（材料加工工程专业论文）二自由度可变位倾转铸造工艺与设备的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 液态金属的充型过程是铸件形成的第一阶段，也是重要的阶段，许多铸造缺陷 ( 如卷气、夹渣、浇不足、冷隔、砂眼及缩孔等) 都是在充型过程中产生的；同时充 型对于铸件的凝固过程也有着直接的影响。倾转式重力铸造工艺在实现铸件顺序 凝固方面的作用越来越被大家所认识，采用这一方法生产出来的铸件其质量相对 于普通的底注或顶注式铸件其铸造性能有较大幅度的提高。然而倾转浇铸工艺用 于复杂进气歧管、缸盖等铸件时，容易出现卷气、冲刷砂芯等现象。产生气孔、针 孔和缩孔、砂孔等缺陷的可能性很大。 本课题以研究组设计的长安某型号铝合金的进气歧管倾转铸造工艺为思路，从 改进倾转铸造设备的方向出发，增加倾转铸造设备的垂直方向倾转和水平方向回 转两个自由度，以此来控制倾转的角度，实现平稳的倾转速度和加速度，得到更 加平稳的浇注速度。本课题涉及铸造工艺学、机械设计、运动学、虚拟样机建模 和运动学仿真等，研究内容主要包括以下几个部分： 提出一种可变位倾转式重力铸造方法，其目的为提高现有倾转式重力铸造 工艺在生产过程中铸件的排气和顺序凝固能力提供一种新的思路和方法；提出一 种二自由度倾转式重力铸造机，并初步对该设备传动机构的选择和参数做以设计 规划，以实现上述新的铸造方法。 介绍了空间刚体位置和姿态的描述、变位机常用坐标系和齐次坐标变换， 建立了笛卡尔空间和关节空间的映射关系，讨论了变位机运动学正、逆解问题。 采用d - - h ( d e n a v i t h a r t e n b e r g ) 法建立了二自由度倾转式重力铸造机工作机构的 运动学数学模型，确定各连杆参数，推导出该二自由度变位机的正、逆运动学方 程算法，为以后解决该旋倾机构的控制编程系统提供了理论基础。 基于u g 软件建立该倾转式重力铸造机工作机构的三维虚拟样机模型，利 用u g 和a d a m s 之间的接口程序a d a m s e x c h a n g e 模块将其导入a d a m s 软件 中，添加驱动和约束后，分别对该模型在只有倾转运行时和两个自由度同时运行 时模拟，得到目标点的速度和加速度轨迹曲线。通过对比，发现增加回转自由度 后工作台的速度变化轨迹较光滑，运动更稳定。通过运动学仿真也避免了运动学 方程的大量数学计算和计算机语言的编程。 关键词：倾转铸造，虚拟样机，运动仿真，a d a m s 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t a sw ek n o wt h a tm o l df i l l i n gi st h ef i r s tp h a s ed u r i n gac a s t i n gf o r m i n g m a n y c a s t i n gd e f e c t s ，s u c h 嬲s l a g ，c o l d s h u t sa n dp o u r e ds h o r t , o c c u rd u et o f i l l i n g i n s u f f i c i e n c yc o n d i t i o n t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt ou n d e r s t a n dt h em o l df i l l i n gp r o c e s s i no r d e rt oc o n t r o li t m o r ea n dm o r ep e o p l er e a l i z et h ee f f i c i e n c yo ft i l t - c a s t i n go n o r d i n a ls o l i d i f i c a t i o n c o m p a r et ot o p - c a s t i n ga n db o t t o m - c a s t i n g ，t i l t - c a s t i n gc a l lo b t a i n h i g h e rq u a l i t yo n e s h o w e v e r , t i l t i n gc a s t i n gp r o c e s sf o rc o m p l e xe n g i n ei n t a k e m a n i f o l d s ，c y l i n d e rh e a da n ds oo n , i tp r o n et ov o l u m eg a sa n dt h ep h e n o m e n o no f e r o s i o n , t h i si sl i k e l yt or e s u l t i n gi np o r e s ，p i n h o l e sa n ds h r i n k a g e ，s a n dh o l e sa n do t h e r d e f e c t s t h i st h e s i st os t u d yt h et o p i cd e s i g no fap a r t i c u l a rm o d e lo fc h a n g a na l l o