（材料加工工程专业论文）钻机壳体壳盖铝合金金属型铸造工艺cadcae及优化.pdf

华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 i 摘摘 要要 壳体/壳盖是轨道钻机的重要部件，产品质量有较高的要求，需要采用精密铸造 工艺。为了提高产品质量，缩短研制周期，本论文将cad/cae技术应用到轨道钻机 铝合金壳体/壳盖金属型模具的设计和制造中。 基于unigraphics nx2.0软件设计平台，完成了轨道钻机壳体/壳盖的三维造型， 提供了产品的铸件图，设计出两套金属型模具和两套砂芯芯盒。整个设计快捷、直 观、便于修改，并为后期的凝固模拟和模具制造提供了强大的数据支持。 系统地研究了华铸 cae 铸造工艺分析软件的应用。 进行了壳体/壳盖铝合金金属 型的浇注工艺模拟，验证了两套金属型模具的工艺方案，将华铸 cae 软件应用到壳 体/壳盖金属型铸造工艺优化设计中。 进行了多次壳体/壳盖金属型模具的试模浇注实验。针对实验中出现的缩孔、缩 松、浇不足、开裂、皱皮等铸件的缺陷，反复修改了模具结构，找出了合适的浇注 工艺条件，即模具温度 250，浇注温度 720，掌握了正确的涂料施涂方法，利用 了树脂砂芯支撑脚解决合模过程中树脂砂芯出现的偏位问题。铸造的铝合金壳体/壳 盖产品质量得到了改善和稳定。 通过实验结果和模拟结果的对比，采用了保温套替代保温涂料效果的方法，使 模拟结果更接近实验结果，找出了合适的模拟初始条件指导实验试模。 关键词： cad unigraphics 金属型 铝合金 cae 华铸 cae/intecast 铸造工艺 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 ii abstract house and cover are the main parts of rail drill and have high quality requirements, so they need cast by precision casting process. in order to improve product quality and shorten development cycle, cad and cae have been applied to the permanent mold design and manufacture for aluminum alloy. based on the three-dimensional cad software unigraphics nx2.0 platform, the three-dimensional models of house and lid have been built, the two-dimensional drawings of cast house and cover have been supplied, two sets of permanent molds and two sets of core boxes of sand have been designed. the whole design becomes fast and vivid. and it will also bring the sufficient data for the solidification simulation and mold manufacture. the application of huazhu cae/ intecast has been systematically studied. the castings of house and cover have been simulated and permanent molds of house and cover have been verified. the huazhu cae/ intecast software is used to make the casting process and tool design of house and lid optimized constantly. many casting experiments of house and cover have been conducted. in view of all kinds of defects of the casts of house and cover, the structures and gating system of permanent molds have been changed multiple times. the suitable casting process has been proposed that