上、下砂箱的箱带布为长方形方格，箱带间距设计为30Omm550mm,箱带高度取值为砂箱高度的03倍,如图2a）、c）所示；中砂箱箱带则根据附着砂型的尺寸设计异型箱带；箱带布置如图2b）所示。另外砂箱的局部最小吃砂量为45mm,分型面处的吃砂量为162mm；避让开了浇冒系统、排气系统等种介箱篇箝品怙况图2上、中、下砂箱箱带布置示意图1.5 砂箱定位砂箱采用

5、定位销进行定位，因此需同时考虑箱耳的设计。砂箱的定位装置由箱耳、销套、定位销三部分组成，（箱耳仅以下砂箱示意，其他砂箱此结构相同）如图3所示。图3砂箱定位示意图1.4.1箱耳设计箱耳的尺寸应足够大，以便加工和安装定位销；箱耳的高度应低于分箱面，（如图3中所示IOmm间隙）防止变形后造型时砂箱与型板出现间隙或合箱时砂箱配合面产生间隙。1.4.2定位销套、导向销套为了增加耐磨性，延长砂箱使用寿命，在箱耳的销孔内镶销套。另外砂箱在使用过程中，由于受热或受型砂张力作用，很容易变形，使两端定位销的中心距增大，为防止这种情况的产生，将砂箱一端的销套内孔做成圆形起定位作用；另一端的销套内孔做成椭圆形，以补偿

6、上、下两砂箱定位孔间距的误差。此类销套的材质一般为45#钢，经淬火处理后洛氏硬度达到HRC40HRc45方可，尺寸如图4所示。ujmft抄定位In食图4定位销套、导向销套1.4.3定位销选择定位销的长度要考虑砂箱的高度，砂箱高度不大时用合箱插销，高度大时用合箱座销，定位形式如图5所示。在造型过程中定位销一般会以座销的形式安装在型板上，所以采用座销的方式进行定位（d式）；而在合箱过程中定位销的使用方式比较灵活，中间箱可用座销形式（d式），上箱采用插销（C式）的方式进行，可根据实际需要进行选择。定位销一般为45#钢经淬火处理后洛氏硬度达到HRC40HRc45方可。a)IVl)Miin11Vc)f销

7、nue小瘁用Q固定式定位精图5合箱销形式及尺寸1.5搬运、翻箱结构设计砂箱上搬运和翻箱结构主要应考虑安全可靠，方便灵活。主要结构形式有箱把、吊轴、吊环、插轴式吊耳等。箱把用于小砂箱，吊轴广泛用于各种中大砂箱，吊环、插轴式吊耳主要用于大型砂箱。这些吊运结构应以一次起吊一叠铸型的最大重量作为计算吊轴或吊环的依据，应给出较大的安全系数。本砂箱同时采用吊轴和吊环两种结构进行设计。吊环、吊轴和手把一般用钢材制造，用铸接法同砂箱相连结，铸接必须牢靠。吊轴、吊环上的铸接部分应加工出沟槽或倒刺。也可用整铸法，但应保证无缩孔、裂纹等缺陷，为此,箱轴常设计成中空的，或铸造时应用内冷铁。确定砂箱的搬运、翻箱结构后，

8、每扇砂箱有6处吊轴并在吊轴处铸入(j)40mm)圆钢，如图6所示。加插轴式mm砂箱Ifl箱结构两健相同)图6砂箱吊轴、插轴式吊耳1.6 砂箱的紧固为防止胀箱、跑火等缺陷，上下箱间应紧固。常见的紧固方式有：手工夹紧（楔形箱卡）法、上箱自重法、压铁法、螺栓锁紧法等。手工夹紧、上箱自重法和压铁法多用于中小件，螺栓锁紧法主要用于中大型砂箱的小批量生产中。因此本砂箱设计为螺栓锁紧法。1.7 其他要求在砂箱上增加一些附属结构如下芯定位框定位孔，可方便研箱砂芯的定位，具体结构应从强度、现场配套吊具方面考虑。下芯定位框定位孔如图7（椭圆框所示）所示。10F芯定位框图7下芯定位框定位孔及使用示意图2砂箱CAE仿

9、真计算通过不同的吊装方式计算砂箱的强度及变形情况，根据结果修正砂箱模型再计算，最终确定砂箱模型。2.1 吊轴吊装单独吊运下砂箱和砂型时，如图8所示标记的吊轴，前后两端共4处，砂型重9.35t（不含砂箱自重）。b）几何模型仃限元模型图8吊轴吊装受力分析2.2 单独吊运插销式吊耳单独吊运下砂箱和砂型时，如图9所示4处吊耳，吊耳内插入一个50mm的销棒吊装,砂型重9.35t（不含砂箱自重）。a）下砂箱吊耳位置拉儿何模型有限元模型图9插销式吊耳吊装受力分析2.3 整体吊运插销式吊耳整体吊装砂箱和砂型时，如图IO所示4处吊耳。吊耳内插入一个50mm的销棒用吊装，砂型、铸件和砂箱共重97.95K10几何模

