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內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計（畢業(yè)論文）
箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計及蝸輪箱體鑄造工藝分析
徐健
（內(nèi)蒙古科技大學機械工程學院 內(nèi)蒙古 包頭 014010）
摘要：大型蝸輪箱體鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，大量使用型芯做出型腔和型體。分析了型芯的設(shè)置與裝配特點，改進型芯的成分，完善裝配與支撐方式，選擇合理的工藝參數(shù)，保證了鑄件的質(zhì)量和形位公差等要求。
關(guān)鍵詞：蝸輪箱體；型芯；工藝設(shè)計
Box Structure Design and Worm Case Casting Process Analysis
Abstract：Worm castings large box complex structure，the extensive use 0f core and cavity—making body．Analysis of the core configuration and assembly features，improved core elements，improve assembly and support，choose reasonable parameters，and ensure the quality of castings and geometrical tolerance requirements，and so on．
Keywords：Worm boxes；Core；Process Design
蝸輪箱是高效濃縮機上的大型傳動結(jié)構(gòu)件，外銷產(chǎn)品。蝸輪箱體為鑄鋼件，形狀不完全對稱，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸大，壁厚不均：蝸桿孔體與主體結(jié)合處形成一半“凹”型空腔，型芯設(shè)置困難：端面法蘭與中間凹平面為過渡連接板體，內(nèi)部結(jié)構(gòu)形位公差小，鑄造過程不好掌握，鑄件質(zhì)量難以保證。通過對蝸輪箱體的結(jié)構(gòu)和鑄造工藝進行分析，找出鑄件質(zhì)量的主要影響因素，采用非常規(guī)的型芯定位與支撐方法，配合有效的工藝設(shè)計，保證了蝸輪箱體鑄件的質(zhì)量和技術(shù)要求。
l鑄件的結(jié)構(gòu)特點與工藝分析
1．l箱體的主要功能
(1)支承并包容各種傳動零件，如齒輪、軸、軸承等，使它們能夠保持正常的運動關(guān)系和運動精度。箱體還可以儲存潤滑劑，實現(xiàn)各種運動零件的潤滑。
(2)安全保護和密封作用，使箱體內(nèi)的零件不受外界環(huán)境的影響，又保護機器操作者的人生安全，并有一定的隔振、隔熱和隔音作用。
(3)使機器各部分分別由獨立的箱體組成，各成單元，便于加工、裝配、調(diào)整和修理。
(4)改善機器造型，協(xié)調(diào)機器各部分比例，使整機造型美觀。
1．2箱體的分類
按箱體的功能可分為：
(1)傳動箱體，如減速器、汽車變速箱及機床住軸箱等的箱體，主要功能是包容和支承各傳動件及其支承零件，這類箱體要求有密封性、強度和剛度。
(2)泵體和閥體，如齒輪泵的泵體，各種液壓閥的閥體，主要功能是改變液體流動方向、流量大小或改變液體壓力。這類箱體除有對前一類箱體的要求外，還要求能承受箱體內(nèi)液體的壓力。
(3)支架箱體，如機床的支座、立柱等箱體零件，要求有一定的強度、剛度和精度，這類箱體設(shè)計時要特別注意剛度和外觀造型。
按箱體的制造方法分，主要有：
(1)鑄造箱體，常用的材料是鑄鐵，有時也用鑄鋼、鑄鋁合金和鑄銅等。鑄鐵箱體的特點是結(jié)構(gòu)形狀可以較復(fù)雜，有較好的吸振性和機加工性能，常用于成批生產(chǎn)的中小型箱體。
(2)焊接箱體，由鋼板、型鋼或鑄鋼件焊接而成，結(jié)構(gòu)要求較簡單，生產(chǎn)周期較短。焊接箱體適用于單件小批量生產(chǎn)，尤其是大件箱體，采用焊接件可人大降低成本。