the mold temperature is 250 and the melt temperature is 720. the suitable way of mold coating spray has been mastered. the supporting bosses of resin bonded sand have been adopted to solve the eccentricity of resin bonded sand core. the product quality of aluminum alloy casting has been improved and stabilized. the results of cast experiment and cae simulation have been compared. the insulating sleeve has been adopted to replace the insulating coatings for better simulation result. the suitable original simulation data has been found and it will be better to instruct cast experiment. key words: cad unigraphics permanent mold aluminum alloy cae cae/intecast casting process 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书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，即：学校有权 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。 本人授权华中科技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。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的背景、来源及意义课题的背景、来源及意义 我国是当今世界铸件产量大国，产量超过2400万吨，居世界首位。同时，我国 铸造生产总体水平还十分落后，要从世界铸造大国成为铸造强国，适应当代世界经 济全球化、快节奏的趋势，做到市场反应快速、高质量、低成本等还面临着巨大的 挑战。加入wto以后，我国制造业面临着严峻的挑战，铸造作为基础的制造业，也 面临着巨大的压力。面对瞬息万变的市场，日新月异的新技术，企业之间的竞争日 趋白热化。能否快速提供高质量的试制产品是企业取得市场先机的关键；能否引入 新技术，改造现有的生产状况是企业取得市场先机的首要任务。铸造过程仿真技术 是学科发展的前沿领域，是改造传统铸造产业的必由之路。发挥计算机辅助设计/制 造/工程、数值模拟，最大限度地降低废品率，缩短生产和研制周期，以提高产品质 量为核心，发展绿色集约化铸造。 我国铁路大提速，对铁道产品要求更高，武汉市汉博铁道实业公司，参考国外 产品，自主开发轨道钻机。其中关键铸件轨道钻机壳体和壳盖，技术要求不加工部 分的铸造尺寸误差为正负0.1mm, 当铸造达不到此要求时，尺寸采用加工方法达到， 为提高生产效率，需要采用精密铸造。材料牌号要求为zl201或zl401，铸件质量要 求高，委托我们承担开发任务。通过调查发现，在金属型铸造方面部分国企如襄樊 3611厂在cad上己经采用了三维设计，武汉市汉博铁道实业公司技术人员年龄偏大， 还停留在二维设计阶段，部分企业如平顶山天鹰集团铸造厂、花山铸造厂尚未摆脱 传统设计方法，而他们在cae技术上离现代设计和制造技术还存在很大的距离，甚 至有些企业尚未触及现代技术。但是如武汉市汉博铁道实业公司在进行新产品开发 时，需要缩短开发研制周期；如襄樊3611厂在进行外贸生产时，客户(尤其是国企客 户)对他们提出了在cae上的要求；又如平顶山天鹰集团铸造厂在面对品种繁多的高 压开关铸件时，也要求在模具制造上有新的方法。这些情况都是本论文的研究背景。 从上述背景出发，为了加快铝合金金属型铸造技术的技术现代化，能够满足实 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 2 际需求，开展cad/cae/cam技术在金属型铸造上的应用就成为极具意义的研究工 作16。 1.2 课题的发展、应用与研究概况课题的发展、应用与研究概况 1.2.1 模具模具 cad/cam 技术特点技术特点 cad/cam 指的是计算机辅助设计和计算机辅助制造，它是计算机在设计和制 造中的应用。它的发展可以追溯到上世纪 40 年代计算机问世的年代。