大型轉(zhuǎn)缸鑄鋼件的鑄造工藝的設(shè)計(jì)與優(yōu)化畢業(yè)論文

1、 . PAGE31 / NUMPAGES36工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)系 ：材料科學(xué)與工程專(zhuān) 業(yè)： 材料成型與控制 專(zhuān)業(yè)方向： 液態(tài)成型與控制 題 目： 大型轉(zhuǎn)缸鑄鋼件的鑄造 工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化 畢業(yè)論文中文摘要 題 目: 大型轉(zhuǎn)缸鑄鋼件的鑄造工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化摘要：論文以20Mn轉(zhuǎn)缸鑄件為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用CAD/CAE進(jìn)行了20Mn轉(zhuǎn)缸的鑄造工藝設(shè)計(jì)，以與充型凝固過(guò)程的模擬，最后得到最優(yōu)的鑄造工藝方案。在鑄造工藝設(shè)計(jì)部分，首先利用UG6.0 對(duì)轉(zhuǎn)缸零件進(jìn)行三維造型，利用此造型出的零件進(jìn)行澆注位置、分型面、砂芯設(shè)計(jì)等工作，接著根據(jù)模數(shù)理論，用UG6.0的切割功能和分析功能對(duì)鑄件進(jìn)行分體結(jié)構(gòu)劃分，然后用E

2、xcel計(jì)算分體結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、體積、面積、模數(shù)等，最后按照計(jì)算結(jié)果用UG6.0設(shè)計(jì)了三維20Mn轉(zhuǎn)缸鑄件鑄造工藝。上述工作充分體現(xiàn)了CAD在設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率上均具有傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。在模擬優(yōu)化部分（CAE），用SOLIDCast對(duì)鑄造工藝進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)化。根據(jù)鑄件有無(wú)冒口共設(shè)計(jì)了兩種方案，通過(guò)對(duì)這兩種方案的模擬結(jié)果中流場(chǎng)、溫度場(chǎng)以與縮孔縮松比率的比較得出，加冒口的方案縮孔縮松缺陷完全消除，定為最佳優(yōu)化方案。關(guān)鍵詞： 20Mn轉(zhuǎn)缸鑄件 CAD、CAE設(shè)計(jì) 鑄造工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化 畢業(yè)論文外文摘要Title:The casting process design and optimizatio

3、n of the large turn cylinder of cast steelAbstract:In the paper, the CAD/CAE method was used to design the foundry technology, and optimize the foundry technology, then an optimized casting process was proposed. In CAD section, the 3D model of the 20Mn Turn Cylinder casting was firstly created by UG

4、 software. it was used to determine the casting orientation, parting line, core designing, etc. Then based on modulus theory, then 20Mn Turn Cylinder casting was divided into several components by the cut-off function and analysis function in UG software. Afterwards，the mass, Volume, Cooling surface

5、 area, modulus，were calculated by Excel software. Finally, according to these parameters,the foundry technology of the 20Mn Turn Cylinder casting was designed by UG6.0. The above design procedure fully shows the advantages of CAD method in aspects of design efficiency and design precision comparing

6、with the traditional method of foundry technology design.In CAE part, foundry technologies were evaluated and optimized by SOLIDCast software. Two foundry technology were designed, and one is with riser,another is riserless. Based on the comparison of the filling process, solidification process, and

7、 shrinkage porosity prediction, it is obvious that the design with the riser head can eliminate all the defect of the shrinkage.Keywords： 20Mn Turn cylinderCAD/CAE designCasting technological design and optimization目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc263842837第一章 緒論1HYPERLINK l _Toc2638428381.1 課題目標(biāo)；鑄

8、件簡(jiǎn)介2HYPERLINK l _Toc2638428391.2 文獻(xiàn)綜述4HYPERLINK l _Toc2638428401.3 論文的研究目標(biāo)，容與方法4HYPERLINK l _Toc263842841第二章 研究理論基礎(chǔ)和條件4HYPERLINK l _Toc2638428422.1 基本工藝基礎(chǔ)4HYPERLINK l _Toc2638428432.2 硬件設(shè)備5HYPERLINK l _Toc2638428442.3 軟件5HYPERLINK l _Toc263842845第三章鑄造工藝設(shè)計(jì)6HYPERLINK l _Toc2638428463.1造型關(guān)鍵方法6HYPERLINK

9、 l _Toc2638428483.2 澆注位置7HYPERLINK l _Toc2638428493.3 分型面83.4 砂芯的設(shè)93.5 冒口與冷鐵 103.6澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)153.7 初始鑄造工藝17鑄造工藝的數(shù)值模擬優(yōu)化184.1 SOLIDCast簡(jiǎn)介和運(yùn)用184.2 初始鑄造工藝方案的模擬204.3 初始鑄造工藝方案缺陷的分析224.4 初始鑄造工藝方案的優(yōu)化234.5 優(yōu)化后的鑄造工藝方案的模擬24第五章 結(jié)論29結(jié)論29參考文獻(xiàn)30感31第一章 緒論1.1 課題目標(biāo)鑄件簡(jiǎn)介和要求本課題鑄件為20Mn轉(zhuǎn)缸，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷主要為澆不足、冷隔、縮孔和縮松、裂紋與粘砂等，