(3)其它箱體，如沖壓和注塑箱體，適用于大批量生產(chǎn)的小型、輕載和結(jié)構(gòu)形狀簡單的箱體。
1．3設(shè)計的主要問題和設(shè)計要求
箱體設(shè)計首先要考慮箱體內(nèi)零件的布置及與箱體外部零件的關(guān)系，如車床按兩頂尖要求等高，確定箱體的形狀和尺寸，此外還應(yīng)考慮以下問題：
(1)滿足強度和剛度要求。對受力很大的箱體零件，滿足強度是一個重要問題。但對于大多數(shù)箱體，評定性能的主要指標是剛度，因為箱體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。
(2)散熱性能和熱變形問題。箱體內(nèi)零件摩擦發(fā)熱使?jié)櫥驼扯茸兓?，影響其潤滑性能：溫度升高使箱體產(chǎn)生熱變形，尤其是溫度不均勻分布的熱變形和熱應(yīng)力，對箱體的精度和強度有很大的影響。
(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。如支點的安排、筋的布置、開孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計等均要有利于提高箱體的強度和剛度。
(4)工藝性好。包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。
(5)造型好、質(zhì)量小。
設(shè)計不同的箱體對以上的要求可能有所側(cè)重。
1．4箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計
箱體的形狀和尺寸常由箱體內(nèi)部零件及內(nèi)部零件問的相互關(guān)系來決定，決定箱體結(jié)構(gòu)尺寸和外觀造型的這一設(shè)計方法稱為“結(jié)構(gòu)包容法”，當然還應(yīng)考慮外部有關(guān)零件對箱體形狀和尺寸的要求。
箱體壁厚的設(shè)計多采用類比法，對同類產(chǎn)品進行比較，參照設(shè)計者的經(jīng)驗或設(shè)計手冊等資料提供的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定壁厚、筋板和凸臺等的布置和結(jié)構(gòu)參數(shù)。對于重要的箱體，可用計算機的有限元法計算箱體的剛度和強度，或用模型和實物進行應(yīng)力或應(yīng)變的測定，直接取得數(shù)掘或作為計算結(jié)果的校核手段。
箱體的毛坯、材料及熱處理
(1)箱體的毛坯：選用鑄造毛坯或焊接毛坯，應(yīng)根據(jù)具體條件進行全面分析決定。鑄造容易鑄造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體毛坯，焊接箱體允許有薄壁和大平面，而鑄造卻較困難實現(xiàn)薄壁和大平面。
焊接箱體一般比鑄造箱體輕，鑄造箱體的熱影響變形小，吸振能力較強，也
容易獲得較好的結(jié)構(gòu)剛度。
(2)箱體的材料和熱處理
鑄鐵
多數(shù)箱體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動性好，收縮較小，容易獲得形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強，動態(tài)剛性和機加工性能好，價格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。具體牌號查閱有關(guān)手冊。
鑄造鋁合金
用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進行強化，有足夠的強度和較好的塑性。
鋼材
鑄鋼有一定的強度，良好的塑性和韌性，較好的導(dǎo)熱性和焊接性，機加工性能也較好，但鑄造時容易氧化與熱裂。箱體也可以用低碳鋼板和型鋼焊接而成。
箱體的熱處理：
鑄造或箱體毛坯中的剩余應(yīng)力使箱體產(chǎn)生變形，為了保證箱體加工后精度的穩(wěn)定性，對箱體毛坯或粗加工后要用熱處理方法消除剩余應(yīng)力，減少變形。常用的熱處理措施有以下三類：
A)熱時效。鑄件在500～600度下退火，可以大幅度地降低或消除鑄造箱體中的剩余應(yīng)力。
