（材料加工工程专业论文）圆筒型镁合金铸件低压铸造工艺cad.pdf

机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 圆筒形镁合金铸件低压铸造工艺c a d 摘要 山于低压铸造具有充型平稳、顺序凝固和压力补缩的特点，是生产圆筒形镁合金 铸件的理想工艺之一。浇注系统的殴计直接影响到铸件质量，生产大型铝镁合金铸件 时常常应用缝隙式浇注系统。本课题研究了缝隙式浇注系统的参数设计规律，并以此 结果建立了工艺参数设计数据库，开发了圆筒形镁合金铸件低压铸造工艺c a d 系统。 本研究利用数值模拟技术和实际浇注实验研究了缝隙式浇注系统中缝隙宽度、缝 隙长度、立简直径、缝隙形式和冷铁设置等因素对圆筒形镁合金铸件充型和凝固过群 的影响。以a u t o c a d 2 0 0 4 为平台，利用a u t o c a d 二次丌发系统v b a 建立剧筒形镁合金 铸件低压铸造工艺c a d 系统。通过d a o 数据接口技术实现了在c a d 系统中建立基于 a c c e s s 的关系型工艺参数数据库。本c a d 系统采用参数化设训技术，使得系统可自 动生成三维实体模型，提高了设计效率。 选择某镁合金舱体铸件为例，应用本c a d 系统设计浇注系统，并对设计结果进行 数值模拟验证和实际生产验证，结果表明本系统设计结果正确可行，可犬幅度提高工 艺设计效率，增加设计准确性。 天键词：镁合金铸件低压铸造铸造工艺 缝隙式浇注系统计算机辅助设 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 c a d s y s t e m o fl o wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s sf o rc y l i n d r i c m a g n e s i u ma l l o yc a s t i n g a b s t r a c t d u et os m o o t hm 0 1 df i l l i n g d i r e c t i o n a ls o l i d i f i c a t i o na n df e e d i n gu n d e r p r e s s u r e t h e 1 0 wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s si so n eo fw e lls u it a b lem e t h o d s t op r o d u c tt h ec y l i n d r i cm a g n e s i u ma l l o yc a s t i n g t h ed e s i g no ft h eg a t es y s t e m i so fp a r t i c u l a ri m p o r t a n c ei nc o n t r o l i n gt h eq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c eo ft h e c a s t i n g s u s u a l l y ，as l o tg a t i n gs y s t e mi su s e df o rt h em a g n e s i u ma 1 1 0 yc a sl i n g i nl o wp r e s s u r eg a t i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g nm e t h o d o l o g yo ft h e s l o tg a t es y s t e mi si n v e s t i g a t e d ，t h ed a t a b a s eo ft h ec a s t i n gp r o c e s si s e s t a b l is h e d ，a n dac a ds y s t e mo ft h e1 0 wp r e s s u r ec a s t i n gp r o c e s si sd e v e io p e d f o rt h ec y l i n d r i cm a g n e s i u ma 1 1 0 vc a s t i n g b a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dr e a l c a s t i n ge x p e r i m e n t ， h e i n f lu e n c eo ft h es l o tg a t es y s t e mo nt h ef i l l i n ga n ds o l id i f i c a t i o np r o c e s s o f t h ec y l i n d r i cm a g n e s i u ma l l o yc a s t i n gi ss t u d i e d w i t ht h ev b a ( v i s u mb a s i c f o ra p p li c a t i o n ) t