双金属复合垂头铸造工艺及充型模拟模拟毕业论文

双金属复合锤头铸造工艺设计及充型模拟摘要锤头是反击式破碎机中破碎矿石的主要部件，该部件在使用中锤柄不断承受交变的弯曲应力和冲击力，而锤头部位则主要承受较强的冲击力和摩擦力。本文通过设计出一种新型的锤头制作工艺，采用镶铸复合技术解决现有技术中存在的锤头易磨损、易破碎、使用寿命短的问题。采用的技术方案是双金属复合型锤头的制作方法，双金属复合型锤头的结构为包括相连接的锤柄和端头，所述端头内部设置11根耐磨棒，锤柄部分为高锰钢，耐磨棒的主要成分为高铬铸铁，各耐磨棒之间呈等边三角形放置；与传统的砂型铸造相比较采用消失模模铸造工艺有大大的简化，且零件的质量及精度较高，设计自由度大。同时利用负压紧实可以解决高铬铸铁的固定问题；进而使耐磨棒的外表面与锤柄主体合金紧密结合，并力求达到冶金结合。并对铸造过程进行PROCAST铸造模拟。关键词镶铸复合法；高铬铸铁；高锰钢；消失模THECASTINGPROCESSDESIGNOFDOUBLEMETALCOMPOSITEHAMMERANDFILLINGSIMULATIONFANHAO（GRADE08,CLASS1,MAJORCONTROLMATERIALS，MATERIALSSCIENCEANDENGINEERING，SHAANXIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HANZHONG723003，SHAANXI）TUTORWANGHUAABSTRACTHAMMERHEADISTHEMAINPARTSOFTHEBROKENORECRUSHERHAMMERHANDLE,THECOMPONENTISINUSECONSTANTLYTOWITHSTANDALTERNATINGBENDINGSTRESSANDTHEIMPACTHAMMERPARTS,MAINLYEXPOSEDTOTHESTRONGIMPACTANDFRICTIONFORCETHROUGHTHEDESIGNOFANEWTYPEOFHAMMERHEADPRODUCTIONPROCESS,USINGCASTINCOMPOSITETECHNOLOGYTOSOLVEEXISTINGTECHNOLOGYHAMMERHEADEASYWEAR,EASYBROKEN,THESHORTLIFEOFTHEPROBLEMTHETECHNICALSOLUTIONADOPTEDFORTHEPRODUCTIONOFBIMETALCOMPOSITEHAMMER,BIMETALLICCOMPOSITESTRUCTUREOFTHEHAMMERINCLUDINGTHEHAMMERHANDLEANDTHEENDCONNECTEDTOTHEENDINTERNALSETTINGSWEARRODS11,THEHAMMERHANDLEPARTGREATLYSIMPLIFIED,ANDTHEQUALITYOFTHEPARTSOFHIGHMANGANESESTEELWEARBARTHEMAINCOMPONENTOFHIGHCHROMIUMCASTIRON,ANDOTHEREQUILATERALTRIANGLEISPLACEDBETWEENEACHWEARRODWASCOMPAREDWITHTHETRADITIONALSANDCASTINGUSINGTHELOSTFOAMCASTINGPROCESSANDACCURACYOFHIGHDESIGNFREEDOMWHILETAKINGADVANTAGEOFTHEVACUUMTIGHTCANSOLVETHEFIXEDPROBLEMOFHIGHCHROMIUMCASTIRONTHUSCLOSELYINTEGRATEDRODS,WEARRESISTANTOUTERSURFACEWITHAHAMMERHANDLETHEMAINALLOY,ANDSTRIVINGTOACHIEVEAMETALLURGICALBONDANDTHECASTINGPROCESSPROCASTCASTINGSIMULATIONKEYWORDSCASTCOMPOSITEMETHODHIGHCHROMIUMCASTIRONHIGHMANGANESESTEELLOSTFOAM毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名日期指导教师签名日期使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名日期学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名日期年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名日期年月日导师签名日期年月日目录摘要ABSTRACT1引言111研究的目的和意义112双金属复合工艺现状、发展趋势、研究方法等1121研究方法2122应用领域313研究目标和研究内容314研究的技术路线32双金属复合铸造方案321进行工况分析合理选择锤头结构及的复合材质3211工况分析3