50 多年来 计算机技术发展可以说是天翻地覆的，同样，cad/cam 技术的发展也是日新月异 的。 模具是生产机械零件的工具，它必须适应产品零件的特征。我们所使用的金属 型模具，它们的结构特征都是与产品的特性联系在一起的。因此，模具 cad/cam 既有机械 cad/cam 的通性，又有模具的自身的特殊性。 模具是制造产品零件的工具，它的特殊性是将产品零件在制造过程中的物理性 能的变化特性体现在模具设计中，用模具的特殊设计保证产品零件的变化。金属型 模具的浇冒口设计、温度压力流动性之间的关系分析、零件的冷却和变形 以及热应力分布的平衡性等等，都是模具 cad 的特殊问题。不同类型的模具，他们 的特殊问题是各不相同的。 众所周知 ，产品模型与模具模型在尺寸上是有差别的，这是由于材料的收缩性 所引起的。往往由于各类尺寸数值差别很大，公差要求不同，采用简单的比例缩放 尺寸，往往是不恰当的。因此使产品模型转换成模具模型，需要有一个复杂的尺寸 转换过程，模具 cad 要求这类转换过程尽量简单、快速。因此产生了各种应用软件 包从事这项工作，它既能省去繁杂的计算，又能进行动态收缩模拟，从而提高了模 具的制作水平714。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 3 1.2.2 我国模具设计与制造的发展现状我国模具设计与制造的发展现状 八十年代以来，国民经济的高速发展对模具工业提出了越来越高的要求，也为 其发展提供了巨大的动力，我国模具工业每年以 15的增长速度发展。目前，中国 约有 3 万家模具生产厂点，从业人数近 100 万。2005 年全国模具总产值已达 600 亿 元人民币以上。中国模具生产总量虽然已位居日、美之后，但其设计制造水平在总 体上要比德、美、日、法、意等工业发达国家落后。模具企业较普遍存在经验不足、 装备落后、开发能力弱、管理水平低、产品档次偏中低档，利润不高等问题1517。 1.2.3 ug cad/cam 系统模块功能简介系统模块功能简介 unigraphics(简称 ug)是当今世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的 cad/cam/cae 高端软件，被誉为业界最好的工业设计软件包，包含了企业中应用 最广泛的集成应用套件，用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程。作为一个 集成的全面的产品工程解决方案， ug 软件家族使用户能够数字化地创建和获取三维 产品定义，进行仿真验证，以及行业领先的数控编程解决方案，被当今许多世界领 先地制造商用来从事概念设计、工业设计、详细地机械设计以及工程仿真和数字化 制造，在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领 域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。 ug cad/cam 系统的主要功能包括： 1) 产品设计功能：创建参数化的三维实体模型，完成部件的装配设计和管理， 进行三维尺寸标注和出工程图，以及针对普通用途工装和夹具设计等流程的 工程向导。 2) 风格及样式设计功能：用于工业设计和风格样式设计，具备对三维实体模型 表面连续性分析，渲染颜色、材料、结构、照明和工作室等效果。 3) 加工制造功能：采用行业领先的数控编程解决方案，集成刀具路径切削，机 床仿真，后处理程序，以及车间工艺文档和制造资源管理。 ug/modeling 模块具有强大的参数化三维实体几何造型功能，实体操作基于已被 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 4 生产实践证实的 parasolid 建模内核，parasolid 今天已由多于 15，000 用户使用，具 有很高的建模精度和可靠性。 ug/modeling 模块是所有几何建模产品的基础， 其最主 要的两个功能: 1) 实体建模，ug/modeling 采用基于特征的实体建模，提供了各种标准设计特 征的生成和编辑，包括各种孔、键槽、凹腔、各种凸台、圆柱、长方体、圆锥、球 体、管道、倒圆、倒角、模型特征抽取、产生薄壁实体等等，并提供特征的编辑、 删除、压缩、复制、粘贴、引用、阵列、特征顺序调整、特征树等操作工具，使造 型的设计过程更加简便灵活。 2) 自由形状建模，ug/modeling 具有强大的自由形状建模功能，采用工业标准 的 nurbs 样条曲面， 用于设计复杂的自由形状外形， 其自由曲面片体建模与实体建 模完全集成的，允许自由形状独立建立，然后利用片体直接产生或修改实体。 