e c h n o l o g y ，t h ec a ds y s t e mi sc o n s t r u c t e do nt h es e c o n d a r y d e v e l o p m e n tp l a t f o r mo f t h ea u t o c a d 2 0 0 4 ap a r a m e t e ri n t e r r e l a t i n ga c c e s s d a t a b a s eb u i l ti nt h ec a ds y s t e mi sr e a l i z e db yu s i n gd a o ( d a t aa c c e s so b j o c t ) d a t ai n t e r f a c e t h e s y s t e m u t i l iz e st h ep a r a m e t e r i z e d t e c h n o 【o g y ， a 3 - d i m e n s j o n a ls o l i dm o d e lc a nb ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e db yt h es y s t e m ，a n d t h ed e s i g ne f f i c i e n c yi so b v i o u s l ye n h a n c e d 7 r h ec a ds y s t e mb e e ni n i t i a l l ya p p i i e dt ot h eg a t i n gs y s t e md e s i g no f s o m e m a g n e s i u ma l l o yc a s t i n g sf r o mt h em i s s i l ei n d u s t r y ，a n dt h ed e s i g nr e s u l t s w e r e a n a l y z e d a n dv e r i f i e d w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dr e a l c a s t i n g p r o d u c t i o n t h er e s u t ss h o wt h a tt h ep r e s e n tc a ds y s t e mi ss a t is f a c t o r y ，a n d t h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dv a l i d i t yo ft h eg a t i n gs y s t e md e s i g na r ei m p r o v e d k e yw o r d s ：m a g n e s i u ma l l o yc a s t i n g ：l o wp r e s s u r ec a s t i n g ： f o u n d r yt e c h n o l o g y ：s l o tg a t es y s t e m ：c o m p u t e ra jd e dd e s i g n l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 扭拯型兰婴塞瞳或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 孓爵签字日期：瑚年6 月f j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭越抖堂珏直瞳有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权扭越型堂盟究暄可以将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、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 1 爿 导师签 签字日期：嘶年6 月f 妇 签字日期：年多月夕，同 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 第一章绪论 以重量轻、比强度和比弹性模量高、可回收使用、铸件和加工件尺寸 精度高、铸造性能好为应用特点的镁合金铸件，已在汽车、电子、家电、 通信、仪表及航空航天领域获得广泛的应用“。一般，镁合金制品成形 分为变形( 轧制、挤压等) 和铸造两种方法。轧制成形工艺在国外的应 用还0 i 一卜分普遍，当前主要使用铸造成形工艺，其中压力铸造的方法应 用较为普遍，已大量应用于笔记本电脑壳体、手机壳体和自动控制阀的 细小部件等薄壁铸件。镁合金压铸件具有尺寸精度和表面粗糙度高、上 艺出品率高、生产成本低等优点，但是由于压铸合金材料、压铸设备及 压铸型的制造等因素制约，压铸工艺还无法用于大型镁合金铸件的生产。 】1 镁合金铸件的低压铸造工艺及其设计 随着我国航空航天事业的发展，整体铸造大型非铁金属薄壁圆筒构件 臼益增多，此类铸件不仅要求铸件质量高，而且对铸件重量也提出严格 要求，采用镁合金铸件是满足这些要求的最好方法。