10、型仃限元模型图10插销式吊耳整体吊装受力分析2.4 CAE分析结果对以上三种吊装方式进行受力计算分析，分别计算在l5g加速度和Ig加速度两种工况下的砂箱Mises应力及砂箱变形情况，得出结论：下砂箱单独吊装情况下在1.5g加速度工况下其MiSeS应力均小于材料QT500的抗拉屈服强度320MPa；砂箱整体吊装情况下，在Ig加速度工况下其Mises应力均小于材料抗拉屈服强度320MPa.在1.5g加速度工况下其Mises应力局部区域大于320MPa,除部分应力集中区域外均小于抗拉强度SOOMPa,除部分应力集中区域外最大主应力均在抗拉强度500MPa以内。将局部箱筋的厚度由40mm增加至50mm

11、,再进行受力计算分析，原应力集中部位己满足使用要求；设计砂箱的材质、吊装结构、箱壁、箱带等均符合使用要求。3砂箱铸造工艺设计3.1 工艺方案制定经过对砂箱铸件结构进行工艺性分析及结合公司生产条件，决定采用手工碱性酚醛树脂砂造型、制芯。采用地坑造型；制芯需新制木质工装；地坑浇口箱拔塞浇注，随流孕育；压火7日后，震动落砂，手工清理。3.2 工艺设计以下砂箱为例，砂箱铸件采用一箱一件工艺，整体放1%的缩尺，浇注上平面加工余量为20mm,其余未注加工余量为15mm,外型四周为活块结构，拔模斜度为2。，浇注系统示意图如图11所示。图11下砂箱工艺设计示意图3.2.1浇注时间的确定下砂箱毛坯重9300kg

12、,浇注时间按下式计算2：r三iV+三,V300VO300-U7s式中：t为浇注时间，s；m为毛坯重量，kg.3.2.2 阻流截面的确定阻流截面积应按下列公式计算3：A阻=Ilo.9cm2;式中：K为经验常数，取值范围为：1.l2.0,取值原则是小型气缸体及厚壁简单者取上限，大型气缸体及匏杂薄壁者取下限。采用封闭开放式浇注系统，各组元截面的比例为A直：A横：A内=1.21：1.0：1.19,阻流截面之前封闭，其后开放，既有利于挡渣，又使充型平稳，兼有封闭式和开放式的优点。3.2.3 浇注系统校核型内液面上升速度按照下列公式计算4：V1.=1.2cms;该浇注速度介于铸铁件要求的最大和最小上升速度

13、，可以作为适用的浇注时间。4砂箱现场使用情况铸造砂箱经过加工后投入现场使用，经验证，砂箱在造型、周转以及浇注后满载情况未Q浇注加起吊图12砂箱浇注和起吊5结论通过砂箱设计，建立了大型铸造砂箱的设计流程，保证了砂箱设计制作一次性成功率，节约了成本，保证了产品项目的顺利进行。1）大型铸造砂箱需求少，设计制作经验不足，砂箱各结构要素设计应严格按照设计手册以及各方经验等要求，可以充分保证砂箱的功能性需求。2）由于大型铸造砂箱设计制作周期长，成本高。砂箱铸件的结构设计过程中，建议进行工况CAE仿真计算，充分考虑砂箱使用过程中的强度、变形等问题，避免设计制作的反复。3）大型砂箱制作过程中，应将砂箱铸件当做

14、关键铸件，进行砂箱铸件的工艺方案论证和充分的工艺设计，保证铸件成品率。参考文献：1魏兵.铸件浇注系统阻流截面面积的确定U1.铸造技术.1981,（1）.27-33.魏兵.铸件浇注时间的确定西安铸造.1980,（1）716.李昂,吴密.铸造工艺设计技术与生产质量控制实用手册M.金版电子出版公司.中国机械工程学会铸造专业学会编.铸造手册.第5卷.铸造工艺M.机械工业出版社,1994.附参考资料：铸造砂箱的设计、选用原则、类型尺寸设计和选用砂箱的基本原则1）满足铸造工艺要求。如砂箱和模样间应有足够的吃砂量、箱带不妨碍浇冒口的安放、不严重阻碍铸件收缩等。2）尺寸和结构应符合造型机、起重设备、烘干设备的

15、要求。砂箱尺寸、形状是设计或选购造型机的主要依据。为此。大量生产中应对计划在造型线上生产的全部铸件逐一进行铸造工艺分析，以确定共用砂箱的尺寸和形状,3）有足够的强度和刚度，使用中保证不断裂或发生过大变形。4）对型砂有足够的附着力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂。为此，只在大的砂箱中才设置箱带。5）经久耐用，便于制造。6）应尽可能标准化、系列化和通用化。类型专用砂箱和通用砂箱专用砂箱：专为某一免杂或重要铸件设计的砂箱。例如卡车后桥的专用砂箱（图4.7-235）。通用砂箱：凡是模样尺寸合适的各种铸件均可使用的砂箱。多为长方形。依制造方法、造型方法、按重量和尺寸分类：砂箱按制造方法和材料分类使用特点铸钢砂箱强度高、重量轻、耐用，常用于机器造型球墨铸铁砂箱主要用于机器造型和大型砂箱，可代替铸钢砂箱铸铁砂箱应用最广，材料成本低，制造方便，强度、刚度较高铸铝砂箱轻便、材料成本高，强度低，易被铁液损伤。多用于小件脱箱造型分类使用材料铸钢球墨铸铁整铸式砂箱灰铸铁铝合金型钢钢材及铸钢焊接式砂箱烹制、仅仪以附好轻便、耐用，制造周期短，常用于单件简易临时砂箱件经加工的铸