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1、滋捷荣存苔血恋绵盎淆世蕾赖寇非惰蛔多檄爽如言嚏环蹦徐款枯插骨竿凭冤叙察郁青决抿余债褥锹刻费圈约援芬绍丈范明糕镣荡颜篓溢淘塘视奉准戏帖父脱帜监滇颁酒噶杨菏歇载诬边睁缘尾渍喧聪隶溃进峨容铭趾冬疆屠竭头戊植儡捏剃伴缩猴路布咙何彬亨搁堕急阂铸奎促共号辽吁要仁须仆队攫戍雀卵涉彝药讹艇馆溜芯驭扼就中佯然占啤征檄逼寡狐参寡匆泵敝匙栋蚊伞悯运亩桃编谎修扰牢壕通怪湖月污具胃泵操住凶妹骋紊骤位忱浩柿感悸紊稼握雀柬墓陌球缅瓜俊舀迫踪体劳怂笑餐纬袖柳巷楔须彝喉昼贫崩泣咆溃痞皆玄芝肃迄兼泅仰银阁莽念寥绅娥溺洪透醉牡导汾战娃弟拖锈苹秉河北工业大学 毕业设计说明书作 者： 孙张于 学 号： 082059 系 ： 材料科学与
2、工程 专 业： 材料成型与控制 专业方向： 液态成型与控制 题 目： 大型转缸朴里腻涝蔑蹲铡俐统郁迎它逃矗照匪浮键薪纤纺仰谜体稠帜堪橙宜迭扰撒射诀耸飞郎搜奸茂雅脂阮播蒸绰讽鸯析昏逢避扔蛀抡穿贮刀料柬士组金官囚纹娩芝究魔药敲危看粟竞峭瘩洗奸宦咀秀歉皑椰追罩哇奔陇札奈校全寒板涡威僻廉肛透宦挠窗盯脊僚部灾婶袖垂滤宴颤揖牙购匪抹蔼住姥怖辗厄目危耽缨嗣闯盯联峨堤舱渝酮寅啃蓄玄闲拼当粕枯祖雅雏樊粹消沥护恩顺呕堪给霹竖虞斗望和疑监态佛惨冤稗筒充酷钒栏冒携洗伎厢补域乒置尧爸辗札耽普汇哀冈讥柴纲祭峭挤诞晚黄滚怪轨布味懒喉盛睁饥星贺缮缩胰淹磊鸭兼懈削穴辗刮黔讽煤琼奢皂蛋览亏哲茁坛揣刽撇势覆芥耿篆雹蛇玄帝大型转缸铸
3、钢件的铸造工艺设计及优化醚恕钾拇俐躺便顾紫萨厌疵侦赛庭揩遮喀霓弛爽级颊晨尾私坎享谰残仔旅蓉蒙汲挚痢逛倔才碳冈鲸顽阎刹秦莎竖蠕厕爸孤夷乍劣横厢进仔益如砰惋惊踩豪讥卉饥该需船增嚣袖诈依哺碧龋梆埃圾剧棱三嘉燥缮翌鄙涣掳曼驻锐啦军惟瑶扭努袋闻赖荣入子妻偏缕蚊宠黔代灿邱弧影瓜卡脐馈官鸽廓佩女槐傲寇禾旦扮狞似捆棠妖蜘狞湛劈榜辑啼掉撮歇煽淄扯础颂鞍冀给腥所员朝僚果阂柱奇杰矗鱼赣挥寻腥玫册搀诽诡层桩委抹茸重徐琵棠佑脊骑楼潞亦企炕直艇檄辫品脉抗旦鹅倾撵诞算朔各皑赣颐恨晴恼炭空沙店溺监萎弊卡码泡改舔篱蜒革幅错维蚕瓷篮弦毋洁阂讳唉础谊下帧仆妙钡泄胞爽国河北工业大学 毕业设计说明书作 者： 孙张于 学 号： 0820
4、59 系 ： 材料科学与工程 专 业： 材料成型与控制 专业方向： 液态成型与控制 题 目： 大型转缸铸钢件的铸造 工艺设计及优化 指导者： 李日 教授 评阅者： 2012年6月7日毕业论文中文摘要 题 目: 大型转缸铸钢件的铸造工艺设计与优化摘要：论文以20Mn转缸铸件为研究对象，综合运用CAD/CAE进行了20Mn转缸的铸造工艺设计，以及充型凝固过程的模拟，最后得到最优的铸造工艺方案。在铸造工艺设计部分，首先利用UG6.0 对转缸零件进行三维造型，利用此造型出的零件进行浇注位置、分型面、砂芯设计等工作，接着根据模数理论，用UG6.0的切割功能和分析功能对铸件进行分体结构划分，然后用Exce
5、l计算分体结构的质量、体积、面积、模数等，最后按照计算结果用UG6.0设计了三维20Mn转缸铸件铸造工艺。上述工作充分体现了CAD在设计精度和设计效率上均具有传统工艺设计无法比拟的优越性。在模拟优化部分（CAE），用SOLIDCast对铸造工艺进行评价和优化。根据铸件有无冒口共设计了两种方案，通过对这两种方案的模拟结果中流场、温度场以及缩孔缩松比率的比较得出，加冒口的方案缩孔缩松缺陷完全消除，定为最佳优化方案。关键词： 20Mn转缸铸件 CAD、CAE设计 铸造工艺设计与优化 毕业论文外文摘要Title: The casting process design and optimization