镁合金的化学性质 十分活泼，高温下极易发生氧化燃烧，普通的重力铸造方法不能准确控 制镁合金液的充型速度，极易发生氧化夹杂，造成铸件缺陷。而且，镁 合金的密度小、比热小、热导率高，凝固时铸件冷却速度快，普通重力 铸造时易发生缩松缩孔等缺陷。 目前，国内外对大型圆筒形的镁合金铸件大多采用低压铸造和差压铸 造的生产工艺。低压铸造是一种成熟、可靠、广泛用于生产高致密度有 色金属铸件的特殊铸造方法。最早是由英国人e f l a k e 于1 9 1 0 年提f 并申请专利。该工艺是通过对熔池液面施加一般不大于0 1 m p a 的气压， 使金属液经升液管充填型腔。使液体金属的充型在外界压力的作用下强 迫流动，从而提高液体金属的充型能力，有利于形成轮廓清晰，表面光 洁的铸件。这对于大型薄壁铸件的成形更为有利。低压铸造技术是实现 铸件少余量、无余量加工，同时也是铸件精密化、薄壁化、轻量化和节 能化的重要措施。由于低压铸造采用底注充型，其上升速度容易控制， 液体金属充型比较平稳，避免金属液对型壁或型芯的冲刷，因而可减少 铸件产生夹杂缺陷的机会。并且，型腔内液流与气流方向一一致，从而减 少产生气孔的可能性。因为铸件内没有气泡，铸件町以用热处理方法大 幅度提高铸件材质的力学性能。因而低压铸造非常适合于生产高质最的 第一章绪论 轻金属复杂薄壁铸件。由于充型金属液的流动接近层流且易于控制，避 免了充型过程中合金液氧化和卷入气体，因而低压铸造被广泛地用于生 产高质量的轻金属复杂薄壁铸件，例如导弹舱体铸件、汽车保安件轮毂、 汽缸体、汽缸盖等吣“。低压铸造铸型中的金属液在压力作用下凝固，因 而铸件补缩效果较好，从而提高了铸件的力学性能，其抗拉强度和硬度 较重力铸造提高了1 0 。，同砂型重力铸造相比，低压铸造镁合金件不但 尺寸精度高、而且可以铸造壁更薄且型腔更复杂的铸件，同时低门i 铸造 铸件的力学性能( 特别是抗疲劳性能) 显著优于砂型重力铸造的铸什( 见 表1 1 ) “。不仅如此，低压铸造可以实现高度机械化、自动化，既提高 生产率，达到1 0 1 5 型h ，又可减少众多的不利于生产工艺的人为因素， 提高成品率，而且可大大减轻工人劳动强度。应用低压铸造的工艺已经 可以生产出高质量的大型非铁金属薄壁圆筒形铸件。据有关方面信息”1 。， 美国目前可生产直径8 0 0 r a m 、长5 0 0 0 m m 、壁厚6 8 m m 的巡航导弹舱体， 合金材料a 3 5 7 。我国也将研制直径6 0 0 m m 左右、高3 0 0 0 m m 、壁厚6 m m 的 差压铸件。目前，沈阳铸造研究所低压铸造生产的大型薄壁铝合金导弹 舱体铸件外型尺寸中5 7 0 m m 1 3 5 0 m m ，铸件壁厚2 8 0 7 m m ，铸件本体的 力学性能可达r 。3 2 0 m p a ，r 。2 8 0 m p a ，a 5 。采用重量更轻的镁合 金代替铝合金应用于飞行器用圆筒形铸件是未来的发展趋势。因此，低 压铸造镁合金铸件工艺的研究具有显著的社会和经济效益。 表1 1 砂型低压铸造和重力铸造镁合金0 e 2 2 a 传动箱箱体力学性能对比 r 。( 实r 。( 标r p o2 ( 实r p o2 ( 标a f 实n ) a ( 标准) 疲劳强度 铸造方法 i n ) m p a准) m p a测) m p a准) m p a m p a 低压铸造2 5 5 2 2 11 8 21 5 85 72 01 1 0 重力铸造 2 4 82 2 118 415 8342o6 3 在铝镁合金大型复杂铸件的低压铸造生产中，普遍应用一种兼有顶注 式和底注式浇注系统优点的缝隙式浇注系统“。除了使金属液平稳地进 入铸型以外，这种浇注系统还保证薄壁铸件具有良好的铸型充填性和热 规范性。作为控制铸件顺序凝固的工艺措施，缝隙式浇注系统设计的好 坏直接影响着铸件的凝固过程，进而对铸件的质量起着至关重要的作用。 但是缝隙式浇注系统对铸件凝固过程影响有何规律，影响范围多大，人 们还没有进行过深入地研究，设计缝隙式浇注系统时也多凭生产经验或 近似的理论计算与生产经验相结合的方法加以确定，最后在铸件试生产 过程中加以修正。通常，许多的工艺设计都需要反复修改多次。这不仅 增加了产品的研制费用，同时还浪费了大量的人力物力，并且往往由于 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 浇注系统设计的不当，很容易在铸件下部或缝隙对面的部位引起过热， 破坏铸件良好的温度分布。文献n 7 j 从理论上分析了垂直缝隙式浇注系统 难以实现逐层顺序填充的原因，并通过水力模拟实验加以验证，得到“倒 流”使垂直缝隙式浇注系统难于实现逐层顾序充填型腔的结论，这就是 大型薄壁圆筒形铝合金铸件采用缝隙式浇道易出现废品的原冈。文献“8 通过实验的方法，研究了采用缝隙式浇注系统的a 卜c u 合金平板铸件在 凝固过程中温度场的变化及不同平板厚度对缝隙式浇注系统的影响，研 究表明平板铸件的厚度增加时，缝隙式浇注系统有利于铸件顺序凝同的 有利作用有所减少，并且将冒口、冷铁同缝隙式浇注系统配合使用能使 铸件在纵向和横向上都得到合理的温度梯度，以利于铸件的顺序凝固和 发挥冒1 3 和缝隙式浇注系统的补缩作用。