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1、山西大同大学煤炭工程学院本科毕业论文 鼓风机底座工艺设计及优化摘 要 ：铸件充型凝固过程数值模拟是提高铸件质量和铸造生产经济效益的重要途径之一。随着科学技术的不断发展和生产水平的不断提高以及人类社会生活的需要，对铸造生产提出了一系列新的、更高的要求，熔模铸造正发挥着越来越重要的作用。本文先描述了熔模铸造的工艺流程，并进行了分析，找出适宜的方法，然后利用AnyCasting对鼓风机底座进行模拟分析，找出缺陷，进行优化，然后再次模拟，一直到达到预计效果。 关键词：熔模铸造；工艺流程；AnyCasting；鼓风机底座Blower Base Process Design and Optimizatio
2、n Abstract：The numerical simulation of mould filling process and casting solidification process is an important method, by which the casting quality and the production economic benefits can be improved. Along with the science and technology unceasing development and production to improve the level o
3、f social life and human needs, puts forward a series of casting, new and higher requirements for casting is playing an increasingly important role. In this thesis,we depict the process of the investment casting and have analysis ,than we find a feasible project. We make use of anycasting simulate th
4、e base of the fan and find the vice ,than give a optimization and simulate again until we find the best project.Keywords：Investment casting；Process；anycasting；the base of the fan目 录第1章 绪论11.1熔模铸造的背景11.2熔模铸造的发展21.2.1国内熔模铸造业发展21.2.2国外熔模铸造业发展41.3 课题研究的目的和意义61.4 本课题的研究内容6第2章 铸造数值模拟理论基础82.1建模-模拟软件简介82.2充
5、型凝固理论92.3 缺陷预测11第3章 鼓风机底座熔模铸造工艺133.1熔模铸造的特点133.2熔模铸造工艺流程133.3鼓风机底座工艺设计16第4章 鼓风机底座铸件模拟及优化264.1模拟流程264.2铸件的数值模拟与分析284.3铸件工艺优化31第5章 总结33参考文献34致谢35第1章 绪论 铸造工艺设计作为铸造生产的核心技术环节，对铸件质量的好坏起着决定性的作用。在传统铸造中，开发一个新的铸件，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇注结果，才能选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。在实际的生产过程中总是碰到或多或少的新问题，同样花费很多的人力、物力和财力，导致了工艺