212锤头结构的确定3213锤头材质的确定522选择合理的铸造方案进行镶铸523消失模铸造工艺设计6231铸造工艺性分析62311读图62312零件结构的工艺性分析7232绘制铸件图及模样图82321零件机加部分的余量及铸件尺寸公差82322不能直接铸出的孔、台部位92323合金收缩和EPS模样收缩值9233设计消失模铸造工艺方案102331模样在铸型中的位置即浇注位置102332确定浇注金属液引入铸型的方式102333一箱浇注的铸件数量及布置11234消失模铸造浇注系统的结构和尺寸设计112341浇注系统各单元截面的设计112342浇口杯尺寸设计122343冒口的设计13235消失模铸造生产及浇注规范132351白模、涂料、模组、造型132352浇注温度的确定142353负压的范围及时间的确定143其他工艺方案144PROCAST铸造过程模拟1541PROCAST模拟过程简介1542PROCAST建模模拟详细过程15421使用三维软件进行建模及前处理15422网格划分及修补生成四面体网格16423边界条件、初始条件工艺等参数设置17424二进制转化并进行模拟计算18425模拟结果的查看195各种工艺方案模拟结果及分析比较1951工艺方案A模拟结果及分析1952带有集渣补缩暗冒口的浇注方案模拟结果及分析2253高工艺出品率带排气冒口浇注方案模拟结果及分析256总结28致谢29参考文献301引言11研究的目的和意义冶金、矿山、电力、水泥、石化等行业中大量使用的零部件往往都是因为磨损而失效，耐磨零部件的消耗量很大。全国每年各种金属耐磨件的消耗量在数百万吨以上，锤头、衬板、鄂板等这些采用高硬度材料制造工艺简单，所以越来越受到人们的重视。造的耐磨件，不仅生产成本高，而且脆性大，因而在强烈冲击载荷条件下使用时受到限制。而矿山机械上所使用的锤头锤头部分应能够承受一定的冲击以及交变载荷，需要足够的硬度与耐磨性，与之连接起安装与传动作用的锤柄部分应该具有一定的塑性与韧性。耐磨锤头是破碎机的关键部件，其端部磨损程度决定出料粒度的大小，因此通常被设计成头部和柄两部分，其中头部直接与物料发生撞击，要求具有较高的硬度和耐磨性，而起连接作用的锤柄并不直接参与磨损，只需具备相应韧性和强度即可。这两者本身就是相互矛盾的。使用单一材料很难满足使用要求，难以具备高硬度、耐磨、良好的塑韧性。另外，在矿山、水泥等工业领域中，有许多抵抗磨粒磨损的工件都采用高硬度的铬系合金白口铸铁，然而其中部分易损件要求与设备的某些部位装配一起，需要对其非工作面进行机械加工，在这些情况下整体用高硬度材质就难以满足要求。还有一些易损件只要求特定的部位磨损到一定的尺寸后就失效报废，因此锤头整体采用同一种金属进行生产非但在经济上不可取，在使用上也没有必要。复合双金属材料能在零件不同部位提供不同性能，通过表面材料与芯部材料的合理组合，可以使材料获得所需的冶金性能。双金属复合铸件不仅可同时拥有良好的力学性能和高的使用寿命，而且适用面广、成本低廉。目前常用的复合铸造工艺分为液液和液固两大类，其中又因液固复合铸造几乎不受铸件形状的影响以及其制研究意义双金属复合铸造是根据铸件的使用要求，在其不同部位选用不同金属进行铸造的工艺方法。采用这种方法生产的铸件能够充分发挥不同金属各自的优异性能而有效弥补其不足，从而表现出优良的整体性能。生产中常采用高铬铸铁KMTBCR26与铸钢ZG270500两种材质进行复合铸造双金属耐磨材料兼具两种金属的优点，在工业上已获得广泛的应用。目前，常采用复合铸造工艺来制备双金属复合材料，复合铸造工艺一般分为液液结合和液固结合两大类。液固结合几乎不受铸件形状的影响和制造工艺简单，因此受到人们的重视。在工业生产中很多的重要部件处在恶劣条件下工作，部件的耐用性就成为发展生产、降低成本的限制性环节之一。因此，采用碳钢高铬铸铁复合锤头，满足了锤柄的高韧性和锤端的高耐磨性的要求，提高了零件的寿命，降低了零件成本。在其它方面，双金属复合材料也有很广泛的应用前景。随着科学技术的发展和工业化的进程，材料在制备和生产中提出了新的要求，产品的一次成品率要高。因此，双金属复合处理也将朝着自动化和自能化方向发展。双金属复合铸造工艺的研究也显得相当重要。通过对双金属复合过程中各种参数的理论计算和实际试验，得出一套完整的优化参数和完整的双金属复合理论，为双金属复合技术的推广提供支持。12常用双金属复合工艺现状、发展趋势、研究方法及应用领域等目前国内外对双金属复合的研究在逐年增多，双金属制造的锤头，衬板，颚板，斗齿等耐磨件已经得到很好的应用，并产生了巨大的经济效益，节省了大量的材料。双金属层状板复合材料，双金属复合的套、管、辊类机械零件等也得到很大研究并有了很好的生产实际应用。具体应用如下双金属复合轧辊双金属复合管件耐磨件方面（锤头、衬板、斗齿等）国外对双金属复合铸造工艺也进行了广泛的研究，一些发达国家对此更是做了很广泛的研究。欧美国家以德国为代表，自70年代以来一直对双金属复合轧辊进行研究，外层工作面采用高铬铸铁芯材用铸钢。而我国在85年也开始湘钢线材轧机精轧段成品机架的275轧辊的研究。近年来国内对双金属耐磨材料的研究进入一个高潮，各种铸造工艺也逐渐接近成熟，带来了很大的经济效益。