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1、管状三通铸件铸造工艺的CAE设计摘 要在现代社会中，随着各类机械设备的需求日益增大，对三通等管路连接件的性能、要求提出了更高的要求，普通的切削加工的制造工艺，不仅材料的利用率低、模具寿命短而且后续加工切断了金属流线，影响其性能。改为铸造生产后，不仅减少工序，而且材料利用率大大提高。本设计为了实现管状三通件铸造工艺性最优的目标，采用UG对三通实体建模，对模型进行CAE计算机数值模拟，通过分析三通铸件各部位在浇注和凝固过程中，流场、速度场、温度场和时间场等的数值模拟计算结果，预测铸件在生产过程中产生的缺陷。依据数值模拟结果对产品结构设计不合理的区域和工艺设计过程中存在的问题提出改进性建议。根据模拟
2、结果，确定较好的铸造工艺方案和各部分的数据尺寸。关键词：三通；数值模拟；CAEThe CAE design of tubular tee casting processAbstractIn modern society, with various mechanical equipment increasing demand, as for the performance of the pipe fittings tee, requirement put forward higher request, common cutting processing manufacturing technol
3、ogy, not only material utilization rate is low, mould short life and subsequent processing cut off metal flow, affect its performance. Instead, after casting production, not only reduce process and material utilization greatly improved. This design in order to achieve the tubular tee casting technol
4、ogy, the optimal goal，using UG entity modeling, to tee , the model and numerical simulation and CAE computr ,through analyzing tee in various parts of castings, casting and solidification process flow field, velocity field and temperature field and the numerical simulation of the time fields calcula
5、tion result, in the process of production forecast castings produced defects. Based on numerical simulation results of product structure design unreasonable area and process design problems in the course of some improvement suggestion .According to the simulation results to determine the better part
6、 of the casting process programs and data size.Keywords: Tee; Numerical simulation ;CAE 目 录引言1第1章 绪论21.1铸造工艺和CAE的发展概况21.2本设计的主要内容3第2章 铸造工艺方案数值模拟分析42.1 CAE软件介绍和使用42.2三通实体建模及选择62.3 方案一数值模拟结果及分析72.4 方案二数值模拟结果及分析92.5 结果讨论10第3章 铸造工艺方案确定113.1零件的工艺分析113.2工艺方案的确定12第4章 铸造工艺参数124.1工艺设计参数确定15 4.2砂芯设计164.3浇注系统及
7、冒口冷铁的设计16结论与展望20致谢21参考文献22附录A23附录B37附录 C插图清单图2-1 新建工程界面图2-2 前置处理界面图2-3 计算分析界面图2-4 后置处理界面图2-5 方案一图2-6 方案二 图2-7 剖分结果图2-8 方案一铸件色温图2-9 方案一凝固过程图2-10 方案一铸造缺陷图2-11 方案二铸件色温图2-12 方案二凝固过程图2-13 方案二铸造缺陷图3-1 三通外形示意图图3-2三通零件图图3-3 浇注位置确定方案图3-4 分型面确定方案图4-1 内浇道位置示意图 图4-2 冒口 插表清单 表3-1 KTH300-06的主要性能指标表3-2 最小允许壁厚表4-1
8、大批量生产的毛坯铸件的公差等级（GB/T6414-1999）表4-2 铸件尺寸公差表4-3 铸件典型的机械加工余量等级表4-4 要求的铸件机械加工余量（RMA）表4-5 各种铸铁件的铸造收缩率（%）表4-6 黏土砂造型时，模样外表面的起模斜度表4-7 铸件重量公差数值表4-8 水平心头的长度表4-9 水平芯头的斜度及间隙表4-10 计算最小剩余压头高度用的压力角表4-11 系数s与铸件壁厚关系表4-12 可锻铸铁件内浇道的截面积 引言三通管在工业、农业等很多方面使用非常广泛，在农业灌溉中，三通管被大量使用来增加出水口。出水结构形式的不同会造成不同的局部水头损失，在灌溉过程中造成大量浪费，所以对
