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1、材料成型与控制工程专业本科毕业论文大型铸钢圆筒件的铸造工艺设计与数值模拟摘 要本文运用传统方法完成了对铸钢圆筒件的铸造工艺方案设计，包括分型面、浇注位置的选择、砂芯、各项铸造工艺参数的确定以及浇注系统、冒口、冷铁的设计。根据铸件体积较大的特点，在铸件两侧设计了用两个内浇道同时对铸件进行浇注的浇注系统；在2个热节处安置冒口，并将冷铁配合使用来实现铸件的定向凝固。建立了铸件的三维模型，用ViewCast软件模拟了铸钢件圆筒的充型和凝固过程。模拟结果显示，在铸件靠近内浇道处会产生缩孔缩松缺陷。根据数值模拟结果并结合理论分析，使用发热材料的方法来改进工艺，经过优化设计，最大程度地消除了铸造缺陷，从而获
2、得了合适的铸造工艺方案。关键词：铸造工艺；数值模拟；设计优化 AbstractThe casting technological parameters of the Steel casting cylinder, including the parting surface, pouring position, pouting system, riser and chill were defined by using traditional methods in the paper. According to the casting characteristics of big shape, o
3、n both sides of the casting is designed with two runner which pouring the casting at the same time; calculating the volume of the riser in the hot spot, and with the use of cold iron to achieve directional solidification sequence of casting. The 3-D model of the casting was build and the simulation
4、software, ViewCast, was employed to analyze the solidification process and filling process of the casting. The simulation result indicates that the shrinkage defects formed department within the sprue .According to the simulation result the original technological parameters, using the method of exte
5、nding cold iron in the side of the cold iron, in the other side of the cold iron sets the gating system, and with the use of fever materials to the improve process, after several rounds of optimization design, the defects were eliminated to the greatest extent, obtaining the optimal technology progr