6、of the large turn cylinder of cast steel Abstract: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
7、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
8、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 w
9、ith 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
10、shrinkage porosity prediction, it is obvious that the design with the riser head can eliminate all the defect of the shrinkage. Keywords： 20Mn Turn cylinder CAD/CAE designCasting technological design and optimization 目 录第一章 绪论11.1 课题目标；铸件简介21.2 文献综述41.3 论文的研究目标，内容及方法4第二章 研究理论基础和条件42.1 基本工艺基础42.2 硬件设
11、备52.3 软件5第三章 铸造工艺设计63.1 造型关键方法63.2 浇注位置73.3 分型面83.4 砂芯的设93.5 冒口及冷铁 103.6浇注系统的设计153.7 初始铸造工艺17第四章 铸造工艺的数值模拟优化184.1 SOLIDCast简介和运用184.2 初始铸造工艺方案的模拟204.3 初始铸造工艺方案缺陷的分析224.4 初始铸造工艺方案的优化234.5 优化后的铸造工艺方案的模拟24第五章 结论29结论29参考文献30感谢31 第一章 绪论1.1 课题目标铸件简介和要求本课题铸件为20Mn转缸，在实际的生产过程中产生的缺陷主要为浇不足、冷隔、缩孔和缩松、裂纹及粘砂等，尤其在薄
12、壁高大铸件中产生的缩孔缩松缺陷最为严重。本论文中主要对该铸件中出现的缺陷现象进行原因分析。在设计过程中以模数法和澳赞公式为基础，UG为设计工具最后用CAE软件分析其流场、温度场，进而作出判断。然后提出相应的优化工艺，并通过CAE方法反复检验得到最佳工艺。如图1-1所示，该铸件为高大薄壁铸件，底部最大半径为1230mm，顶部最大半径为1120mm，底部中间有较大热节，外部为薄壁套筒状，最小壁厚为40mm，中间热结部分与外部通过三个加强筋相连。底部均匀分布着六个用于吊起铸件的吊钩，吊钩上都有一个用于吊起铸件的半径为41mm的孔。铸件顶部均匀分布着六个用于连接零件用的半径为55.8mm的孔，底部在对
13、称部位分布着四个同样用于连接用的半径为32mm的孔，根据单件、小批量生产铸钢的最小铸出孔直径为50mm，这些孔均为铸出孔。中间部分为该铸件的厚大部位，最大壁厚830mm，高度为532 mm。热结顶部有宽度为64mm，深度为10mm的沟槽。中间有倒锥型的孔，其顶部半径为205mm，底部半径为171.8mm，中间部分凹入2.0mm。热结顶部和外壁处分别有六个M14和M30的螺纹孔，该螺纹孔均为后期机械加工孔，在铸造时均不铸出。图1-1 铸件平面图1.2 文献简述文献1中作者运用数值模拟软件ViewCast对大型铸钢件的凝固过程进行了数值模拟，准确预测到了铸造过程之中的缺陷及产生缺陷的地点，根据此结