由此可见，双金属复合工艺已经在世界范围内得到良好的发展。121研究方法双金属复合材料生产方法主要有爆炸复合法、扩散焊接法、堆焊法、轧制复合法、挤压复合法和铸造复合法、镶铸法等。爆炸复合的优点是复合界面上看不到明显的扩散层，不会生成脆性的金属间化合物，产品性能稳定。缺点是由于射流的作用使复合界面呈波浪形，同时由于炸药的存放、爆破地点的选择、噪音的处理、人身安全的保障及污染严重等一系列问题而使得该法不易被推广使用。扩散焊接是一种精密连接方法，特别适合于异种金属材料、复合材料等之间的连接。扩散焊接是在温度和压力的共同作用下完成的，但连接压力不能引起试件的宏观塑性变形。固相扩散焊接时母材不发生熔化，液相扩散焊接时靠近界面处母材仅发生少量熔化。堆焊法是采用普通钢材作为基体，在基体上堆焊一层或多层耐磨合金，使这些合金与金属基体表面达到金属冶金结合，形成双金属复合材料从而达到零件表面耐磨的目的。堆焊前需对基进行彻底的清理，对操作工人技术要求高，如果操作方法和工艺不当易出现堆焊层脱落、开裂和剥落、气孔等缺陷，焊渣不易清理。不适用于于大平面工件，而且成本高。轧制复合法一般分为热轧复合法和冷轧复合法等。热轧复合法是将待轧制金属材料加热到在再结晶以上的轧制。金属在再结晶温度以下进行轧制变形叫冷轧，一般指不经加热而在室温直接进行轧制加工。冷轧固相复合法加工温度低，所生产的复合带材具有综合强度高，复层厚度变化范围广且层厚比稳定，尺寸精度高等特点。挤压复合法是先把界面清洁的组元金属组装成挤压坯，选定合适的挤压比和温度等参数挤压成型，是清洁金属表面在压力的作用下实现界面的冶金结合。挤压复合法主要用于生产双金属管、棒、线材。铸造复合法是应用最早的制备层状金属复合材料的一种方法。铸造复合法又具体有铸渗法、双液双金属复合法、镶铸法等。铸渗法是将一定成分的合金粉末调成涂料或预制成块，涂刷或放在铸型的特定部位（需要提高表面性能的部位）。通过浇注时金属液浸透涂料或预制块的毛细孔隙，使合金粉末熔解、融化，并与基体金属融合为一体，从而在铸件表面上形成一层具有特殊组织和性能的复合层。此方法具有合金层深度大，生产工艺简便，成本低等优点，但是存在如下问题其一，铸渗过程中产生的气体、熔渣等不能及时排出，在合金化层中形成气孔、夹渣，合金层质量较难控制。其二，铸渗效果对工艺参数的变化较为敏感，必须具备良好的设备条件和严格的工艺条件才能在批量生产中得到质量稳定可靠的铸渗件。双液双金属复合法的两种金属较易形成质量良好的冶金结合，双金属复合管件，目前双金属复合管主要采用离心铸造法，将固体外套和液体金属在离心条件下复合成型。如耐磨套筒，其外层为低碳钢，内层为高铬铸铁。通过冶金离心铸造热处理等工艺，使套筒过度层组织逐渐变化而结合为一个整体，耐磨性能大大提高。但是此工艺需要两台熔炼炉同时进行两种金属的熔炼并同时浇注，其工艺过程较复杂，并且难以控制。此外，该工艺在实际应用上也有其局限性，只适用于形状简单的铸件而无法用于形状复杂的铸件。所研究的镶铸双金属耐磨铸件主要分为两类（1）高铬白口铸铁硬质合金碳钢或铸铁镶铸双金属材料（2）铝合金铸铁或铸钢镶铸双金属材料。常见的复合锤头镶铸工艺可归结为镶块、预置锤柄和预置锤端三种工艺。镶块工艺是采用类似固定内冷铁的方法将具有一定形状的耐磨合金块固定在锤头型腔的端部，利用随后浇入的高温金属液的热量，在铸件凝固过程中使耐磨金属块与基体结合在一起。由于铸件的形状决定镶块的大小和数量均受到限制，使用中可能会出现脱落现象。预置锤端的复合方法是将锤头使用过程中真正起破碎作用的端部采用耐磨合金预制成形，放入锤头型腔内然后浇入锤柄金属，从而实现端部与锤柄间的机械结合，通常两者结合部位被设计成燕尾的形式以增加结合的可靠程度。由于后浇入钢液温度较高，高铬铸铁产生热应力交变较大，容易出现裂纹。预置锤柄的复合方法是将普通碳钢的锤柄预置在锤头型腔内，然后浇入高铬铸铁金属液，并使高铬铸铁包覆在锤柄的四周。通常芯材采用镂空方式，达到了机械和冶金的两重结合。由于镶铸工艺的上述特点，国内现在生产双金属复合锤头大都采用预置锤柄的方式。122应用领域通过近十年来的研究取得了很大成果，耐磨性能相对于单一的高锰钢提高了4倍左右。但是石油、化工、冶金等部门常用的耐磨零件都是在高温、氧化和腐蚀等恶劣条件下承受着强烈的磨损的零件。这种严酷的工作条件对材料性能提出了更高的要求，不仅要求材料具备优异的抗磨性能，而且还要具有优良的耐蚀性能和高温抗氧化性能。迄今为止，同时具有优异的耐磨、耐蚀和高温抗氧化性能的材料并不多见。因此，研制同时具有耐磨、耐蚀和高温抗氧化性能的新材料，开发在普通铸件表面形成具有特殊性能合金层的复合铸造新技术将具有重要的意义13研究目标和研究内容为了解决前述的问题，我们采用镶铸法，其就是将一定的耐磨材料（或合金）棒，固定在耐磨铸件铸造铸型要求的部位，利用金属液的热量，在铸件凝固时使耐磨材料与基体结合在一起的工艺。其实质就是相当于在铸件中放置内置内冷铁一样（作为成型冷铁），其关键问题是它能否与复合层很好的结合在一起。该方法具有加热效率高、速度快、可控性好的特点，从而易于实现机械化和自动化。