yi n t a k e m a n i f o l dc a s t i n gp r o c e s sf o rt i l t i n gt r a i no fi d e a s b yi m p r o v et h et i l t i n go fc a s t i n g e q u i p m e m ，i n c r e a s i n gt h et i l t i n ga n dr o t a t i n gt h et w oh o r i z o n t a ld e g r e eo ff r e e d o mi n o r d e rt oc o n t r o l i n gt h ea n g l eo ft i l t t oa c h i e v et h es m o o t ha n g u l a rv e l o c i t ya n da n g u l a r a c c e l e r a t i o n ，p o u t i n gm o r es t a b l es p e e d t h i sp a p e ri n v o l v e dm e c h a n i s m ，k i n e m a t i c s ， p a r tm o d e l i n g , a n dk i n e m a t i cs i m u l a t i o n t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ef o l l o w i n gs e c t i o n s ： av a r i a b l e s t y l et i l t i n gg r a v i t yc a s t i n gm e t h o di sp u tf o r w a r d , w h i c ha i m st o p r o v i d ean e ww a yo ft h i n k i n gt oe n h a n c et h ee x i s t i n gg r a v i t yt i l t i n g - s t y l ec a s t i n g p r o c e s si nt h ep r o d u c t i o np r o c e s sa n dt h eo r d e ro fc a s t i n gs o l i d i f i c a t i o n ；d e s i g nat w o d e g r e e so ff r e e d o mt i l t i n g s t y l eg r a v i t yc a s t i n gm a c h i n e ，a n dt h ei n i t i a lt r a n s m i s s i o no f t h ed e v i c eo fc h o i c ea n dt od e s i g na n dp l a n n i n gp a r a m e t e r si no r d e rt oa c h i e v et h en e w c a s t i n gm e t h o d t h i sp a p e rd i s c u s s e si nd e t a i lt h em a t h e m a t i c a lb a s i sf o rs p a c eo fr i g i db o a y k i n e m a t i c s ，g e t sak i n e m a t i c se q u a t i o n , e s t a b l i s h e sm a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e nc a r t e s i a n s p a c ea n dj o i n ts p a c ea n dp r o v i d e su s e f u lm a t h e m a t i c a lt o o l st ot h et w od e g r e e so f f r e e d o m p o s i t i o n e r k i n e m a t i c sr e s e a r c h k i n e m a t i c sm o d e li sc r e a t e db yd - h c o o r d i n a t i o ns y s t e m b a s e do nt h er e s u l t so ft h em o d e l i n g ，t h et w od e g r e e so ff r e e d o m p o s i t i o n e rl i n kp a r a m e t e r sa r es e ta n dt h em a c h i n e 7 sk i n e m a t i c se q u a t i o ni sa c q u i r e d w e l d i n g - l i n e t h ek i n e m a t i c se q u a t i o nr e s u l ts h o w st h ea b o v ew o r kw i l lg i v eag o o d g r o u