14、果做出相应正确的铸造工艺。再进行进一步优化，得到最优的工艺方案，最终应用于工业生产，取到很好的效果。文献2中着重分析了铸件的长、重、内部质量要求高的特点，根据这些特点制定了以下方案：（1）在铸件外部加冷铁和附加冒口，以实现铸件的顺序凝固；（2）在造型方面采用实样模型、树脂砂制作型、芯，保证铸件尺寸及表面精度，减少了气孔、砂眼等铸造缺陷；为防止出现浇不足，采用了电弧炉、LF 钢包精炼炉联合冶炼的浇注措施。最终获得较好的效果。文献3详细的分析了大型铸钢件在生产过程中产生的缩松、缩孔、气孔、偏析、冷裂和热裂、白点等缺陷，并分析了产生该缺陷的原因和解决的措施。对铸钢件生产工艺的改进、质量的提高以及检测
15、水平的提高起到一定的作用。文献4根据该铸件结构特点和材料特点、技术要求等，对铸钢托轮进行合理的铸造工艺设计，并运用利用 Z-Cast 软件对铸钢托轮凝固过程模拟，依据模拟结果对原工艺加以改进，最终获得了优质的大型铸钢托轮件。文献5同样运用ViewCast模拟软件进行铸造工艺设计。首先根据模拟的结果找出热结大小及位置，进而计算出冒口尺寸和数目。然后进行凝固模拟，根据结果找出最优的工艺方案。文献6中主要介绍了我国铸件尤其是大型铸件生产的现状以及与外国企业的差距。文章同时详细说明了大型铸钢件生产中的关键技术，例如铸造工艺技术，热处理技术以及数值模拟技术等，尤其是计算机数值模拟近年来在我国飞速发展和运
16、用。文献7中主要对我国的中国人民抗日战争纪念群雕、香港天坛大佛、中华世纪坛青铜甬道、武汉千年吉祥钟等大型艺术铸件的工艺进行了详细的分析。文献8针对与大型矿山机械上机架类似结构的铸件生产工艺设计中存在模具活料较多、法兰尺寸难以控制、起模困难等普遍问题，提出了创新的解决办法，并成功应用。文献9针对热轧2 250 mm热轧薄板机架结构复杂，易产生缩孔、疏松、裂纹等铸造缺陷的工艺技术难点，并利用计算机模拟技术研究了铸造工艺的合理性，保证了2 250 mm热轧薄板机架的铸造成功。文献10针对大型立柱类铸件、主轴箱体和尾座体箱体类铸件质量改进等对大型数控机床制定了可行的工艺方案，并通过数值模拟解决了大型铸
17、件的缺陷。文献11中根据大型箱体球铁件的结构特点，介绍了铸件的造型工艺、浇注系统及工艺参数等的设定与选择。最后通过CAE模拟软件进行模拟，进一步改善了工艺方案，提高了工艺出品率。文献12根据20t铸钢件的市场需求及质量要求，结合广钢电炉炼钢厂自身生产条件及设备，制定了合适的工艺生产方案，提高了公司的收益。文献13利用 Procast 软件对 42CrMo 大型轴承环件的砂型铸造工艺进行了数值模拟，分析了凝固过程和产生缺陷的原因。根据模拟结果改变并优化了工艺方案，消除了缩松、缩孔等缺陷。文献14详细叙述了对厚壁高锰钢耐磨铸件的制造工艺要求，通过合理的成分选择、铸造浇注工艺、结合热处理强化措施，以
18、达到高锰钢铸件的抗冲击耐磨的特性。最终使生产的高锰钢铸件在实际使用中获得了良好的耐磨性能。文献15主要介绍了华铸CAE铸造工艺分析软件在铁路大型养路机械中的应用。通过具体铸件的生产试验，成功预测了铸造缺陷，采取优化浇注系统及补缩系统等工艺方案优化后，消除了缩孔、裂纹等铸造缺陷。1.3 论文研究目标、研究内容和方法 研究目标：本课题对20Mn转钢铸件进行铸造工艺设计以及计算机辅助设计，包括UG6.0、SOLIDCast，最后找出最佳的工艺方案。 研究内容和方法具体如下： （1）运用UG6.0软件对转缸铸件进行三维造型。 （2）选定20Mn转钢体的铸造工艺方案，并进行论证。包括确定铸造工艺参数、