因此，本文主要通过研究在镶铸法的工艺过程，并使用PROCAST对铸造过程进行模拟对工艺方案进行分析。并有效推进双金属复合工艺在实际生产中的应用。为了上述目标的完成，本课题将进行如下的研究内容（1）采用消失模铸造工艺进行复合锤头的镶铸生产，解决内置成型冷铁的固定问题，以及使用消失模进行铸造生产的相关工艺。（2）使用PROCAST进行铸造过程的充型模拟，分析相关缺陷，进行有意参数的优化。14研究的技术路线本文针对生产实际通过双金属复合铸造工艺制备复合锤头来反映双金属复合工艺参数。所采用的技术路线如下（1）对锤头进行工况分析，合理选择锤头结及的复合材质。（2）在镶铸条件下，选择合理的铸造方案。（3）消失模铸造工艺设计。（4）PROCAST对铸造过程进行模拟，比较各个工艺方案的优缺点，得到最为合理的铸造方案。2双金属复合铸造方案21进行工况分析合理选择锤头结构及的复合材质211工况分析锤式破碎机是冶金、矿山和建材等行业常用的破碎设备。其中头部直接与物料发生撞击，要求具有较高的硬度和耐磨性，而起连接作用的锤柄并不直接参与磨损，只需具备相应韧性和强度即可。锤头锤头部分应能够承受一定的冲击以及交变载荷，需要足够的硬度与耐磨性，与之连接起安装与传动作用的锤柄部分应该具有一定的塑性与韧性。锤头是其中的主要易磨损件，目前主要用高锰钢制作，耐磨性差，使用寿命短，需要频繁更换，既降低了设备运转率影响正常生产，又增大了工人劳动强度。212锤头结构的确定为提高锤头的使用寿命，就必须提高锤头的耐磨性，若整体式采用耐磨材料制作必然带来浪费。锤头锤头部分应能够承受一定的冲击以及交变载荷，需要足够的硬度与耐磨性，与之连接起安装与传动作用的锤柄部分应该具有一定的塑性与韧性。因此通常被设计成头部和柄两部分，其中头部直接与物料发生撞击，要求具有较高的硬度和耐磨性，而起连接作用的锤柄并不直接参与磨损，只需具备相应韧性和强度即可。这两者本身就是相互矛盾的。使用单一材料很难满足使用要求，难以具备高硬度、耐磨、良好的塑韧性。这使得复合锤头的生产很据必要性。锤头结构确定为端头内部设置11根耐磨棒，锤柄部分为高锰钢，耐磨棒的主要成分为高铬铸铁，各耐磨棒之间呈等边三角形放置。结构如图21所示，图22为三维模型，图23高铬铸铁嵌件在锤头内分布。图21锤头形状及结构零件图图22为三维模型图23高铬铸铁嵌件在锤头内分布锤头的工几何形状见图，锤式破碎机破碎物料的过程，主要是利用高速旋转的锤头将由高处落下的物料破碎。被破碎的物料以高速度向蓖条方向冲击，粒度较大的物料经过反复破碎，当粒度合乎要求时即从蓖缝中排出。锤头边缘进行破碎的工作区域被称为工作区。随着锤头不断被磨损，工作区将发生变化，物料对锤头的磨损方式也将发生变化。在锤头工作初期，冲击为主要受力方式，而当锤头被磨极到一定程度，物料对锤头工作面产生冲刷作用。锤头磨损到一定程度，破碎效率降低很多时，就必须倒换锤面或更换锤头。锤柄锤头工作过程中，锤柄主要承受物料破碎过程中所产生的弯曲冲击力，因此材质选择主要防止在使用过程中出现弯曲折断以及孔轴拉长磨损。耐磨块工作区域主要受物料的摩擦磨损和冲击，因此对耐磨块既要要求高的耐磨性能，又要具有一定的韧性防止脱落过快。213锤头材质的确定任何双金属复合材料，只有当它和单一材料结构相比成本显得更低，某些性能或者综合性能有所改进时才是有用的。选用金属复合时需要考虑的性能包括弹性、强度、延展性和断裂韧性等机械性能，以及抗磨损性、抗腐蚀性或者抗高温等物化性能。另外，制作的双金属复合材料不仅要其整体具有良好的综合性能，同时还需要保持两种金属自身的特点。过去工厂一般采用高锰钢制造锤头，目前，高铬铸铁基本上取代高锰钢制造耐磨零件。通过对复合材料条件的考虑和锤头工况的分析，现对锤头材质进行选取，传统的锤头耐磨性差，抗冲击韧性低，使用寿命短，耗材量大。为此，我们将锤头设计成锤柄和锤端并分别制造锤柄锤头工作过程中，锤柄主要承受物料破碎过程中所产生的交变弯曲应力和冲击力，属于连接传动部分。基本上不受物料直接的摩擦磨损，因此材质选择主要防止在使用过程中出现弯曲折断以及轴孔拉长磨损。综合以上因素，决定锤柄材质为采用高锰钢，使其具有足够的强韧性。表21锰对钢冲击韧性的影响WMN72869511122138WMN/WC759110115128145206276951213043185351853527262AK/JCM2401961372764721167142217652由于不能忽略C对冲击韧度的的影响，所以选用的成分为；20时，WMN为138，WMN/WC为145。选用有较强冲击韧性的高锰钢。耐磨材料目前所使用的各种抗磨材料，在冲击力不是十分大的情况下，就抗磨性而言，应首推高铬铸铁。高铬铸铁经过适当的热处理，其组织为M7C3型碳化物马氏体弥散分布的二次碳化物（弥散强化或沉淀强化）残奥。宏观硬度达HRC60以上，且具有一定的冲击韧性。因此耐磨块应选用高铬铸铁。表22高铬铸铁耐磨块化学成分元素CCRMNMOWNISI含量（）2035131805100520121022选择合理的铸造方案进行镶铸此次镶铸实验制作双金属复合锤头，要解决的一个重要问题在于如何固定内置成型冷铁。