6、验证及更改的时间延长，影响了新品的及时推出。依托于计算机性能的大幅提升，铸造过程数值模拟技术得到了前所未有的发展。近几年这些技术很多已逐渐进入工程实用化阶段，在发达国家已有大量的集成化的模拟分析软件在运行，这些模拟软件能够根据铸件模型及工艺参数对可能出现的缺陷位置及程度进行全面的评估，从而在铸造工艺的优化设计、缩短设计周期、保证铸件质量、降低成本等方面作出贡献。熔模铸造工艺，简单说就是用易熔材料制成可熔性模型,在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧（如采用高
7、强度型壳时，可不必造型而将脱模后的型壳直接焙烧），铸型或型壳经焙烧后，于其中浇注熔融金属而得到铸件。熔模铸造相比于其他铸造方法具有很多优点。熔模铸件尺寸精度较高，压制熔模时，采用型腔表面光洁度高的压型，因此，熔模的表面光洁度也比较高。此外，型壳由耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成，与熔融金属直接接触的型腔内表面光洁度高。采用熔模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时，大幅度节约金属原材料。而且熔模铸造可以铸造各种合金的复杂的铸件，特别可以铸造高温合金铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。用熔模铸造工艺生产不仅可以做到批量生产
8、，保证了铸件的一致性，而且避免了机械加工后残留刀纹的应力集中。1.1熔模铸造的发展 熔模精密铸造，简称熔模铸造或精铸，是古代失蜡铸造的发腿。其历史可以追溯到4000年前，最早发现的国家有古埃及、中国和古印度，然后才传到非洲和欧洲的其它国家。中国古代留下了很多的熔模铸件精品，如春秋晚期的铜禁、王子午鼎，战国时期的曾侯乙尊盘，汉代的长信宫灯、铜错金博山炉，明代的武当真武帝君像、浑天仪，还有清朝故宫太和门铜脚等。举世闻名的商代四羊铜尊，是商代奴隶主们用的盛酒器。它造型十分奇特，花纹复杂，尊身四隅有四个羊头，都长一对卷曲的羊角，还有尊的扇边是镂空的。经专家分析鉴定，这是采用失蜡法铸造而成。 在西非，大
9、约5世纪以后，制造出了大量的熔模铸件。在16世纪，熔模铸造工艺被雕刻家和艺术家们广泛运用，蔡利尼所制造的 女妖首领和Petseus仙座的铜像就是其中杰出的作品之一。 世界上最早记述失蜡铸造的文字，应当推中国南宋赵希鹊的洞天清禄集。随后有蔡利尼的1568年论文，明代宋应星的天工开物。 19世纪末，牙医运用熔模铸造法，结合离心浇注生产了牙科铸件。20世纪为生产出更加精密牙科件，人们开始研究影响蜡模及型壳尺寸稳定性的因素，还有一些金属和合金的凝固性能和收缩性能，20世纪初期调整了熔模的使用材料。20世纪前半叶关于熔模铸造的专利就多达400件以上。在恶劣的环境中工作的航空发动机零件，若采用传统合金，不
10、能满足性能上的要求。20世纪30年代，人们发现了实验室为外科移植手术所研制的钻基合金在高温下具有优异的性能，可用于航天发动机。但是这类合金加工困难，熔模铸造就成为该类合金成形的主要工艺方法，然后迅速地发展成一项工业技术，进入了国防工业和航空部门，进而迅速地应用到了其它部门。1.1.1 国内熔模铸造业发展 中国是世界文明发展最早的国家之一，我国的铸造技术已有 6000 年悠久的历史，公元前数百年，我国古代劳动人民就创造出了失蜡铸造技术，用来铸造带有文字和各种精细花纹的钟鼎及器皿等制品。2500 多年以前，我国就铸出 270kg 的铸铁刑鼎。我国商朝制造的铜绒铁刃 , 那时的铁刃是用陨铁锻造而成
11、, 然后镶铸上铜背上。我国是最早使用铁器的国家之一 , 早自周朝末年就开始有了铸铁 , 铁制农具得到了很快发展。秦、汉后 , 我国农业耕作普遍使用了铁制农具。如耕地的锹、镰、锄、犁等 , 这表明我国当时已经具有了相当先进的铸造水平 , 到了宋朝我国已经使用了铸造铁炮和地雷。 我国在商朝起就己经创造了灿烂的青铜文化 , 所谓的“钟鸣鼎食”, 成为了当时贵族地位和权势的象征.曾候乙墓出土的青铜器重达 l0t, 其中还有 64 件的一套铜编钟 , 分了八组 , 包括辅件在内用的铜达 5t 。钟面铸有花卉纹饰和变体龙纹 , 有的工艺细如发丝 , 其上共铸有错金铭文 2800 余字 , 标记了音名、音律