10、尤其在薄壁高大鑄件中產(chǎn)生的縮孔縮松缺陷最為嚴(yán)重。本論文中主要對(duì)該鑄件中出現(xiàn)的缺陷現(xiàn)象進(jìn)行原因分析。在設(shè)計(jì)過(guò)程中以模數(shù)法和澳贊公式為基礎(chǔ)，UG為設(shè)計(jì)工具最后用CAE軟件分析其流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，進(jìn)而作出判斷。然后提出相應(yīng)的優(yōu)化工藝，并通過(guò)CAE方法反復(fù)檢驗(yàn)得到最佳工藝。如圖1-1所示，該鑄件為高大薄壁鑄件，底部最大半徑為1230mm，頂部最大半徑為1120mm，底部中間有較大熱節(jié)，外部為薄壁套筒狀，最小壁厚為40mm，中間熱結(jié)部分與外部通過(guò)三個(gè)加強(qiáng)筋相連。底部均勻分布著六個(gè)用于吊起鑄件的吊鉤，吊鉤上都有一個(gè)用于吊起鑄件的半徑為41mm的孔。鑄件頂部均勻分布著六個(gè)用于連接零件用的半徑為55.8mm的孔，

11、底部在對(duì)稱部位分布著四個(gè)同樣用于連接用的半徑為32mm的孔，根據(jù)單件、小批量生產(chǎn)鑄鋼的最小鑄出孔直徑為50mm，這些孔均為鑄出孔。中間部分為該鑄件的厚大部位，最大壁厚830mm，高度為532 mm。熱結(jié)頂部有寬度為64mm，深度為10mm的溝槽。中間有倒錐型的孔，其頂部半徑為205mm，底部半徑為171.8mm，中間部分凹入2.0mm。熱結(jié)頂部和外壁處分別有六個(gè)M14和M30的螺紋孔，該螺紋孔均為后期機(jī)械加工孔，在鑄造時(shí)均不鑄出。圖1-1 鑄件平面圖1.2 文獻(xiàn)簡(jiǎn)述文獻(xiàn)1中作者運(yùn)用數(shù)值模擬軟件ViewCast對(duì)大型鑄鋼件的凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到了鑄造過(guò)程之中的缺陷與產(chǎn)生缺陷的地點(diǎn)，

12、根據(jù)此結(jié)果做出相應(yīng)正確的鑄造工藝。再進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，得到最優(yōu)的工藝方案，最終應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，取到很好的效果。文獻(xiàn)2中著重分析了鑄件的長(zhǎng)、重、部質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)制定了以下方案：（1）在鑄件外部加冷鐵和附加冒口，以實(shí)現(xiàn)鑄件的順序凝固；（2）在造型方面采用實(shí)樣模型、樹(shù)脂砂制作型、芯，保證鑄件尺寸與表面精度，減少了氣孔、砂眼等鑄造缺陷；為防止出現(xiàn)澆不足，采用了電弧爐、LF 鋼包精煉爐聯(lián)合冶煉的澆注措施。最終獲得較好的效果。文獻(xiàn)3詳細(xì)的分析了大型鑄鋼件在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的縮松、縮孔、氣孔、偏析、冷裂和熱裂、白點(diǎn)等缺陷，并分析了產(chǎn)生該缺陷的原因和解決的措施。對(duì)鑄鋼件生產(chǎn)工藝的改進(jìn)、質(zhì)量的提高以

13、與檢測(cè)水平的提高起到一定的作用。文獻(xiàn)4根據(jù)該鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特點(diǎn)、技術(shù)要求等，對(duì)鑄鋼托輪進(jìn)行合理的鑄造工藝設(shè)計(jì)，并運(yùn)用利用 Z-Cast 軟件對(duì)鑄鋼托輪凝固過(guò)程模擬，依據(jù)模擬結(jié)果對(duì)原工藝加以改進(jìn)，最終獲得了優(yōu)質(zhì)的大型鑄鋼托輪件。文獻(xiàn)5同樣運(yùn)用ViewCast模擬軟件進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)。首先根據(jù)模擬的結(jié)果找出熱結(jié)大小與位置，進(jìn)而計(jì)算出冒口尺寸和數(shù)目。然后進(jìn)行凝固模擬，根據(jù)結(jié)果找出最優(yōu)的工藝方案。文獻(xiàn)6中主要介紹了我國(guó)鑄件尤其是大型鑄件生產(chǎn)的現(xiàn)狀以與與外國(guó)企業(yè)的差距。文章同時(shí)詳細(xì)說(shuō)明了大型鑄鋼件生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，例如鑄造工藝技術(shù)，熱處理技術(shù)以與數(shù)值模擬技術(shù)等，尤其是計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬近年來(lái)在我國(guó)飛速發(fā)