9、三通管进行结构的优化，以减小局部水头的损失有着重要意义。因此在三通件的设计中，结构工艺性至关重要，所设计的铸件既要具有设计强度的可靠性，又要体现良好的结构工艺性，在结构设计的同时利用CAE对铸件进行有限元分析，采用铸造数值模拟技术对三通进行流场、速度场、温度场的计算和分析，根据计算结果对铸件结构，铸造工艺进行优化，在保证铸件品质的前提下，达到结构工艺性最优的目标。目前, 随着全球创新技术能力的提高和网络计算环境的普及, 针对高质量产品及高生产效率的市场要求,最大限度地提高模具制造业的应变能力, 满足用户需求,模具CAE技术的发展总体上朝着集成化、网络化、标准化、专业化、开放性、虚拟化、专业化和
10、智能化方向发展。据统计,CAE技术20世纪末已应用于近百个工业领域。到了21 世纪,CAE技术将在各行各业都有所应用,可以说在目前的各个领域的制造业,已离不开CAE 技术的应用,其中CAE技术在机械加工领域的应用最为出色, 其前景也将更为广阔。第1章 绪论1.1铸造工艺和CAE的发展概况随着我国经济的快速发展，管道连接件的需要日益增多，而且管件的种类也越来越多。由于采用锻造-切削加工的制造工艺不仅材料利用率低、模具寿命短而且后续加工切断了金属流线，影响其性能。改为铸造方法，并利用CAE进行数值模拟，不仅可以减少工序，而且材料的利用率也可以大大提高，其经济效益和社会效益更为可观。铸造技术正向着精
11、确化、轻量化、节能化和绿色化的方向发展。在传统的铸件工艺设计过程中，一直采用试错法来得到生产工艺，其工艺的定型是通过多次的浇注和修改, 反复摸索，直到得到能够满足设计要求的工艺方案， 这就不可避免地带来了铸件工艺定型周期长、生产质量不稳定、作业成本高等许多不利因素， 尤其是对于一些大型铸件和中小型企业的小批次铸件的工艺设计，更加增加了设计难度。因此，就铸件的生产准备而言，迫切需要一种新的方法来解决这些问题。计算机数值模拟技术在铸造中的应用， 为解决这一问题提供了有效的手段。利用计算机虚拟制造技术， 可以在制造铸造工艺装备及浇注铸件之前，综合评价各种工艺方案与铸件质量的关系，并在计算机上模拟整个
12、成型过程，预测铸造缺陷。这样， 铸造工艺人员就能够根据模拟结果及时修改工艺设计， 省去了大量用于生产试验和摸索可行性铸造工艺而消耗的宝贵时间和费用。将CAE 技术应用到铸造工艺的设计中是现代铸造工艺设计发展的方向。1.1.1发展现状模具作为工业生产中的基础工艺装备, 是一种高附加值的高技术密集型产品, 也是高新技术产业化的重要领域, 尤其在汽车、电子、仪表、家电和通讯行业中应用广泛。研究和发展模具技术, 对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义, 模具技术的水平及科技含量高低, 直接影响到模具工业产品的发展, 在很大程度上决定了产品的质量, 新产品的开发能力、企业的经济效益, 是衡量一个国家制
13、造业水平的重要标志。由于制造业产品信息相当复杂, 要实现企业生产自动化,在分离的CAD、CAE、CAM 之间还需要大量的人工工作, 这给企业自动化生产带来了极大地障碍, 且模具设计与制造周期可进一步缩短的空间较大, 模具CAD/CAE/ CAM 技术的使用, 极大地提高了产品质量, 加速了产品的开发, 缩短了从设计到生产的周期, 缩短了产品的上市周期, 实现了产品设计的自动化, 使设计人员从繁琐的绘图中解放出来, 集中精力进行创造性的劳动, 模具CAD/ CAE/ CAM 技术是模具工业发展的必然趋势。尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。第一,专业化程度不高,生产规模小
14、。我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。第二,技术含量及附加值低。我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。第五,材料损耗及能耗高污染严重。中国铸铁件能耗比美国、日本高70%120%。第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化（
15、计算机控制、机器人操作）。 在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺。 砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%-5%；标准更新快（标龄4-5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。 在CAE的应用方面，国外在航空航天、汽车、造船、机床制造等工业部门都已实现模具CAD/ CAE/ CAM 技术的应用。如波音飞机公司应用模具CAD/ CAE/ CAM
16、 技术, 在波音777 飞机上对全部零件进行了三维实体造型, 设计了除发动机以外的其他机械零件, 比传统设计和装配流程效率提高了一倍相比之下, 国内模具CAD/ CAE/ CAM 技术的研究和应用远落后于国外, 据统计, CAD/ CAE/ CAM 技术20 世纪末已应用于近百个工业领域。到了21 世纪, CAD/ CAE/ CAM技术将在各行各业都有所应用, 可以说在目前的各个领域的制造业, 已离不开CAD/ CAE/ CAM 技术的应用, 其中CAD/ CAE/ CAM 技术在模具领域的应用最为出色, 其前景也将更为广阔。1.2本设计的主要内容三通管,也叫T形管,是一个结构比较简单的非轴对