12、。每个钟发两音 , 一为正鼓音 , 另一为右鼓音。整套编钟音域宽达五个半八度 , 可以演奏出各类乐曲 , 音色优美动听 ,音律准确和谐 。铸造工艺水平已经极高了 , 可称得上是我国古代青铜铸造的代表作 , 编钟的铸造时代是距今2400 多年前的战国的。现存于北京大钟寺内的明朝的永乐大钟 , 铸于明永乐 18 年左右 , 其全高达6.75m, 钟口外径 3.3m, 钟唇厚达0.185m, 重达46.5t 。先铸成钟钮 , 然后再使钟钮与钟体铸接成一体。钟体的内外铸满经文 , 大约有22700余字。大钟至今完好 , 声音悦耳幽雅 , 是世界上罕见的古钟之一。我国古代大部分的钟、鼎、搏等文物是熔模铸
13、造的 ,其工艺复杂 , 铸件之精美、铸工之精湛 , 不难看出我国古代的熔模铸造工艺已经达到了相当高的水平。我国古代铸造技术居于世界先进行列。但过长的封建社会影响了我国科学技术的发展 , 阻滞了我国铸造技术前进的步伐。新中国成立以来的50多年来 , 几乎是从零开始 , 逐步发展到现如今的规模 , 成绩是可嘉的。现在铸造在我国是一个很大的行业 , 产量居于世界第二位 , 达年产1200 万 - 1400万t, 厂点多达两万多个 , 职工 110 -130 万人 , 其中的工程技术人员约占 3.6% , 已经成为了国家重要的基础工业。我国是于20世纪50年代开始将熔模铸造应用于工业生产。首先在航空、
14、军品等领域引进苏联技术，开始了现代熔模铸造生产，60年代，处于停滞期。我国精密铸造业真正的飞速发展时期是20世纪末至现在的十几年，特别是最近的几年。在机床、船舶、内燃机、武器、医疗器械、气轮机、汽车、电讯仪器以及刀具等制造工业中被广泛采用，同时也用于工艺美术品的制造。1998年后，随着国家改革开放政策的深入，企业经济体制的变革，以及市场经济观念的转变，推动了我国原有水平的铸造业在数量上的发展，同时先进的精铸工艺和设备，以合资和独资的形式开始进入国内，使精密铸造业在质量水平上有了显著的提高，从而是使我国精密铸造业进入到一个飞速发展的时期。 我国是铸造大国，我国现有3万余家铸造厂，从业人员高达30
15、0万人，年产量高达2500万吨。铸造行业是一个资源、劳动力相对密集的产业，我国生产能力过剩、资源丰富，劳动力具有相当大的优势。铸造行业的生产现在正在从发达国家向发展中国家转移扩展。我国加入世界贸易组织给铸造业带来了发展机遇。现代机器的生产，对铸件精度和整体质量提出了越加严格的要求，这为就能够实现精密铸造生产的熔模铸造的大力发展提供了很大的契机。1.1.2国外熔模铸造业发展 现代熔模铸造工艺是在 20 世纪形成，最初是实验室的牙科医生利用熔模铸造工艺浇注出的金银假牙齿。为了生产出更加精密的牙科件，人们研究了影响蜡模稳定性及型壳尺寸的因素，以及一些材料的凝固性能和收缩性能，并调整了熔模使用的材料。
16、而且在20世纪30年代珠宝首饰行业也广泛运用了熔模铸造技术。真正的熔模铸造的规模的发展是在二战期间，由于战斗国家国防、航空工业发展的迫切需要，英、美等国家首先采用熔模铸造方法，制造出了喷气式涡轮发动机叶片等尺寸精、表面质量要求很高、确形状复杂且不利于机械加工的铸件。此后，熔模铸造工艺迅速地发展成为一种工业技术，进入国防、航空及机械制造工业等部门。图1-1世界熔模铸造业的分布情况Fig 1-1The world investment casting the distribution of the industry自 20 世纪中叶用于工业生产后，熔模铸造一直以较快的速度发展着。图 1-1说明了熔
17、模铸造在欧洲主要国家的分布情况图 ，图1-2显示1996 年世界熔模铸造业分布，其中北美中美国占50%。1996年美国熔模铸造的销售额高达 26.2 亿美元，而 1970 年、1980 年分别仅为 2.5 亿美元和 11 亿美元。据调查，发达国家的熔模铸造业，近十年来平均每年以9左右的增长率快速增长，1996年发达国家熔模铸件的总产值达445亿美元，其中美国占50，欧洲占25。 日本19801989年熔模铸件产量增加了近3倍，日本现有熔模铸造厂点二百多个，熔模铸件年产量近1万，产值约4亿美元，居亚洲之首。其中仅高尔夫球棒头产值就占70亿美元。 英国于1958年就成立了熔模铸造师协会。由于其采用