n d w o r kf o rt h en e x tr e s e a r c ho fo f fl i n ep r o g r a m m i n g t h ev i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo ft i l t i n g s t y l eg r a v i t yc a s t i n gm a c h i n ei se s t a b l i s h e d b yu g u s i n gu ga n dt h ei n t e r f a c eo fa d a m sp r o g r a m ( a d a m s e x c h a n g em o d u l e ) n 重庆大学硕士学位论文英文摘要 i m p o r ta d a m ss o f t w a r e ，t h e na d d i n gt h ed r i v ea n dt h eb i n d i n g t h r o u g hs i m u l a t i n g t h em o d e li nt h eo n l yt i l t i n ga n dt w od e g r e eo ff r e e d o mr u na tt h es a m et i m e ，w ec a l lg e t t l l et r a j e c t o r yc b r v eo fd i s p l a c e m e n t , a n g u l a rv e l o c i t ya n da n g u l a ra c c e l e r a t i o n b y c o n t r a s t , t h el a t t e ri sm o r es m o o t ha n ds t a b l em o v e m e n tt h a na n o t h e ro n e a tt h es a m e t i m e ，ag r e a td e a lo fm a t h e m a t i c a lo p e r a t i o na n dp r o g r a mo fc o m p u t e rl a n g u a g eg a l lb e a v o i d e di nt h ec o u r s eo fk i n e m a t i cs i m n l a t i o n k e y w o r d s ：t i l tc a s t i n g ，v i r t u a lp r o t o t y p e ，k i n e m a t i c a ls i m u l a t i o n , a d a m s h i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的卫缎士学 位 论文 鼬匿亘盘镯雌戤璺壶选螽娜是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：抽支泪签字日期：必。尹f 。力 导师签名： 莨连 签字日期：2 。c 1 b 2 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程” ) ，愿意将本人的一士学位论文 提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全文数 据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文 数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论 文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程 规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内 容。 作者签名： 导师签名： 年月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署口授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明t 本声明及授权书1 2 逝装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着国内汽车及航空工业的迅速发展，尤其在汽车领域，由于对能源日益缺 乏的认识越来越深刻，所以对汽车轻量化的关注越来越多，实现汽车轻量化的一 个重要措施是充分利用可替代材料，如以轻金属材料替代部分的钢铁材料，以高 强度塑料件替代金属件等。 铝及其合金由于具有较高的强度和刚度等优剧，己经广泛应用于现代汽车制 造业中。目前，在汽缸盖、进气歧管、活塞、轮毂甚至车身等许多汽车部件上都 不同程度地利用了铝合金材料。目前，我国已成为世界第三大铝材消费国，铝材 产量也排名世界第四位，但同时我国又是世界最大的铝材进口国。随着汽车行业 的发展行业的飞速发展，汽车结构件对材料及其制造技术提出了更高的要求，高 致密度、高强度、高结构复杂性和低成本等将成为铝、镁合金铸造未来的发展趋 势。在此形势下，加速我国以铝、镁为代表的轻质材料及其铸造技术的开发和应 用具有十分重要的意义。 