17、称回转体,由两个圆柱形直管相贯形成。三通管作为一种连接件在日常生活中应用广泛，用途在于改变流体流动方向，主要用于医学、水利（节水灌溉、给水排水）、能源（石油、天然气）等工程领域。由于计算机CAE 技术应用到铸造工艺的设计中是现代铸造工艺设计发展的方向。本课题拟在传统铸造工艺设计手段基础上，结合采用AUTOCAD等建模软件、华铸CAE/InterCAST铸造工艺分析优化软件辅助管状三通铸件的铸造工艺设计。以可视化的方式模拟铸造充型、凝固过程，直观显示铸造生产中容易出现的缺陷，并通过修改工艺提高铸件质量。第2章 铸造工艺方案数值模拟2.1 CAE软件介绍和使用2.1.1 CAE软件介绍以铸件充型过
18、程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质、多种铸造方法下铸件的凝固分析、流动分析以及流动和传热耦合计算分析。实践应用证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。2.1.2 CAE的使用CAE的使用主要有以下几个步骤：（1）新建工程 如图2-1需要输入单位、操作人、铸件名、工艺号、材质。并选择存储的位置（硬盘）图2-1 新建工程界面（2）前置处理 如图2-2主要进行STL文件装配和网
19、格剖分如图2-2前置处理界面（3）计算分析 如图2-3用于铸造的充型过程、凝固过程以及流动与传热的耦合计算图2-3 计算分析界面（4）后置处理 如图2-4图2-4 后置处理界面 2.2三通实体建模及选择2.2.1三通实体建模三通铸造方案一如图2-5，铸造方案二如图2-6.两个方案区别在于浇注未知的选择不同 图2-5 方案一 图2-6方案二2.2.2网格剖分为了保证计算精度和计算速度，对铸件、冒口、砂型采用相同的网格尺寸，剖分步长取3mm，最终划分单元总数为118800.剖分结果如图2 -7. 图2-7 剖分结果2.2.3热物参数的选择热物参数的选择合理与否对模拟计算准确性有着决定性影响。三通的
20、材质为可锻铸铁KTH300-06，其化学成分w(C)=2.7%3.1%, w(Mn)=0.3%0.6%, w(P)20 e30 f30 第4章 铸造工艺参数4.1工艺设计参数确定铸造工艺设计参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些数据，这些工艺数据一般都与模样及芯盒尺寸有关，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。这些工艺数据主要是：机械加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔的尺寸、型芯头尺寸、分型负数等。工艺参数选取的准确、合适，才能保证铸件尺寸精确，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生产率，降低成本。工艺参数选取不准确，则铸件精度，甚至因尺寸超过公差要求
21、而报废。4.1.1铸件尺寸公差铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许的极限尺寸之差。在两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械加工，装配，和使用要求。三通为砂型铸造机器造型大批量生产，查表4-1得：三通的尺寸公差为CT812级，取CT9级。表4-1大批量生产的毛坯铸件的公差等级（GB/T6414-1999）方法公差等级CT铸件材料砂型铸造机器造型和壳型钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金锌合金轻金属合金镍基合金钴基合金81281281281281081079812812三通的轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75mm，查表4-2得：三通尺寸公差数值为2.5mm。表4-2铸件尺寸公差铸件基本尺寸铸件尺寸
22、公差等级大于至1234567891011121001600.150.220.300.440.620.881.21.82.53.6574.1.2机械加工余量机械加工余量是铸件为了保证其加工面尺寸和零件精度，应有加工余量，即在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度。三通为砂型铸造机器造型大批量生产，查表4-3得：三通的加工余量为EG级，取G级。表4-3铸件典型的机械加工余量等级方法要求的机械加工余量等级铸件材料砂型铸造机器造型和壳型钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铜合金锌合金轻金属合金镍基合金钴基合金FHEGEGEGEGEGEGFHFH三通的轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75
23、mm，查表4-4得：三通加工余量数值为2.2mm，取2mm。表4-4要求的铸件机械加工余量（RMA）最大尺寸要求的机械加工余量等级大于至ABCDEFGHJK1001600.30.40.50.81.11.52.23464.1.3铸造收缩率铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：=（L1-L2）/L1*100铸造收缩率L1模样长度L2铸件长度三通受阻收缩率查表4-5得：受阻收缩率为1.01.3(%)受阻收缩率为1.2表4-5各种铸铁件的铸造收缩率（%）4.1.4起模斜度为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。这个斜度，称为起模斜度。起