18、机器制壳，使得熔模铸件的单件重量就由65 kg增加到了 350 kg。目前英国有 160多家熔模铸造厂家，产值14亿美元，居欧洲第一位。图1-2世界熔模铸造业的分布情况Fig 1-2 The world investment casting the distribution of the industry 德国熔模铸造业年产值约2亿美元，其中13的铸件为航空产品超级合金。西方熔模铸造业主要是为了给本国军工产品和高科技产品提供服务。军工产品是美国、欧洲熔模铸造业的主要市场，航空、航天和军工产品为其销售额的50一70 发达国家的熔模铸造厂技术先进，如英国就有一半的工厂是由机器人操作控制主要工序生产
19、，其产品档次高，其中超级合金和非铁合金材质所占的比重大，产品的附加值很高。为了适应熔模铸造近净形化技术的要求，已研制出各种性能优良的模料。如美国哈梅特公司用的模料，日本研制的适于 0.7 MP1.5MPa范围内压注成型甚至可自由浇注的水溶性模料如 DRN1177模料，英国的Catylene系列的B300、B487模料。尤其国外最近几年粘结剂发展很快，出现了代替硅酸乙酯的粘结剂。为了实现快速制模和制壳，国外采用了多种快速制模技术，如德国RCHOTT一公司的压注机，用于制作大型熔模，其中有些压注机适合大批量优质熔模生产。美国的MPI公司生产的压蜡机实现了全自动化控制，使得制造出的熔模质量大大提升。
20、1.2 课题研究的目的和意义 熔模铸件质量可分为三种： (1)航空和燃气轮机用熔模铸件。这类铸件质量要求高，不允许有缺陷，其检验项目有尺寸公差、化学成分、力学性能、表面缺陷、内部缺陷和表面粗糙度等。铸件有钛合金、高温合金、铝合金、镍基或钴基合金等。(2)商业熔模铸件。这里指五金、文体用品、马具、一般机器零件等零件。该类铸件质量虽然不如航空及燃气轮机熔模铸件，但是很常用。 (3)精度要求低的铸件。这种铸件是指第二类工艺生产件，以合金、碳钢为主。我国的高质量航空及燃气轮用熔模铸件产量很少，仅占1.61。与英、美、欧、日等先进国家和地区熔模铸件市场结构有明显差距。表1-1说明我国熔模铸件中的高质量铸
21、件所占的比例过低和商业熔模铸件中精度要求较高的机器零件所占比例偏低，我国现生产的大部分熔模铸件是精度相对要求低的马具、高尔夫球头、五金等铸件。表1.1 各国熔模铸件市场结构比较 （）美国英国欧洲日本中国军用航天熔模铸件616954168.2商业熔模铸件4229448391.8 当今世界随着科技的发展，对熔模铸造材料成分、结构及性能进行了深入研究，使得高经济价值、高使用价值、高技术含量的熔模铸造的新科技产品层出不尽。但还是由于对熔模铸造原料、工艺条件的认识的不足，使得铸件性能远远不能满足用户的要求。为了有效的利用现有丰富的资源，充分发挥资源本身的功能，以致从工艺上解决对铸件性能的影响，对熔模铸造
22、的工艺进行分析研究，最终制备出具有优良性能的铸件，来满足我国各行各业对铸件越来越高的要求。1.3 本课题的研究内容 本课题研究以鼓风机底座铸件为研究对象，并确立多种工艺方案进行对比，采用 Pro/E和 AnyCasting 软件，对铸件充型过程和凝固过程进行数值模拟，对比其与实际生产情况的差异，优化鼓风机底座的工艺。 本设计主要使用铸造模拟软件AnyCasting对鼓风机底座的铸造工艺进行数值模拟，并分析。结合缩孔、缩松产生机理与预测判据，预测铸造缺陷。采取添加/调整冷铁和添加冒口等措施优化铸造工艺，再反复进行模拟，最终得到最优的铸造工艺参数，并应用于实际。 在此过程中主要研究以下几方面的内容
23、： （1）简单介绍下铸件充型凝固过程数值模拟所需的数学模型、充型过程数值模拟的SOLA-VOF方法、凝固过程结晶潜热的处理和铸件质量的预测方法等。 （2）根据所用材料的力学性能、合金成分、固相线和液相线温度及铸件的结构确定铸造方案。 （3）根据鼓风机底座的结构和铸造的工艺特点，计算浇注系统，并使用三维造型软件Pro/E绘制浇注系统与铸件模型，为后续的软件模拟工作做好准备。 （4）设计软件模拟方案，并确定模拟所需的初始条件、边界条件、界面条件、AnyCasting的运行参数以及浇注工艺参数。 （5）利用软件AnyCasting 对不同的充型工艺方案进行模拟，根据对充型过程和凝固过程速度场温度场的