倾转式重力铸造法就是铸型或金属型在倾转过程中靠倾角的变化使液体流淌 进型腔的一种铸造生产方法【2 1 。倾转浇铸通过工作台合适的倾转，将底铸与顶铸的 优点相结合，避免了底铸缩孔、缩松、浇不足等缺陷的产生和顶铸充型不平稳的 缺点。其优点主要体现在强化顺序凝固，充型平稳，减少吸气；充分发挥冒口的 补缩作用( 冒口集中并处于最高处) ，提高工艺出品率；减少冲砂、夹砂、气孔的产 生，进而提高经济效率等诸多优点。基于上述原因，倾转铸造法在一些发达国家 得到迅速发展，日本等国也在广泛应用，这说明倾转铸造具有很强的生命力。近 年来，国内的铸造工作者也越来越重视此种方法的研究和应用。倾转铸造工艺在 我国己经得到了广泛的使用，特别是在汽车的进气歧管和缸盖的铸造件上。 1 2 常用轻金属铸造工艺原理及特点 在轻金属的铸造中，针对不同的铸件有不同的铸造方法，现对常用的重力金 属型铸造、低压铸造、消失模铸造和普通倾转铸造的原理、特点及其应用范围做 以简述f 划： 金属型铸造金属型铸造是利用重力将液态金属浇入金属铸型中，并在重 重庆大学硕士学位论文l 绪论 力的作用下获得铸件的一种铸造方法。金属型铸造与砂型铸造在技术上与经济上 有很多优点： 1 ) 金属型铸件的机械性能比砂型铸造的高。如铝合金铸件，其抗拉强度平均可 提高约2 5 ，屈服强度平均提高2 0 ，这是由于铸件在凝固时冷却速度高的结果。 由于同样的原因，铸件表层结晶组织细密，形成“铸造硬壳”，铸件的抗腐蚀性能和 硬度亦显著提高。 2 ) 铸件的精度和表面粗糙度比砂型铸件的高，而且质量和尺寸稳定。铸件的外 形及外表上的凸台由金属型成型，铸件上的孔洞虽由砂芯形成，但其定位均在金 属型上，故其精度较高，平均为7 级；这样就可以减少加工余量，节约加工工时， 降低成本。铸件的工艺收得率较高，液体金属消耗量减少，与砂型铸造相比一般 可节约1 5 - 3 0 。 3 ) 除了形成铸件的内腔，或者起模的需要外，不用砂或者少用砂，一般可以节 约造型材料的8 0 - 1 0 0 ；相应地减少了砂处理设备和运输设备，减低了车间粉 尘含量减少环境污染，改善了劳动条件。 此外，金属型铸造还具有生产效率较高，铸件产生缺陷的原因少、工序简单、 易实现机械化和自动化等优点。 但金属型铸造也有不足之处，模具制造成本高：金属型不透气，铸件在其中 冷却速度大，而且无退让性，易造成铸件浇不足、开裂或铸铁件白口等缺陷。因 此对金属型生产的铸件要有选择；金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注 温度和浇注速度、铸件在铸型中停留时间，以及所用的涂料等铸造工艺对铸件的 质量的影响甚为敏感，故要求严格控制。 金属型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制，如对 黑色金属只能是形状简单的铸件，铸件的重量不可太大，壁厚也有限制，较小的 铸件壁厚无法铸出。 低压铸造低压铸造是液体金属在压力作用下由下而上地充填型腔，自上 而下顺序凝固，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫低压铸造。 其工艺过程( 见图1 2 ) 是：在密封的坩埚3 ( 或密封罐) 中，通入干燥的压缩空气，金 属液2 在气体压力的作用下，沿升液管4 上升，通过浇口平稳地进入型腔8 ，并保 持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止，然后解除液面上的气体 压力，使升液管中未凝固的金属液流回坩埚中，再由气缸1 2 开型并推出铸件。 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 逢气 空气 图1 2 低压铸造的工艺示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fl o wp r e s s u r ed i ec a s t i n gp r o c e s s 1 - 保温炉2 - 液体金属3 坩埚4 升液管5 浇口6 密封盖7 下型8 型腔9 上型1 0 顶杆1 1 顶 杆板1 2 气缸1 3 石棉密封垫 从以上过程可以看出：金属液在压力推动下进入型腔，并在外力的作用下结晶 凝固，进行补缩，其充型过程既和重力铸造有区别。它给低压铸造带来了某些独 特的优点，这些优点表现在下述几个方面： 1 ) 液体金属充型比较平稳。这是由于低压铸造采用底注充型，其上升速度容易 控制。能够避免金属液对型壁或型芯的冲刷，因而减少铸件产生夹杂缺陷的机会； 同时，型腔内液流与气流方向一致，从而减少了产生气孔的可能性，提高了铸件 的合格率。 2 ) 铸件成型好。低压铸造时，金属充型是在外界压力作用下强迫流动的，从而 提高了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。 3 ) 铸件组织致密，机械性能高。因为铸件的结晶凝固是在压力作用下进行，补 缩效果较好，从而提高了铸件的机械性能。如抗拉强度与硬度，一般要重力铸造 提高1 0 左右，而对于要求耐压，防渗漏的铸件其效果更好。 4 ) 提高了金属液的工艺收得率。由于低压铸造利用压力充型和补缩，大大简化 了浇铸系统和冒口系统的机构，使金属液的收得率大大提高，可达9 0 一 9 5 。 5 ) 劳动条件好，设备简单，易实现机械化和自动化。