此外，国外的一些学者通过实 验和计算机模拟的方法研究了铝合金及镁合金在充型和凝固过程巾的规 律“”。”，分析了铸件凝固过程中浇注系统及冷铁对铸件质量的影响。表 明冷铁有利于获得无缩松的优质铸件，但是对于不同壁厚和浇注系统， 冷铁的激冷能力也不同。 i 2 铸造工艺c a d 的开发与应用 现在，大多数铸造企业铸造工艺的制订主要依靠铸造 i 艺人员的经 验。对于种新产品的研制常常根据以前的经验提出几种不同的工艺方 案并逐个验证，以确定最佳的工艺。这不仅浪费了大量的人力物力，而 且延长了研发周期，不能适应快速多变的市场的需求。采用先进的计算 机辅助技术可以改善这种状况，缩短设计周期，降低生产成本。铸造工 艺c a d 是指从零件图输入到铸件工艺图输出之间完成的全部工艺设计工 作。一个完整的铸造工艺c a d 系统主要由数据库管理系统、图形系统、 方法库和应用程序库组成，包括以下三方面：( 1 ) 建立综合数据库，以 便储存和管理铸造工艺设计所需要的设计信息( 2 ) 建立多功能交互式的 图形数据库，以进行图形信息处理和交换( 3 ) 建立设计过程麻用数据库， 以完成1 发计过程中所涉及的大量计算和数据处理。 近年来，国内外在铸造工艺计算机辅助设计方面已作，较多的研究和 开发“”“。，相继出现了批较实用的软件，如美国铸协( a f s ) 的 a f s o f t w a r e 软件，可用于铸钢铸铁的浇冒口设计；英国f o s e c o 公司的 f e e d e r c a l c 软件可计算铸钢件的浇冒口尺寸，补缩距离及选择保温冒口 套等：丹麦d i s a 公司的d i s a m a t i c 软件专用垂直分型生产线的浇冒口设 计；清华大学研制开发的f t c a d 软件适用于球铁浇冒口系统设计；铸造 工艺辅助设计集成软件c a s t c a d 适用于铝合金、铸件和铸钢生产；华北 第一章绪论 工学院开发的铸钢件集成软件提出了改进r u d d l e 三次方法设计冒u 且实 现了参数化设计。此外，还有许多这方面的软件都已在铸造生产中得到 较好的应用，产生了明显的经济效果。沈阳铸造研究所。”开发，套基 于国产c a x a 电子图版的铸钢件铸造工艺c a d 软件，该系统侧重于砂型铸 钢件工艺设计内容的编制，利用c a x a 屯子图版二维绘图软件和三维绘图 软件绘制了3 0 0 多幅铸造工艺方案图、铸件体积计算图、热节模数计算 图、工艺参数选择图和浇冒口设计用图以及相关的表格。此外，还建立 ，工艺图库，方便工艺人员浏览和查阅相关的工艺资料。文献。”设计r 一个完全集成在u g 系统之中的三维铸造工艺及工装c a d 系统，其以三维 c a d c a e c a m 系统的造型功能和工艺数据库管理模块为基础，以三维铸造 工艺设计为核心内容的集成系统。主要包括了工艺设计初始化，铸造t 艺参数及工艺方案的确定，铸件产品的三维生成、分型面的确定及两半 模型的生成、模板布置、浇冒口系统的计算和三维设计、砂芯的设计、 工艺卡的输出及二维图纸的输出等功能模块。其采用了不同的三维造型 处理方式，最终使得系统能在用户指定的位置，自动完成工艺设计中不 同类型的三维造型任务，大大减小了设计工作量。 目前，铸造工艺c a d 的浇注系统设计也取得较广泛的应用。”、“。设计 包括选择浇注类型、浇注系统各部分尺寸大小及浇注系统的布置等，而 且铸造工艺c a d 技术越来越朝着c a d c a e c a m 的一体化技术的方向发展。 清华大学。”1 针对不同用户需要和模块的功能特点设计了一种铸造工艺 c a d 系统，在冒口设计中对于铸钢件按热节处的模数来计算冒口模数；对 于球铁件实用冒口的设计采用“关键”模数法。同时，该系统对数据的 存取采用了开放数据库互联o d b c ( o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 技术 和信息保存与恢复技术，实现了对工艺数据库的直接操作及对动态数据 和静态数据的有机结合。铸造c a e 与铸造c a d 相结合的设计方法是提高 铸件设计效率的最佳途径，这将彻底改变传统的铸造工艺设计方法，降 低设计人员的劳动强度。 铸造工艺c a d 的主要任务之一就是将设计中所用到的数据输入计算机 并保证方便使用。从发展的观点出发，建立与平台无关，设备无关的铸 造行业专用d b m s ( 工程数据库及其数据库管理系统) ”0 1 及可运行于网络 中各种平台的跨平台铸造c a d 系统“，并且将并行技术引入铸造生产的 全过程是未来的发展方向。 1 3 本文研究意义及主要内容 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 1 3 1 研究的意义 本课题的研究就是针对圆筒形镁合金低压铸造铸件工艺没计及c a d 技 术建市开展的。近年来，应用低压铸造技术生产圆筒形镁合金铸件的工 艺设计方法还处于手工设计阶段，设计手段单一枯燥、效率低周期长， 并且对于缝隙式浇注系统对铸件的补缩距离，以及如何将冒口、冷铁和 缝隙式浇注系统配合使用以控制铸件的凝固过程，保证铸件质量等还有 待进一步研究和探索。随着计算机技术的发展和普及，在工程技术方面， c a d 技术由于其高效率高精度的设计能力，越来越受到人们的青睐。