6、am eventually. Keywords： casting process; numerical simulation; design optimization目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 铸造成形加工技术的国内外发展11.1.1 国外发展状况11.1.2 国内发展情况21.2 计算机技术在铸造业的应用31.2.1 铸造模拟软件的概述31.2.2 计算机模拟的优点41.3 本文主要研究内容61.3.1主要研究内容61.3.2 拟采用的方法6第2章 大型铸钢圆筒件的传统工艺方案的设计92.1 铸件的结构特点及工艺要求92.1.1 生产条件92.1.2 主要技术要求
7、92.2 零件结构的铸造工艺性92.2.1 铸件质量对零件结构的要求92.2.2 铸造方法的选择102.2.3 分型面的选择102.3 铸造工艺设计参数112.4 砂芯设计132.4.1 砂芯形状及分盒面的选择原则132.4.2 芯头设计132.4.3 砂芯的固定和定位142.4.4 芯骨142.5 浇注系统的设计142.5.1 铸钢件浇注系统类型142.5.2 浇注系统结构尺寸的设计152.5.3 浇注系统引入位置的确定182.6 冒口的设计182.7 铸钢件冷铁的设计20第3章 铸件数值模拟及工艺的优化213.1 初始方案模拟结果与分析213.1.1 几何模型的建立213.1.2 凝固过程
8、模拟及结果分析213.2 优化方案233.2.1 工艺改进233.2.2 凝固过程模拟及结果分析243.2.3 充型过程模拟结果与分析26结 论31参考文献33致 谢35第1章 绪论铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济的发展起着重要的作用。面对市场经济和全球化竞争的挑战，要为国民经济的发展作出重要贡献，就必须十分重视包括铸造行业在内的材料成型制造业的发展。这是因为无论是传统材料还是新材料只有及时通过成型制造成为高质量工件或零部件，才能服役于国民经济各部门；材料的最终结构、性能及使用性能是通过成型制造而获得的1-3。铸造具有很多特点，与其他成形工艺相比，它不受零件毛坯的重量、尺寸和形状的限
9、制，重量从几克到几百吨，壁厚由0.3mm到1m的零件，以及形状十分复杂，用机械加工十分困难，甚至难以制得的零件，都可用铸造方法获得。铸造工艺（造型、造芯、浇注、落砂、清理及其后处理等）是铸造生产的核心，是能否生产优质铸件的关键，古今中外都把提高和发展工艺水平，视为推动行业技术进步，满足经济和社会发展需要的一个重要组成部分4。1.1 铸造成形加工技术的国内外发展1.1.1 国外发展状况1996年美国出台的下一代制造计划提出了十项关键基础技术，其中就包括先进制造工艺与装备及建模与仿真两项关键技术。美国在公布1995年联邦政府材料科学与工艺研究及开发计划时强调指出：美国经济繁荣及国家安全很大程度上依
10、赖于先进材料的研究开发与产业化。为了对付全球竞争、改善材料及相关的制备技术对国家来说是非常重要的。美国联邦政府的材料科学、工艺研究与开发计划的战略目标及美国自然科学基金会均把材料合成制备与加工成形的基本理论和模拟仿真作为优先资助领域5。由此可见，材料制备、成形加工及成形加工过程计算机模拟仿真是当今国际公认的制造科学与材料科学的重要前沿领域。美国通用及福特汽车公司均已采用消失模、精确砂型可控压力铸造及压力铸造等新一代精确成形技术来制造高性能薄壁铝合金发动机缸体。航空航天工业采用的高温合金单晶体定向凝固熔模铸造燃气轮机叶片，是精确铸造与高科技的完美结合，而消失模铸造工艺则被誉为明天的铸造技术6。总
11、之，绿色环境下的面向21世纪的铸造成形加工技术的总目标是高质量、短周期及低成本。1.1.2 国内发展情况我国的铸造技术已有6000年悠久的历史，是世界上较早掌握铸造技术的文明古国之一，2500多年以前（公元前513）就铸出270的铸铁刑鼎。我国是最早应用铸铁的国家之一，我国商朝制造的铜銊具有铁刃。据考证那时的铁刃是用陨铁锻造而成，然后镶铸上铜背。自周朝末年开始有了铸铁，铁制农具发展很快，秦汉以后，我国农田耕作大都使用了铁制农具。如耕地的犁、锄、镰、锹等，表明我国当时已具有相当先进的铸造生产水平，到宋朝时已使用铸造铁炮和铸造地雷7。我国古代铸造技术居世界前列，由于过长的封建社会影响了科学技术的发