24、分析，讨论不同方案对充型过程和凝固过程的影响，从而确定最佳的工艺方案。 第2章 铸造数值模拟理论基础本课题研究的是鼓风机底座的熔模铸造工艺，主要通过计算机软件Pro/Engineer 来进行模型建立，利用AnyCasting进行充型模拟。2.1 建模-模拟软件简介 （1） 建模软件介绍本文的鼓风机铸件的模型是通过三维建模软件Pro/Engineer来完成的。Pro/Engineer软件是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，该软件在工业产品造型设计、模具设计，机械设计、功能仿真、有限元分析以及加工制造等方面都有着广泛的应用。本论文考虑到要利用模拟软件，而且Pro/E
25、ngineer简单，容易操作，因此选用其来制造鼓风机底座模型。 （2）模拟软件简介 本课题主要利用Anycasting软件对鼓风机底座进行了模拟。AnyCasting是韩国AnyCasting公司自主研发的新一代基于Windows操作平台的高级铸造模拟软件系统。是利用其它CAD软件系统（本设计为Pro/E三维造型软件）建立的铸件、砂型三维实体模型并保存为stl格式的文件，导入文件进行模拟计算的。铸件充型凝固过程包括导入三维实体模型，网格剖分及修复；确定材料的热物理性能参数、设立模拟运行参数、初始条件及边界条件；模拟分析；后处理；模拟结果可视化等步骤。AnyCasting是专门针对各种铸造工艺过
26、程开发的仿真系统，可以进行铸造的充型、热传导、凝固过程和应力场的模拟分析。该软件共划分为5个模块: AnyPre作为AnyCasting的前处理程序，AnyPre可以实现CAD模型的导入，有限差分网格的划分，模拟条件的设置，并调用AnySolver进行求解。使用AnyPre，可以进行多种设置包括工艺流程和材料的选择来模拟铸造成型过程，设置边界、热传导和浇口条件，也能通过特殊功能模块来设置一些设备和模型。另外，还可以通过AnyPre提供的CAD功能来查看、移动、旋转实体坐标系统。 AnySolver作为AnyCasting的求解器，AnySolver能够根据已设置的参数计算流场和温度场。铸造成型
27、模拟包括计算熔体充型过程的流动分析和熔体凝固过程的传热/凝固分析。只有在两个分析都准确的前提下才能正确预测可能造成缺陷的区域。 AnyPost作为AnyCasting的后处理器，AnyPost通过读取AnySolver中生成的网格数据和结果文件在屏幕上输出图形结果。使用AnyPost,可以用二维和三维观察充型时间，凝固时间，等高线（温度、压力、速率）和速度向量，也可以用传感器的计算结果来创建曲线图。这个程序具备动画功能使用户把计算结果编辑成播放文件，通过卓越的结果合并功能来观察各种二维和三维的凝固缺陷。 AnyMeshAnyMesh能编辑由AnyPre生成的网格文件，可以轻松地修改网格信息而不
28、改变几何模型。 AnyDbase作为一个能概括铸造成型中熔体，模具和其他材料性能的数据库管理程序，AnyDbase主要分为常规数据库和用户数据库。常规数据库提供了具有国际标准的常用材料性能，而用户数据库使用库能保存和管理修改或附加的数据。用户能简单的选择感兴趣的材料而不需要输入几百种不同的材料性能。另外，它还提供每种材料的传热系数，提高了程序的方便性。2.2充型凝固理论 金属液充型是一个伴随着热量损失以及凝固的非恒温流动过程。金属液的流动遵循质量守恒定律、动量守恒定律以及能量守恒定律，可以采用连续性方程、动量方程、能量方程来描述这一过程。Navier-Stokes运动方程： (2-1) (2-