也就是如何使得预先制作好的高铬铸铁耐磨棒在铸型中较稳固的安放。使得高锰钢金属液在充填过程中不破坏预先设计好的耐磨棒位置。进而保证镶铸之后锤头部分耐磨棒分布的均匀性，使得锤头有较长的使用寿命。也保证耐磨棒周围的液体均匀分布使得界面具有良好的结合效果。我们比较一下传统的砂型铸造与消失模铸造各自的特点消失模工艺特征（1）尺寸精度高，加工余量小（近无余量）。（2）表面质量高（优于砂型铸造）（3）不用砂芯，无心座、无分型面，不起模、合箱，造型工艺大大简化，减少相应的人为引起的缺陷。（4）取消混砂工序，砂处理系统大大简化减少了由此带来的问题及缺陷。铸件无飞边毛刺清理打磨工作量减少50以上。（5）铸件设计自由度大几乎不受铸件的形状及铸造工艺限制。（6）采用负压浇注充填效果好。相反的砂型铸造对于铸件的结构要求高同时工艺想要求严格。我们所要解决的高铬铸铁耐磨棒的镶铸固定在传统的砂型铸造中只有采用如图的方式，稳定性较差，浇注是易错位。图砂型铸造内置成型冷铁高铬铸铁棒固定方法采用消失模铸造则很容易解决这个问题，用内置成型冷铁高铬铸铁耐磨棒将两个消失模摸样头对头相连接（连接方式也就是最终的镶铸方式）。再将摸样埋入砂箱抽真空进行负压紧实。两个锤头端面之间的高铬铸铁就会被经过负压紧实的砂子很好的固定。同时这样也减少了保持成型冷铁的材料可以减少热量的损失，进而使得界面的结合效果好。如图25。同时为了防止冷铁棒与白模之间的结合不紧密，影响到结合界面的结合效果，因此必须将这些缝隙消除掉。在消失模铸造过程中我们可以将白膜进行侵蜡处理消除结合间隙。并在浇注过程中利用金属的高温液分解并使其汽化掉从而保证界面的良好结合。一般的镶铸则很难解决这一问题。因此消失模铸造是首选。图25消失模铸造负压紧实砂固定内置成型冷铁高铬铸铁棒方法23消失模铸造工艺设计231铸造工艺性分析2311读图零件如图26所示。轮廓尺寸60100200，最小壁厚15锤柄尾部是安装部分要求精度高一些，锤头部分属于较为恶劣环境的工作部分磨损比较严重。因此不必要较高的精度。负压紧实固定镶铸内冷铁图26零件图零件要求50的内圆RA32，80外圆及两个外圆端面RA63；50与80的圆同轴度要求002；锤柄连接部分对于对称面的对称度要求005，且对于锤柄部分轴线的垂直度要求008；其余未注几何公差均按GB/T1184K；安装部分采用基轴制，（因为锤头是易更换件）配合尺寸50P7/H6；安装部分尺寸公差均为H7（EI0；IT7级）其余未注公差尺寸均按GB/T1804C（粗糙）。2312零件结构的工艺性分析影响消失模铸件结构工艺性的关键因素有铸件结构的可充填性、铸件结构的抗变形性和铸件结构的可铸造性等等。铸件结构的可充填性是指造型材料在振动紧实过程中充填到泡沫塑料模样周围死角部位的能力。即能否将松散流动的造型材料顺利地填满模样四周和内部空腔，确保不出现充填不到的死角。铸件结构的抗变形性泡沫模样在加工制作、挂涂料、搬运、造型、振实、抽真空过程中，保持形状尺寸稳定的能力。液态金属的凝固原则同其他的造型方法一样消失模铸造也要遵守同时凝固和顺序凝固的原则。一般有以下的原则可供参考铸件壁厚尽量均匀，薄厚相差较大处应有一定的过渡区域。尽量减少较深、较细的盲孔。铸件结构有利于顺序凝固，成均衡化凝固。细、长件和大平板件应设加强筋，防止翘曲变形。转角处应有圆角过渡，要有一定大小的铸造圆角。消失模的最小壁厚和孔径由于消失模的工艺特点，可铸最小壁厚和孔径、凸台、凹坑等细小部分的可能性大大提高。表23给出了铸件最小壁厚和孔径。表23铸件最小壁厚和最小孔径铸件合金种类铸铝铸铁铸钢可铸最小壁厚/MM234556可铸最小孔径/MM468101012此零件的最小壁厚15最小孔径50，由以上分析可知此铸件在结构上完全满足消失模铸造要求。232绘制铸件图及模样图（1）零件机加部分的余量（2）不能直接铸出的孔、台部位（3）合金收缩和EPS模样收缩值2321零件机加部分的余量及铸件尺寸公差由于锤头的尾部为安装部分必须有一定的精度，需要机加获得，要有一定的余量。其余部分则不需要。表24给出了机加工余量（红色加粗为选取值）表24机械加工余量（MM）铸件最大外轮廓尺寸/MM铸铝件铸铁件铸钢件顶面2354100200侧、下面1533（注顶面、下面、侧面是相对于浇注位置而言）铸件的尺寸公差按照我国铸件尺寸公差标准GB641486等效采用ISO80621984铸件尺寸公差制选取CT9级。数值如表25。（红色加粗为选取值）表25铸件尺寸公差值（MM）铸件尺寸公差等级CT大于至12345678910111602500340507101420284056铸件尺寸公差与加工余量之间的关系（双侧加工）如图27所示零件基本尺寸最小极限尺寸铸件基本尺寸最大极限尺寸图27铸件尺寸公差与加工余量之间的关系（双侧加工）由零件基本尺寸加工余量及以上的铸件尺寸公差与加工余量之间的关系，计算铸件的尺寸80的外圆对应铸件尺寸808623MA7050的内圆对应铸件尺寸504470锤柄外端面对应铸件尺寸5056其余部分不需要进行加工为原尺寸。