ug/modeling 提供了多种自由形状建模方法，包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的 自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠，二次曲线倒圆、两张 及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编 辑、点云生成、曲面编辑等。 ug/assemblies 模块提供了部件装配的功能，即将其他文件中的部件装配至当前 工作部件中 1821。 1.2.4 cae 应用在铸造领域的发展概况应用在铸造领域的发展概况 (1) 概述 铸造凝固过程模拟分析(简称为cae, computer aide engineering)系统是一个以 铸件充型、凝固和冷却过程数值模拟技术为基础，结合数值分析技术、数据库技术 和可视化技术，模拟铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场和应力场的分布 情况，并根据这些数据场的分布对铸件质量进行预报的系统，是改造传统铸造产业 的必由之路。采用铸造工艺凝固进程数值模拟的方法，进行铸造工艺的优化，是现 代热加工过程中通常采用的方法。经过多年的努力，铸件充型凝固过程计算机模拟 仿真发展已进入工程实用阶段，铸造生产正在由经验型向科学型转变。铸件充型凝 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 5 固过程的数值模拟，可以帮助设计人员对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位 进行有效的预测，在浇注前采取对策以确保铸件的质量，缩短试制周期，降低生产 成本。 (2) 国内外研究与开发简介 国外商品化软件的研究与开发主要集中在凝固过程模拟分析软件部分，主要是 因为这部分内容通用性强，可应用在多种合金、不同形状及多种铸造工艺的铸件， 因而有利于软件的通用化及商品化。 凝固过程数值模拟始于20世纪60年代，从最初的温度场模拟到流动场模拟、应力 场模拟及组织模拟，从简单的二维模拟到复杂的三维模拟。经过多年的努力，由于 在以下三方面取得了重要突破，商品化软件才变为现实。即：(1)具有能处理三维复 杂形体的图形功能；(2)硬件及软件费用大幅度降低到铸造工厂能够接受的水平；(3) 计算机操作系统及软件对用户友好(user friendly)， 一般铸造工程技术人员稍加培训就 可独立操作运行。 1989年， 世界上第一个铸造cae商品化软件在德国第7届国际铸造博览会上展出， 它以温度场分析为核心内容，这就是由德国aachen大学sahm教授主持开发的 magma铸造分析软件。 90年代以来，铸造cae软件功能逐渐增加。其中德国的magma，法国的simulor 及日本的soldia等软件都增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度，但 主要都在工作站上运行。铸件三维应力场问题复杂，由于当时对铸件应力场本质问 题认识不足，算法难度也大，难以在微机上运行。 目前，德国magma软件等已具有三维应力场分析功能。原采用fdm/fem结合 的技术路线，其中fem软件采用与国外商品化有限元软件集成的方法，现正改用全 部fdm技术。国外铸造cae商品化软件的功能一方面正向低压铸造、压力铸造及熔 模铸造等特种铸造方面发展，另外一方面又正从宏观模拟向微观模拟发展，其中美 国的procast及德国的magma软件已增加球墨铸铁组织中石墨球数及珠光体含 量的预测功能。在这方面国内虽起步较晚，但进展迅速，目前国内开发的铸造分析 软件的部分功能已与国外软件相当，以可满足铸造工厂的一般需要。特别是华中科 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 6 技大学的华铸cae，已远销到新加坡等海外国家2231。 1.2.5 金属型铸造金属型铸造 金属型铸造是指在重力作用下，液体金属充填用金属材料制成的铸型 金属 型，及随后的冷却凝固成形而获得铸件的一种铸造方法32 。金属型铸造俗称硬模铸 造，是用金属材料制造铸型，并在重力下将熔融金属浇入铸型获得铸件的工艺方法。 由于一副金属型可以浇注几百次乃至数万次，故金属型铸造又称为永久型铸造。金 属型铸造既适用于大批量生产形状复杂的铝合金、镁合金等非铁合金铸件，也适合 于生产钢铁金属的铸件、铸锭等。由于金属型铸造具有很多优点，故广泛地应用于 发动机、仪表、农机等工业部门33。 金属型铸造作为一种传统的精密成形技术，现已成为了目前发展较快的先进制 造技术之一。国外，美国的本田工厂于1996年建成了汽车球铁转向臂生产线，标志 着这一技术已进入了工业化生产阶段;国内，1997年，国家科委立项，由沈阳铸造研 究所等单位对“九五”国家重点科技攻关项目“汽车球墨铸铁件金属型铸造工艺与 成套设备”进行系统研究，旨在开发先进制造技术 金属型铸造技术，以促进我国 铸造业的技术进步34。 