12、展阻滞了铸造技术前进的步伐。新中国成立以来的50多年中，自20世纪50年代初至今，几乎从零开始，逐步发展到现在这样的规模，成绩是巨大的。现在铸造在我国是一个很大的行业，产量居世界第二位，达年产1000万1200万吨，已成为国家重要的基础工业之一。然而，我国铸造行业虽然已进入厂点多、产量大、门类齐全的世界铸造大国行列，但与美、日、德、法等铸造强国相比，还有相当大的差距。我国铸造生产必须走优质、高效，低耗，清洁、可持续发展的道路，才能迅速由大变强。世纪之交的技术经济特征就是高新技术发展引发知识经济的出现。知识经济的实现方式主要有两种途径：一是高新技术的产业化，二是传统产业高新技术化。我国铸造行业只
13、有实现高新技术化才能面对国内外市场的激烈竞争。从可持续发展和保护环境两方面来看，21世纪需要的将是绿色集约化铸造。通过不断吸收电子信息、材料能源、现代化管理等高新技术成果，与传统铸造技术相结合形成一批先进铸造技术。它们不仅应用于铸件开发及生产，而且也影响到组织管理、营销、售后服务等环节，正显著改变铸造行业的技术面貌，使之以崭新的形象展现在世人面前。1.2 计算机技术在铸造业的应用1.2.1 铸造模拟软件的概述计算机技术的飞速发展，已使计算机成为自电力发明以来最具生产潜力的工具。数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等技术在
14、工业领域得到了广泛的应用，并已成为各学科的技术前沿和最为活跃的研究领域8, 9。自1989年德国Aachen大学成功开发了MAGMA Soft铸造软件以来，出现了很多商业化的软件。目前发达国家都有自己的商业化模拟软件，如美国的Pro CAST、德国的MAGMA、比利时的View Cast等，并且已经与实际生产结合了起来，美国所有的汽车生产厂家及约30的铸造企业都在使用凝固模拟软件，美国铸造厂家生产的一半以上的铸件采用凝固模拟程序。日本的东北大学和大阪大学在这方面的研究具有世界先进水平，但日本铸造企业在软件的使用上落后于美国，日本全国1500家铸造企业中，只有150家应用凝固模拟软件优化铸件浇注
15、系统。凝固模拟在英国、法国、德国、瑞典和其他一些欧洲国家也得到了高度发展。表1-1列出了常用的一些铸造模拟软件。表1-1 铸造工艺模拟软件10Tab. 1-1 Simulation software of casting technique 10名 称开 发 商简 介Pro CAST美国UES公司有限元软件，可模拟铸造过程中温度场、流场、应力场，可模拟充型过程和凝固微观组织结构、应力分析、电磁场等软件提供了数据库、自动网格剖分和复杂的可视化工具，适用于各种铸造工艺设计。View Cast比利时金属加工中心铸造过程模拟辅助工艺设计商业软件，可模拟凝固过程温度场、固相分数、液态金属停止流动的时间以
16、及充型过程中的速度场等，主要用于铸造缺陷预测和浇注系统设计。续表1-1AFS Solidification System美国Finite Solutions公司三维有限差分程序，可模拟铸件的凝固过程，预测热节以及缩孔和缩松等，可进行铸造工艺优化设计。PAM-CAST/SIMULOR法国Aluminum Pechiney可模拟铸件充型和凝固过程，并能预测缩孔和疏松。MAGAMA SOFT德国Aachen大学以有限差分和有限元为基础的三维流体流动和热传导模拟软件包。可进行充型凝固过程模拟，预测缩孔、缩松等缺陷，能快速模拟复杂铸件。Cast CHECK芬兰CASTech公司三维有限差分软件，可以预测
17、缩孔缩松等缺陷。NOVACAST瑞典有限差分软件，可以模拟三维温度场和流场。SOLDIA日本小松制作所有限差分软件，可以模拟充型、传热等过程，并继承了Niyama判据。Z-CAST韩国生产技术研究院主要模块有前处理、充型凝固过程模拟、后处理及热物性数据库。预测缩孔、缩松等缺陷，能快速模拟复杂铸件。在本试验中采用的为比利时WTCM铸造中心开发的商品化软件ViewCast。View Cast是基于有限体积法，用于模拟计算铸件充型和凝固的应用软件。它能够显示充型的过程和相继的凝固过程，而且还能预测出可能产生收缩缩孔的位置。ViewCast 最大的特点就是自带冒口和浇注系统的设计计算，便于铸件缺陷的消