14、展和運(yùn)用。文獻(xiàn)7中主要對(duì)我國(guó)的中國(guó)人民抗日戰(zhàn)爭(zhēng)紀(jì)念群雕、天壇大佛、中華世紀(jì)壇青銅甬道、千年吉祥鐘等大型藝術(shù)鑄件的工藝進(jìn)行了詳細(xì)的分析。文獻(xiàn)8針對(duì)與大型礦山機(jī)械上機(jī)架類(lèi)似結(jié)構(gòu)的鑄件生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)中存在模具活料較多、法蘭尺寸難以控制、起模困難等普遍問(wèn)題，提出了創(chuàng)新的解決辦法，并成功應(yīng)用。文獻(xiàn)9針對(duì)熱軋2 250 mm熱軋薄板機(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易產(chǎn)生縮孔、疏松、裂紋等鑄造缺陷的工藝技術(shù)難點(diǎn)，并利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)研究了鑄造工藝的合理性，保證了2 250 mm熱軋薄板機(jī)架的鑄造成功。文獻(xiàn)10針對(duì)大型立柱類(lèi)鑄件、主軸箱體和尾座體箱體類(lèi)鑄件質(zhì)量改進(jìn)等對(duì)大型數(shù)控機(jī)床制定了可行的工藝方案，并通過(guò)數(shù)值模擬解決了大型鑄件

15、的缺陷。文獻(xiàn)11中根據(jù)大型箱體球鐵件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，介紹了鑄件的造型工藝、澆注系統(tǒng)與工藝參數(shù)等的設(shè)定與選擇。最后通過(guò)CAE模擬軟件進(jìn)行模擬，進(jìn)一步改善了工藝方案，提高了工藝出品率。文獻(xiàn)12根據(jù)20t鑄鋼件的市場(chǎng)需求與質(zhì)量要求，結(jié)合廣鋼電爐煉鋼廠自身生產(chǎn)條件與設(shè)備，制定了合適的工藝生產(chǎn)方案，提高了公司的收益。文獻(xiàn)13利用 Procast 軟件對(duì) 42CrMo 大型軸承環(huán)件的砂型鑄造工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了凝固過(guò)程和產(chǎn)生缺陷的原因。根據(jù)模擬結(jié)果改變并優(yōu)化了工藝方案，消除了縮松、縮孔等缺陷。文獻(xiàn)14詳細(xì)敘述了對(duì)厚壁高錳鋼耐磨鑄件的制造工藝要求，通過(guò)合理的成分選擇、鑄造澆注工藝、結(jié)合熱處理強(qiáng)化措施，以達(dá)

16、到高錳鋼鑄件的抗沖擊耐磨的特性。最終使生產(chǎn)的高錳鋼鑄件在實(shí)際使用中獲得了良好的耐磨性能。文獻(xiàn)15主要介紹了華鑄CAE鑄造工藝分析軟件在鐵路大型養(yǎng)路機(jī)械中的應(yīng)用。通過(guò)具體鑄件的生產(chǎn)試驗(yàn)，成功預(yù)測(cè)了鑄造缺陷，采取優(yōu)化澆注系統(tǒng)與補(bǔ)縮系統(tǒng)等工藝方案優(yōu)化后，消除了縮孔、裂紋等鑄造缺陷。1.3 論文研究目標(biāo)、研究容和方法 研究目標(biāo)：本課題對(duì)20Mn轉(zhuǎn)鋼鑄件進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)以與計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，包括UG6.0、SOLIDCast，最后找出最佳的工藝方案。 研究容和方法具體如下： （1）運(yùn)用UG6.0軟件對(duì)轉(zhuǎn)缸鑄件進(jìn)行三維造型。 （2）選定20Mn轉(zhuǎn)鋼體的鑄造工藝方案，并進(jìn)行論證。包括確定鑄造工藝參數(shù)、 確定澆

17、注位置以與分型面和分模面等的確定。 （3）利用UG6.0軟件，將零件轉(zhuǎn)化為鑄件圖。 （4）然后進(jìn)行澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，冒口、冷鐵等的設(shè)計(jì)。 （5）利用SOLIDCast軟件進(jìn)行澆鑄模擬，并觀察鑄件流場(chǎng)、溫度場(chǎng)，分析存在的缺陷，并最終確定最佳工藝方案。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD/CAE技術(shù)憑借設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)成本低、設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)在制造領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。本課題以UG6.0軟件為工具對(duì)20Mn轉(zhuǎn)鋼的實(shí)體化進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，同時(shí)用Excel表格作為輔助工具并用SOLIDCcast軟件進(jìn)行澆鑄模擬，最終找到最優(yōu)的鑄造工藝方案。第二章 研究理論基礎(chǔ)和條件2.1 基本工藝?yán)碚?模數(shù)法 基本原理：遵

18、守順序凝固的基本條件。首先，冒口的凝固時(shí)間Tr應(yīng)該大于鑄件被補(bǔ)縮部位的凝固時(shí)間Tc。運(yùn)用Chvorinov公式有Tr=(Mr/Kr)2和Tc=（Mc/Kc)2，于是得：(Mr/Kr)2 Tc=（Mc/Kc)2式中 Mr、Mc分別為冒口模數(shù)和鑄件模數(shù)；Kr、Kc冒口、鑄件的凝固系數(shù)對(duì)于普通冒口，Kr=Kc，因而上式可以寫(xiě)成：Mr=f Mc式中 f冒口的安全系數(shù)，f1。一般取安全系數(shù)f=1.2。其次，冒口必須能提供足夠的金屬液，以補(bǔ)償鑄件和冒口在凝固完畢前的體收縮和因型壁移動(dòng)而擴(kuò)大的容積，使縮孔不致伸入鑄件，為滿足此條件應(yīng)有（V c+V r）+VV r 式中 V c、V r、V鑄型體積、冒口體積和

19、因型壁移動(dòng)而擴(kuò)大的體積；金屬?gòu)臐沧⑼瓿傻侥掏戤叺捏w積收縮率；冒口的補(bǔ)縮效率。2.2 硬件設(shè)備在數(shù)值擬部分應(yīng)用SOLIDcast軟件對(duì)鑄件進(jìn)行數(shù)值模擬，應(yīng)用SOLIDcast工作站進(jìn)行模擬，其計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備具體如下：電腦配置為CPU: 2.83GHz；安裝存（RAM）：4.00GB(3.50GB可用)；32位操作系統(tǒng)；硬盤(pán)：500GB。2.3 軟件 在本次課題設(shè)計(jì)中運(yùn)用的模擬軟件為SOLIDCast。它是世界最流行的基于PC的鑄造工藝設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化軟件，其材料庫(kù)中包含了上百種合金材料與其熱物理參數(shù)?？梢阅M灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鑄鋼、鋁、銅、鎂、鎳等大部分常見(jiàn)合金材料的鑄造工藝。 SOLIDCa

20、st提供了一套成熟的澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計(jì)向?qū)?。有了它鑄造工程師幾分鐘就能完成一個(gè)新產(chǎn)品的工藝設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)向?qū)Щ谡鎸?shí)鑄造過(guò)程的模擬結(jié)果，綜合考慮了鑄件材料、造型材料和其他輔助工藝措施，而不是依靠簡(jiǎn)單幾何的估算。目前為止沒(méi)有比它更精確的工藝設(shè)計(jì)方法了。在SOLIDCast基礎(chǔ)上FSI公司開(kāi)發(fā)了專(zhuān)業(yè)流場(chǎng)計(jì)算模塊FLOWCast，用于模擬液態(tài)金屬經(jīng)過(guò)澆注系統(tǒng)進(jìn)入型腔的狀態(tài)。FLOWCast通過(guò)模擬型腔中的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射，分析鑄件與澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì),預(yù)測(cè)與流動(dòng)相關(guān)的如澆不足、氧化夾渣、夾雜、高速流體造成的沖砂等缺陷。 使用SOLIDCast建模（或者導(dǎo)入3D模型）并劃分網(wǎng)格，直接調(diào)用FLOWcast即可模

21、擬液態(tài)金屬的充型過(guò)程。其結(jié)果也可以直接用于SOLIDCast中，以模擬鑄件隨后的凝固過(guò)程。這兩個(gè)模塊結(jié)合起來(lái)就成為一個(gè)完美的模擬系統(tǒng)，設(shè)置非常簡(jiǎn)單、易學(xué)易用。 第三章 鑄造工藝設(shè)計(jì)3.1 轉(zhuǎn)缸鑄件三維造型的關(guān)鍵方法圖3-1是鑄件的三維造型圖，從大體上看，該鑄件相對(duì)比較對(duì)稱，大部分可采取拉伸和回轉(zhuǎn)的方法進(jìn)行造型。圖中1為鑄件中間部位，該部分空間上是對(duì)稱的，可以在X-O-Z面上做出草圖，再將該草圖以Z軸為對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)；在加強(qiáng)筋部分，同樣可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)的方法得到整個(gè)加強(qiáng)筋，再畫(huà)出需要去除的部分，二者做布爾求差運(yùn)算即可以得到加強(qiáng)筋；圖中2為鑄件的空腔部位，在這部分造型時(shí)先完成空腔部位的造型，再完成鑄件頂部

22、的造型，二者做布爾求差運(yùn)算即可完成該部分空腔的造型；圖中3為鑄件的外壁，該外壁為鑄件的最小壁厚，外形對(duì)稱，同樣可以在X-O-Z面上繪出草圖，再將該草圖以Z軸為對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)即可完成；圖中4為鑄件與底座相交的圓環(huán)，該部分造型時(shí)，可以首先建立基準(zhǔn)平面，并在基準(zhǔn)平面上繪制草圖，通過(guò)草薙的拉伸可以完成該部分的造型。也可以通過(guò)直接造型完成該部分的造型，首先在指定位置直接造出圓柱體，經(jīng)過(guò)布爾求差完成該部分的造型；圖中5為鑄件的底座，該部分造型柱主要是草圖的拉伸，首先做出基準(zhǔn)平面，在基準(zhǔn)平面上繪制出該部分的草圖，再將草圖拉伸即可得到該部分的造型；圖中6為鑄件的吊鉤部分，該部分同樣應(yīng)用草圖拉伸完成造型，首先在底座

23、上部平面做出該部分的一部分草圖，將草圖拉伸可得到部分造型，再將這部分完成的造型做鏡像即可得到全部的造型,；圖中7為鑄件孔，在該部分造型中，可以直接做出圓柱再和底座做布爾求差運(yùn)算即可得到該部分的造型，該鑄件所有的孔均可以通過(guò)該方法完成造型。也可以通過(guò)草圖拉伸、布爾求差運(yùn)算完成該部分造型?？傮w而言，該鑄件形狀中等復(fù)雜，造型比較簡(jiǎn)單。123457圖 3-1 鑄件三維造型圖63.2 澆注位置圖3-2 水平澆注 澆注位置的確定是鑄造工藝設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的一環(huán)，關(guān)系到鑄件的質(zhì)量的好壞、鑄件的尺寸精度的高低以與造型工藝過(guò)程的難易，因此往往須制訂出幾種方案加以分析、對(duì)比，擇優(yōu)選用。實(shí)際生產(chǎn)中的澆注位置通常分為水