将铸 造工艺设计同c a d 技术相结合，建立集成丰富的专业工程数据库资源， 具有自动化程度高的图形绘制及较多计算功能的铸造工艺辅助设计系统 是未来铸造工艺设计的发展方向。本文主要研究了缝隙式浇注系统中不 同参数对圆筒形镁合金铸件充型和凝固过程的影响，并以此为基础建立 了铸造工艺设计数据库。以a u t o c a d 2 0 0 4 为平台开发了圆筒形镁合金铸 件铸造工艺c a d 模块，实现了快速高效的设计铸造工艺，提高了设计效 率。 1 3 2 研究的主要工作 本文工作主要包括以下几个方面： i ) 以圆筒形铸件为研究对象，通过对不同缝隙，己、j 和结构圆筒形 铸件的充型和凝固过程的数值模拟和实际浇注实验研究 厂镁合金 低压铸造铸件的充型和凝固行为、缝隙浇道各参数对铸件质量的 影响，以及冒口和冷铁等因素对缝隙浇注系统补缩效果的影响： 2 ) 利用面向对象技术的开发工具v b a 及a c c e s s 数据库引擎在 a u t o c a d 图形支撑平台上，实现了较为简单的铸造上艺数据库： 3 ) 在a u t o c a d 提供的最新的二次开发工具v b a 及d a o 数据库连接 技术环境下建立了圆筒形镁合金铸件低压铸造工艺c a d 系统，应 用铸造工艺参数数据库的调用及检索构成良好的面向对象的结 构，实现铸件浇注系统、冒口和冷铁设计的计算机辅助设计，并 利用a u t o c a d 的三维建模功能实现了铸造工艺设计直接形成浇注 系统、冒口和冷铁的实体模型，为今后快速制造模具及铸造工艺 的数值模拟提供有力支持。 第二章缝隙式浇注系统的研究与改进 第二章缝隙式浇注系统的研究与改进 在铝镁合金大型复杂铸件的低压铸造生产中，普遍应用一种兼有顶注 式和底注式浇注系统优点的缝隙式浇注系统( 如图2 1 所示) 。 1 _ 直浇道2 横浇道3 立筒横截面积s 4 缝隙内浇口横截面积s 。5 型腔横截面积s ， 图2 1 缝隙式浇注系统示意图 采用此种浇注系统的铸件，在充型过程中金属液经直浇道、横浇道由 立筒和内浇道进入铸件型腔内，由于内浇道的阻流作用使得金属液在立 筒内汇集，金属液流动速度降低，有利于夹渣的上浮，同时金属液缓慢 进入铸件型腔，减少了紊流现象的发生，使得金属液在型腔内平稳上升； 在铸件凝固过程中，由于立筒内金属液蓄热较多，其又可以起到补缩铸 件的作用。因此，作为控制铸件顺序凝固的工艺措施，缝隙式浇注系统 设计的好坏直接影响着铸件的凝固过程，进而对铸件的质量起着至关重 要的作用。目前，人们在设计缝隙式浇注系统时也多凭经验设计，人为 因素较大，至今对缝隙式浇注系统较为系统的科学的研究还并不多见。 对于低压铸造条件下，缝隙式浇注系统对铸件充型和凝固过程影响有何 规律，影响范围多大，冷铁和冒口对缝隙式浇注系统的充型和凝固过程 影响如何，怎样才能达到最佳配合，这些问题人们还没有进行过深入地 研究。 2 1 缝隙式浇注系统的设计理论 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 低卡铸造所采用的垂直缝隙式浇注系统，其组成单元有：卣浇道、横浇 道、内浇道和缝隙浇道等，它也可以被看成是一种特殊的底注式浇注系 统。缝隙浇道的横截面如图2 2 所示。通常缝隙浇道的参数可以按如下 的公式法确定“： 1 ) 确定全部缝隙的总厚度( a o ) z a 。= ( o 0 0 8 o 0 1 2 ) p a , ( 2 - 1 ) 式中r 铸型型腔截面的周边全长 2 ) r 个缝的厚度a 按下式计算 盯( 0 7 1 0 ) 8 ，当占1 0 m m t ：l j ； a = ( 1 0 1 5 ) 占，当j f 横 f “m ，但同 时在个别断面面积方面应保证f 升液管 f 横 f 自。具体数值可为2 2 3 ：1 5 1 7 ：1 。若是考虑到低压铸造卸压过程中保证铸件的结构完整和实现自 下而上的顺序补缩以及提高铸件工艺出品率，也可以设计成半开放式浇 注系统，即f 。 e f 。f f ! c ，同样在个别断面面积方面也应保证f 。洲 f 横 f 。用户在确定浇注系统类型和各组元截而比例的时候可以参 考浇注系统设训参数数据库中的相关数据进行设计。 4 3 2 2 直浇道参数选择 低压铸造的充型过程中，通过向装有金属液的坩埚中通入干燥的压缩 空气，作用在保持一定温度的金属液面上，使金属液沿着升液管自卜而 上的进入浇道，注入型腔。因此，升液管出口即相当于浇注系统的直浇 道入口。实际生产中升液管管口常应用圆形，直浇道入口的直径一般取 升液管出口的面积。为了保证低压铸造卸压过程中金属液能够顺利的通 过升液管回流到坩埚并便于造型和起模，一般直浇道都做成l 4 , 下大的 圆台形，起模斜度一般为5 。8 。为了使升液管内的液体能在保压时 间内最后凝固，应使升液管的截面积大于单个浇道横截面积5 0 以上， 通常升液管的直径一般取9 0 1 2 0 n _ l i n ”0 1 。 4 3 2 3 横浇道参数选择 合金液经直浇道( 升液管) 后进入横浇道，即汇流圈中，为了保证这 一过程中金属液平稳的流动，横浇道的开口数应大于2 个并且要对称分 布，以减少金属液流动过程中产生紊流，形成氧化夹渣和冲刷型壁的倾 向。为了使金属液流动过程中夹杂物的上浮，横浇道的截面采用等腰梯 形的截面。在直浇道面积f 直确定了以后，可以根据采用的直浇道和横浇 道之间的面积比值确定横浇道的总横截面积f 横。