得到铸件图各部分尺寸如图28所示（网格所示范围为加工余量）图28铸件图及加工余量2322不能直接铸出的孔、台部位此铸件不涉及这部分情况2323合金收缩和EPS模样收缩值采用消失模铸造合金收缩与传统砂型铸造工艺相近，可参见表26表26铸件收缩率K铸件合金种类铸铝灰铸铁球墨铸铁铸钢自由收缩1820091212151820线收缩率（）受阻收缩1619061008121618消失模模样尺寸也就是收缩之前的铸件尺寸，设计模样尺寸可以按下式计算其中K20LK铸件铸件模样计算的模样尺寸如图29所示图29模样图及尺寸233设计消失模铸造工艺方案（1）模样在铸型中的位置即浇注位置。（2）确定浇注金属液引入铸型的方式。（3）一箱浇注的铸件数量及布置。2331模样在铸型中的位置即浇注位置浇注位置是指在进行浇注时，铸件在铸型中所处的位置状态，浇注位置的确定在很大程度上着眼于控制铸件的顺序凝固。实现顺序凝固的铸件可以防止消除缩松、缩孔，保证获得致密的铸件。确定浇注位置的原则有（1）铸件的重要部分应置于下部，有利于静压补缩。（2）重要的加工面朝下或直立状态。（3）铸件大平面朝下，浇注位置上不应该有大平面。（4）有利于补缩合型与浇注和补缩位置一致。确定的浇注位置如图210所示。2332确定浇注金属液引入铸型的方式浇注系统按照金属液的引入方式分为，（也就是内浇道的位置）顶注式、侧注式、底注式。顶注式充型时间短，浇注速度快，可以防止塌箱，金属液温度降低，防止冷隔浇不到，工艺出品率高，顺序凝固补缩效果好，但难以控制金属液流动容易使模样分解产物卷入，一般用于浇注铝合金。侧注式从模型中间引入金属液，一般在投影面最大的位置。易出现表面缺陷。底注式从底部引入金属液，金属液上升平稳充型慢，有利于分解产物的排出，可以支撑砂型，多用于厚大件。在一般实型铸造中要使泡沫分解的产物沿金属液上升的方向顺序排除。避免金属液流动方向与泡沫气化方向紊流而影响铸件质量。综上所述对于此铸件宜采用底注式浇注系统，且靠近锤头头部。可以防止头部产生缺陷有利于补缩，实现顺序凝固。金属液引入方式。如图210所示。2333一箱浇注的铸件数量及布置为了方便高铬铸铁耐磨棒的负压固定及较高的工艺出品率采用一箱四件。如图210所示图210浇铸位置、金属液引入方式、件数及布置234消失模铸造浇注系统的结构和尺寸设计消失模铸造直浇道一般宜选圆形，内浇道选矩形或梯形。因为相对于空型铸造流动条件差。因此一般消失模铸造用的浇道截面比普通的大一些。铸钢件大1020。2341浇注系统各单元截面的设计一般的消失模铸造应采用封闭式浇注系统。因为封闭式浇注系统金属液静压大有利于挡渣和薄壁件的成型，也有利于保持砂箱的负压防止塌箱等等。对于消失模铸造，一般认为消失模铸造浇注系统截面要比砂型大一倍左右是由于金属液与气化的间隙太大有造成塌箱的危险。可以采用下式来确定消失模铸造浇注系统各单元的尺寸。F砂底顶31/；消失模铸造采用顶注式和底注式最小断面（内浇道）。底顶普通砂型铸造的最佳断面。F砂计算砂型铸造的内浇道截面，再通过上式求出消失模采用底注式的内浇道截面积。然后利用，封闭式铸钢件浇注系统各单元截面关系（）,求解直浇道与横浇道31F直横内截面。消失模内浇口大小，形状，方向，不可像砂型一样采用三角或薄片浇口，搭边浇口。因其金属量少，散热周边面积大，会急剧降低进入型腔的金属液温度。等于设置了卡脖子冷铁区影响白模熔化。要采用变截面式内浇口，与白模连接处内浇道口截面积厚应大于铸件壁厚的最多不超过。太厚容易形成热结倒补缩，使铸件的内浇口根部（结合处）产生缩2132孔甚至小渣。同时内浇道的长度尽可能的短，太长热量损失大，还易形成小死角。砂型铸造内浇道截面计算公式HGFPT30阻浇注系统中最小断面总面积（）。F阻CM2G流经断面的金属液总量（KG）。总流量损耗系数。T浇注时间。平均静压力头（CM）HPG5KG04224CMP按照以上的设计理论经计算得到浇注系统各单元的截面形状及尺寸如图211所示。图211浇注系统各单元形状及尺寸2342浇口杯尺寸设计浇口杯采用普通漏斗，形状及尺寸如图212所示,尺寸如表27。表27浇口杯尺寸浇口杯小端直径D/MM/MMD2/MM1H/MM金属液容量KG182060564407图212浇口杯的形状及尺寸2343冒口的设计冒口的设计原则冒口的位置要设置正确，应该放在可能产生缩孔或缩松的热结或壁厚处以提供补缩。合金元素最后充型的部位，即可逸气，集渣，在整个凝固过程有足够的液体补缩。此处的合金温度高压力大可以流到需补缩的地方。设置在白模死角处，以便集渣；同时避免该处产生气体热作用而产生缺陷。冒口不应该设在铸件的重要部位，受力部位，以防止组织粗大降低强度。为防止与大气的相通降低负压故使用暗冒口，为使得锤头的头部缺陷少，同时保证双金属复合界面质量，锤头内部组织不使性能变差。故将冒口设在锤柄与锤头连接处，又由于连接部分要有一定的可靠性这使得冒口不能设在这里。否则会使得连接不是很可靠，因此在锤头大端顶面处设置排气冒口。210所示。235消失模铸造生产及浇注规范2351白模、涂料、模组、造型白模选用EPS制作密度00160025，按照图29的模样图制作白模。分别制作锤CMG2头及锤柄然后进行粘接。涂料镁橄榄石砂（粉）涂料成分镁橄榄石砂（粉）料径0053MM。