24、平澆注、垂直澆注和傾斜澆注。圖3-2 垂直向上澆注圖3-4垂直向下澆注 以上三種澆注位置是20Mn轉(zhuǎn)缸的較為合理的三種澆注位置。同時(shí)考慮本鑄件尺寸比較大，才用手工造型的方法，水平澆注將會(huì)出現(xiàn)無(wú)法取模的現(xiàn)象；而且該鑄鋼件的大熱結(jié)位于鑄件底部，垂直向下更有利于冒口的安放以與更有利于順序凝固的實(shí)現(xiàn)。綜上，該鑄件最終選為垂直向下的澆注位置為最佳澆注位置。3.3 分型面的確定 分型面是指兩半鑄型的相互接觸的表面，分型面一般在確定澆注位置后再選擇。但分析各種分型面方案的優(yōu)劣之后，可能需要重新調(diào)整澆注位置。生產(chǎn)中，澆注位置和分型面有時(shí)是同時(shí)確定的。分型面的優(yōu)略，在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、成本和生產(chǎn)率。

25、應(yīng)仔細(xì)分析、對(duì)比，慎重考慮。所以，根據(jù)以上原則結(jié)合該鑄件尺寸、結(jié)構(gòu)以與手工造型時(shí)的具體砂箱的有效高度，同時(shí)也利于下芯等，所以將其分為四箱造型，分別為上箱、第二箱、第三箱和下箱。具體的分型面如圖3-5所示。分型面上箱第二箱第三箱下箱圖 3-5 分型面的選擇3.4 砂芯 砂芯的功能是形成鑄件的腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的部分，有時(shí)也用砂芯。砂芯應(yīng)滿足下列要求：砂芯的形狀、尺寸以與在砂型中的位置應(yīng)符合鑄件的要求，具有足夠的強(qiáng)度和剛度，在鑄件形成過(guò)程中砂芯所產(chǎn)生的氣體能夠與時(shí)的排除型外，鑄件收縮時(shí)阻力小和容易清砂。 1號(hào)垂直砂芯根據(jù)該鑄件形狀分析得：該鑄件需要放入三個(gè)砂芯，具

26、體砂芯形狀與類(lèi)型如圖3-6所示：1號(hào)垂直砂芯2號(hào)預(yù)埋砂芯3號(hào)水平砂芯圖 3-6 砂芯圖3.5 冒口與冷鐵的設(shè)計(jì)1、冒口的設(shè)計(jì) 根據(jù)該鑄件的形狀，最大熱節(jié)在鑄件頂部中間處，該部位也是該鑄件最后凝固的區(qū)域，該部分為鑄件首先需要補(bǔ)縮的地方。根據(jù)模數(shù)法可以利用UG6.0將鑄件切割成幾個(gè)不同的補(bǔ)縮部位，運(yùn)用UG6.0的分析體功能準(zhǔn)確算出補(bǔ)縮部位的模數(shù)，進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)。 20Mn轉(zhuǎn)鋼的幾何模數(shù)可按下式計(jì)算： Mc=V/S式中Mc鑄件的幾何模數(shù)， V鑄件的體積， S鑄件的散熱表面積將鑄件的數(shù)據(jù)帶入上式計(jì)算出鑄件的幾何模數(shù)： 圖3-7 整體鑄件體積V=1400589828mm3散熱表面積S=36502368.7

27、mm2質(zhì)量11TMc=3.84cm根據(jù)鑄件的形狀，利用UG6.O可以講抓緊劃分為幾個(gè)不同的補(bǔ)縮區(qū)域如下：體積V=749494715.6mm3散熱面積S=9675980mm3質(zhì)量5853.4KgMc=7.75cm分體一體積V=169748569.3mm3散熱面積S=5253504mm3質(zhì)量1330KgMc=3.23cm 分體二體積V=135698781.2mm3散熱面積S=7138513mm3質(zhì)量1060KgMc=1.90cm 分體三圖3-8 補(bǔ)縮區(qū)域的劃分體積V=332020299.1mm3散熱面積S=16394085.4mm3質(zhì)量2593KgMc=2.02cm 分體四由于澆注位置選擇在垂直向

28、下澆注，分割體一適合添加冒口，而三四均為薄壁體，凝固較快，所以分割體二很容易被這些凝固較早的部位分開(kāi)，從而是分割體四產(chǎn)生縮孔縮松。為實(shí)現(xiàn)從下往上的順序凝固，分割體二處應(yīng)該加入冷鐵。冒口的確定根據(jù)分割體一的形狀，首先選用的形狀為易割隨形腰型頂冒口。根據(jù)模數(shù)法： Mr=f M c其中 f=1.2，Mc=7.75；所以Mr=1.2*7.75=9.30cm圖3-9為冒口的俯視圖，其中R1=775mm，R2=345mm，R3=215mm。而割片厚度和補(bǔ)縮截面尺寸可用下式計(jì)算：b=0.56Mcd0=2.34McMn=0.59Mc式中，d0補(bǔ)縮徑的直徑（cm） b割片厚度（cm）R1 Mn補(bǔ)縮徑的模數(shù)（cm