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 当然，低压铸造也存在一些缺点：对砂芯的强度要求较高。如用该法生产发动 机铝缸盖，水道芯一般得用壳芯，这给清理工序带来较大的困难，一般得增加焙 烧工序，增加设备投资；不易1 0 0 地保持恒定的充型压力和充型定量：由于设备 与模具结构的原因，对合模过程中产生的散落砂不易吹干净。 消失模铸造用一定粒度的泡沫塑料制备成铸件的形状( 注意：如铸件结构 比较复杂时，常将其分成若干片制造，再将其用粘合剂粘为一体) 及浇注系统，表 面浸或刷上涂料并烘干，然后将其吊挂放入三维震动台的圆柱桶内，填上干砂， 充分震实，并对圆柱桶抽真空，然后浇注熔化泡沫塑料成型铸件的方法。其生产 工艺流程如下t 该方法的优点是： 1 ) 不需要浇注外模。 2 ) 制作的铸件结构可以相当复杂，使原来用其他方法不可能铸造的铸件成为可 能。有的原来需要分体铸造的铸件可以连体铸造。 3 】砂子可以很容易的实现再生利用，减少对环境的污染。 该方法的缺点是：如控制重要工艺参数充型速度不当，铸件易产生针( 气) 孔； 泡沫塑料熔化后产生的气体需经净化处理后方可排入大气，废气处理装置要求较 高。该方法在国外主要用于大批量生产发动机铝合金缸体和进气歧管，也有用于 大批量生产发动机铝合金缸盖的，但废品率较高，如在意大利的t e k s i d 铸铝厂。 国内拥有该技术的工厂主要也是用于生产发动机铝合金进气歧管，如一气的有色 金属铸造厂。 倾转式重力铸造川倾转式重力铸造是铸型在倾转过程中靠倾角的变化使 液体流淌进型腔的一种铸造生产方法。在发动机缸盖和进气歧管的工艺开发中， 越来越多的厂家采用倾转式浇注方式，来代替原来的常规金属型重力铸造方式。 倾转式浇注方式也属于顶注式的一种形式，首先将金属液倒人浇杯，通过浇注设 备，将模具倾转，金属液在重力的作用下，慢慢流人型腔，可以避免一般顶注式 浇注因压头高、金属流速过快而产生飞溅、导致金属液氧化严重的问题。另外， 还可以通过控制设备的倾转速度来控制金属液充型速度，并可在不同的倾转角度 通过控制产生不同的充型速度。由于后进入型腔的合金液温度相对较高，利用铸 4 重庆大学硕十学位论文1 绪论 件的顺序凝固，加强补缩。 图1 1 3 倾转式浇注过程 f i g 1 3t i l t i n g - t y p ep o u r i n gp r o c e s s 该铸造工艺的优点： 1 ) 倾转式金属型重力铸造方法应用在铝合金上，其浇注充型过程具有充型快速 平稳的特点； 2 ) 采用倾转金属型重力铸造方法，使液体静压头高度由小逐渐变大，充型平稳， 利于气体的排出，并且避免了普通重力铸造方法中由于静压头大而引起充型二次 造渣问题； 3 ) 通过倾转浇注，有效的控制了铝液的充型时间和充型速度； 4 ) 倾转式快速浇注工艺解决了充型过程中由于铝液降温导致的冷隔、浇不足等 缺陷； 5 ) 采用倾转式浇注时先充型的铝液流程长，降温快，在铸型底部，且温度低， 后充型的铝液流程短，降温慢，在铸型上部，且温度高，铸型上部温度高的铝液( 冒 口) 能很快补充给铸型下部温度低的部分，这样建立了合理的铸件凝固温度场，利 于铸件的凝固补缩，提高了铸件的工艺出品率。 虽然倾转铸造技术与重力铸造相比更能使其充型达到平稳的地步，而且，通 过速度场的作用，有利于铸件的顺序凝固，提高铸件的质量。然而，倾转铸造的 实际过程情况很复杂，许多影响因素目前还无法给出定量的描述。例如，液态金 属的充型过程就很不容易描述，因为这不是一般的流体在管道或明渠中的流动过 程，它同时伴随着与铸型材料( 在砂型中尤其如此) 的热交换与物理化学反应。又如， 铸型充满液态金属后仍然存在对流，其原因不仅在于各个部位温度不同，而且由 于凝固过程中溶质再分配造成了不同部分或密度的差异，金属从高温开始冷却而 导致的体积收缩也导致金属液的流动。有研究表明铝合金的金属自由表面的速度 不能超过0 5 m s ，若金属进入型腔后的速度过快，碰到芯子阻拦飞溅很严重；若充 重庆大学硕士学位论文1 绪论 型速度过慢，金属在型腔中流动的距离及时间过长，温度严重下降，低于液相线， 液体内部已经部分凝固，极大的影响了充型能力。 1 3 金属型重力铸造设备现状与虚拟样机技术简介 近l o 年来，世界上一些工业先进的国家在铸件生产技术上由于广泛将计算机技 术、网络技术、传感技术等高新技术应用到铸造设备和系统中去，使铸造设备的 自动化水平和精确度有很大的提高，所生产的铸件质量和附加值都很高【6 】。目前我 国铸造行业除少数大型国营企业和外资企业的铸造装备比较好以外，多数铸造车 间的技术装备还比较差，特别是在金属型铸造设备上。 1 3 1 金属型重力铸造设备发展概况 金属型铸造机种类繁多1 8 】。按工位可分为单工位、双工位和多工位金属型铸造 机。单工位、双工位金属型铸造机结构简单、操作方便、造价低、可选机型较多。 多工位金属型铸造机价格昂贵、结构复杂、操作方便和效率高，多为专用机，如六 工位活塞金属型铸造机。目前多工位金属型铸造机主要依赖进口。金属型铸造机 按结构可分为固定式和可倾转式两种方式。倾转式金属型铸造机倾转速度可调， 浇注过程在变速转动中完成，利于金属液在模具中的充型和排气，可以大大提高 铸件品质，降低铸件的废品率。金属型铸造机按用途可分为专用金属型铸造机和 通用金属型铸造机。国外供应商已研制出铝合金活塞、缸体、缸盖、进气歧管、 铜合金阀门等多种专用金属型铸造机。 