然后再根据横浇道高 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 宽比( h a ) 和横浇道个数确定每一个横浇道截面的最后实际尺、j o 4 3 2 4 内浇道及缝隙浇道参数选择 内浇道是连接横浇道与缝隙浇道立筒之间的通道。通常内浇道中的金 属液先于缝隙浇道内金属凝固，同时也比横浇道先凝固。这样既有利于 在保证铸件成型的基础上减小铸件的工艺出品率，又能保证凝同阶段缝 隙浇道中有足够的液态金属对铸件进行补缩。内浇道的横截面选用圆形 截面既方便造型有利于减小内浇道内金属的热量损失。内浇道的总截面 积根据所采取的直浇道、横浇道、内浇道截面比例来确定，一个内浇道 的截面积由下列等式求出： 六；墨 ( 4 2 ) 玎 式| + jr 内浇道的数量 内浇道截面积 只内浇道总截面积 缝隙式浇道是有色合金常用的一种浇注系统形式，它不但可以使金属 液甲稳的进入到铸型中，而且在金属凝固阶段还可以实现由缝隙浇道向 铸件的凝固顺序，对铸件进行补缩。缝隙浇道各参数对铸件充型和凝固 阶段的影响及作用在前面已经详细论述了，这里就不再多说了。用户在 进行缝隙式浇道各参数设计时可以参考浇注系统设计数据库中的内容进 行设计，也可以利用前面提到的公式计算后根据实际情况再进行具体修 改。 4 33 模块程序设计过程及实现 在本铸造工艺c a d 系统中，浇注系统设计模块所采用的数学模型和结 构相对较为固定，不同的只是铸件的具体尺i 。因此这类模块首先根摒 铸件的高度、壁厚、直径等参数，用a c c e s s 建立相应铸件的参数数据库， 在进行浇注系统参数设计时首先输入铸件及工装的基本参数，再通过调 用数据库中的相应铸件的工艺参数，根据具体情况进行适当修改，然后 通过a u t o c a d 内部的图形函数的调用在屏幕上将计算结果自动转化为图 形。图4 9 是这类模块的设计原理。 浇注系统设计的主要内容有输入铸件的基本参数、确定浇注系统类型 和各组元之间的比例、选择横浇道基本参数、选择缝隙浇道的形状和确 定缝隙浇道的基本参数等。整个浇注系统设计的流程图如图4 1 0 所示。 第四章铸造工艺c a d 系统的研究与开发 图4 9浇注系统模块的参数化设计原理图 图4 1 0 浇注系统设计流程图 4 0 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 根据浇注系统设计流程图，为了方便用户进行操作，整个模块的设计 都采用了向导式的对话框，用户需要做的只是在向导的提示下，一步 步的输入各种参数，即可轻松的完成整个浇注系统设计的计算绘图工作。 如果在设计过程中，用户发现有不合适的地方，可以随时退回到上一个 窗口或操作过程重新设计，或在参数设计结果窗体中直接对所需修改的 内容进行改正，系统将自动的按新改正的参数和内容进行下一步的计算 和绘制图形。图4 1 l 4 1 3 为浇注系统设计第一步中参数设计部分的窗 体。用户在参数设计过程中若遇到问题，可以点击“帮助”按钮处理疑 问和寻求解决方案。用户还可以点击“相关参数”按钮来调用浇注系统 设计数据库来参考相关的设计参数，这些人性化的设训方法极大的简化 了用户的设计，节省了大量设计时间，使得用户将更多的精力放在铸造 工艺设计本身，提高了设计的效率。图4 1 4 是浇注系统模块调用的缝隙 浇道工艺参数数据库窗体。用户在设计缝隙参数时可以借鉴以往成功设 计的结果。 图4 1 1 浇注系统设计第一 步中的直浇道设计窗体 图412 浇注系统设计第一 步中的横浇道设计窗体 图4 13 浇注系统设计第一步中图4 1 4 浇注系统设计中 的内浇道和缝隙浇道设计窗体缝隙参数数据库查询窗体 图4 1 5 4 1 8 是浇注系统设计中第二步设计结果部分的窗体。用户 第四章铸造工艺c a d 系统的研究与开发 可以在这些窗体中看到设计的结果，并且如果对设计结果不满意n ，以在 此对个别参数进行相应的修改。 图41 5 浇注系统设计第二步 虫堂直浇道参数设计结果窗体 图4 16 浇注系统设计第二步中 的横浇道参数设计结果窗体 图4 17 浇注系统设计第二步图4 18 浇注系统设计第二步中 中的内浇道参数设计结果窗体的缝隙浇道参数设计结果窗体 在浇注系统的直浇道、横浇道、内浇道和缝隙浇道的参数确定后就可 以进行下一步的图形输出了。图4 1 9 是缝隙浇道图形输出的窗体。在这 里，用户要指定图形在坐标系中的插入点。如果需要对图形进行缩放和 旋转变换的话，可以在窗体中输入要缩放的比例( 可分别选择x y z 方向 不同或相同比例) 和旋转的角度，也可以在屏幕上直接选取图形插入的 位置并设置缩放和旋转的参数。 图4 1 9 浇注系统设计第三步中的缝隙浇道图形输出窗体 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 浇注系统设计模块在编程过程中广泛的采用了属性页、，f 面按钮、平 面组合框、平面编辑框等编程方式，使得软件界面更加友好、美观，符 合目前软件向着人性化和个性化方向发展的趋势；另一方而这样的编程 方式也更加符合用户的操作习惯，使得铸造工艺设计人员无需培训，只 要懂得铸造工艺设计就可以轻松的使用本设计模块。 4 4 冒口设计模块 冒口系统设计的目的是补偿铸件在凝固过程中的体积变化，消除缩 孔、缩松等收缩缺陷以获得组织致密的优质铸件。