29、2) (2-3)能量方程： .(2-4) 式中：为密度，t为时间，为速度矢量，u、v和w为速度矢量在x、y和z方向的分量，为动量守恒方程的广义源项，为比热容，T为温度，k为流体的传热系数，为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，也简称粘性耗散项。粘度模型，采用标准k-模型，用紊流动能k和紊流动能的耗散率来表示动量守恒方程中的紊流粘度，公式为： .(2-5)式中：为经验常数。在标准k-模型中，k和是两个基本未知量，与之相对应的传输方程为： .(2-6).(2-7) 式中：是由于平均速度梯度引起的湍动能k的产生项，是由于浮力引起的湍动能k的产生项，代表可压湍流中脉动扩张的贡献，和为
30、经验常数，和分别是与湍动能k和耗散率对应的Prandtl数，和是定义的源项。 由于这些方程均为非线性偏微分方程，变量多，求解复杂。很多研究工作者就此进行研究，并提出了很多求解技术。目前，用于计算充型过程的数值模拟技术主要有 SIMPLE 法、MAC 及 SAMC 法、SOLA-VOF 法。 Anycasting 采用 SOLA-VOF 方法。该技术是由美国科学实验室发展起来的一种模拟技术。最初时， SOLA-VOF 法是求解二维非定常流动的问题的数值模拟方法，主要应用于有限差分法，后来才逐渐拓展到有限元法的，它采用的F 函数代替大量的示踪粒子，并确定了自由表面的位置，即定义：体积分数函数F=网
31、格单元内流体体积/网格单元体积这样体积函数 F 的值可用来描述网格内流体的充满状态。当 F=0 时，网格单元为空，表示没有流体；当 0F1 时，则表示网格单元内有流体流入，但没有充满；当 F=1 时，表示网格单元为充满状态。对于流体来说，描述 F 的方程为： .(2-8) 在计算铸件流动、充型时只需计算其中一个网格单元的 F 值就可以得出铸铁液在任一时刻的充型、流动状态。由于 SOLA-VOF 方法利用体积函数代替 SMAC 法中的示踪粒子，节省了大量的计算存储单元，大大提高了计算速度。SOLA-VOF 技术使用 SOLA 法求解压力场和速度厂，用 VOF 法处理自由表面问题。在金属液的凝固过
32、程中，铸件/铸型的传热过程是通过高温金属液的辐射传热、液态金属 与铸型的对流传热、金属向铸型的导热三种方式完成的铸件凝固过程数值模拟计算依据的基本数学模型是不稳定导热偏微分方程。铸件凝固过程数值模拟的任务是建立凝固过程中传热的数学模型，并通过数值方法进行求解，常用的求解导热问题的方法有有限元法、有限差分法、直接差分法。AnyCasting 使用的是有限差分法，其基本思想是首先将微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组，将微分方程问题转化为代数问题。最后求解差分方程组以获得微分方程的数值近似解。2.3 缺陷预测 铸件凝固过程数值模拟的最终目的是为了优化铸造工艺设计，实
33、现铸件缺陷预测和控制，其中缩孔、缩松预测是其主要内容。 铸造生产中最常见的缺陷是缩孔与缩松。铸件在凝固时，金属液由于冷却体积变小，铸件最后凝固的部位由于得不到金属液的补缩将会出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细而分散的孔洞称为缩松。铸造凝固过程数值模拟的主要目的之一就是要预测铸件在凝固过程中可能产生的缩孔、缩松缺陷，以及缺陷的大小和部位，从而通过对铸造工艺参数的优化修改来实现对铸件内部质量的控制，指导铸造工艺设计。预测缩孔和缩松的主要方法有：等温曲线法、温度梯度法、流导法、固相率梯度法、时间梯度法等。(1）等固相率法等固相率法也就是等临界固相率曲线法，用合金停止宏观流动的固相率值在不同时刻对应
34、的等值曲线分布判断缩孔位置。临界固相率曲线合金的临界固相率值大小取决于凝固特性和凝固成型的方法。不同合金的临界固相率可查相关手册得到。(2）收缩量法该方法是在T时刻内计算出铸件内达到临界流动固相率的凝固单元的总收缩量是V。若总收缩量大于单元体积时，则从冒口中或铸件最高部位的可流动单元中减去收缩量，所减去的收缩量在冒口中或铸件中的表征即为缩孔。典型的就是“等效液面下降法”。除了以上判据，还有等温曲线法、固相率梯度法、压力梯度法、停止流动法等。无论从精度还是从使用范围看，这些缩孔缩松判据都达到了较高的水平，但是仍然存在一些局限性。金属液在压力下充型、凝固能够得到致密的组织，为了改善铸件的机械性能，