世界重力浇铸机械总的趋势是提高自动化、提高生产率、提高柔性、灵活性， 技术含量和先进程度。国外许多铸造设备生产厂家推出的倾转铸造设备已经实现 了在p c 界面环境下对生产过程进行全自动p l c 控制。例如，美国福特汽车公司温 莎铸铝厂就是在p c w i n d o w s 界面环境下对浇铸全过程进行全自动p l c 控制。国外 一些公司生产的全自动浇注机器人系统，借助于程序化模拟人的浇注行为，最大 地满足了在金属型重力铸造工艺应用中的浇注需要。 我国铸造设备总体的生产状况是结构简单、技术含量低的产品多，高技术附 加值、高生产率的产品少；通用机械多，特殊要求的机械少；单机多，成套流水 线少，完整的配套性尤差：重生产加工，研究开发，自主开发的创新产品较少。 我国重力浇铸机的研制是从1 9 8 5 年引进日本雅马哈公司生产的组合式液压开合模 金属型浇铸机开始，经过二十多年的发展，浇铸机的驱动装置已从机械传动更新 为液压传动，从组合式液压开合模金属型重力浇铸机更新为单台液压开合模金属 型浇铸机，单台液压浇铸方式与组合式相比有如下特点：设备投资费用较少；维 修方便；不会因一个工位出故障而全部停止生产；质量有良好再现性，基本无气 孔和夹渣；可热处理，综合性能好。采用先进的调速设备，浇注速度可调。控制 萤庆大学硕士学位论文绪论 系统采用p l c 控制，沈阳铸造设备厂，利用该专利技术，生产出能够倾转3 0 0 、6 0 0 和9 0 啪重力浇铸机。2 0 0 4 年，苏州明志铸造装备有限公司开发的专利产品，一种 新型倾转重力浇铸机通过改变倾转机构的连接方式，可以在工作台上安装六个方 向的较大抽模力的抽模机构，能生产出尺寸较大、工艺复杂的铸件，诸如汽车发 动机铝台金缸体铸件，取得了惫想不到的效果。最近，清华大学与青岛第四铸造 机械厂联合研究开发的新型浇铸机，成功地应用了p c 与p l c 控制技术。北京吉普 汽车有限公司重力浇铸工段综合应用计算机网络技术和微机、p l c 技术，在国内第 一个实现了计算机网络化的浇铸工部，极大地提高了整个工段的集成化程度和自 动化程度。采用p l c 作为控制系统浇铸，浇铸平稳、自动化程度高，产品质量较好， 但整机价格昂贵，生产成本高。 可倾转式金属型铸造机是实现金属性铸造生产机械化的重要设备刖1 1 0 l ，它将 金属型的开合、金属芯的抽出、铸件顶出和模具的倾转等动作实现机械化，这样 不但提高了产品质量，改善了劳动条件，而且能充分发挥金属型铸造的优越性。 倾转式重力铸造机有开舍型机构、铸件项出机构、倾转传动机构等部分组成。 液压式倾转铸造机由油缸带动金属性的开合机构、顶出机构及倾转机构，为 可倾转液压铸造机。与气压传动比较，液压传动具有在同样功率的条件下机构重 量轻，能自行润滑，结构紧凑，惯性小运动平稳，便于换向，能自动防止过载， 机构在油内工作自行润滑好，便于实现多种自动化等优点。普通液压倾转铸造机 的如下图1 4 所示； 口 图l4 重力倾转铸造机 f i g1 4 t d t l n g l o a v 耐c a s t i n g m a c h i n e 重庆大学硕士学位论文1 绪论 该倾转式金属型重力铸造机包括一左模机构，一右模机构，倾转机构和一 液压电气单元，其中左模机构包括带抽芯缸的静模板、轴承、链轮，静模板通过 轴承与链轮相接，用于安装左芯盒。该倾转式金属型重力铸造机，具有抽活块功 能，可倾转9 0 0 运动，有五级速度可调且可随意偏转。集成化液压单元和电气单元， 紧凑、易于就位移动。 1 3 2 虚拟样机技术的简介 虚拟样机技术【n 1o r t r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 又称为机械系统动态仿真技 术，是2 0 世纪8 0 年代随着计一算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅 助工程( c a e ) 技术。虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设 计和分析技术揉合在一起，在计算机上创建出产品的整体模型，并针对该产品在 投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、 提高产品性能的一种新技术。它是一门综合多学科的技术，涉及机械系统运动学、 多体动力学、有限元分析和控制理论等学科，运用成熟的计算机图形技术，建立 机械系统的数字模型，从而为产品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实 的研究平台。因此虚拟样机亦被称为数字化功能样机。 虚拟样机技术是当前设计制造领域的一门新技术。它是涉及多体系统动力学、 计算方法与软件工程等的- - i - j 新兴学科。它利用软件建立机械系统的三维实体模 型和力学模型，分析和评估系统的性能，从而为物理样机的设计和制造提供参数 依据。虚拟样机技术在设计的初级阶段一概念设计阶段就可以对整个系统进行完 整的分析，可以观察并试验各组成部件的相互运动情况。使用系统仿真软件在各 种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，它可以在计算机上方便的修改设计缺陷， 仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以 后，再做出物理样机。