影响收缩缺陷产生的 因素主要是铸造合金凝固和冷却过程中的体积变化特性和合金凝固方 式。由于低压铸造时缝隙浇道本身可以起到对铸件的补缩作用，因此在 设计冒口时不适宜采用传统的冒口设计方法，这主要是由于在铸件凝同 过程中缝隙浇道也起到补缩铸件的作用，同时低压铸造中铸件在j 玉力作 用f 凝固，可以更好的发挥冒口的补缩作用，提高了冒口的补缩距离。 4 4 1 模块主要功能 在设计低压铸造圆筒形铸件的冒口时，由于缝隙浇道在铸件凝固过程 中起着补缩的作用，因此在铸件的顶端常使用环形冒口。对于直径较大 的铸件，为了节省金属用量，提高铸件工艺出品率，顶端的冒口也常应 用标准的圆柱形冒口。为此本模块主要实现了镁合金圆筒形铸件环形和 圆柱形冒口设计及实体建模功能。为了保证冒口的补缩效果，模块中还 设计了计算铸件和冒口模数的功能，以验证冒口尺寸设计是否合适。冒 口的形状、尺寸等参数的选择可以参考冒口设计数据库中的数据。 4 4 2 模块编制依据 一般采用低压铸造生产的铸件，在凝固过程中缝隙浇道可以对铸件进 行补缩。但是对于铸件尺寸较大的薄壁圆筒形镁合金铸件来说，由于金 属液在充填过程中的流程很大且镁合金比热容小，储存热量小，因此降 温速度较快，铸件上部的合金液温度较低。为保证铸件顶端的质量，可 在上部设置冒口配合缝隙浇道对铸件进行补缩。 冒u 的计算方法较多，目前应用比较普遍的方法有模数法和比例法。 比例法属予经验性较强的一种冒口计算方法，在确定冒口尺寸以后，一 般需要工艺出品率和冒口补缩距离进行冒口尺寸和数量的验算，如果验 算结果认为初设冒口不适当，则需调整冒口尺寸或数量。采用比例法设 第四章铸造工艺c a d 系统的研究与开发 计冒l ：| 时要求设计人员具有较丰富的经验，而模数法则显得相对简单且 科学性更强。 模数法是反映铸件几何形状尺寸对冷却速度影响的一个度量。模数定 义为铸件体积于散热表面积的比值。 m = j v ( 4 3 ) 式中肘一模数c m ； 卜铸件体积c m 3 ； 卜铸件散热表面积c m 2 模数小的铸件，凝固时间短；模数大的铸件，凝固时间长；模数相同 的铸件，凝固时间相等或相近。冒口既要有合适的模数，还要有储存足 量的金属液以补缩铸件的冷却及凝固的体收缩。通常冒口的模数取铸件 设置冒口部位的模数的1 2 倍时比较合适。 计算铸件各个部分的模数时，先将复杂的复合体细分为几个简单的几 何基体，然后计算每个基体的模数。对于一些简单的基体可以将其模数 的计算加以简化，例如：计算高度为6 ，壁厚为a 的环形筒件的模数时将 其视为展开的长杆体： m ：竺 2 ( a + 6 ) ( 4 - 4 ) 当西5 a 时，可以将环形简体视作展开的板，此时的环形简件的模数 可以视为： m ：兰 2 ( 4 5 ) 其他几何体模数的计算方法与环形筒件模数的计算方法基本相似，并 且也都可以依据具体情况进行相应的近似，因篇幅所限故在此不再详述。 通常用模数法计算冒口的步骤可以分为以下几步： 1 ) 计算铸件的模数膨( 或者被补缩的铸件部分的模数) ； 2 ) 根据所得到的膨，按该种合金及拟采用的冒口类型所对应的铸件 冒口模数比( 膨：膨) ，计算得到冒口的模数聪； 3 ) 确定冒口的具体形状和尺寸。并且依据以上的结果和所选定的冒 口类型，选定所需的标准的冒口尺寸； 4 ) 根据冒口的有效补缩范围，校核冒口的个数； 5 ) 根据金属的体积收缩率和冒口补缩效率等参数计算铸件的体积收 缩量，校核冒口的最大补缩能力，保证冒口有足够的金属液补缩 铸件。 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 4 4 3 模块程序设计过程及实现 本模块在冒1 ：3 的设计方法时应用了模数法结合经验值参数修正的方 法，将冒口设计中模数法的科学计算与大量实际生产的经验数据相结合， 针对不同尺寸的铸件提出不同的设计参数和解决方案。 胃口设计模块的主要内容有计算铸件的模数、选择冒口类型、设计冒 1 1 参数、计算冒1 ：3 模数及冒口图形的输出等。冒口设计模块的流程图如 图4 2 0 所示。 图4 2 0 冒口设计流程图 第四章铸造工艺c a d 系统的研究与开发 用户在进行冒口设计时，需要先进行铸件模数计算，然后选择冒u 的 类型。之后再根据选定合适的冒口铸件模数比例来确定冒口的模数值， 由此来计算冒口各个部分的参数，或选择适合的标准冒口参数。最后， 按照选定的冒口参数来验算冒口的模数，验证冒口设计是否合适。冒口 设计过程的窗体如图4 2 1 4 2 4 所示。图4 2 l 为有色合金铸件常用的 环形冒口，图4 2 2 是为了减少冒口合金的使用量而应用的标准圆柱形冒 口，这类冒口一般用于大直径的圆筒形铸件，以提高铸件的工艺出品率。 图4 2 1冒口设计第一步中的图4 2 2 _ 吾- 口设计第一步中的标 环形冒口参数设计窗体准圆柱形冒口参数设计窗体 同样，在进行冒口参数设计时也可以参考冒口设计数据库中的经验数 据以帮助工艺设计人员选择冒口类型和尺寸参数的设定。图4 2 3 足系统 查淘冒口设计数据库的窗体。数据库查询窗体会根据用户选择的冒u 类 型的不同自动显示不同的冒口参数。图4 2 3 中左边的是用户进行环形冒 口参数数据库查询的结果，右边的是标准圆柱形冒口参数数据库查询的 结果。 