29、） Mc鑄件的模數(shù)（cm）R2所以有：b=4.34cm， d0=18cm， Mn=4.34cm。R3圖3-9 冒口俯視圖 二、冷鐵的設(shè)計(jì)鑄鋼件的外冷鐵一般用高碳鋼制造，冷鐵面要光潔，無(wú)氧化鐵層和油垢，而且與鑄件接觸面平滑或圓滑，無(wú)氣孔后縮凹。根據(jù)鑄造手冊(cè)16，鑄鋼件的外冷鐵的壁厚=(0.30.8)T，所以可取外冷鐵的壁厚為鑄件壁厚的0.8倍。根據(jù)轉(zhuǎn)鋼鑄件需要加冷鐵的下部位為環(huán)形結(jié)構(gòu)，故將冷鐵設(shè)計(jì)為隨形冷鐵，環(huán)繞在鑄件外圍，已達(dá)到使鑄件從下往上實(shí)現(xiàn)順序凝固。具體冷鐵形狀如圖3-7所示。圖3-7 冷鐵3-6 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬進(jìn)入型腔的通道之總稱，它由澆口杯、直澆道、直澆道窩、

30、橫澆道和澆道等部分組成。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確與否對(duì)鑄件品質(zhì)影響很大，鑄件廢品中約有30是因澆注系統(tǒng)不當(dāng)引起的。根據(jù)該轉(zhuǎn)鋼薄壁高大的特點(diǎn)，澆注系統(tǒng)應(yīng)選為階梯式澆注系統(tǒng)。但綜合考慮鑄件的形狀特點(diǎn)，最終選擇為頂注式澆注系統(tǒng)，理由如下：冒口設(shè)計(jì)為頂冒口，可以將澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計(jì)在一起，減輕去除澆冒口系統(tǒng)的工作量和難度，另一方面也可以提高鑄件表面質(zhì)量。如果運(yùn)用階梯式澆注系統(tǒng)，澆道將與鑄件底部連接形成熱結(jié)，一方面增加了補(bǔ)縮的難度，另一方面不容易實(shí)現(xiàn)鑄件從下往上的順序凝固。階梯式澆注系統(tǒng)比較復(fù)雜，增加了澆注系統(tǒng)中液態(tài)金屬量，降低了工藝出品率，并且增加鑄件表面處理難度和工作量。根據(jù)鑄件形狀，可以用頂注式澆注系統(tǒng)

31、代替澆注系統(tǒng)。因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)和冒口相連，液態(tài)金屬首先進(jìn)入冒口，經(jīng)冒口頸進(jìn)入鑄件上部較大熱接處，再由加強(qiáng)筋處流入逐漸下部，這樣就很好的起到了緩流的作用。 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：鐵液消耗總重量：G鑄件毛重+澆冒口重量11270363514905kg.澆注時(shí)間計(jì)算： t=S1 1.15=96S 經(jīng)修正，取t92s。 式中 t 澆注時(shí)間，s； S1系數(shù)；鑄件最小壁厚，mm； G 鐵液消耗總重量，kg。 型金屬液面上升的速度V型= 式中 C鑄件的高度；澆注時(shí)間； 所以 V型=19.5，符合實(shí)際要求。 平均壓力頭的計(jì)算： HpH0P2/（2C）6001502/2*1650 593mm式中Hp平均壓力頭，mm； H

32、0澆口杯水平面至澆道距離，mm； P 澆道至鑄件最高點(diǎn)距離，mm； C鑄件在鑄型總高度，mm。由奧贊公式可得：S阻=式中 m流經(jīng)阻流截面積金屬的總質(zhì)量；澆入液態(tài)金屬的密度； g重力加速度；充滿型腔的時(shí)間；充滿全部型腔時(shí)，澆注系統(tǒng)阻流截面積的流量系數(shù)； Hp充滿型腔時(shí)的平均計(jì)算壓頭。帶入數(shù)據(jù)可得： S阻=105 cm2； r阻=57.8 mm； 選r阻=58 mm現(xiàn)在的澆注系統(tǒng)都可以用耐火材料燒制的管拼接而成，預(yù)先埋入砂型中，所以可以將澆道的形狀直接設(shè)計(jì)成圓形，以便于澆注系統(tǒng)的的制作。該鑄件由于設(shè)計(jì)為頂注式澆注系統(tǒng)，于是將橫澆道、直澆道、叫道均設(shè)計(jì)為圓形。具體澆注系統(tǒng)的形狀與裝配如3-8所示。

33、圖 3-8 澆注系統(tǒng)與裝配3.7 初始鑄造工藝綜上，初始的鑄造工藝為：選擇鑄件垂直向下的澆注位置；采用四箱手工造型方法；運(yùn)用模數(shù)法的工藝?yán)碚撛O(shè)計(jì)冒口，冒口設(shè)計(jì)為易割腰型冒口；為更好實(shí)現(xiàn)鑄件順序凝固，鑄件部分區(qū)域添加隨形冷鐵；應(yīng)用奧贊公式將澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為頂注式澆注系統(tǒng)。下一步運(yùn)用模擬軟件對(duì)該鑄件進(jìn)行數(shù)值模擬，查看缺陷，分析原因，改進(jìn)工藝，最終達(dá)到鑄件無(wú)缺陷、提高工藝收得率的目的。圖3-9 初始鑄造工藝圖鑄造工藝的數(shù)值模擬優(yōu)化4.1 SOLIDCast簡(jiǎn)介和運(yùn)用 SOLIDCast是一套全方位的鑄造用仿真軟件，它可以適用在一般的砂模鑄造、精密鑄造 、低壓鑄造等。它的最大優(yōu)點(diǎn)就是操作簡(jiǎn)單，模擬速度快