它在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技 术揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品投入使用后的 各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性 能的一种新技术。 同传统的基于物理样机的设计研发方法相比，虚拟样机设计方法具有以下特 点： 具有全新的研发模式。传统的机械设计与制造，从概念设计开始经过方案 论证、产品设计，直到制造物理样机来验证设计。如果通过物理样机实验发现缺 陷，便进行修改设计，并重复以上步骤，直至获得满意的产品为止。通过周而复 始的设计一实验一设计的过程，产品才能达到要求。这一过程是漫长的，也存在 很多弊端。而虚拟样机技术真正地实现了系统多角度的产品优化，它基于并行工 程，使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案，确定影响性 8 重庆大学硕七学位论文1 绪论 能的敏感参数，并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及 所具有的响应，直至获得最优的工作性能。 虚拟样机使产品的开发设计具有更低的研发成本、更短的研发周期、更高 的产品质量。采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机 技术建立产品的数字化模型( 即虚拟样机) ，可以完成无数次物理样机无法进行的虚 拟试验( 成本和时间条件不允许) ，从而无需制造及试验物理样机就可获得最优方 案，因此不但减少了物理样机的数量，而且缩短了研发周期、提高了产品质量， 降低了开发成本与风险。 虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品 化虚拟样机软件实现的【1 2 1 。目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争。 比较有影响的产品包括美国m d i 公司的a d a m s 、美国m s c 公司的w o r k i n g m o d e l ， 比利时l m s 公司的d a d s 以及德国航天局的s i m p a c k 。其中美国m d i 公司的 a d a m s 此占据了市场的5 0 以上。 虚拟样机在设计、制造的全过程都发挥着重要的作用。制造之前虚拟样机是 检查设计规划和开展情况的有效的可视化手段，支持可行性分析、形状确定、装 配和人机工程的研究。在产品制成之后又可以进行产品的效能分析，故障诊断， 可行性验证。总之，虚拟样机为从初始概念发展直至最终获得成品的全过程提供 了一个优化设计和验证的工具。 1 4 本课题研究的主要内容和目标 1 4 1 本课题的主要研究内容 虽然倾转式重力铸造在实际生产中有很大的优越性，但是该铸造工艺用于复 杂进气歧管、缸盖等铸件时，充型过程中容易出现卷气、冲刷砂芯等现象，铸件产 生气孔、针孔和缩孔、砂孔等缺陷的可能性很大，这就需要控制金属液在型腔的 流动方式，改变合金汇流的部分和条件，避免汇流处集中在铸件太薄的区域，并 加强排气以减少缩孔、缩松的产生。本课题针对上述问题对二自由度可变位倾转 铸造工艺及其设备进行探索和研究，具体内容如下： 本课题借鉴焊接变位机，提出一种有别于现有倾转铸造工艺的二自由度可 变位倾转铸造装置，通过控制设备的倾转速度来控制金属液充型速度，为解决铸 件现有倾转铸造工艺中的由卷气引起的铸件缩松、气孔等缺陷提供另一种解决思 路。 通过对铝合金进气歧管的倾转式重力铸造进行只倾转一个自由度和倾转 加回转两个自由度两种状态下的充型数值模拟，并对充型过程中铸件产生卷气预 测，对比发现本课题研究的二自由度倾转铸造工艺在充型过程中消除铸件卷气有 9 重庆大学硕士学位论文1 绪论 优越性。 分析机构运动并建立的数学模型，推导出该二自由度倾转铸造机运动学正 解和逆解的理论计算公式，得到该变位机末端坐标和各关节角的计算公式； 基于三维造型软件u g c o n i g r a p h i c s ) 进行变位机的工作机构三维造型设计， 应用机械系统运动动力学仿真分析软件a d a m s ( a u t o m a t i cd y n a m i ca n a l y s i s m e c h a n i c a ls y s t e m s ) 对所设计的机构建立虚拟样机仿真模型，并在不同状态下进行 运动学仿真模拟，通过后处理对比运动的速度和加速度等曲线轨迹，得到本课题 的可变位倾转铸造机可以通过控制设备的倾转速度来控制金属液充型速度，并可 在不同的倾转角度通过控制产生不同的充型速度。 1 4 2 本课题的意义和目的 本课题借鉴焊接变位机中回转机构和倾转机构，运用到本课题设计的二自由 度可变位倾转铸造机中，实现倾转铸造机沿重力轴倾转和沿水平方向回转二自由 度的可变位，通过控制设备的倾转速度来控制金属液充型速度，改进现有倾转铸 造工艺，减少在金属液充型过程中由于排气不畅、补缩能力下降等造成的铸件卷 气、缩孔和缩松等缺陷。 