畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書姓名：任務(wù)下達日期：年月日設(shè)計（論文）開始日期：年月日設(shè)計（論文）完成日期：年月日一、設(shè)計（論文）題目：200米鉆機回轉(zhuǎn)器設(shè)計二、專題題目：齒輪的工藝規(guī)程三、設(shè)計的目的和意義：地質(zhì)勘探是利用鉆探設(shè)備來探明地下地質(zhì)構(gòu)造、尋找地下油氣礦藏的一種有效的地球物理勘探方法。為有效進行探采，改進原有不足，對新型200米鉆機進行設(shè)計。設(shè)計的成功將有效改觀現(xiàn)有的鉆探設(shè)備，提高效率和改進鉆探工藝。四、設(shè)計（論文）主要內(nèi)容：（1）200米液壓鉆機的總體設(shè)計包括個技術(shù)指標(biāo)的確定；(2)回轉(zhuǎn)器的詳細設(shè)計包括個零件的設(shè)計強度較核；(3)進給油缸的設(shè)計計算；（4）液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算五、設(shè)計目標(biāo)：利用所學(xué)專業(yè)知識，熟悉掌握鉆機的結(jié)構(gòu)及工作原理，創(chuàng)新、改進傳統(tǒng)已有的鉆機，使其結(jié)構(gòu)組成達到最優(yōu)化、操作更加便捷、應(yīng)用更加廣泛。得到預(yù)定的設(shè)計目標(biāo)，具有強大的市場力。六、進度計劃：（1）1-3周畢業(yè)實習(xí)初步了解設(shè)計題目，上網(wǎng)、看書查找資料，收索相關(guān)資料，記錄要注意的細節(jié)。（2）4-6周鉆機整體傳統(tǒng)系統(tǒng)的計算；各軸的輸出輸入的設(shè)計計算；回轉(zhuǎn)器傳動計算；各齒輪立軸的設(shè)計較核計算。（3）7-12周圖的繪制包括液壓卡盤總裝配圖；回轉(zhuǎn)器總裝圖；本體零件圖；鉆機總裝圖等。（4）13-14周軸的工藝編制；外文資料的翻譯。（5）15周CAD圖輸出、準(zhǔn)備答辯七、參考文獻資料：1．甘永寧主編幾何量公差與測量上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社20012．李喜橋主編加工工藝學(xué)北京：北京航空航天出版社20033．孫德音主編機械加工工藝基礎(chǔ)北京：機械工藝出版社20014．孫明主編機械工程基礎(chǔ)（上中下）黑龍江：黑龍江人民出版社20005．濮良貴紀(jì)名剛主編機械設(shè)計北京：高等教育出版社20016．夏延棟主編液壓傳動的密封與密封裝置北京：機械工業(yè)出版社19827．徐博滋陳鐵鳴韓永春編帶傳動北京：化學(xué)工業(yè)出版社19808．洛陽軸承研究所編滾動軸承產(chǎn)品樣本北京：機械工業(yè)出版社20009．地質(zhì)局《巖心鉆探知識》編寫組巖心鉆探知識北京：地質(zhì)出版社197310．齒輪國家標(biāo)準(zhǔn)匯編北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社199211．仙波正莊著齒輪強度計算姜永等譯北京：化學(xué)工業(yè)出版社198512．吳宗澤主編機械零件習(xí)題集北京：高等教育出版社198713．陳隆德主編互換性與測量技術(shù)基礎(chǔ)大連理工大學(xué)出版社198814．龔桂義編機械設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書（2版）北京：高等教育出版社199015．李繼慶主編機械設(shè)計北京：高等教育出版社198916．邱宣懷主編機械設(shè)計北京：高等教育出版社1988目錄TOC\o"1-3"\u摘要 以下圖所示的齒輪加工為例說明齒輪的工藝規(guī)程：（1），零件技術(shù)要求的分析：=1\*GB3①齒頂圓對孔軸線有公差0.05mm的徑向圓跳動要求.=2\*GB3②兩端面對孔軸線分別有公差0.015mm和0.02mm的端面跳動要求.=3\*GB3③鍵槽兩側(cè)面對孔軸線有公差為0.01mm的對稱度要求.（2）,毛坯的選擇該齒輪的材料為40Cr,齒輪的孔和外圓直徑較大,批量為單間小批生產(chǎn),毛坯應(yīng)鍛件.鍛件毛坯圖如下所示:（3）,定位基準(zhǔn)的選擇為保證齒頂圓對孔軸線的徑向圓跳動要求和大端面對孔軸線的端面圓跳動要求,加工時,在一次裝夾中完成內(nèi)孔大端外圓和大端面的加工，再以大端面為基準(zhǔn)磨出小端面，以保證小端面對內(nèi)孔的端面圓跳動要求．（４），加工方法的選擇兩端面表面粗糙度Ra值為１.６um，內(nèi)孔表面粗糙度Ra值為０.８um，需粗車――半精車――粗磨．大外圓和小外圓表面粗糙度Ra值分別為３.２um和6.3um，用粗車――半精車即可達到．鍵槽Ra的值為３.２um，用插削加工，粗插之后再半精插．齒面Ra的值為０.８um，可采用插齒或滾齒之后進行磨齒，這樣既能保證表面粗糙度Ra的要求，又可保證精度等級的要求．（５），加工順序的安排=1\*GB3①各外圓，端面．內(nèi)孔粗車之后，進行調(diào)質(zhì)處理，然后再進行半精車，精車．其中大外圓，大端面和內(nèi)孔在一次裝夾中完成，因此以大端面為定位基準(zhǔn)，磨削小端面，以保證位置精度．=2\*GB3②插齒之后，進行齒端倒圓，然后對齒面進行高頻淬火．=3\*GB3③磨內(nèi)孔之后，采用心軸裝夾磨齒．=4\*GB3④插鍵槽之后，去毛刺．=5\*GB3⑤機械加工完畢后，最終要進行檢驗．5.齒輪機械加工工藝過程卡片工序號工種工序內(nèi)容加工簡圖夾具設(shè)備１下料２鍛鍛造毛坯３熱正火４車安裝Ⅰ：粗車大端面見平，粗車大外圓至,粗鏜孔至安裝Ⅱ:調(diào)頭安裝,粗車小端至,粗車小端外圓至,粗車臺階端面,使大端外圓長22.6mm 三爪自定心卡盤臥式車床５熱調(diào)質(zhì)處理保證220~240HBS６車安裝Ⅰ:半精車小端面,保證尺寸34.3,半精車小端外圓至,倒兩處外角C2,C1,內(nèi)角C1安裝Ⅱ:調(diào)頭安裝,半精車,精車大端面,使總長為,半精車大外圓至,半精鏜孔至,倒內(nèi)角C1三爪自定心卡盤臥式車床７磨磨小端面,使總長為54±0.10電磁吸盤平面磨床８齒插齒,給齒厚留磨削余量0.2mm心軸插齒機９齒齒端倒圓心軸齒輪倒角機１０熱齒面高頻淬火,保證50~55HRC１１磨磨內(nèi)孔到圖樣規(guī)定尺寸分度圓卡具內(nèi)圓磨床１２齒磨齒錐度心軸磨齒機１３鉗劃鍵槽加工線１４插插鍵槽到圖樣規(guī)定尺寸壓板螺栓插床１５鉗尖角去毛刺１６檢按圖樣要求檢驗附錄1蠟?zāi)＞_成型在澆注中的實驗性研究摘要：澆注是經(jīng)常用于從犧牲模型中生產(chǎn)全功能的標(biāo)準(zhǔn)部件，這些模型（標(biāo)準(zhǔn)）可以用特殊的快速原形技術(shù)如立體圖或者三維尺寸印刷技術(shù)來制造。