34、。SOLIDCast的操作步驟：將要數(shù)值模擬的鑄件工藝圖用UG6.0轉(zhuǎn)化為STL格式文件。進(jìn)入軟件頁(yè)面，首先設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)。在此需要設(shè)計(jì)文件的來(lái)源路徑和模擬結(jié)果的儲(chǔ)存路徑。新建方案，選擇鑄件的材料、澆注時(shí)間、冷卻時(shí)間等。分別導(dǎo)入鑄件、冒口等的STL文件，在澆注系統(tǒng)頂部建立進(jìn)水孔，進(jìn)水口優(yōu)先級(jí)要小于鑄件。劃分網(wǎng)格。可以根據(jù)網(wǎng)格數(shù)量和最小網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。進(jìn)行數(shù)值模擬。運(yùn)用SOLIDCast可以直接模擬鑄件的凝固，也可以先進(jìn)行充型模擬，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)為凝固模擬。 7）模擬完成后可以查看鑄件缺陷，分析缺陷，優(yōu)化工藝。圖4-1 SOLIDCast主界面圖4-3 鑄件材料的設(shè)置圖4-2 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置圖 4

35、-4 STL文件導(dǎo)入圖4-5 劃分網(wǎng)格4.2 初始鑄造工藝方案的模擬將初始鑄造工藝方案用UG6.0轉(zhuǎn)化為STL文件，分別設(shè)置鑄件、冷鐵、鑄型等的材料，再將轉(zhuǎn)化成的STL文件分別單獨(dú)導(dǎo)入SOLDCast，在澆注系統(tǒng)頂部中心處導(dǎo)入高60mm，半徑為50mm的圓柱形進(jìn)水口作為澆注時(shí)的起始位置。根據(jù)網(wǎng)格數(shù)量劃分網(wǎng)格，初步定為2000000個(gè)網(wǎng)格，鑄型材料選為Silica Sand，鑄型高度（吃砂量）設(shè)置為100mm，完成這些設(shè)置后開(kāi)啟FLOWcast進(jìn)行充型模擬，充型完畢后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)為凝固模。在凝固過(guò)程中可以看到鑄件的凝固過(guò)程，即可以看到鑄件哪里先凝固，哪里最后凝固。在凝固模擬完成后通過(guò)等值面可以查

36、看鑄件溫度場(chǎng)變化和鑄件最后的缺陷和分布。首先可以直接對(duì)初始工藝進(jìn)行凝固模擬，觀看鑄件的凝固過(guò)程分析缺陷產(chǎn)生的原因，再對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)這次論文研究的目標(biāo)。 圖 4-6 凝固開(kāi)始階段圖 4-7 凝固中期圖 4-8 凝固末期圖4-6、4-7、4-8是鑄件的凝固模擬圖，通過(guò)該圖可以清晰看出鑄件首先是底部加冷鐵的部位首先凝固；在凝固過(guò)程中，鑄件的中部薄壁處開(kāi)始凝固，致使底部熱接處將出現(xiàn)缺陷；最后冒口最后凝固。這樣就可以初步分析鑄件出現(xiàn)缺陷的地點(diǎn)，為下一步工藝的優(yōu)化提供很好的參考。4.3 初始鑄造工藝方案缺陷的分析初始工藝經(jīng)過(guò)凝固模擬后可以通過(guò)等值面數(shù)值展示查看該鑄件的缺陷所在位置與形態(tài)。可以對(duì)這

37、些缺陷出現(xiàn)的原因進(jìn)行分析，得出解決這些缺陷的方法。下面的工作要著重分析缺陷出現(xiàn)的原因，找出解決這問(wèn)題的方法，最終制定新的工藝方案，在進(jìn)行數(shù)值模擬，最終完成工藝的優(yōu)化。圖 4-9 鑄件缺陷圖通過(guò)鑄件缺陷圖可以清楚看到鑄件缺陷出現(xiàn)的位置，缺陷位置主要出現(xiàn)在底部和中部連接處，鑄件頂部的凸臺(tái)處，吊鉤頂部和分割體三的圓環(huán)處。對(duì)于鑄件底部的缺陷主要是由于在底部冷卻的過(guò)程中鑄件中部開(kāi)始凝固，而且中間凝固速度快于底部的凝固速度，致使在底部凝固完全前中部已經(jīng)完全凝固，導(dǎo)致沒(méi)有液態(tài)金屬補(bǔ)縮來(lái)源，最終導(dǎo)致鑄件底部出現(xiàn)缺陷。可以減少冷鐵數(shù)目并在底部加入側(cè)冒口對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，消除缺陷。對(duì)于鑄件頂部凸臺(tái)處，由于凸臺(tái)處的壁