35、减少了缩孔缩松的出现，因而被广泛使用。在高压铸造中，由于压力很大，很少产生缩孔缩松缺陷。而低压铸造一般是在1Mpa以下进行凝固，会有缩孔缩松产生。自1996年柳百成、闻星火对低压铸造进行了初步的研究，分析了低压铸造充型凝固的过程，国内陆续有很多学者开始了对压力下铸造的研究。针对压力对铸件凝固的作用，清华大学闻星火和柳百成、山东大学田学雷、哈工大薛祥及中北大学侯华等专家学者都对压力下的缩孔缩松进行了研究，分别得出了相应的压力下缩孔缩松判据。他们均是在各自的判据中引入了描述金属液体在枝晶间流动的达西定律，推出了具有相近格式的缩松判据。研究人员建立了临界固相率和压力之间建立线性关系，显示出压力对缩孔
36、及缩孔位置的影响。由上所述，压力对缩孔缩松判据的影响是重要的，而且是不可避免的。这些判据也反映了压力与临界值之间成线性正比关系。这些判据在模拟实验中均大大提高了缩孔缩松判据的预测性能。第3章 鼓风机底座熔模铸造工艺 熔模铸造，是用易熔材料（如蜡料或塑料）制成精确光洁的模型熔模，在其表面涂覆数层耐火材料，干燥和硬化后加热熔去蜡模，然后经过高温焙烧，形成一个具有一定厚度的整体型壳，再向型腔浇注金属液，获得与熔模形状一致的铸件。3.1 熔模铸造的特点与其它铸造方法和零件成形方法相比，熔模铸造有以下优点：（1） 铸件尺寸精度高、表面粗糙度低。熔模铸件的尺寸精度可达到 46 级，表面粗糙度可达到 Ra0
37、.43.2m，可大大减少铸件的切削加工余量，可实现少、无切削加工。（2） 可铸造形状复杂的铸件及薄壁铸件。形状复杂的整体蜡模可由若干形状简单的蜡模组成，可铸出壁厚小至 0.5mm，孔径为 1mm 以下，轮廓尺寸小到几毫米、大到上千毫米，重量轻至 1g的铸件。 （3）适用性广、灵活性高。各种合金材料都可用于熔模铸造生产，对于高熔点合金以及难以锻造、焊接和切削加工的合金材料，更是适宜用熔模铸造方法生产。熔模铸造的工装模具既适用于大批量生产，也适用于小批量生产，甚至单件生产。大批量生产采用金属压型，小批量生产可采用易熔合金压型等，样品研制可直接采用快速原型代替蜡模。（5） 使用蜡模铸造无分型面，不用
38、开箱取模。熔模铸造使用蜡模制好型壳后很容易将熔模去除，不用将型壳分开取出模型。一般不用型芯，型壳是一个整体的，所以生产的铸件无毛刺飞边。（6）熔模铸造工艺性较复杂，原辅材料比砂型铸造高，这样就使得工艺过程耗时长，成本较高。另外受蜡模与型壳强度、刚度的限制，不适宜铸造太大太长的铸件，一般限于25kg以下。3.2 熔模铸造工艺流程 熔模铸造工艺，是用易熔材料(例如蜡料或塑料)制成可熔性模型(简称熔模或模型)，在其上涂覆若干层特制的耐火涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再从型壳中熔掉模型，然后把型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧，铸型或型壳经焙烧后，予其中
39、浇注熔融金属而得到铸件。 熔模铸造工艺过程，如图3-1所示。 (1)压型设计：根据零件的铸造工艺设计图要求，设计压型。 (2)制造模型：根据压型设计图纸要求，加工钢压型、铝压型或其他材料压型。 图3-1 熔模铸造流程图Fig 3-1 The investment casting flow chart (3)制造熔模：用气动注蜡机或液压为动力的注蜡机，将糊状或液态蜡料注入乐型制成熔(蜡)模。 (4)焊接组装模组；把蜡棋焊接或粘接到已预制好的蜡棒(即浇注系统)上，组合成模组。 (5)模组脱脂：将棋组浸入专用的脱脂液中，使蜡棋表面的油脂类分型剂除去。(6)制造型壳：在模组表面浸徐上耐火涂料(浆料)，