當(dāng)要求復(fù)合的多樣功能的模型時，制造蠟?zāi)１徊捎糜谶^度時期的工具。這個研究工作的目的是為了決定判斷出準(zhǔn)確細致和精確的蠟?zāi)Ｉa(chǎn)用于若干模型工具中。線性收縮常常在決定其精度上起著作用，蠟?zāi)踩雲(yún)?shù)常用于低壓噴入造型.蠟?zāi)３３Ｓ糜谏a(chǎn)聚氨脂和矽樹脂橡膠工具。從這兩種相似的工具中他將展示出模型的精確度.可知,蠟?zāi)９ぞ呱a(chǎn)的產(chǎn)品模型有較高的收縮比這些有聚氨脂工具生產(chǎn)的產(chǎn)品。自然模型尺寸收縮分別是矽樹脂為3.44±0.40%而聚氨脂為1.70±0.60%。另外受壓制的尺寸收縮分別為在矽樹脂工具的應(yīng)用中是2.20±0.20%，在聚氨脂工具中的應(yīng)用為1.40±0.20%。關(guān)鍵字：澆注蠟?zāi)３叽缇冉榻B澆注模型能制造用快速模型技術(shù)能提供大多數(shù)成型輪廓，一些復(fù)雜的輪廓成型在選擇材料上有一些限制。然而當(dāng)要求需要多功能的模型部件時，這中過程成為太昂貴和使用蠟?zāi)Ｗ鳛檫^度工具派上用場。多步驟的模型過程是易于被錯誤地計算介紹通過每一個時期，Mor-wod.etal。[1]分析在澆注上的自始至終的錯誤累積過程，可以清晰的指示出最大的變化是被介紹通過在蠟?zāi)５拇蟪叽绲淖兓小沧⑹潜徽J為是一種多精度的鑄造過程在一系列的成型設(shè)計尺寸中，但是，有食品儲藏室改進了在鑄造中的尺寸精度。通常采用的公差的是±0.5%[3]，但是更嚴(yán)格的公差可以被實現(xiàn)在特定的環(huán)境中，為了增加提高澆注成型的形狀和尺寸精度，澆注過程需要更好更明白和更顯著的提升改進。模型典型的制造方式是將流動的蠟液澆入進一個印模里，使蠟液在印模里凝固，在更深的冷卻之后，將形成的蠟?zāi)挠∧Ｖ腥〕觥Ｏ災(zāi)＞鹊挠绊懸蛩赜校合災(zāi)２牧?，澆注參?shù)（包括壓力，溫度，支持時間，冷卻率）以及模型的幾何形狀。模型幾何形狀的影響使特別困難的在預(yù)測引起尺寸的改變的原因使蠟?zāi)Ｄ?。幾何形狀的影響的一些現(xiàn)象，以及強加在收縮模型上的當(dāng)?shù)氐睦鋮s率喝當(dāng)時的限制條件，這樣導(dǎo)致一些復(fù)雜的不同收縮現(xiàn)象在模型上，可能影響蠟?zāi)沧⒌淖罱K尺寸的是澆注過程中的澆注參數(shù)。最近研究發(fā)現(xiàn)最大的澆鑄影響因素是澆注過程的時期包括澆注時間、填充時間、和支持時間。這項工作的目標(biāo)是決定蠟?zāi)＞壬a(chǎn)在寶石澆注擠壓的應(yīng)用，聚氨脂和矽樹脂橡膠過程工具是頻繁使用在快速模型中。經(jīng)過選擇的尺寸線性收縮過去常用于決定精度，這項研究的目的不是全部的研究在蠟?zāi)沧⒌恼麄€領(lǐng)域。相反地，這僅僅打算用藍圖提供鑄造品這些過程的參數(shù)值在澆注中在最大尺寸上的模型精度。一件寶石的澆注擠壓常用來生產(chǎn)蠟?zāi)?，機器的高壓力澆注是十分困難的通常應(yīng)用于工藝上。試驗性結(jié)論2.1樣品機構(gòu)的測試和測量圖1，展示了生產(chǎn)的測試樣品等結(jié)構(gòu)。在選擇這個結(jié)構(gòu)模型時，下列因素時被考慮的：該模型應(yīng)該反映出鑄件的平均壁厚在昆士蘭制造協(xié)會（QMI）模型應(yīng)該考慮管理和測量，約束收縮和無約束收縮應(yīng)該要呈現(xiàn)自身的特色。尺寸考慮的因素指示在圖2中，這些尺寸的計算是從相關(guān)點的坐標(biāo)得來得，如圖3中所示。坐標(biāo)與測量使用的是坐標(biāo)測量儀（CMM）僅僅尺寸4是約束尺寸其他尺寸作為無約束尺寸來考慮對待。然而，在模型中出現(xiàn)收縮缺乏導(dǎo)致與收縮發(fā)生沖突，因而把這些尺寸作為特殊約束尺寸。2.2蠟?zāi)５膭?chuàng)建在圖1`中展示的立體圖模型是用于生產(chǎn)聚氨脂和矽樹脂橡膠工具（RTV）聚氨脂橡膠工具是用EbltaSG310和鋁粉來作為填充物制造的，其比率在1中是1：3.5參數(shù)的配置能改變寶石的澆注壓力。參數(shù)包括澆注溫度，澆注壓力，模型預(yù)熱和在模型中的占用時間。相對于工業(yè)澆注壓力，澆注壓力在這些事件中涉及的是溶蠟通過孔進入印模中的壓力。在這個系統(tǒng)中當(dāng)充滿印模后壓力應(yīng)該被取消。這些試驗是采用獨特的澆注液和蠟使用QMI。表格1展示的是試驗進程和考慮合格的標(biāo)準(zhǔn)值，模型預(yù)熱使試驗在整個過程中保證40度，在印模中，主模的中心被填完時（對稱點）。參照試驗圖表，設(shè)置了24個測量點，每個蠟塊包括26個尺寸，聚集在每一個工件中。蠟?zāi)５南嚓P(guān)尺寸的易變是由生產(chǎn)他們的印模的實際尺寸來決定的。印模的實際尺寸是決定使用檢查在圖3中有所展現(xiàn)。在印模和蠟?zāi)Ｖg呈現(xiàn)的不同是比率的相對改變，并不是尺寸改變而表示的收縮。表格1澆注蠟?zāi)＿^程參數(shù)值臘式樣數(shù)字澆注壓力(kPa)澆注溫度（℃）占用時間（分）12076562138656369656434.565652076586138658769658834.565892076510101386510116965181234.56510132077061413870615697061634.5706172077081813870819697082034.5708212077010221387010236970102435.770103結(jié)果和論證測量數(shù)目是太大而不能在無規(guī)律的組成中被描述，為了統(tǒng)一和分析有意義的結(jié)果，數(shù)據(jù)經(jīng)過觀測分析判斷基本上分為以下幾組：存在由兩個方向的收縮，X方向（沿著字母H的手臂方向）和Y方向（見圖3所示）第三個方向，字母H的厚度方向，是沒有被測量的。