1 0 重庆大学硕士学位论文2 铝合金进气歧管倾转式重力铸造工艺的分析 2 铝合金进气歧管倾转式重力铸造工艺的分析 倾转式重力铸造工艺是一种新兴发展的先进的浇铸工艺【”】，它通过工作台合 适的倾转，将底铸与顶铸的优点相结合，倾转浇注时合金液流平稳、对模具型腔 的冲刷力小，避免了合金液流在浇道中或型腔内的紊流及飞溅，能实现合金液流 在模具型腔中的层流充填，避免了底铸缩孔、缩松、浇不足等缺陷的产生和顶铸 充型不平稳的缺点。其优点主要体现在强化顺序凝固，充型平稳，减少吸气，充 分发挥冒口的补缩作用( 冒口集中并处于最高处) ，提高工艺出品率，减少冲砂、夹 砂、气孔的产生，进而提高经济效率等诸多优点。本课题就对铝合金进气歧管在 只有倾转和倾转加回转铸造过程进行模拟仿真，以来说明本课题提出的可变位倾 转铸造工艺的可行性。 2 1 倾转铸造工艺充型过程分析 传热和流动是铸件成形过程中同时存在的对铸件质量产生重要影响的两个因 素【1 4 l 1 5 1f 1 6 1 。铸件的充型过程是铸件形成的第一个阶段，也是一个非常重要的阶段。 充型过程中液态金属充填型腔的顺序不合理、充型过程不平稳以及充型时间过长 等都会造成铸件缺陷的产生。液态金属进入型腔时如果速度或流量过小，容易造 成冷隔或浇不足的缺陷；相反，如果速度过大产生喷射现象时，可能产生夹杂或 铁豆，过大的流速冲击铸型的型壁还可能使型壁破损，产生卷气、砂眼或多肉等缺 陷。 2 1 1 金属液的流动与充型过程 液体金属在浇注系统中的流动与充填过程是铸造过程中的关键性环节。这不 仅因为它事实上是铸造与凝固过程的开始。更在于这个环节对铸件质量至关重要。 铸造工作者普遍认识到，良好的浇注系统设计与浇注充型过程应能：1 ) 避免在直浇 道内吸入气体；2 ) 尽量减少金属液的分流以避免二次氧化；3 ) 减少紊流以避免氧化 与卷入气体；4 ) 在浇注系统内集渣；5 ) 在多道横浇道与内浇道的情况下做到液流的 均匀分配；6 ) 减少金属液对型壁的冲刷与侵蚀；7 ) 保证方向性凝固所需要的流动模 式与充型过程。由此可见对充型阶段的流动过程分析，不仅因详细审视流体的行 为而有助于更好地设计浇注系统，还可为完整的传热过程解析提供重要信息，以 获得最佳的浇注温度、浇注过程及随后的温度分布。 但是，尽管对铸造的传热过程解析已得到广泛应用并显著改善了铸件质量， 相比之下，对其流动过程的解析却常常被忽略或故意的视而不见。究其原因，不 是认为这个过程不重要，而是在于它太复杂。浇注与充型过程的复杂性至少表现 重庆大学硕士学位论文 2 铝合金进气歧管倾转式重力铸造工艺的分析 在这几个方面： 与形状、大小、重量干变万化的铸件相对应，浇注系统也是各式各样的。 金属液在其中的流动状况也就十分复杂，通常均认为、这种流动属于管内流动与 明渠流动同时存在的粘性流。就其流服的状态而言则属于亲流，至于在流动过程 中的管道阻力与压头损失，情况也十分复杂。 高温金属液在浇注系统和型腔中流动时会由于温度变化及与铸型材料的 物理、化学作用而同时或接连不断地出现许多现象对它们的定性或定量描述相 当困难。 浇注过程中金属液流动的一个显著持点是流动范围在不断扩展且又难以 界定，也就是说，金属液在源源不断地进入浇注系统，要仔细考察流动过程就须 要对这样一个不断扩展着的流体系统通过计算来确定其位置、自由表面及其速度 场和压力场。 2 1 2 充型过程数值描述 为了深入了解并定量描述铸件的充型过程，显然除了浇注时间外，诸如铸件不 同部位的液流速度，各种强制或自然对流过程，温度分布，以及其他有关现象均 应在考虑范围之内。一般认为要完整描述金属液在浇注系统与型控中的流动过程 须同时求解三个基本方程，即： 能量方程充型和凝固过积中的传热则是由能量守恒定律所控制的可以用 如下的能量方程来表示： 昙似) + 丢沏丁) = 昙( m 罢) - i - 詈 ( 2 1 ) 式中丁韫度； 卜定压比热； q 单位体积内能量生产率，亦即内发热源发热率； r 广义扩散系数 旯导热系数； 常数。 此方程即为反映浇注过程中金后液与铸型热交换规律的傅立叶导热方程，忽略 了这一方程，则说明金属液在整个浇注过程中，将不会在浇注系统与型腔内有任 何传热与冷却作用。 连续性方程连续性方程实质上式质量守恒定律的数学表达式，它是运动 学方程，与力学无关，因此即使用于理想流体，也适用于粘性流体。充型过程中， 流场满足以连续方程表示的质量守恒： 1 2 重庆大学硕士学位论文2 铝合金进气歧管倾转式重力铸造工艺的分析 害+ 掣+ 掣+ 掣= o 西缸却玉 _ 叫 式中p 为流体的速度； 甜，、“y 和“：分别为速度在三个方向( x 、y 、z ) 上的分量。 此方程体现了在流动过程中的质量守恒，因一般可视金属液为不可压缩流体， 故质量守恒定律中的流体密度不变。 动量方程对于充型过程中的液态金属，可视为三维非稳态、不可压缩牛 顿流体，其动量关系可以用n a v i e r - s t o k e s ( 纳维斯托克斯) 方程式来表示： a “； 溉， af a “，、la 口 p 言+ 肛，言2 瓦l 云j _ 素+ 隅 ( 2 3 ) 式中甜。流体速度在i 方向上的分量； 有效动力粘度； p 流体密度； 最重力加速度在i 方向上的分量； ，时间； p 压力。 动量方程体现了流动过程中的动量守恒，一般可以用纳维一斯托克斯 ( n a v i e r s t o k e s ) 方程来描述当作为理想流体( 忽视粘度的影响) 并假定处于层流状 态时，也常常应用伯努利( b e r n o u l l i ) 方程来进行烧注系统的解析与设计。但这只是 一种近似处理，严格说来，对于浇注系统内的非恒定流动，伯努利方程是不能适