18、除。应用ViewCast软件铸件的优化设计流程如下表1-2所示：1.2.2 计算机模拟的优点铸造过程计算机模拟是改造传统铸造产业的必由之路，是当今世界各国专家学者关注的热点。近年来国内外相继开发出许多不同类型的铸造模拟软件，按发展过程可大致分为三代：第一代模拟软件只能用简单的模数计算方法模拟热流动，不能模拟某一时刻铸件特定区域温度变化；第二代模拟软件基于温度场计算，可以以时间为参数显示铸件的温度变化，但没考虑凝固过程液体流动和密度变化，也没考虑不同合金的凝固结晶特性；第三代模拟软件则考虑了温度场计算、凝固期间液体流动补缩、重量密度及合金显微组织的影响11。据报道采用计算机模拟技术可以缩短产品试
19、制周期40%，降低生产成本30%及提高材料利用率25%铸造工艺计算机辅助设计及铸造过程计算机模拟仿真(简称铸造CAD/CAE)涉及计算机辅助绘图、计算机辅助工艺与工装设计及充型凝固过程模拟仿真等三部分内容12-13。三维铸件模型铸件网格划分充型计算浇注系统+铸件+冒口的网格划分浇注系统的STL格式浇注系统设计解决方案凝固计算铸件+冒口的凝固计算铸件+冒口的网格划分冒口的STL格式冒口设计铸件的STL格式表1-2 铸件优化设计流程图Fig. 1-2 General layout for optimal casting design with View Cast 铸造工艺过程的计算机模拟可以优化现
20、有的生产工艺；获得可重复的产品质量，即使在原材料、工艺设备和操作者变化时也同样稳定；可以缩短设计、生产产品的周期，降低成本；实现工艺的可视化，使企业操作者和模拟工作者之间能够共同分析到最佳工艺模拟的判据标准14。通过计算机模拟可以在实际铸造前对铸件可能出现的各种缺陷发生的大小、部位及其发生的时间进行有效预报，以不断改进工艺；根据温度场的分布，有效控制凝固过程，确保铸件质量。1.3 本文主要研究内容目前发达国家在铸件工艺设计中几乎设有不采用计算机模拟的。据美国铸造联合会一项调查报告显示，使用模拟软件的成本和效益相比，在产品的试制周期上减少40，劳动力减少30，生产率提高25。专家预言，今后10年
21、内计算机模拟技术将是提高铸造业竞争力最关键的技术之一。1.3.1主要研究内容本文以大型铸钢圆筒为研究对象，利用铸造手册、铸造工艺设计等工具书进行传统工艺设计，在设计过程中，根据提供的零件图分析铸钢圆筒的铸造工艺性，并根据手册和铸件的要求选择和设计各个铸造工艺参数，然后设计浇注系统、冒口、冷铁等。在传统铸造工艺的基础上，利用三维造型软件对铸钢圆筒件及其浇注系统和冒口等进行建模，然后利用铸造过程数值模拟软件（ViewCast）对铸钢圆筒的充型、凝固过程进行数值模拟。通过分析模拟结果，预测出铸件缺陷出现的原因和位置，并以此为基础对铸造工艺进行改进，以期降低铸造缺陷对圆筒内部质量的影响，以达到优化工艺
22、方案的目的。1.3.2 拟采用的方法(1)结合工具书对传统铸造工艺设计的内容和过程进行分析，达到能在工艺设计过程中合理的选择参数和使用适当的简化算法。(2)利用简化模数法确定冒口的位置，浇注速度计算法确定浇注系统各部分尺寸。(3)利用ViewCast对铸件进行充型和凝固过程数值模拟。(4)根据模拟结果分析铸件出现缺陷的原因，设计消除缺陷的方法，并再次进行模拟，以确定改进后工艺方案是否符合要求，最后得到合理的工艺方案。第2章 大型铸钢圆筒件的传统工艺方案的设计铸造工艺设计就是根据铸造零件的结构特点、技术要求、生产批量和生产条件等，确定铸造方案和工艺参数，绘制铸造工艺图，编制工艺卡等技术的过程。铸