存在兩種類型的幾何圖樣特點，這兩種類型為約束和非約束收縮。收縮的程度可以依據(jù)幾何形狀的不同定義了X和Y坐標(biāo)來協(xié)助表示如圖3所示。收縮的程度可以依據(jù)于模型的尺寸大小。有5個基本尺寸，100mm（尺寸標(biāo)注為20，21和25，26）70mm（尺寸標(biāo)注為4）20mm（圖中標(biāo)注為22.23.和24）15mm（圖中標(biāo)注為1－13除了4）尺寸14和19不是在收縮模型中直接測量的，他們是模型變形的測量依據(jù)是澆注參數(shù)。舉個例子說明，澆注占用時期將決定模型自由收縮的時間。過長的澆注占用時期意味著蠟液的完全凝固，通過印模約束了收縮時間。這個變形的意義為從點17到20和25到28的垂直位置中字母H方向的角度偏差。如圖3所示。第一組（G—Ⅰ）由標(biāo)注4組成，僅僅是收縮中的一個方向的約束。這收縮是在X方向被認為是過大的。經(jīng)歷這個形狀的保持收縮，由于在蠟?zāi)：陀∧１砻鎯烧唛g的摩擦受到不約束和特殊約束，根據(jù)這樣我們劃分為以下三這組，G—Ⅱ組包括標(biāo)注20，21，25和26，是過大的在Y方向上的收縮。G—Ⅲ組包括標(biāo)注22，23和24，是過小的在Y方向的收縮（20mm）。G—Ⅳ組包括標(biāo)注1到13除了4，是小的在 X方向上的收縮。最后在描述其變形時分為了5組，事實上，除去第一組，剩下的被考慮的每一個點都是對稱的。在每一組里面收縮的平均值是采用比較兩種工具生產(chǎn)蠟?zāi)５牟煌Y(jié)果。表格2展示了這些不同的結(jié)果，首先，聚氨脂和矽樹脂工具的生產(chǎn)收縮的不同的變化展示在I到Ⅳ組，他們角度的改變不同變化在Ⅴ組，變化值用±％來表示評定的標(biāo)準(zhǔn)誤差。矽樹脂工具生產(chǎn)的模型有過大的扭曲變形導(dǎo)致了較大的收縮比用聚氨酯工具生產(chǎn)的模型。第一組和第二組表示的是在全約束或特殊約束下表現(xiàn)出來的收縮是較小的比第三組和第四組在無約束條件的展示出來的收縮。對于這兩種工具，在全約束和特殊約束下展示出來的收縮平均值在標(biāo)準(zhǔn)誤差下是符合公差允許的。約束和非約束的尺寸收縮是非常不同的且是特別顯著的在應(yīng)用矽樹脂工具時。同時表現(xiàn)出來的現(xiàn)象是采用矽樹脂工具產(chǎn)生的變化是采用聚氨酯工具的變化的兩倍還大。在第四組和第五組表現(xiàn)出來的大的平均偏差相對于標(biāo)準(zhǔn)誤差是進行了平均的結(jié)果。這種忽視事情的進程在他們之間相同改變易變的各種各樣的數(shù)值，他們的收縮情況可能依據(jù)于他們之間的相對位置關(guān)系和大小。采用逐步回歸的復(fù)原分析方法可以解釋出出現(xiàn)在這之間的進程參數(shù)和收縮情況在這每一個組成的團體中。P1=-0.0195Ti-0.27P+0.0041TiP+0.032HP-0.00048TiHP標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.11％S1=-0.0352Ti+0.000132HP標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.12％P2=-0.34Ti+0.04H*H+2.7H-6P+0.0042Ti*Ti-0.031Tih標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.15％S2=-0.0043P+0.000021P*P+0.000109XY*Y-0.0093Ti㏒(XY)標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.17％P3=-1.5標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.46％S3=-3.46標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.26％P4=-2.1XY+0.00033XY*Y-0.025XY-0.125H-5.5H*H標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.62％S4=-0.0243Ti+0.00033XY*Y-6.22H-0.01365H*H標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.41％P5=0.00834Ti-0.0087XY+0.0000667XY*Y-0.00129H*H標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.95％S5=0.0043XY+0.57㏒(H)-0.081㏒(XY)-0.000683P-0.0493H標(biāo)準(zhǔn)誤差＝±0.121°在這里的數(shù)值中P和S分別指示的是在使用聚氨酯和矽樹脂工具工作試驗是展示出來的收縮百分比。下標(biāo)數(shù)字表示的是不同的組別團體的代號，舉例來說P1指第一組即G-I組中與聚氨酯有關(guān)的數(shù)值，Ti是指在澆注時注入的溫度（℃）,H是指在其過程中占用的時間（分），P是指在澆注注入時的壓強（kPa），XY是來自方向的與方向X或Y的距離（m）并且時與標(biāo)準(zhǔn)誤差的比較的平均估計值，表示為預(yù)測的收縮標(biāo)準(zhǔn)的誤差值或是角度的扭曲的誤差值。這些統(tǒng)計分析的細節(jié)是不被提供的，把這些有用的相等的條件限制在QMI的鑄造練習(xí)和使用于特別的幾何測試部分，在這里他們的重要性通過這兩種工具來展現(xiàn)是非常明顯的。同時有計劃的約束誤差的估算表示了改進了的收縮超出了簡單的平均值。在G-I組里面，對于這兩種工具約束包括了最有影響的蠟液溫度Ti注入壓力P和占用時間H，收縮的精度值兩者類似的差了差不多兩倍，（±0.20相對于±0.11）增加提高蠟液的溫度將增加收縮率，同時占用時間和注入壓力將相對減少。