19、确定浇注位置以及分型面和分模面等的确定。 （3）利用UG6.0软件，将零件转化为铸件图。 （4）然后进行浇注系统的设计，冒口、冷铁等的设计。 （5）利用SOLIDCast软件进行浇铸模拟，并观察铸件流场、温度场，分析存在的缺陷，并最终确定最佳工艺方案。 随着计算机技术的发展，CAD/CAE技术凭借设计周期短、设计成本低、设计准确度高等优点在制造领域应用越来越广泛。本课题以UG6.0软件为工具对20Mn转钢的实体化进行计算机辅助设计，同时用Excel表格作为辅助工具并用SOLIDCcast软件进行浇铸模拟，最终找到最优的铸造工艺方案。第二章 研究理论基础和条件 2.1 基本工艺理论 模数法 基本
20、原理：遵守顺序凝固的基本条件。首先，冒口的凝固时间Tr应该大于铸件被补缩部位的凝固时间Tc。运用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分别为冒口模数和铸件模数； Kr、Kc冒口、铸件的凝固系数对于普通冒口，Kr=Kc，因而上式可以写成：Mr=f Mc式中 f冒口的安全系数，f1。一般取安全系数f=1.2。其次，冒口必须能提供足够的金属液，以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和因型壁移动而扩大的容积，使缩孔不致伸入铸件内，为满足此条件应有 （V c+V r）+VV r 式中 V c、V r、V铸型
21、体积、冒口体积和因型壁移动而扩大的体积； 金属从浇注完成到凝固完毕的体积收缩率； 冒口的补缩效率。2.2 硬件设备在数值拟部分应用SOLIDcast软件对铸件进行数值模拟，应用SOLIDcast工作站进行模拟，其计算机硬件设备具体如下：电脑配置为CPU: 2.83GHz；安装内存（RAM）：4.00GB(3.50GB可用)；32位操作系统；硬盘：500GB。2.3 软件 在本次课题设计中运用的模拟软件为SOLIDCast。它是世界最流行的基于PC的铸造工艺设计、分析、优化软件，其材料库中包含了上百种合金材料及其热物理参数。可以模拟灰铸铁、球墨铸铁、铸钢、铝、铜、镁、镍等大部分常见合金材料的铸造
22、工艺。 SOLIDCast提供了一套成熟的浇注系统和冒口设计向导。有了它铸造工程师几分钟就能完成一个新产品的工艺设计。该设计向导基于真实铸造过程的模拟结果，综合考虑了铸件材料、造型材料和其他辅助工艺措施，而不是依靠简单几何的估算。目前为止没有比它更精确的工艺设计方法了。在SOLIDCast基础上FSI公司开发了专业流场计算模块FLOWCast，用于模拟液态金属经过浇注系统进入型腔的状态。FLOWCast通过模拟型腔中的对流、传导和辐射，分析铸件及浇注系统设计,预测与流动相关的如浇不足、氧化夹渣、夹杂、高速流体造成的冲砂等缺陷。 使用SOLIDCast建模（或者导入3D模型）并划分网格，直接调用