23、造工艺设计的有关文件，是生产 准备、管理和铸件验收的依据，并用于直接指导生产操作。因此，铸造工艺设计的好坏，对铸件品质、生产率和成本起着重要作用。在进行铸造工艺设计前，设计者应掌握生产任务和要求，熟悉工厂和车间的生产条件，这些是铸造工艺设计的基本依据。此外，要求设计者有一定的生产经验和设计经验，并应对铸造先进技术有所了解，具有经济观点和发展观点，才能很好地完成设计任务15。2.1 铸件的结构特点及工艺要求2.1.1 生产条件生产性质单件小批生产材质45钢其中，轮廓尺寸为294013501350（mm），铸件质量大约13吨。2.1.2 主要技术要求 毛坯不允许有裂纹等缺陷，毛坯须进行退火处理，半
24、成品要进行超声波探伤无裂纹及现行缺陷。浇注温度约1580。2.2 零件结构的铸造工艺性2.2.1 铸件质量对零件结构的要求(1)铸件应有合适的壁厚在一定铸造条件下，铸造合金能充满铸型的最小壁厚称为该铸造和金的最小壁厚。为了避免铸件的浇不足和冷隔等缺陷，应使铸件的设计壁厚不小于最小壁厚。砂型铸造铸钢件的最小壁厚得当铸件的最大轮廓尺寸大于2000m时，最小壁厚为20mm。而此零件的最小壁厚为75mm，符合要求。(2)铸件的结构应补造成严重的收缩阻碍，注意壁厚过渡和圆角图2-1所示为铸钢件原结构，两壁交接呈直角形构成热节，铸件收缩时阻力较大，故在此处经常出现热裂。图2-2为改进后的结构，热节消除。图
25、2-1 铸钢件原结构图 图2-2 铸钢件改进后结构图Figure 2-1The original structure of steel casting Figure 2-1Improved structure of steel casting (3)铸件内壁应薄于外壁(4)壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节(5)利于补缩和实现顺序凝固(6)防止铸件翘曲变形(7)避免浇注位置上有水平的大平面结构2.2.2 铸造方法的选择鉴于所设计的圆筒件的结构特点，属于大型铸件，从经济和实用性上考虑在铸造工艺设计过程中采用砂型铸造，选用水玻璃自硬砂。造型方法为：砂箱造型。2.2.3 分型面的选择铸造分形面
26、是铸造组元间的接合面此铸体的分型面，分型面选择合理可简化铸造工艺、提高生产率、降低成本、提高铸件质量。此分形面优点：(1)只有一个分型面，符合尽量减少分型面的原则。(2)只有一个砂芯，避免使用活块。(3)符合分型面尽量为平面的原则，以方便合箱。(4)分型面在最大截面出，方便起模，同时避免模样在一箱内过高。缺点：因铸件分为两部分易出现错型造成的尺寸偏差，加工面尺寸精度不易保证，易产生加工定位偏差。 综合以上优缺点，从实用性和经济性方面考虑选择如图2-3所示的水平分型面。图2-3分型面的选择Figure 2-3 The choice of surface2.3 铸造工艺设计参数 铸造工艺数据一般都
27、与模祥及芯盒尺寸有关，即与铸件的精度有密切关系，同时也与造型、制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。铸造工艺设计参数是：铸造收缩率、机械加工余量、起模斜度、最小铸出孔的尺寸、工艺补正量、分型负数、反变形量、非加工壁厚的负余量、砂芯负数(砂芯减量)及分芯负数等。工艺参数选取得准确、合适，才能保证铸件尺寸(形状)精确，使造型、制芯、下芯、合箱方便，提高生产率，降低成本。(1)铸件尺寸公差由GB/T1135189查得：小批和单件生产铸钢件，且造型材料为自硬型的尺寸公差等级为1315级，但结合生产情况及零件特点选取CT14。(2)铸件质量公差GB/T1135189规定了铸件质量公差的数值、确定方法及检验规则