表格2每一組的平均測量值組別矽樹脂工具聚氨脂工具方向包含大小G-Ⅰ-2.20±0.18％-1.30±0.21％X70mm(FC)G-Ⅱ-2.10±0.27％-1.46±0.24％Y100mm(PC)G-Ⅲ-3.43±0.26％-1.50±0.46％Y20mm(U)G-Ⅳ-3.44±0.57％-1.93±0.74％X15mm(U)G-Ⅴ0.68±0.15°0.31±0.15°注：FC－全約束，PC－部分約束，U－無約束在特殊的約束條件下的事例，G－Ⅱ組那聚氨酯工具表現(xiàn)了相似的附屬關(guān)系和G－I組的全約束條件下差不多，同時矽樹脂工具生產(chǎn)的結(jié)果表示了增加約束依賴于位置的特點與占用時間沒有直接的關(guān)系。尺寸特點的坐標(biāo)與冷卻率有關(guān)系，可給出蠟?zāi)５哪厅c，在這里沒有直接測量，坐標(biāo)點可能是隱式的將給出重新計算點。G－Ⅲ組和G－Ⅳ組表示出來的尺寸是在無約束條件下產(chǎn)生的。這里聚氨酯和矽樹脂工具表現(xiàn)的不同變得更加明顯。聚氨酯工具展示出來的約束依據(jù)于占用時間和坐標(biāo)位置。矽樹脂表現(xiàn)出來的收縮主要式注入的蠟液溫度Ti。這些不同可以歸納于兩者的熱的傳導(dǎo)率的不同而引起的。在這兩種情況下的收縮精度的評價中，沒有增加回歸分析上的重要性，事實上在G－Ⅲ組的事例中，沒有相關(guān)的數(shù)值可以能評價這兩者的不同，這說明還有另外一些重要的因素、條件沒有被考慮在內(nèi)，或者在這次試驗生產(chǎn)一些其他的條件沒有盡到足夠的精確測量。占用時間H和（XY）的坐標(biāo)位置關(guān)系有著顯著的影響在扭曲變形上，此外在聚氨酯作為生產(chǎn)工具時，蠟液的溫度Ti也能顯著的影響改變其扭曲變形。回歸復(fù)原分析法給出了有價值的結(jié)論，僅僅在約束和特殊約束的尺寸條件下，對于其他更多的尺寸情況，通過強烈的相互關(guān)系作用能決定這兩者的約束或變形以及過程參數(shù)。沒有完全準(zhǔn)備好的特定數(shù)量關(guān)系作為收縮的傳導(dǎo)類似于誤差的傳導(dǎo)，這些能從標(biāo)準(zhǔn)誤差中看出來。標(biāo)準(zhǔn)誤差沒有顯著提高當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)誤差通過簡單的平均比較后，然而這些數(shù)值給出了怎樣控制收縮和約束變形過程參數(shù)的前景。結(jié)論:約束和特殊約束尺寸，在平均上來說，在用矽樹脂工具中收縮了-2.20±0.20％，在用聚氨酯工具中收縮了-1.40±0.20％。無約束尺寸在平均上來說，收縮了-3.44±0.40％和-1.70±0.60％分別對于矽樹脂和聚氨酯工具。蠟?zāi)５呐で冃问褂梦鶚渲瑫r兩倍多比使用聚氨酯工具。蠟?zāi)５臏?zhǔn)確度被定義是通過對標(biāo)準(zhǔn)誤差的評價從兩種類似的工具中。在他們的試驗中使用聚氨酯帶來的效益是高于使用矽樹脂工具的。蠟?zāi)５氖湛s使用矽樹脂是要考慮更多的因素比使用聚氨酯，可能是因為他們的冷卻率不同的緣故。大體說來大的收縮率導(dǎo)致難于控制其尺寸。收縮尺寸的選擇能被簡化，當(dāng)然有更好的顯示，那就是通過在進程中對相互關(guān)系的參數(shù)控制，同時采用已開發(fā)的回歸復(fù)原方程分析法來解決。類似地，蠟?zāi)５呐で冃我矊⒈伙@示和控制。無約束尺寸展示出兩倍的易變性比約束尺寸。感謝作者非常感謝鑄造合作中心（CAST）提供的經(jīng)濟支持，同時，特別感謝由QMI的鑄造基礎(chǔ)部的全體員工的大力支持。附錄2ExperimentalstudiesontheaccuracyofwaxpatternsusedininvestmentcastingAbstract:Investmentcastingisoftenusedtoproducefullyfunctionalprototypecomponentsfromsacrificialpatterns.Thesepatternsmaybemadeusingspecializedrapidprototypingtechniquessuchasstereolithographyorthree-dimensionalprinting.Whenmultiplefunctionalprototypesarerequired,interimtoolsformakingwaxpatternsareemployed.Theobjectiveofthisresearchworkwastodeterminetheprecisionandaccuracyofwaxpatternsproducedusingseveralprototypetools.Linearcontractionwasusedtodeterminetheaccuracyasafunctionofthewaxinjectionparametersusedinlow-pressureinjectionmoulding.Waxpatternswereproducedusingpolyurethaneandsiliconerubbertools.Ithasbeenshownthattheaccuracyofpatternsfrombothtoolsissimilar.However,siliconetoolsproducepatternswithmuchhighercontractionthanthoseproducedbypolyurethanetools.Unconstrainedpatternsdimensionscontractedasmuchas3.44±0.40percentand1.70±0.60percentforsiliconeandpolyurethanetoolsrespectively.Theconstraineddimensionscontractedby2.20±0.20percentinthecaseofsiliconetoolsand1.40±0.20percentinthecaseofpolyurethanetools.Keywords:investmentcasting,waxpattern,dimensionalaccuracy1INTRODUCTIONPatternsforinvestmentcastingcanbemadeusingrapidprototypingtechniquesthatcanprovideshapesofalmostanycomplexitybutinalimitedchoiceofmaterials.However,whenmultiplefunctionalprototypecomponentsarerequired,thisprocessbecomestooexpensiveandinterimtoolsforwaxpatternproductionareusuallyutilized.Themulti-stepprototypingprocessispronetoerroraccumulationintroducedbyeachofthestages.Mor-woodetal[1]analysestheerrorpropagationthrough-outtheinvestmentcastingprocessandclearlyindicatedthatthebiggestvariabilityisintroducedbyhighdimensionalvariabilityofwaxpatterns.Investmentcastingisconsideredtobeoneofthemoreaccuratecastingprocessesintermsofshapeanddimensions[2].Nonethelessthereisstillroomforimprovementinthedimensionalaccuracyofcastings.Generaltolerancesquotedare±0.5percent[3],buttightertolerancesmaybeachievedincertaincircumstances.Toincreasetheshapeanddimensionalaccuracyofinvestmentcastprototypes,theinvestmentcastingprocessneedstobebetterunderstoodandimprovedsignificantly[4].Patternsaretypicallymadebyinjectingliquidwaxintoadie.Thewaxsoldiersinthedieandthenfurthercoolsafteritisremovedfromthedie.Theaccuracyofthewaxpatternisininfluencedbythewaxmaterial,injectionparameters(pressure,temperature,holdingtime,coolingrates)andthepatterngeometry.Theinfluenceofthepatterngeometryisespeciallydifficulttocaptureinpredictingdimensionalchangescausedbywaxsolicitation,thegeometryinfluencessuchphenomenaaslocalcoolingrateandlocalconstraintsimposedontheshrinkingpattern.Thisleadstoacomplexnon-uniformshrinkingofthepattern[3].Itispossibletoaffectthefinaldimensionsofthewaxwiththeinjectionprocessparameters.Previousstudieshavefoundthemostimportantfactortobetheprocessingtimes(injection,packingandholdingtimes)[5].Theaimofthisworkwastodeterminetheaccuracyofwaxpatternsproducedusingajeweler’sinjectionpressandpolyurethaneandsiliconerubberinterimtoolsthatarefrequentlyusedIrapidprototyping.Linearcontractionofselecteddimensionswasusedtodeterminetheaccuracy.Thepurposeofthisstudywasnotthoroughlytoresearchtheentiretopicofwaxinjection.Rather,itwasintendedtoprovidethefoundrywithablueprintastowhatprocessparametervaluesgivethemostdimensionallyaccuratepatternsforinvestmentcasting.Ajeweler’sinjectionpresswasusedtoproducewaspatterns,quitedifferentfromthehigh-pressureinjectionmachinesthataremorecommonlyusedinindustry.2EXPERIMENTALMETHODOLOGY2.1TestspecimendesignandmeasurementsFigure1showsthedesignofthetestspecimensproduced.Thefollowingfactorshavebeenconsideredinchoosingthisdesign:ThepatternshouldreflecttheaveragewallthicknessofcastingsmadeatQueenslandManufacturingInstitute(QMI).Patternhandlingandmeasurementshouldbeeasy.Featureswithconstrainedandunconstrainedshrinkageshouldbepresent.ThedimensionsconsideredweredesignatedasshowninFig.2.Thesedimensionswerecalculatedfromthecoordinatesofreferencepoints,showninFig.3,measuredusingacoordinatemeasuringmachine(CMM).Dimension4istheonlyconstraineddimension,whiletheothersaretreatedasunconstrained.However,lackoftapersinthepatternleadstofrictionduringshrinkage,andhenceclassifiesthesedimensionsaspartiallyconstrained.2.2CreationofwaxpatternsAstereolithographypatternofthepolyurethaneandthesiliconerubber(RTV)tool.ThepolyurethanetoolwasmadefromEbaltaSG130withaluminumpowderasthefiller,inaratioof1:1:3.5.Arangeofparameterscanbealteredonthejeweler’sinjectionpress.Theseareinjectiontemperature,injectionpressure,mouldpreheatandholdingtimeinthemould.Incontrasttoindustrialinjectionpresses,injectionpressureinthiscasereferstothepressureforcingmoltenwaxthroughtheorificeandintothemould.Pressureisremovedfromthesystemafterfillingofthemould.TheseexperimentsarespecifictotheinjectionmachineandthewaxusedattheQMI.Table1showsthesequenceofexperimentsandthevaluesoftheprocessparametersconsidered.Mouldpreheatwaskeptconstantat40°throughthecentreofthespecimen(pointofsymmetry).Followingthisexperimentalplan,24setsofmeasurements,eachcontaining26waxpatterndimensions,werecollectedfromeachtool.Thedimensionalvariabilityofthewaxpatternswasdeterminedwithreferencetotheactualdimensionsofthemouldsusedtoproducethem.ThedimensionsofthemouldsweredeterminedusingtheinspectionplanfromFig.3.thedifferencebetweenthemouldandthewaxpatternwaspresentedaspercentagerelativechange.Negativedimensionalchangeindicatedshrinkage.3RESULTSANDDISCUSSIONThenumberofmeasurementswastoolargetopresentdatainrawform.Tofacilitateanalysisandconsolidateresultsintomeaningfuloutcomes,thedateweredividedintoseveralgroupsbasedonthefollowingobservations:Twodirectionsofshrinkingexist,theXdirection(alongtheconnectingarmoftheletterH)andtheYdirection(seeFig.3).Thethirddirection,thethicknessoftheletterHwasnotmeasured.Twotypesofgeometricalfeatureexist,thosewithconstrainedandthosewithunconstrainedshrinkage,ThedegreeofshrinkagemaydependonthepositionofthegeometricalfeatureasdefinedbyXandYcoordinatesandexpressedinmillimeters(seeFig.3).Thedegreeofshrinkagemaydependonthesizeofthefeature.Therearebasicallyfivesizes:100mm(features20,21,25and26),70mm(features4),20mm(features22,23an24)and15mm(features1to13excludingfeature4).Dimensions14to19arenotdirectmeasurementsofpatternshrinkage.Theyareameasureofthepatterndistortionwhichmaydependstronglyontheinjectionparameters.Forexample,theholdingtimewilldeterminethefractionofthetimeduringwhichthewaxpatternisfreelyshrinking.Averylongholdingtimemeansthatthewaxpatternfullysolidifieswhileatalltimesbeingconstrainedbythemould.ThedistortionwasdefinedasangulardeviationofthearmsoftheletterHfromtheverticalpositionatmeasurementpoints17to20and25to28,asshowninFig.3.Thefirstgroup(G-I)consistsoffeature4,whichistheonlydimensionthatisfullyconstrainedwhileshrinking.ItshrinksintheXdirectionandisconsideredtobelarge.Theremainingfeaturesthatundergoshrinkageareunconstrainedorpartiallyconstrainedowingtofrictionbetweenthewaxandmouldsurfaces.Thesecanbefurtherdividedintothreegroups:1.GroupG-IIconsistsoffeatures20,21,25and26,whichshrinkintheYdirectionandarelarge.2.GroupG-IIIconsistsoffeatures22,23and24,whichshrinkintheYdirectionandaresmall(20mm).3.GroupG-IVconsistsoffeatures1to13,excludingfeature4,whichshrinkintheXdirectionandaresmall(15mm).Finally,thereisthefifthgroup(G-V)whichdescribesthedistortion.Inallcases,apartfromgroupG-I,thepositionofeachfeaturewithregardtothepointofsymmetryisalsoconsidered.Theaveragecontractionwithineachgroupwasdeterminedtoallowcomparisonofthetwotoolsusedtoproducewaxpatterns.Table2showstheresults,thefirstentryforthesiliconandpolyurethanetoolsindicatingthedimensionalchange(G-ItoG-IV)orangulardeviation(G-V)with±representingtheestimatedstandarderror.Thesiliconetoolproducedmoreheavilydistortedpatternsandcausedgreatercontractionthanthepoly-urethanetool.GroupsG-IandG-IIrepresentfeaturesthatareconstrainedorpartiallyconstrainedandshowlesscontractionthangroupsG-IIIandG-IVwhichfreelycontract.Forbothtools,theaveragecontractionofconstrainedandpartiallyconstrainedfeaturesisequalwithinthetolerancedefinedbythestandarderrors.Thedifferencebetweenconstrainedandunconstraineddimensionsisespeciallypronouncedinthecaseofthesiliconetool.Itisalsoapparentthatdistortionwhenemployingthesiliconetoolistwiceasgreatasthatinthecaseofthepolyurethanetool.LargedeviationsfromaveragevaluesindicatedbythestandarderrorwithingroupsG-IVandG-Varetheresultofaveraging.Thisdisregardsthefactthatprocessvariablesbetweenpatternsvariedconsiderablyandthatcontractionmaydependonfeaturerelativepositionandsize.Regressionanalysisrevealedthefollowingdependencesbetweenprocessparametersandthecon-tractionwithineachofthegroups:P1=-0.0195Ti-0.27P+0.0041TiP+0.032HP-0.00048TiHPstandarderror＝±0.11％S1=-0.0352Ti+0.000132HPstandarderror＝±0.12％P2=-0.34Ti+0.04H*H+2.7H-6P+0.0042Ti*Ti-0.031Tihstandarderror＝±0.15％S2=-0.0043P+0.000021P*P+0.000109XY*Y-0.0093Ti㏒(XY)standarderror＝±0.17％P3=-1.5standarderror＝±0.46％S3=-3.46standarderror＝±0.26％P4=-2.1XY+0.00033XY*Y-0.025XY-0.125H-5.5H*Hstandarderror＝±0.62％S4=-0.0243Ti+0.00033XY*Y-6.22H-0.01365H*Hstandarderror＝±0.41％P5=0.00834Ti-0.0087XY+0.0000667XY*Y-0.00129H*Hstandarderror＝±0.95％S5=0.0043XY+0.57㏒(H)-0.081㏒(XY)-0.000683P-0.0493Hstandarderror＝±0.121°wherePandSdenotethelinearpercentagecontractionforthepolyurethaneandsiliconetoolrespectivelyandthesubscriptnumbersindicatetherelevantgroup,i.e.P1relatestopolyurethanegroupG-I,Tiisthewaxtemperatureatthetimeofinjection(8C),Histheholdingtime(min),Pistheinjectionpressure(kPa),XYisthedistanceindirectionXorYfromtheorigin(m)andstandarderroristheestimateoftheaveragestandarderrorforthepredictedcontractionorangulardistortion.Thedetailsofthestatisticalanalysisarenotprovided,astheusefulnessoftheseequationsislimitedtoQMI’sfoundrypracticesandtheparticulargeometryofthetestpart.Theirimportancehereliesinshowingwhichprocessparametersarethemostinfluentialwithineachgroupandforeachtool.Atthesametimetheestimatedstandarderrorofthecalculatedcontractionindicatestheimprovementinshrinkageestimationoversimpleaveraging.WithingroupG-I,forbothtools,contractionisinfluencedbywaxtemperatureTi,injectionpressurePandholdingtimeH.Theaccuracyofapproximationofthecontractionisalmostdoubled(±0.20asagainst±0.11).Theincreaseinwaxtemperaturewillincreasetheshrink-age,whileholdingtimeandpressurewilldecreaseit.Inthecaseofthepartiallyconstrainedfeatures,groupG-II,thepolyurethanetoolexhibitssimilardependencesasingroupG-I(fullyconstrained),whilethesiliconetoolproducesresultsindicatingthatcontractionadditionallydependsonthepositionoffeatureswithnoconnectiontotheholdingtime.Thecoordinatesofthedimensionsofthefeaturecanbelinkedtocoolingrateatagivenpointofthesolidifyingwaxpattern.Thishasnotbeenmeasureddirectly,andthecoordinatesofthefeaturemayimplicitlyaccountforthis,giventhattheconditionsarerepeatable.GroupsG-IIIandG-IVrepresentdimensionsthatshrinkwithoutconstraint.There,thedifferencesbetweenthesiliconeandpolyurethanetoolsbecomemoreapparent.Thepolyurethanetoolshowsthatcontractiondependsonholdingtimeandthefeaturecoordinates.Thesiliconetoolshowsthatthecontractionisadditionallyinfluencedbythetemperatureofthewax,Ti.Thesedifferencescanbeattributedtothedifferencesinheatconductivity.Inbothcasestheaccuracyofestimationofcontractiondidnotimprovesignificantlywiththeimplementationofregressionanalysis.Infact,inthecaseofgroupG-III,norelationshipscouldbeestablishedforthetwocases.Thisindicatesthatsomeother,possiblymoreinfluential,elementshavenotbeenconsidered,oreitherthemeasurementsarenotaccurateorrepeatabilityoftheexperimentalprocedurewasnotgoodenough.TheholdingtimeHandthepositionofthefeature(XY)hassignificantimpactonthedistortion.Addition-ally,inthecaseofthepolyurethanetool,waxtemperatureTisignificantlyalteredthedistortion.Theregressionanalysisgaveworthyresultsonlyinthecaseofconstrainedandpartiallyconstraineddimensions.Inallothercases,althoughastrongcorrelationwasdeterminedbetweenthecontractionordistortionandtheprocessparameters,thesewerenotreallyviableinquantitativetermsasthespreadofthecontractionwassimilartothespreadoftheerrors.Thiscanbeseenfromthestandarderrors,whichdidnotimprovesignificantlywhencomparedwithstandarderrorsattainedthroughsimpleaveraging.Nonetheless,theseequationsgaveaninsightintohowtheprocessparametersaffectthecontractionanddistortion.4CONCLUSIONSTheconstrainedandpartiallyconstraineddimensions,onaverage,shrinkby-2.20±0.20percentinthecaseofsiliconetoolsand-1.40±0.20percentinthecaseofpolyurethanetools.Unconstraineddimensions,onaverage,contractby-3:44±0:40percentand-1:70±0:60percentforsiliconeandpolyurethanetoolsrespectively.Thedistortionofwaxpatternsmad