本世纪20年代，自欧洲汽车工业率先发展铝铸造工业以来，曾先后出现了多种 特种铸造工艺的工业化应用，如金属型铸造、低压铸造、压铸以及目前被称为开创 铸造工业新纪元的消失模铸造等。伴随着数十年历程的市场竞争和技术不断改造， 在铝缸盖这个重要发动机部件生产上的工艺应用已基本走向统一，那就是起着主导 作用的金属型重力铸造工艺。目前，在全球近6000万件铝缸盖的总产量中，近85 的铸造生产都是采用金属型重力铸造工艺。如今金属型铸造已广泛应用于生产如铝、 镁、铜合金，灰铸铁，可锻铸铁和球墨铸铁件3537。 用金属型铸造铝合金的优点是3840 ： 1 由于金属超导热性高、冷却速度快，因而可以得到细小、致密的结晶组织， 提高了铸件的机械性能。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 7 2 金属型铸造条件比较稳定，尺寸变化小，所以铸件有较高的精度和光洁度。 铸件的拔模斜度、加工余量较小，从而节约了金属材料和加工工时。由于铸件表面 光洁，提高了耐蚀性并且美观。 3 铸造缺陷种类少，铝合金全属型铸件上无砂眼、结瘤等缺陷，在没有砂芯 的金属型铸件上也无粘砂缺陷，废品率低，在正常情况下，合格率常在95以上。 4 与砂型和壳型铸造相比，用型砂量少，大大节省了运输量和劳动力，提高 了生产效率，减少了灰尘和有害气体，改善了劳动条件，提高了车间的安全生产程 度。 5 与压力铸造相比，不需要庞大复杂的铸造机械，并能耐较高的温度和压力。 铝合金金属型铸造的主要缺点是： 1 金属型本身没有退让性，因此铸件形成裂纹的倾向大，所以不宜于浇注结 晶间隔大、收缩大、裂纹倾向大的铝合金。 2 铸件尺寸精度和表面光洁度比压铸件低，壁厚不能太薄，铝合金金属型铸 件的壁厚一般不小于2mm。 3 与砂型相比，用机械加工制造的金属型成本较高、制造周期较长。因此， 只有在成批生产或大量生产铸件时，才能显示其经济效益。 1.3 论文研究内容和方法 论文研究内容和方法 本课题的主要任务是将 cad, cae 技术应用到铝合金金属型模具的设计和制造 中，完成轨道钻机壳体/壳盖模型的三维设计、工艺设计和模具的结构设计。制定合 理的壳体/壳盖成型工艺，解决出现的铸造缺陷问题。探索实现金属型模具设计和制 造的科学化、快速化的工艺方案。 据此，本文将在以下几个方面进行研究： (1) 利用 ug 的强大计算机辅助功能，完成产品的三维模型建立，产品的工艺确 定，确定铸件模型结构和尺寸。同时完成铸件的模具结构设计。实现整个设计过程 的虚拟化、可视化、方便讨论和修改。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 8 (2) 针对试模浇注过程中出现的各种铸造缺陷，优化铸造工艺设计，找出合适的 铸造工艺方案，力争得到符合质量要求的铸件。 (3) 为了优化铸件的工艺方案，利用华铸cae软件进行不同铸造工艺的模拟，并 与实验结果进行对比，为华铸cae软件在金属型铸造上的应用提供了实际范例，积 累经验，更好的指导实验试模。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 9 2 基于基于 ug 的壳体的壳体/壳盖设计和金属型模具设计壳盖设计和金属型模具设计 2.1 金属型铸造工艺金属型铸造工艺 2.1.1 金属型铸造工艺流程金属型铸造工艺流程 金属型铸造工艺流程图如图 21 所示。 图 21 金属型铸造工作流程 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 10 2.1.2 金属型铸造工艺特点金属型铸造工艺特点 金属型铸造是利用重力将液态金属或合金浇入金属材质的铸型中，并在重力的 作用下结晶凝固而获得铸件的一种铸造方法。其工艺流程与砂型铸造类似。 一般铸件的凝固方式有三种：逐层凝固、体积凝固和中间凝固。从铸件的疏松 倾向、热裂倾向、充型情况等方面来看，逐层凝固的性能最好，中间凝固的性能次 之，体积凝固的性能最差。影响凝固方式的主要因素是铸造合金的结晶温度间隔和 凝固时铸件断面上的温度梯度。共晶型合金都是逐层凝固，而结晶温度间隔宽的合 金则多是体积凝固。当合金成分确定之后，铸件的凝固方式就取决于冷却时在断面 上的温度梯度。稳定梯度愈大，则凝固区域宽度就愈小，因而，可以使得结晶温度 间隔较宽的合金也趋向于中间凝固甚至逐层凝固，这样就可改善补缩条件，得到致 密的铸件。与砂型比较，由于金属型的导热性能要高得多（热导率约高150倍，蓄热 系数约高20倍，导热系数约高65倍） ，能获得很大的温度梯度，使铸件的冷却速度增 大。因此，用金属型铸造时，不仅共晶型合金，甚至结晶温度间隔较宽的合金，也 能得到致密的铸件。