24、模斜度应在铸件上没有结构斜度的，垂直于分型面的表面上应用。初步设计的起模斜度如下：外型模的测面高47.5mm的起模斜度查表4-6得：粘土砂造型外表面起模斜度为=030,a=1.0mm表4-6 黏土砂造型时，模样外表面的起模斜度4.1.5铸件在砂型内的冷却时间铸件在砂型内的冷却时间短，容易产生变形，裂纹等缺陷。为使铸件在出型时有足够的强度和韧性，铸件在砂型内应有足够的冷却时间。设计三通的冷却时间为3060min。4.1.6铸件重量公差铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。三通的公称重量约为1.35kg，尺寸公差为CT9级。重量公差应与尺寸公差对应选取，三通的重量公差
25、为MT9级。重量公差数值查表4-7得：14%表4-7 铸件重量公差数值4. 2砂芯设计砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外型不能出砂的部分。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。4.2.1芯头的设计砂芯主要靠芯头固定在砂型上。对于垂直芯头为了保证其轴线垂直、牢固地固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸。根据实际设计量取计算砂芯高度： L=120mm 砂芯直径：D=61mm芯头长度初步选取查表4-8得：l=30-35mm 取l=30
26、mm表4-8 水平心头的长度芯头间隙初步选取查表4-9得：s=0.5mm芯头斜度选取：5 取=5表4-9 水平芯头的斜度及间隙4.3浇注系统及冒口冷铁的设计浇注系统是铸型中引导液体金属进入型腔的通道，它由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道组成。4.3.1选择浇注系统类型浇注系统分为封闭式浇注系统，开放式浇注系统，半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。因为封闭式浇注系统控流截面积在内浇道，浇注开始后，金属液容易充满浇注系统，呈有压流动状态。挡渣能力强，但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。适用于湿型铸件小件。而三通就是采用湿型的铸件小件，所以选择封闭式浇注系统。4.3.2确定内浇道在铸
27、件上的位置、数目三通结构较为简单且是小型件，故每个铸件上只用一个内浇道。为了方便造型，内浇道开设在分型面上。如图4-1所示。图4-1 内浇道位置示意图 4.3.3决定直浇道的位置和高度实践证明，直浇道过低使充型及液态补缩压力不足，容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到上表面缩凹等缺陷。初步设计直浇道高度等于上沙箱高度200mm。但应检验该高度是否足够。检验依据为，剩余压力头应满足压力角的要求，如下式所列：HMLtg式中 HM最小剩余压力头 L直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离压力角查表4-10得：为910 取10 表4-10计算最小剩余压头高度用的压力角Ltg=180*tg1032mm因
28、为铸件全部位于下箱，所以剩余压力头HM等于上箱高度200mm经过验证剩余压力头满足压力角的要求。4.3.4计算浇注时间并核算金属上升速度根据铸件图计算单个铸件的体积V=193cm3可锻铸铁密度为7.27.4 取密度为7.2一箱两件质量为m=193*7.2*4=5.55845.6kg三通大批量生产的工艺出品率约为85%，可估计铸型中铁水总重量GG=5.6/85%6.6kg初步计算浇注时间查表4-11得：系数s=1.0表4-11系数s与铸件壁厚关系T=SG=1.0*6.6=6.6s通过比对21mm/s的上升速度符合实际，不必调整经验系数。4.3.5计算阻流截面积根据水力学近似计算公式：S内= m/
29、t2gHp cm式中 m一个铸件质量 kgt充满一个型腔时间 s，对于可锻铸铁=7.2*10-6 2/mm3金属液密度 kg/cm 内浇道的流量系数Hp每个铸件的平均计算压力头 cmS内=2cm24.3.6确定浇口比和内浇道截面积浇口比查表4-12得：A直：A横：A内=1.5：1.1：1A内=2 cm 表4-12可锻铸铁件内浇道的截面积注：浇注系统各组元截面比例一般为：A直：A横：A内=1.5：1.1：14.3.7计算内浇道截面积内浇道是控制充型速度和方向，分配金属液，调节铸件各部位的温度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过内浇道对铸件有一定补缩作用。由于设计内浇口有两个，因此S内=2/21cm4
30、.3.8计算横浇道截面积横浇道的功用是向内浇道分配洁净的金属液，储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣滓，使金属液流平稳和减少产生氧化夹杂物。由于设计横浇口有两个，因此S横=2*1.2/2=1.2 cm4.3.9计算直浇道截面积直浇道的功用是从浇口杯引导金属液向下，进入横浇道、内浇道或直接进入型腔。并提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服各种流动阻力充型。由于设计直浇口有一个，因此S直=2*1.4=2.8cm4.3.10冒口的设计冒口是铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。可锻铸铁件的冒口通常采用侧冒口，如图4-2图4-2 冒口D=(35)TH=(1.251.5)D结论和展望本次设计是对大学四年学习的总结和运用，本次对管状三通件铸造工艺的CAE设计，让我们加深了对所学铸造工艺的理解，同时结合华铸CAE软件对铸件凝固过程进行计算机数值模拟，通过观察和分析，我们了解到了铸