B)熱沖擊時效。將鑄件快速加熱，利用其產(chǎn)生的熱應(yīng)力與鑄造剩余應(yīng)力疊加，使原有剩余應(yīng)力松弛。
c)自然時效。自然時效和振動時效可以提高鑄件的松弛剛性，使鑄件的尺寸精度穩(wěn)定。
1．5箱體結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇
(1)壁厚
鑄鐵、鑄鋼和其它材料箱體的壁厚可以從手冊中選取，公式為：N=(2L+B+H)／3000(mm)
式中L——鑄件長度(mm)，L、 B、H中，L為最大值；B鑄件寬度(m)； H——鑄件高度(mm)；
(2)加強筋
為改善箱體的剛度，尤其是箱體壁厚的剛度，常在箱壁上增設(shè)加強筋，若箱體中有中問短軸或中間支承時，常設(shè)置橫向筋板。筋板的高度H不應(yīng)超過壁厚t的(3 ~4) 倍，超過此值對提高剛度無明顯效果。
(3)孔和凸臺
箱體內(nèi)壁和外壁上位于同一軸線t的孔，從機加工角度要求，單件小批量生產(chǎn)時，應(yīng)盡可能使孔的質(zhì)量相等；成批大量生產(chǎn)時，外壁上的孔應(yīng)大于內(nèi)壁上的孔徑，這有利于刀具進入和退出。箱體壁上的開孔會降低箱體的剛度，實驗證明，剛度的降低程度與孔的面積大小成正比。
在箱壁上與孔中心線垂直的端面處附加凸臺，可以增加箱體局部的剛度；同時可以減少加工面。當凸臺直徑D與孔徑d的比值D／d≤2和凸臺高度h與壁厚t的比值L／h≤2時，剛度增加較大；比值大于2以后，效果不明顯。如因設(shè)計需要，凸臺高度加大時，為了改善凸臺的局部剛度，可在適當位置增設(shè)局部加強筋。如下圖
(4)連接和周定
箱體連接處的剛度主要是結(jié)合面的變形和位移，它包括結(jié)合面的接觸變形，連接螺釘?shù)淖冃魏瓦B接部位的局部變形。為了保證連接剛度，成注意以下幾個方向的問題：
1) 重要結(jié)合面表面粗糙度值Ra應(yīng)不大于3．2um，接觸表面粗糙度值越小，接觸剛度越好。
2)合理選擇聯(lián)結(jié)螺釘?shù)闹睆胶蛿?shù)量，保證結(jié)合面的預(yù)緊力。為了保證結(jié)合面之間的壓強，又不使螺釘直徑太大，結(jié)合面的實際接觸面積在允許范圍內(nèi)盡可能減小。
3)合理設(shè)計聯(lián)結(jié)部位的結(jié)構(gòu)
1．6蝸輪箱體鑄件的結(jié)構(gòu)特點與工藝分析
蝸輪箱體的外形尺寸中心部分為，最大寬度為2 462 mm ，凈重約2100kg，材質(zhì)為ZG310 ~570，蝸桿孔對中心線的尺寸公差為±0.130m，蝸桿孔中心線對蝸輪孔的中心線垂直度要求為0.10mm。配合表面的粗糙度為Ra6．3，要求鑄件不得有裂紋、氣孔、砂眼等缺陷。
蝸輪箱體的中心部分是回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，蝸桿裝配孔體與箱體中心軸線垂直并對稱配置在兩邊，中心回轉(zhuǎn)體的環(huán)壁結(jié)構(gòu)壁厚不均勻。蝸桿孔體在箱體厚度方向上靠上部布置，孔體與箱體的交接處形成銳角狀結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生澆不足、沖砂等缺陷。蝸桿裝配體、箱體內(nèi)腔與外部肋板結(jié)構(gòu)的形成都需要用砂芯做出：尤其是蝸桿孔體與主體結(jié)合處形成一懸支的半“凹”型空腔，型芯按照常規(guī)裝配就需要支撐在砂芯上，其定位就會受到砂芯的定位精度影響，位置精度難以保證。型芯的裝配精度也影響著蝸輪箱體的壁厚均勻以及與中心軸線的公差要求。對箱體的分析還可以看出，箱體是復(fù)雜的薄壁殼體結(jié)構(gòu)，壁厚不均，容易產(chǎn)生裂紋、澆不足等缺陷：而在箱體中心部位的結(jié)合面處厚度大，也容易產(chǎn)生縮孔、縮松。
2鑄造工藝設(shè)計與改進
2．1澆注系統(tǒng)
蝸輪箱體是大型薄壁殼體零件，為了減少澆不足、冷隔等鑄造缺陷，需要提高澆注溫度、加大冒口補縮。提高澆注溫度又增加縮孔、縮松、氣孔、夾渣、裂紋等缺陷的產(chǎn)生。通常是采用大冒口補縮，在箱體底部結(jié)合面上設(shè)置4個暗冒口和2個明冒口，對稱分布。外澆口設(shè)在砂型中心部位，用管通流鋼磚將外澆口的金屬液引入型腔。按開放式澆注系統(tǒng)設(shè)計，金屬液在澆注系統(tǒng)中的流動呈正壓、充滿狀態(tài)，保證澆注時的液流小而平穩(wěn)。