40、井撤上一层砂粒，(石英砂、刚玉砂、铁英砂等)，再将已撤上砂粒的模组，经干燥硬化(硅溶胶型壳)，在硬化剂巾使涂层硬化(水玻璃型壳)或经氨气干燥硬化(硅酸乙荫型壳)，然后取出在空气中干燥，这样重复数次，在模组表面，结成约10毫米厚的型壳。(7)熔失熔模(脱蜡)：将已制成的型壳，放入蒸汽或热水槽等加热容器中，将蜡模全部熔化，得到和空的型壳。模具制造制熔模浇注系统 模料处理模组焊接模组清洗 涂料制备上涂料及撒沙型壳干燥脱 蜡型壳焙烧 熔 炼浇 注磨内浇口机加工钝化修整焊补热处理最后清砂喷丸或喷沙切割浇口震动脱壳 图3-2熔模铸造工艺流程图Fig 3-2 investment casting proce
41、ss flow diagram （8）型壳焙烧：将型壳放入加热炉中进行高温焙烧。 （9）液体金属浇注：将已熔化的高温金届液，浇注到已焙烧过的热型壳巾。（10）脱壳与清理：用手工或震动脱壳机脱壳、清砂、切割浇冒口及经其他的清理工序后即获得所需铸件。3.3鼓风机底座工艺设计(1) 鼓风机底座的特点鼓风机底座（如图3-3）是一个形状复杂的薄壁铸件，且表面精度要求不高，采用熔模铸造表面质量较好，可以减少后处理工序，经济实惠。因此选用熔模铸造。图3-3鼓风机底座Fig3-3 the base of the fan (2) 压型设计根据鼓风机底座零件的铸造工艺设计图要求制造出与其零件尺寸相符合的母模，再根
42、据母模利用铝合金做出鼓风机底座的压型。再对压型进行修整。 (3) 制造蜡模先将蜡料熔化至糊状，利用气动注蜡机将蜡料，注入已经制好的鼓风机底座压型中，待其冷却凝固后，去掉压型，取出蜡模，然后放入冷水中冷却。 模料选择 熔模的尺寸精度和表面质量直接影响型壳以及铸件的尺寸精度和表面质量。由于熔模铸造是少切、无切削的工艺方法之一，它的尺寸精度和表面质量的要求比砂型铸造熔模的要求高。为了制得高质量的铸件，需要使用高质量的熔模，其中很重要的一点是必须选用优质的熔模材料。有了优质的模料，还需要有合适的制模工艺。 影响模料的因素包括：a.模料的熔点，为了使配制模料、制造熔模和脱模的工艺方便简单，模料的熔点要低
43、。但熔点低，影响其强度，因此熔点要适中，60100为宜。b.软化点 模料开始发生软化变形的温度称为软化点，通常以标准悬臂试样加热时，保温2小时其变形量为2毫米时的温度作为软化点，模料软化点一般不宜低于3540。c .流动性 模料应具有良好的流动性，以利于充满压型型腔、获得棱角清晰、尺寸精确、表面光洁的熔模；此外，也便于模料在脱蜡时从型壳中流出。d.收缩率 为保证熔模达到应有的尺寸精度，要求模料收缩率小(一般小于1)；收缩率小、膨胀系数小，有利于防止型壳在脱蜡时被胀裂。e.强度及表面硬度 模料在常温下应有足够的强度和表面硬度，以保证在制模、制壳、运输等生产过程中熔模不发生表面擦伤、破损或断裂；通
44、常用于小型铸件、模料的抗拉强度应大于1.4MPa，用于大铸件时应不低于2.5MPa。f.涂挂性 模料应能很好地为耐火涂料所润湿模料的涂挂性可用模与粘结剂间的润湿角来衡量。此外，还要求模料复用性好，回收方便，化学性质稳定，不易变质，无公害，资源丰富，价格低廉等。水平面剖视图表3-1石蜡-低分子聚乙烯模料性能项目单位性能指标备注熔点6570软化点34热稳定性收缩率%1.04自由收缩针入度1/10mm18表面硬度抗弯强度MPa3.30流动性mm90焊接性MPa1.24灰色%0.045 根据鼓风机底座特点及蜡料特点选石蜡-低分子聚乙烯模料（性能如表3-1）作为生产鼓风机底座用蜡模。 石蜡-低分子聚乙烯模料的组成：60石蜡50一60，67C蜂蜡15一20，75地蜡10，EvAl0一35。 模料的配制简单，使用方便，复用性好，与石蜡脂肪酸模料相比，此类模料具有较高的强度和弹性，其热稳定性高表面质量也较好，适用于生产形状教复杂的小型熔模，可采用液态注蜡。应用十熔模铸造作为模料强比剂的Evh，其产品规格为28250，即乙酸乙烯含量为28，熔融指数为250。 模料熔料模料熔化时应根据各组元的相溶性合理确定加料的先后顺序， 由于Eva在60摄氏度时在松香中的溶解度大于石蜡的溶解度，故合理的加料次序是先加eva和松香，待两者熔化后再加入石蜡。整个熔化过程需不断搅拌，以使各个组元溶合均匀