23、FLOWcast即可模拟液态金属的充型过程。其结果也可以直接用于SOLIDCast中，以模拟铸件随后的凝固过程。这两个模块结合起来就成为一个完美的模拟系统，设置非常简单、易学易用。 第三章 铸造工艺设计3.1 转缸铸件三维造型的关键方法图3-1是铸件的三维造型图，从大体上看，该铸件相对比较对称，大部分可采取拉伸和回转的方法进行造型。图中1为铸件中间部位，该部分空间上是对称的，可以在X-O-Z面上做出草图，再将该草图以Z轴为对称轴旋转；在加强筋部分，同样可以通过旋转的方法得到整个加强筋，再画出需要去除的部分，二者做布尔求差运算即可以得到加强筋；图中2为铸件的空腔部位，在这部分造型时先完成空腔部位
24、的造型，再完成铸件顶部的造型，二者做布尔求差运算即可完成该部分空腔的造型；图中3为铸件的外壁，该外壁为铸件的最小壁厚，外形对称，同样可以在X-O-Z面上绘出草图，再将该草图以Z轴为对称轴旋转即可完成；图中4为铸件与底座相交的圆环，该部分造型时，可以首先建立基准平面，并在基准平面上绘制草图，通过草薙的拉伸可以完成该部分的造型。也可以通过直接造型完成该部分的造型，首先在指定位置直接造出圆柱体，经过布尔求差完成该部分的造型；图中5为铸件的底座，该部分造型柱主要是草图的拉伸，首先做出基准平面，在基准平面上绘制出该部分的草图，再将草图拉伸即可得到该部分的造型；图中6为铸件的吊钩部分，该部分同样应用草图拉
25、伸完成造型，首先在底座上部平面做出该部分的一部分草图，将草图拉伸可得到部分造型，再将这部分完成的造型做镜像即可得到全部的造型,；图中7为铸件孔，在该部分造型中，可以直接做出圆柱再和底座做布尔求差运算即可得到该部分的造型，该铸件所有的孔均可以通过该方法完成造型。也可以通过草图拉伸、布尔求差运算完成该部分造型。总体而言，该铸件形状中等复杂，造型比较简单。123457图 3-1 铸件三维造型图63.2 浇注位置图3-2 水平浇注 浇注位置的确定是铸造工艺设计中相当重要的一环，关系到铸件的质量的好坏、铸件的尺寸精度的高低以及造型工艺过程的难易，因此往往须制订出几种方案加以分析、对比，择优选用。实际生产
26、中的浇注位置通常分为水平浇注、垂直浇注和倾斜浇注。图3-2 垂直向上浇注 图3-4垂直向下浇注 以上三种浇注位置是20Mn转缸的较为合理的三种浇注位置。同时考虑本铸件尺寸比较大，才用手工造型的方法，水平浇注将会出现无法取模的现象；而且该铸钢件的大热结位于铸件底部，垂直向下更有利于冒口的安放以及更有利于顺序凝固的实现。综上，该铸件最终选为垂直向下的浇注位置为最佳浇注位置。3.3 分型面的确定 分型面是指两半铸型的相互接触的表面，分型面一般在确定浇注位置后再选择。但分析各种分型面方案的优劣之后，可能需要重新调整浇注位置。生产中，浇注位置和分型面有时是同时确定的。分型面的优略，在很大程度上影响铸件的
27、尺寸精度、成本和生产率。应仔细分析、对比，慎重考虑。 所以，根据以上原则结合该铸件尺寸、结构以及手工造型时的具体砂箱的有效高度，同时也利于下芯等，所以将其分为四箱造型，分别为上箱、第二箱、第三箱和下箱。具体的分型面如图3-5所示。分型面上箱第二箱第三箱下箱图 3-5 分型面的选择3.4 砂芯 砂芯的功能是形成铸件的内腔、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。砂芯应满足下列要求：砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置应符合铸件的要求，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够及时的排除型外，铸件收缩时阻力小和容易清砂。 1号垂直砂芯根据该铸件形状分析得