2．1．l澆道設(shè)置
蝸輪箱體基本是對稱回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，外澆口設(shè)在中心部位，采用中間注入和頂部注入復(fù)合方式。在中問凹平面處采用中間注入方式，內(nèi)澆道用鑄管磚做出；直澆道底部用一塊四通流鋼磚將金屬液向四個方向分配：在箱體上平面法蘭處采用頂部注入方式，設(shè)置兩個內(nèi)澆道，用三通流鋼磚連接。這樣的布置方式，有利于順序凝固與同時凝固相結(jié)合，使鑄件的厚大部分得到充分補縮，避免產(chǎn)生縮孔、縮松，減小鑄造應(yīng)力與變形。為了使金屬液能迅速、均勻地充滿型腔，澆道斷面之比值采用F值：F內(nèi)=l：2。而按照階梯澆注方式分層設(shè)置上下內(nèi)澆道的截面不同，取其比值F（上）：F（下）=1：1.5。根據(jù)手冊[1]給出的計算方法，鑄鋼液面的上升速度
式中：h(c)為鑄件在澆注位置的高度,mm;G(L)為鑄件質(zhì)量，kg。由于澆包個數(shù)N和包孔數(shù)n都取1，計算出液向上升速度為21．2 mm／s，符合手冊中給出的鋼液在犁腔中最小允許上升速度規(guī)定值。包孔直徑取，計算出澆注時間為35．3 s；參照鑄鋼件有效澆注時間計算公式[2]，計算出的澆注時間為39．5 s，計算值與實際澆注時間相吻合，澆注系統(tǒng)設(shè)計合理。
2．1．2冒口設(shè)計
綜合分析箱體鑄件的結(jié)構(gòu)特點和澆注要求，該箱體冒口的主要作用就是充分補縮，防止鑄件的縮孔、縮松及裂紋等缺陷。按照冒口設(shè)計的基本原則和冒口位置的選擇原則，根據(jù)有關(guān)圖表可查出冒口補縮距離。采用冒口延續(xù)度法(冒口延續(xù)度=)，取冒口延續(xù)度為35％，按設(shè)置6個等距離冒口計尊，求出冒口區(qū)與末端區(qū)長度之和為150mm，與查表得出的數(shù)值相一致。經(jīng)過分析，確定在中間凹平面位置設(shè)置4個大氣壓力腰形暗冒口，冒口尺寸長×寬×高為200 mm×120 mm×260mm，冒口出氣孔直徑，氣眼直徑。當鑄件和冒口表層結(jié)殼以后，空氣通過氣眼進入冒口，防止冒口處于負壓狀念，增加冒口剩余壓力。
在對稱垂直中心線的上法蘭面上設(shè)置2個腰形明冒口，冒口尺寸長×寬×高為200mm×120mm×300 mm，使法蘭部分能得到充分補縮;同時在上法蘭向上設(shè)置了8個出氣冒口，改善澆注時的透氣能力。
2．2造型工藝
采用三箱造型，以上下底面為分型面。中間凹平面處采用挖砂造型，在上箱中用砂胎形成下凹平面，并用流鋼磚、鑄管磚做出澆注系統(tǒng)。貼近分型面的流鋼磚要用鐵絲綁扎固定。蝸輪箱體使用了較多的型芯做出復(fù)雜內(nèi)腔、加強肋板等結(jié)構(gòu)。綜合考慮多種方案后，將型芯的定化和支撐用焊接的方法固定在砂箱上，落砂清理時用氣割切斷取出。芯砂的組成與配比應(yīng)該能夠保證型芯具有良好的退讓性、足夠的強度，并滿足透氣性要求。使用有機酯鈉水玻璃砂加適量的焦炭、鋸末配制芯砂，石英砂95．6％～97．O％(質(zhì)量分數(shù)，下同)，鈉水玻璃3．o％～4．4％，混合有機酯為鈉水玻璃的8％、12％，焦炭、鋸未加入量為石英砂的3％、5％。實踐證明，制成的型芯強度高，透氣性和退讓性符合要求，鑄件無裂紋、氣孔等缺陷。計算出冒口質(zhì)量計503．8kg，鑄件工藝出品率為80．65％。
結(jié)束語
對于大型蝸輪箱體鑄件，采用分層設(shè)置澆道，改進芯砂配比，將不易定化和支撐的型芯固定在砂箱上，合理設(shè)計冒口的布置化置和數(shù)量，掌握好澆注時問，是能夠保證箱體的鑄造質(zhì)量和公差要求的，工藝出品率達到80．65％。利用該工藝方法共生產(chǎn)了150套蝸輪箱體鑄件，全部達到產(chǎn)品技術(shù)要求。該工藝對同類大型鑄件的工藝設(shè)計和生產(chǎn)有實際應(yīng)用價值。
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