28、，与GB641486铸件尺寸公差配套使用。GBT1135189所适用的铸造方法和质量公差等级的选用，与GB641486的要求相致，即尺寸公差CT14，质量公差MT14。(3)机械加工余量根据GBT1135089可得用于小批和单件生产的铸件（造型材料为自硬型）尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量等级为MAJ。当铸件尺寸公差等级和加上余量等级确定后，各加工部位加工余量的数值可查表得到，其具体尺寸在铸件工艺图中标出。 (4)铸造收缩率铸造收缩率是的定义是： (2-1)- 模样(或芯盒)工作面的尺寸 - 铸件尺寸。为获得尺寸精度较高的铸件，必须选择符合实际的适宜的铸造收缩率。对于本铸钢件铸造收缩率选为1
29、.3%。(5)起模斜度为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有定斜度，以免损坏砂型或砂芯，这个斜度称为起模斜度。关于起模斜度的大小的具体数值见JBT5015N中的规定。起模斜度的形式见图24所示：图2-4 起模斜度形式Figure 2-4 Gradient-mode form本铸件中采用如图24中a方法。其中020，a=3.8 mm。(6)最小铸出孔及槽对于零件上的孔、槽、台阶等，一般说来，较大的孔、槽等应铸出来，以便节约金属液，同时还可以避免铸件局部过厚所造成的热节，提高铸件质量。较小的孔、槽，或者铸件壁很厚，则不宜铸出孔。此圆筒件属于大型铸钢件，铸件两端分别有六个直径为30 mm、深度为7
30、5 mm、孔壁为30 mm的圆孔，由于在此其条件下最小铸出孔直径为60 mm，所以此孔应由机械加工获得。(7)分芯负数根据砂芯结合面的大小一般留1 mm3 mm，分芯负数多用于手工造芯的大砂芯，此铸件分芯负数选3 mm，上下均取1.5 mm。2.4 砂芯设计砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的部分，有时也用砂芯。砂芯应满足以下要求：砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置应符合铸件要求；具有足够的强度和刚度；在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外；铸件收缩时阻力小和容易清砂。2.4.1 砂芯形状及分盒面的选择原则根据铸件结构，本铸件采用一个水平砂芯，
31、以铸件的水平最大轮廓处为分盒面，为两个对称半圆柱体。砂芯材料为水玻璃砂，砂芯的具体结构形状可参看大图，这样设计砂芯的优点是：(1)砂芯只有一个，符合尽量减少砂芯数量的原则，可以减少制造工时，降低铸件成本和提高尺寸精度。(2)符合砂芯的分盒面应尽量与砂型的分型面一致的原则。(3)便于填砂、舂砂，安放芯骨和采取排气措施。2.4.2 芯头设计水平芯头的斜度和芯头与芯座之间的间隙以及芯头的长度可查表铸造手册第五卷铸造工艺，本铸件水平芯头的斜度和间隙如图2-5所示16：图2-5 水平芯头的尺寸和间隙Figure 2-5 The size and gap of level core直径在7011000 m
32、m的范围内，得S1=3.0 mm，S2=5.0 mm，S3=8.0 mm；水平芯头长l度为 260280 mm，取l=270 mm。2.4.3 砂芯的固定和定位此铸件内腔的砂芯为水平放置。由于铸件在长度方向上尺寸较大，水平砂芯具有两个较大的水平芯头。2.4.4 芯骨为了保证砂芯在制造、运输、装配和浇注过程中不变形、不开裂或折断，砂芯应具有足够的刚度与强度。生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其强度和刚度，采用圆钢做芯骨。2.5 浇注系统的设计2.5.1 铸钢件浇注系统类型结合该圆筒铸件的结构特点和技术要求以及生产条件，选用中间注入式浇注系统。因其造型比较方便兼有顶注式和底注式的优缺点，生产中广泛