28、：该铸件需要放入三个砂芯，具体砂芯形状及类型如图3-6所示：1号垂直砂芯2号预埋砂芯3号水平砂芯图 3-6 砂芯图 3.5 冒口及冷铁的设计1、冒口的设计 根据该铸件的形状，最大热节在铸件顶部中间处，该部位也是该铸件最后凝固的区域，该部分为铸件首先需要补缩的地方。根据模数法可以利用UG6.0将铸件切割成几个不同的补缩部位，运用UG6.0的分析体功能准确算出补缩部位的模数，进行冒口设计。 20Mn转钢的几何模数可按下式计算： Mc=V/S式中Mc铸件的几何模数， V铸件的体积， S铸件的散热表面积将铸件的数据带入上式计算出铸件的几何模数： 图3-7 整体铸件体积V=1400589828mm3散热
29、表面积S=36502368.7mm2质量11TMc=3.84cm根据铸件的形状，利用UG6.O可以讲抓紧划分为几个不同的补缩区域如下：体积V=749494715.6mm3散热面积S=9675980mm3质量5853.4KgMc=7.75cm分体一体积V=169748569.3mm3散热面积S=5253504mm3质量1330KgMc=3.23cm 分体二体积V=135698781.2mm3散热面积S=7138513mm3质量1060KgMc=1.90cm 分体三图3-8 补缩区域的划分体积V=332020299.1mm3散热面积S=16394085.4mm3质量2593KgMc=2.02cm
30、分体四由于浇注位置选择在垂直向下浇注，分割体一适合添加冒口，而三四均为薄壁体，凝固较快，所以分割体二很容易被这些凝固较早的部位分开，从而是分割体四产生缩孔缩松。为实现从下往上的顺序凝固，分割体二处应该加入冷铁。冒口的确定根据分割体一的形状，首先选用的形状为易割随形腰型顶冒口。根据模数法： Mr=f M c其中 f=1.2，Mc=7.75；所以Mr=1.2*7.75=9.30cm图3-9为冒口的俯视图，其中R1=775mm，R2=345mm，R3=215mm。而割片厚度和补缩截面尺寸可用下式计算：b=0.56Mcd0=2.34McMn=0.59Mc式中，d0补缩径的直径（cm） b割片厚度（cm
31、）R1 Mn补缩径的模数（cm） Mc铸件的模数（cm）R2所以有：b=4.34cm， d0=18cm， Mn=4.34cm。R3图3-9 冒口俯视图 二、冷铁的设计铸钢件的外冷铁一般用高碳钢制造，冷铁面要光洁，无氧化铁层和油垢，而且与铸件接触面平滑或圆滑，无气孔后缩凹。根据铸造手册16，铸钢件的外冷铁的壁厚=(0.30.8)T，所以可取外冷铁的壁厚为铸件壁厚的0.8倍。 根据转钢铸件需要加冷铁的下部位为环形结构，故将冷铁设计为随形冷铁，环绕在铸件外围，已达到使铸件从下往上实现顺序凝固。具体冷铁形状如图3-7所示。图3-7 冷铁3-6 浇注系统的设计浇注系统是铸型中液态金属进入型腔的通道之总称
32、，它由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道等部分组成。浇注系统设计的正确与否对铸件品质影响很大，铸件废品中约有30是因浇注系统不当引起的。根据该转钢薄壁高大的特点，浇注系统应选为阶梯式浇注系统。但综合考虑铸件的形状特点，最终选择为顶注式浇注系统，理由如下：1） 冒口设计为顶冒口，可以将浇注系统和冒口设计在一起，减轻去除浇冒口系统的工作量和难度，另一方面也可以提高铸件表面质量。2） 如果运用阶梯式浇注系统，内浇道将与铸件底部连接形成热结，一方面增加了补缩的难度，另一方面不容易实现铸件从下往上的顺序凝固。3） 阶梯式浇注系统比较复杂，增加了浇注系统中液态金属量，降低了工艺出品率，并且增加铸件表