10。钠基彭瑞土061，0103，粘接剂0203，乳白胶0304，适量的水。混制镁橄榄石砂（粉）钠基彭瑞土无水碳酸钠粘接剂CMC先水溶乳白胶搅拌/4H出料（涂料）。模组粘接及砂箱装配粘接浇注系统与锤头并在两个锤头头部面对面镶入高铬铸铁耐磨棒作为成型冷铁。之间间距50MM。并对锤头与高铬铸铁棒之间的间隙进行浸蜡处理予以消除。按照图210进行。结果如效果图213所示。图213粘接模样效果图刷涂料；先将白模进行烘干4555，用手工刷涂一遍涂料，尤其是锤头的大端面高铬铸铁之间的间隙均要涂上且要均匀，然后烘干，再刷第二遍，再烘干。烘干后进行落箱，且要小心操作。埋砂造型；造型时，先在砂箱底部铺150MM厚的底砂，振实，振平正（刮平），再将锤头的模组吊放进砂箱，置中，落砂平稳均匀边振动边加砂，至砂箱1020MM时停止加砂，顶面普塑料薄膜，用干砂进行压盖，放好浇口杯，待浇。再用振实台进行震动，频率50HZ,振动时间6090S，振幅0305MM，振实时砂箱的砂粒产生运动，干砂紧实后的密度越高铸型的稳定性越好，不易塌箱。2352浇注温度的确定由于模样的气化是吸热反应，需要消耗金属液的热量，浇注温度应该高一些，负压浇注，充型能力大为提高，从顺利排除模样固、液相产物角度考虑也要高一些。一般消失模铸造工艺推荐浇注温度比普通砂型铸造高3050，甚至高于100。推荐浇注温度范围，见表28。选取红色加粗表示的温度。表28采用消失模铸造工艺时合金的浇注温度合金种类铸钢球铁灰铁铝合金铜合金浇注温度/145017001380145013601420700750120015002353负压的范围及时间的确定负压的作用A紧实干砂，防止冲砂和塌箱、型避移动，对高铬铸铁耐磨棒的紧实固定。B加快排气速度和排气量，降低界面气压，加快金属铅前沿推进速度提高充型能力，有利于减少铸件表面缺陷。C提高复印性，逐渐轮廓更清晰。D密封下进行浇注，改善环境。负压的大小范围。根据合金种类，选定负压范围，见表29表29不同合金种类的负压范围合金种类铸铝铸铁铸钢负压范围/MMHG50100300400400500注1MMHG133322PA；PGHMPA砂箱振实之后进行抽真空。铸件凝固形成外壳足以保持铸件时既可以停止抽气，根据壁厚而定，一般5MIN左右，为加快凝固负压时间可以长一些。浇注过程中，负压会发生变化，开始浇注后负压降低达到最低值后又开始回升，最后恢复到初始值，浇注时的负压不应低于300MMHG以上，即004MPA以上。不允许出现正压状态。浇注完成之后待凝固后进行落砂处理。进行铸件清砂，及水韧处理。铸出的零件如图214所示。图214零件及端部镶铸耐磨棒3其他工艺方案以上是消失模的铸造工艺方案及整个工艺流程，是经过相互比对选择的较为合理的一种。在这之前已经提出了几种浇注方案，在工艺方面除浇注时的浇注系统、冒口、金属液的引入方式等不同以外，其余的参数完全相同。三维结构图如图215A,B,C所示。（A）最初浇注方案B）带有集渣补缩暗冒口的浇注方案C高工艺出品率带排气冒口浇注方案（已采用）图215不同的浇注工艺4PROCAST铸造过程模拟41PROCAST模拟过程简介PROCAST软件的模拟流程包括1、创建模型使用三维软件进行模型的建立，进行前处理。并输出PROCAST的MESHCAST模块可以读入的格式，如IGS等。可以分别用IDEAS、PRO/E、UG、PATRAN、ANSYS作为前处理软件创建模型。2、MESHCAST对输入的模型或网格文件进行剖分，最终产生四面体体网格，生成XXMESH文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。3、PRECAST分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件、模拟参数，生成XXDOUT和XXPOUT文件，4、DATACAST检查模型及PRECAST中对模型的定义是否有错误，如有错误，输出错误信息，如无错误，将所有的模型信息转换为二进制，生成XXUNF文件。5、PROCAST对铸造过程模拟分析计算，生成XXUNF文件。6、VIEWCAST显示铸造过程模拟分析结果。（包括充型过程、温度场变化、铸造缺陷等等）7、POSTCAST对铸造过程模拟分析结果进行后处理。下面以此铸件的工艺方案中的一种进行模拟，先简介一下PROCAST的模拟过程。再将各个不同的浇注工艺进行模拟，将结果的比对选择最优的浇注方案，以证明之前的浇注方案的合理性。42PROCAST建模模拟详细过程421使用三维软件进行建模及前处理使用PRO/E进行零件建模并进行装配。装配图如图41，零件分解图如图42。图41三维零件装配图图42零件分解图在PRO/E中将零件保存副本格式选为IGS再点击确定。进入下一对话框直接使用缺省模式确定。至此三维软件的建模及前处理工作结束。生成的文件可以直接被PROCAST识别。422使用PROCAST的MESHCAST模块进行网格划分及修补生成四面体网格打开PROCAST的MESHCAST模块导入之前经三维软件前处理的IGS文件。输入网格长度（6MM），点选，生成面网格。