图4 2 3 冒口设计中参数数据库查询窗体 冒口设计模块的图形输出部分与浇注系统设计部分的相似，用户在设 定图形的插入点坐标、图形的比例及旋转角度后，系统将自动输出冒l | 图形到当前的a u t o c a d 模型空间中，系统默认的冒口设置位置为铸件的 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 顶端。用户也可根据具体情况自己设定冒口位置。 4 5 冷铁设计模块 为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块称为 冷铁。冷铁分为内冷铁和外冷铁两类。放置在型腔内能与铸件熔合一体 的金属激冷块称为内冷铁；造型( 芯) 时放在模样( j 墨盒) 表面上的金 属激冷块称为外冷铁。内冷铁作为铸件的一部分，应与铸件材质相同。 外冷铁用后回收，一般可重复使用。外冷铁工艺非常灵活，其激冷能力 可通过选取不同的冷铁材料、尺寸以及调整铸件与冷铁间间隙( 直接外 冷铁) 或铸件与冷铁间挂沙层厚度( 间接外冷铁) 等手段来控制。冷铁 作用包括： 1 ) 缩短铸件最终凝固时间，增强顺序凝固，疏通补缩通道；以提高 冒口补缩效率和铸件工艺出品率； 2 ) 在铸件的热节部位，用外冷铁降低其模数，由相邻元体对其进行 补缩； 3 ) 加快铸件某些特殊部位的冷却速度，以期望达到提高铸件表面硬 度和耐磨性、细化基体组织的目的； 4 ) 对于难于设置冒口或冒口不易补缩到的部位放置冷铁以减少或防 止出现缩孔、缩松。 对于镁合金铸件来说一般都应用外冷铁来配合冒口调整铸件凝固页 序和提高冒口补缩距离。 4 5 1 模块主要功能 外冷铁按激冷方式来分可分为直接外冷铁和间接外冷铁两类。商接外 冷铁( 明冷铁) 与铸件表面直接接触，激冷作用强；间接外冷铁同被激 冷铸件之间有1 0 1 5 r a m 厚的砂层相隔，故又名隔砂冷铁、暗冷铁，虽激 冷作用弱，但可避免因明冷铁激冷作用过强所造成的裂纹。在圆筒形铸 件的实际生产中，多采用直接外冷铁方式进行激冷。本模块为工艺设计 人员提供了圆筒形铸件常用的几种外冷铁的设计功能，如缝隙间冷铁的 设计、缝隙对面冷铁的设计及环筋冷铁的设计等。在选择冷铁的参数时， 系统为用户提供了冷铁数据库作为经验参数以参考冷铁的设计，用户也 可以自己输入各种冷铁的参数。 4 5 2 模块编制依据 第四章铸造工艺c a d 系统的研究与开发 圆筒形铸件的冷铁设计主要应从冷铁的类型、冷铁的材质、冷铁的尺 寸及冷铁的放置位置几方面考虑。对于镁合金圆筒形铸件来说冷铁的类 型通常有缝隙浇道间冷铁、缝隙对面冷铁和环筋冷铁等。冷铁常用的材 质为铸铁和铸铝两种。 设计冷铁的尺寸时需要考虑冷铁的激冷能力，冷铁的激冷能力可以用 增大铸件表面积的当量5 来表示。即时在相同条件f ，铸件在有外冷 铁的铸型中比在无冷铁的铸型中的凝固时间少，就相当于前者增大了表 面积似的。冷铁的激冷强度可以用冷却因子表示： s 附加 x = = 2 s 斡铁 ( 4 6 ) 式中r 冷铁的冷却因子 s 舢】铸件增大的表面积当量 s 冷铣冷铁的表面积 不同材质的冷铁的激冷强度也不相同，铸铁的激冷强度要大于铸铝， 这可能是与比热容有关。因为不同冷铁材质的激冷强度不同，这就造成 冷铁尺寸选择上的差异。在选择铸铁的冷铁时，冷铁厚度通常为铸件厚 度或热节圆直径的0 8 1 0 倍，而在选择铸铝的冷铁时，其冷铁的厚度 通常为铸件厚度或热节圆直径的1 2 1 5 倍。 4 5 3 模块程序设计过程及实现 冷铁设计模块的主要内容有选择冷铁类型、冷铁材质、确定冷铁尺寸 和冷铁图形输出等。冷铁设计模块的流程图如图4 2 4 所示。 用户在进行冷铁设计时，首先要选择所使用的冷铁的类型，然后再根 据不同的情况确定所使用的冷铁的材质，接着输入冷铁的尺寸参数，最 后确认设计结果无误后输出冷铁图形到a u t o c a d 的当前模型空间t j 。图 4 2 5 4 2 7 是不同冷铁类型的设计窗体。图4 2 5 为缝隙间冷铁的设计窗 体，图4 2 6 为缝隙对面冷铁的设计窗体，图4 2 7 为法兰环筋处的冷铁 设计窗体。冷铁设计结果的图形输出在a u t o c a d 模型空间的不同层中， 这样如果用户不满意设计的结果可以随时删减修改而不影响其他已经设 计好的图形结果。 用户在进行冷铁尺寸设计时也可以查询冷铁设计数据库中的参数，冷 铁设计数据库查询窗体见图4 2 8 。 机械科学研究院沈阳铸造研究所硕士研究生毕业论文 图4 2 4 冷铁设计流程图 图42 5 冷铁设计第一步中的 缝隙间冷铁参数设计窗体 - 4 9 图4 2 6 冷铁设计第一步中的 缝隙对面冷铁参数设计窗体 第四章铸造工艺c a d 系统的研究与开发 图42 7 冷铁设计第一步中的图4 2 8 冷铁设计中参数数据 法兰环筋冷铁参数设计窗体库查询窗体 冷铁设计模块的图形输出部分与前面的浇注系统设计和冒口设计部 分的相似，用户可以在图形输出参数窗体中输入插入点坐标、图形的缩 放比例及旋转角度，也可在a u t o c a d 模型空问制定这些参数。用户在完 成冷铁设计后，系统会弹出保存当前设计参数的窗口，窗口中保存有_ 户当前设计的浇注系统设计、冒口设计和冷铁设计的全部参数，用户可 以保存当前设计结果到相应的工艺参数数据库中以便设计其他铸件时参 考。图4 2 9 就是保存当前工艺设计参数