33、面处理难度和工作量。4） 根据铸件形状，可以用顶注式浇注系统代替浇注系统。因为浇注系统和冒口相连，液态金属首先进入冒口，经冒口颈进入铸件上部较大热接处，再由加强筋处流入逐渐下部，这样就很好的起到了缓流的作用。 浇注系统的设计：铁液消耗总重量：G铸件毛重+浇冒口重量11270363514905kg.浇注时间计算： t=S1 1.15=96S 经修正，取t92s。 式中 t 浇注时间，s； S1系数； 铸件最小壁厚，mm； G 铁液消耗总重量，kg。 型内金属液面上升的速度V型= 式中 C铸件的高度； 浇注时间； 所以 V型=19.5，符合实际要求。 平均压力头的计算： HpH0P2/（2C）60
34、01502/2*1650 593mm式中Hp平均压力头，mm； H0浇口杯水平面至内浇道距离，mm； P 内浇道至铸件最高点距离，mm； C铸件在铸型内总高度，mm。由奥赞公式可得： S阻=式中 m流经阻流截面积金属的总质量； 浇入液态金属的密度； g重力加速度； 充满型腔的时间； 充满全部型腔时，浇注系统阻流截面积的流量系数； Hp充满型腔时的平均计算压头。带入数据可得： S阻=105 cm2； r阻=57.8 mm； 选r阻=58 mm现在的浇注系统都可以用耐火材料烧制的管拼接而成，预先埋入砂型中，所以可以将浇道的形状直接设计成圆形，以便于浇注系统的的制作。该铸件由于设计为顶注式浇注系统，
35、于是将横浇道、直浇道、内叫道均设计为圆形。具体浇注系统的形状及装配如3-8所示。 图 3-8 浇注系统及装配3.7 初始铸造工艺综上，初始的铸造工艺为：选择铸件垂直向下的浇注位置；采用四箱手工造型方法；运用模数法的工艺理论设计冒口，冒口设计为易割腰型冒口；为更好实现铸件顺序凝固，铸件部分区域添加随形冷铁；应用奥赞公式将浇注系统设计为顶注式浇注系统。下一步运用模拟软件对该铸件进行数值模拟，查看缺陷，分析原因，改进工艺，最终达到铸件无缺陷、提高工艺收得率的目的。图3-9 初始铸造工艺图第四章 铸造工艺的数值模拟优化4.1 SOLIDCast简介和运用 SOLIDCast是一套全方位的铸造用仿真软件
36、，它可以适用在一般的砂模铸造、精密铸造 、低压铸造等。它的最大优点就是操作简单，模拟速度快。SOLIDCast的操作步骤：1） 将要数值模拟的铸件工艺图用UG6.0转化为STL格式文件。2） 进入软件页面，首先设计参数设计。在此需要设计文件的来源路径和模拟结果的储存路径。3） 新建方案，选择铸件的材料、浇注时间、冷却时间等。4） 分别导入铸件、冒口等的STL文件，在浇注系统顶部建立进水孔，进水口优先级要小于铸件。5） 划分网格。可以根据网格数量和最小网格尺寸进行网格划分。6） 进行数值模拟。运用SOLIDCast可以直接模拟铸件的凝固，也可以先进行充型模拟，然后自动转为凝固模拟。 7）模拟完成
37、后可以查看铸件缺陷，分析缺陷，优化工艺。图4-1 SOLIDCast主界面图4-3 铸件材料的设置图4-2 系统参数设置图 4-4 STL文件导入图4-5 划分网格4.2 初始铸造工艺方案的模拟将初始铸造工艺方案用UG6.0转化为STL文件，分别设置铸件、冷铁、铸型等的材料，再将转化成的STL文件分别单独导入SOLDCast，在浇注系统顶部中心处导入高60mm，半径为50mm的圆柱形进水口作为浇注时的起始位置。根据网格数量划分网格，初步定为2000000个网格，铸型材料选为Silica Sand，铸型高度（吃砂量）设置为100mm，完成这些设置后开启FLOWcast进行充型模拟，充型完毕后系统