38、厚大于周?chē)T件壁厚，最終導(dǎo)致該處凝固時(shí)間大于周?chē)哪虝r(shí)間，致使缺陷的出現(xiàn)。可以在四個(gè)凸臺(tái)處加入冷鐵消除缺陷。對(duì)于分割體三處的圓環(huán)處，由于圓環(huán)的壁厚大于周?chē)T件的壁厚，致使在凝固時(shí)滯后于周?chē)T件的凝固，最終沒(méi)有足夠的液量補(bǔ)縮，致使缺陷的出現(xiàn)?？梢栽跓峤Y(jié)處加冷鐵，使熱結(jié)處首先凝固，再圓環(huán)頂部安放冒口，對(duì)圓環(huán)進(jìn)行補(bǔ)縮，在圓環(huán)底部加冷鐵以增加冒口的垂直補(bǔ)縮距離。對(duì)于鑄件吊鉤處，主要是應(yīng)為加強(qiáng)筋與外壁交接處過(guò)早的凝固，堵塞了補(bǔ)縮通道，使吊夠沒(méi)有足夠的液量補(bǔ)縮，致使缺陷的出現(xiàn)?？梢酝ㄟ^(guò)在加強(qiáng)筋和外壁交接處加發(fā)熱補(bǔ)貼，保證補(bǔ)縮通道的暢通，完成補(bǔ)縮缺陷的任務(wù)。4.3 初始鑄造工藝方案的優(yōu)化根據(jù)以上分析結(jié)果，

39、對(duì)初始鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：鑄件底部加入三個(gè)側(cè)冒口，以補(bǔ)縮分割體二的縮松缺陷。仍然保留一部分冷鐵增加冒口的補(bǔ)縮距離；在鑄件頂部加強(qiáng)筋處加入六塊保溫補(bǔ)貼，保證補(bǔ)縮通道暢通；分割體三的垂直圓環(huán)頂部加入圓柱形暗冒口，并在周?chē)尤肜滂F以增加該冒口的垂直補(bǔ)縮距離；在鑄件頂部凸臺(tái)處分別加入冷鐵，使該部位首先凝固，去除缺陷。優(yōu)化后的工藝圖如4-10所示，其中綠色部分為冷鐵，黃色部分為發(fā)熱補(bǔ)貼。圖4-6 優(yōu)化后的工藝圖圖4-10 優(yōu)化后的工藝圖4.4 優(yōu)化后的鑄造工藝方案的模擬將優(yōu)化后的鑄造工藝圖用SOLIDCast進(jìn)行模擬，其流場(chǎng)為：圖4-7 澆注開(kāi)始階段圖 4-8 澆注中期圖 4-9 澆注完成通過(guò)分

40、析以上的充型過(guò)程可看出過(guò)程平穩(wěn)并且可將鑄件充填完整。也可看出澆注過(guò)程順暢，而且澆注速度、澆注時(shí)間合適，澆完之后鐵液仍保持很高的溫度，這樣澆注過(guò)程便不會(huì)對(duì)最后鑄件質(zhì)量造成不好的影響。圖 4-10 凝固開(kāi)始圖4-11 凝固過(guò)程中圖4-12 凝固中期圖 4-13 凝固完成圖4-12 凝固末期通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的鑄件的凝固模擬可以看出：鑄件底部側(cè)冒口和圓環(huán)頂冒口最后凝固，這樣就可以對(duì)鑄件底部和圓環(huán)進(jìn)行有效地補(bǔ)縮；鑄件頂部凸臺(tái)先于鑄件其他部位凝固，這樣就凸臺(tái)得到有效地補(bǔ)縮；加強(qiáng)筋處凝固時(shí)間明顯加長(zhǎng)，這樣可以有效補(bǔ)縮鑄件吊鉤部位。圖 4-13 鑄件缺陷圖圖4-13是鑄件的凝固圖，從圖中可以看出鑄件各個(gè)冒口對(duì)鑄件

41、起到了很好的補(bǔ)縮作用，鑄件整體沒(méi)有缺陷。新的工藝方案解決了所有初始方案的缺陷，制造出完美沒(méi)有缺陷的鑄件，進(jìn)而達(dá)到了這次研究的最終目的。鑄件工藝收得率=鑄件的質(zhì)量/澆注總質(zhì)量100%=10938Kg/149445Kg100% =72.9%。結(jié) 論1、在三維造型部分，充分利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行鑄造工藝的輔助設(shè)計(jì)。首先利用UG6.0三維造型軟件，按照?qǐng)D紙對(duì)鑄件進(jìn)行作圖，得到鑄件的三維圖。除此之外也充分利用了UG6.0的分析體功能，精確計(jì)算鑄件的體積和表面積，進(jìn)而得到鑄件的模數(shù)。而在工藝設(shè)計(jì)方面，需要UG6.0對(duì)澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵、補(bǔ)貼等進(jìn)行作圖，精確的繪出鑄件的初始工藝和優(yōu)化的工藝圖。2、在工藝設(shè)計(jì)部分，通過(guò)分析鑄件熱結(jié)位置，確定冒口的安放位置。應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行鑄件模數(shù)精確計(jì)算，運(yùn)用模數(shù)法對(duì)冒口進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)鑄件外形與熱結(jié)位置，將冒口設(shè)計(jì)成腰型易割冒口。根據(jù)鑄件的特殊形狀，采用頂注式澆注系統(tǒng)，