33、应用。根据浇注系统各单元面积的比例，选用抗氧化性，充型快而平稳的开放式浇注系统(即)。2.5.2 浇注系统结构尺寸的设计此铸件属于小批大型铸钢件，采用漏包浇注，设计步骤如下：根据铸件质量、结构特点计算出铸件的浇注时间和浇注速度，在根据浇注速度选出相适应的包孔，然后在根据包孔尺寸确定浇注系统各单元的截面尺寸3。 (1)铸件质量的计算V=3.14/4(1.1841.184-0.9080.908) 2.744+3.14/4（1.1841.184-0.970.97）0.24+3.14（1.3841.384-1.1841.184）1.35=1472423 mm3G=7.8v=12.384 吨冒口质量约占
34、铸件质量的16%M总=12.384（1+0.16）=14370 kg工艺出品率= 100% (2-1)铸钢的工艺出品率为86%(2)浇注时间t的确定根据铸造手册铸造工艺第二版P220图3-187，查的浇注时间t=120s(3)浇注速度v的确定V=Gl/t (2-2)式中 v浇注速度（kgs）； Gl砂型内金属液质量（kg）； t浇注时间（s）。v=14370/120=119.74 kgs 考虑到钢液流出包孔时塞头的开启程度，为保证在浇注过程过程满足铸件做要求的速度，包孔流出的速度v包（kg/s）推荐为铸件所需浇注速度的1.3倍，即=1.3v (2-3) =155.675 kg/s(4)包孔截面
35、积的确定由 (2-4)式中 包孔的浇注速度（kgs）；耗损系数，一般取0.8；包孔截面积（）；钢液密度（）；g重力加速度，一般取980；浇包中钢液静压头高度（cm），可取浇注过程的平均值。已知包孔的浇注速度，可求得包孔的截面积：=44.39 cm2(5)包孔直径的确定=692+540+550=2000 cm由、可直接查出合适的包孔直径。根据铸造手册铸造工艺第二版P221图3-1887，查得的结果显示，此浇注必须采用两个浇包同时浇注，但在实际的操作过程中，两浇包的金属液温度和开始浇注时必然有温度和时间的偏差。这样造成浇注时铸件温度场的叠加，散热的重叠等不利影响，同一部位的金属凝固后又熔化情况的发
36、生，不利于凝固顺序的控制。 所以在实际的生产中采用一个浇口杯的浇注系统方便工人操作。同时有利于顺序凝固。(6)浇注系统单元截面接的计算用塞杆包浇注时，采用开放式浇注系统，各单元截面积的比例，可采用下面比例：=1.0：(1.82.0): (1.82.0): (2.02.5)采用单孔注入时 =44.39 包孔直径为75.2 mm =84.341 cm2 =88.78 cm2 =110.98 cm2由于此浇注系统有一个直浇道，两个横浇道，两个内浇道，故每个横浇道取44.39，每个内浇道取55.49算出各组元的截面直径：D直= =102 mmD横= =76 mm（每个横浇道直径）D内= =84 mm（
37、每个直浇道直径）对于包孔直径大于55 mm者，一般应采用耐火专管浇注系统。根据包孔直径可以确定浇注系统各单元耐火砖直径,如表2-1所示：表2-1 浇注系统各单元耐火砖直径 Table 2-1 the firebrick diameter unit of gating system 包孔直径d直浇道直径 对称横浇道直径 内浇道直径 80mm120mm80mm80mm大型铸件浇注系统采用耐火砖进行组装形成浇注系统的各个部分。根据计算：D直=102 mm，D横=90 mm，D内=84 mm，根据标准耐火砖型号进行选择，其耐火砖如图2-6所示：图2-6 铸管砖Figure 2-6 Pipe brick
38、 直浇道：采用铸管砖，尺寸为：H=200 mm，H1=13 mm，h=10 mm，D=180 mm，D1=14850 mm，D2=145 mm，D3=120 mm，d=154 mm，d1=149 mm。横浇道：采用二孔分道八角中心转，尺寸为：A=310 mm，H=125 mm,H1=75 mm，h=13 mm，h1=22 mm，D1=150 mm，D2=145 mm，d=120 mm，d1=158 mm，d2=152 mm。内浇道：采用流钢弯砖，尺寸为：B=125 mm，D1=158 mm，D2=152 mm， d=124 mm，d1=100 mm，d1=135 mm，d2=130 mm，L1