PROCAST允许不同的面有不同的网格长度，这是因为网格划分越细模拟精度越高，计算时间越长。为了使得模拟精度不影响的前提下节省模拟时间。可以对不重要的面采用较低密度的网格。并生成面网格再由面网格生成四面体体网格。IGS文件及面网格如图43图44所示。图43IGS文件图44面网格检查之前的面网格若没错误是直接点击进入体网格生成环境如下图45所示。检测模型的质量，点击（检查网格）再点击（检查交叉网格）显示如下图46所示图45体网格生成图46网格质量检测结果红色显示区代表有交叉网格，还需要进一步的修改。因为是装配体有交叉的界面故难免出现交叉网格，一定要进行处理否则无法生成体网格。进行修复之后再点击生成体网格，只有高质量的体网格才能保证模拟的顺利进行，保证模拟结果的可靠性，与实际铸造接近。体网格生成进度如图47所示，待网格化结束，保存退出。图47生成体网格423使用PROCAST的PRECAST模块进行边界条件及作用面、初始条件和工艺等参数的设置进入PRECAST进行边界条件、工艺、初始条件等的设置。并打开体网格就会显示相应的体网格信息如图48所示。依次点击材料、界面、边界条件、工艺、初始条件、参数运行的设置。如图49至420所示图48体网格及相应信息图49定义材料图410冷却速度设置图411冷却速度作用面设置图412冷却形式设置空冷图413冷却形式作用面设置图414温度设置图415温度作用面设置图416压强设置图417压强作用面设置图418工艺常数重力加速度设置图419初始条件设置图420参数运行至此参数设置基本完成，生成生成XXDOUT和XXPOUT文件，保存退出。424使用PROCAST的DATACAST模块进行二进制转化并进行模拟计算图421二进制转化图422二进制转化结束点击STATUS可以查看模拟计算进度如图323所示。图423模拟计算中425使用PROCAST的VISUALCAST/VIEWCAST模块进行模拟结果的查看在VIEWCAST窗口中我们可以看到充型、凝固、温度场、凝固时间等等结果。如图424所示图424模拟结果查看窗口5各种工艺方案模拟结果及分析比较51工艺方案A模拟结果及分析方案A的模拟结果充型、凝固、凝固时间、充型速度、温度场变化等等。图51至56所示。图51充型时间分布图52凝固时间图53缺陷位置图图54凝固结果充型过程分解图如下。图55充型及温度场的变化过程视频分解凝固过程分解图如下图56充型及凝固过程固相含量变化视频分解铸造方案A结果分析因为锤头的大端是工作部分力学性能要求较高，为了防止晶粒的粗大不可以在锤头部分设置补缩冒口。因为温度过高保温时间过长晶粒易粗大使得力学性能变差。因此将冒口设置在与锤头连接靠近锤头的锤柄部分。模拟结果显示先充填的是冒口这是不合理的，同时由于冒口的加热使得这一部分是最后凝固的部分。则该部分的缺陷较多，很难保证锤头锤柄连接的可靠性，也不符合顺序凝固的原则。而且工艺出品率低。因此这个方案不是很合理。52带有集渣补缩暗冒口的浇注方案模拟结果及分析方案B的模拟结果充型、凝固、凝固时间、充型速度、温度场变化等等。图57至512所示。充型过程分解图图57充型及温度场变化视频分解图58凝固过程视频分解图59凝固时间图510缺陷位置图511充型时间分布图512凝固结果铸造方案B结果分析此处设置暗冒口起到集渣和过滤金属液的作用。由以上工艺结果可知冒口不应设在锤柄处，此次改进在锤头的大端处设置细长冒口，主要起的是排气作用。同时细小冒口对于组织的影响不大，这样改进的效果优于之前的工艺。但是工艺出品率低因此我们采用工艺方案C。53高工艺出品率带排气冒口浇注方案模拟结果及分析方案C的模拟结果充型、凝固、凝固时间、充型速度、温度场变化等等。图513至518所示。充型过程分解图513充型及温度场变化视频分解凝固分解图图514凝固过程视频分图515充型时间分布图516凝固结果图517充型时间图518缺陷位置铸造方案C结果分析此方案采用一箱四件排列锤头大端设置排气冒口，并将浇注系统的尺寸做的稍大一点可以代替方案B中的暗冒口起到集渣的作用。并且工艺出品率高。同时在凝固和充型中我们可以很明显的看到非常的接近顺序凝固，并且锤头部分先凝固可以使界面前端接触的金属液进行不缩，类似于逐层凝固。相比较而言这个浇注方案是较为合理的一种。6总结本课题着重解决双金属复合铸造的工艺问题，解决镶铸方案。以及对整个消失模铸造工艺进行设计。采用消失模铸造很好的解决了镶铸中的成型冷铁的固定问题。相对于传统的砂型铸造在消失模铸造中利用负压紧实的砂型可以固定内置成型冷铁。不仅位置精确而且可以保证浇注过程不移位，进而使得铸件中镶铸棒分布均匀保证了铸件的性能与质量。同时消失模铸造中采用的固定方案可以避免使用外加保持材料，这样就减少了浇注时的热量损失，保证了双金属复合界面有充分的热量，可以很好地产生结合。对于浇注过程采用PROCAST进行模拟更加深入的了解充型、凝固、温度场变化、缺陷等等，一系列变化过程。对于不同的浇注工艺进行模拟比较，可以很清楚的看到他们的优缺点。根据模拟结果进行优化设计，改进方案从而生产出合格的铸件。这样不仅减少了实际试验的长周期、大的劳动强度、资源浪费等等一系列不必要