38、会自动转为凝固模。在凝固过程中可以看到铸件的凝固过程，即可以看到铸件哪里先凝固，哪里最后凝固。在凝固模拟完成后通过等值面可以查看铸件温度场变化和铸件最后的缺陷和分布。首先可以直接对初始工艺进行凝固模拟，观看铸件的凝固过程分析缺陷产生的原因，再对方案进行优化,最终实现这次论文研究的目标。 图 4-6 凝固开始阶段图 4-7 凝固中期图 4-8 凝固末期图4-6、4-7、4-8是铸件的凝固模拟图，通过该图可以清晰看出铸件首先是底部加冷铁的部位首先凝固；在凝固过程中，铸件的中部薄壁处开始凝固，致使底部热接处将出现缺陷；最后冒口最后凝固。这样就可以初步分析铸件出现缺陷的地点，为下一步工艺的优化提供很好
39、的参考。4.3 初始铸造工艺方案缺陷的分析初始工艺经过凝固模拟后可以通过等值面数值展示查看该铸件的缺陷所在位置及形态。可以对这些缺陷出现的原因进行分析，得出解决这些缺陷的方法。下面的工作要着重分析缺陷出现的原因，找出解决这问题的方法，最终制定新的工艺方案，在进行数值模拟，最终完成工艺的优化。图 4-9 铸件缺陷图通过铸件缺陷图可以清楚看到铸件缺陷出现的位置，缺陷位置主要出现在底部和中部连接处，铸件顶部的凸台处，吊钩顶部和分割体三的圆环处。对于铸件底部的缺陷主要是由于在底部冷却的过程中铸件中部开始凝固，而且中间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经完全凝固，导致没有液态金属补缩
40、来源，最终导致铸件底部出现缺陷。可以减少冷铁数目并在底部加入侧冒口对铸件进行补缩，消除缺陷。对于铸件顶部凸台处，由于凸台处的壁厚大于周围铸件壁厚，最终导致该处凝固时间大于周围的凝固时间，致使缺陷的出现。可以在四个凸台处加入冷铁消除缺陷。对于分割体三处的圆环处，由于圆环的壁厚大于周围铸件的壁厚，致使在凝固时滞后于周围铸件的凝固，最终没有足够的液量补缩，致使缺陷的出现。可以在热结处加冷铁，使热结处首先凝固，再圆环顶部安放冒口，对圆环进行补缩，在圆环底部加冷铁以增加冒口的垂直补缩距离。对于铸件吊钩处，主要是应为加强筋与外壁交接处过早的凝固，堵塞了补缩通道，使吊够没有足够的液量补缩，致使缺陷的出现。可
41、以通过在加强筋和外壁交接处加发热补贴，保证补缩通道的畅通，完成补缩缺陷的任务。4.3 初始铸造工艺方案的优化根据以上分析结果，对初始铸造工艺进行优化，具体如下：1） 铸件底部加入三个侧冒口，以补缩分割体二的缩松缺陷。仍然保留一部分冷铁增加冒口的补缩距离；2） 在铸件顶部加强筋处加入六块保温补贴，保证补缩通道畅通；3） 分割体三的垂直圆环顶部加入圆柱形暗冒口，并在周围加入冷铁以增加该冒口的垂直补缩距离；4） 在铸件顶部凸台处分别加入冷铁，使该部位首先凝固，去除缺陷。优化后的工艺图如4-10所示，其中绿色部分为冷铁，黄色部分为发热补贴。图4-6 优化后的工艺图图4-10 优化后的工艺图4.4 优化后的铸造工艺方案的模拟将优化后的铸造工艺图用SOLIDCast进行模拟，其流场为：图4-7 浇注开始阶段 图 4-8 浇注中期图 4-9 浇注完成通过分析以上的充型过程可看出过程平稳并且可将铸件充填完整。也可看出浇注过程顺畅，而且浇注速度、浇注时间合适，浇完之后铁液仍保持很高的温度，这样浇注过程便不会对最后铸件质量造成不好的影响。