39、=250 mm,L2=100 mm,l1=22 mm，l2=10 mm。最后确定出浇注系统各单元直径为：D直=120 mm，D横=90 mm，D内=100 mm2.5.3 浇注系统引入位置的确定图2-7所示浇注系统的位置，此设计的优点： (1)满足内浇道不得开设在铸件质量要求过高的部位，以防止内浇道附近组织粗大。 (2)符合避免直浇道冲击砂芯、型腔或型壁，金属 液顺着弧面流进型腔，避免金属液溅落在型壁表面上或使铸型局部过热。(3)满足内浇道开放在分型面上便于造型操作。 2-7 浇注系统图Figure 2-7 Gating system map2.6 冒口的设计根据所学的知识，由零件图可以看出厚
40、大部位存在热节，可能会导致缺陷的产生，需要进行补缩。由冒口的补缩原理，在铸件厚大部位的最上部分别安放一个冒口，由于其是对称的。在此，仅以一侧有研究对象。V= （）0.35=0.1412 m3A=1.3840.25+ (1.3841.384-1.1841.184)/cos45=1.66 m2 = =8.53 cm对于顶冒口 =（1.21）令=，=8.53 cm在此，选择标准腰形明冒口，其形状如图2-8所示图2-8 标准腰形明冒口Figure 2-8 Prescribed standard kidney-shaped risera=360 mm，b=720 mm，h=540 mm，VR =124.
41、6 ，GR=847 kg，=5%，Vc =224，Gc=1740 kg。对铸件冒口的最大补缩能力进行校核，计算得：Mr=8.53cm处需补缩部位的体积V=0.1412 ，重量G=1101 kg ，VcV,且GcG.所以，冒口满足补缩要求。冒口位置如图2-9所示 图2-9 冒口位置图Figure 2-9 The location of rise2.7 铸钢件冷铁的设计对于此铸钢件，由于在厚大部位的最下部，容易产生热裂缺陷，所以在此处安放用高碳钢制造的外冷铁，使其凝固速度与相邻断面的凝固速度均衡，从而减少产生热烈的危险。用模数法计算直接外冷铁，钢液充型温度为1580，设置冷铁部位铸件凝固结束时的冷
42、铁平均温度为600，公式： Gch= 7.4V0 (2-5)式中 M0设置冷铁部位铸件几何模数（dm）； Mr与设置冷铁部位相邻部位的铸件模数（dm）；求得 =166.215 kg设置冷铁就是使缩小到，在无间隙时，冷铁表面积计算公式如下： (2-6)求得 Ach=215976 mm2冷铁的圆弧长 s=215976/250=863.9 mm冷铁的弧度 =120 (2-7) 所设置冷铁的高度h =100 mm冷铁三维模型缩图如2-10所示：图2-10冷铁三维模型图Figure2-10 Three-dimensional model of cold iron第3章 铸件数值模拟及工艺的优化3.1 初
43、始方案模拟结果与分析3.1.1 几何模型的建立该工艺是在铸件厚大部位的最上部安放冒口，一侧放置冷铁。首先进行三维实体造型，然后转换成STL (Stereo lithography是美国3D System公司开发的用于快速原型制造(RPM)技术的一种文件格式）格式，再导入ViewCast，进行网格的划分。铸件、浇注系统和冷铁组合的网格剖分图如图3-1所示：图3-1 网格剖分图Figure 3-1 Mesh partition figure冒口冷铁铸件浇注系统3.1.2 凝固过程模拟及结果分析利用View Cast软件对凝固过程进行模拟,图3-2为铸件凝固过程模拟结果，铸件图右方彩色条代表凝固时间，单位为s，图中透明部分为已经凝固区域，颜色部分代表未凝固，颜色越深说明凝固所需要的时间越短，颜色越浅说明凝固所需要的时间越长。 (a) t=600 s (b) t=2500 s (c) t=5000 s (d) t=6000 s(e) t=8000 s (f) t=12000 s (g) t=13000 s (h) t=14000 s图3-2凝固过程模拟结果图Figure 3-2 the figure of