同时，冷却速度快，可使铸件晶粒细化，还能减轻或消除非铁 合金铸件的针孔。 由于型壁的直接导热，液态金属浇入金属型后，金属液很快凝固成一层硬壳， 以后散热则要通过硬壳与型壁间所形成的空气隙。用金属型铸造厚大铸件时，浇入 金属型中的金属液在充满型腔一定时间后才开始凝固，特别是在金属型预热温度高 和有较大的砂芯时，更是如此，这是由于上述空气隙的存在，减缓了铸件的散热速 度。所以在浇注厚大铸件时，应采用较低的金属型预热温度和浇注温度。 在铸造较小的薄壁铸件时，金属液凝固得很快，许多情况下，几乎在浇注完毕 时，铸件凝固也就完成了。所以，对大而薄的铸件，为了能完好地充满型腔，获得 轮廓清晰的铸件，就要有较高的金属型温度，以改善铸件的补缩条件，因为这样能 使金属液容易进入已被型腔壁冷却的下层金属中。当内浇道由下面导入型腔时，要 求金属液有更高的温度，以使其在相当热的状态下达到型腔的上部，特别是当铸件 上部有冒口时，更希望如此。但是，金属液的温度也不能太高，温度太高，会增大 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 11 铸件的收缩量，并降低力学性能。 在金属型铸造中，铸件产生裂纹的可能性比砂型铸造时大得多。这主要是因为 金属型和金属型芯没有退让性，阻碍铸件收缩；其次，铸件凝固冷却不均匀也是产 生裂纹的重要原因。但是，假如能使铸件变形在比较高的温度下进行，这时合金的 塑性又足够大，那么，裂纹将不会产生。所以，在确定温度规范时，应尽量使合金 由塑性转变到弹性状态的过程中，铸件各部分的温差减至最小，并且尽量减小合金 结晶期间浇注的合金和金属型型壁之间的温度差。这时就要求铸型温度较高，而浇 注温度较低。 从上面的一些分析可知，确定金属型铸造温度规范应考虑到以下三个原则： 1 保证铸件所有表面能得到清晰的外形，没有冷隔和浇不到的现象，也就是 希望冷却慢些，要求有较高浇注温度和金属型温度。 2 保证铸件变形小，不发生扭曲和裂纹，要求金属型温度高而浇注温度低。 3 保证铸件组织细密，力学性能好，希望快速冷却，要求较低的金属型温度 和浇注温度。 2.1.3 金属型涂料金属型涂料 金属型铸造时，常须在金属型的工作表面喷涂涂料。涂料的作用是： 1 调节铸件的冷却速度，控制凝固顺序。涂料在调节铸件在金属型型腔中的 冷却速度是十分有效的。 2 保护金属型。涂料层能有效地减轻金属型表面的热冲击，并使它免受金属 液的直接冲蚀；在取出铸件时，减轻铸件对金属型的磨损，使铸件易从铸型中取出。 3 改善铸件的表面质量。防止因金属型较强的激冷作用而导致铸件表面产生 冷隔或流痕以及铸件表面形成白口层。 4 改善型腔中气体的排出条件。利用涂料层蓄气排气。 根据不同合金，涂料可能有多种配方，但它基本有粉状耐火材料、粘结剂、溶剂 和附加物四类物质组成。 1 粉状耐火材料。一般具有较好的绝热性能，不同合金铸件所用的耐火材料 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 12 也不同。铝、镁合金，常用氧化锌、氧化钛、氧化镁、白垩粉（caco3）等。 2 粘结剂。金属型铸造通常采用硅溶胶，水玻璃。 3 附加物。赋于涂料具有特殊性能的物质。如石棉粉、硅藻土能有效地提高 涂料的绝热性；石墨粉、滑石粉可使涂料有较好的润滑性。 上涂料最好使用一种简单的抽吸式喷射装置， 将均匀的涂料呈雾状喷涂在型腔工 作表面上，使之形成致密、均匀的覆盖层。喷涂时，若金属型温度过低，则涂料不 能很快干燥，将会出现淌流现象；若金属型温度过高，则喷射到型腔表面上的水分 会剧烈蒸发，涂料将发生鼓泡或成块脱落4143。 2.2 ug 环境下的轨道钻机壳体环境下的轨道钻机壳体/壳盖三维模型建立与金属型设计壳盖三维模型建立与金属型设计 金属型产品设计流程图如图 22 所示。 图 22 金属型设计流程 理解设计模型理解设计模型 整体建模思路整体建模思路 feature 分解分解 完整产品造型完整产品造型 提 供 三 维 提 供 三 维 提 供 图 纸 提 供 图 纸关键设计参数、结构、约束关键设计参数、结构、约束 基础特征设计基础特征设计参考特征设计参考特征设计 自由特征设计自由特征设计细节特征设计细节特征设计 评估修复模型评估修复模型 否否 金 属 型 设 计金 属 型 设 计 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 13 2.2.1 轨道钻机壳体轨道钻机壳体/壳盖零件特征和三维建立壳盖零件特征和三维建立 轨道钻机使用汽油发动机带动蜗轮蜗杆传动钻孔， 该开发的新产品主要用于野外 导轨钻孔，在我国铁路大提速的背景下，该产品的开发具有较大意义。我们负责轨 道钻机壳体和壳盖的开发。 2.2.1.1 零件描述及相关加工工艺零件描述及相关加工工艺 （1）轨道钻机壳体 轨道钻机壳体轮廓尺寸为 242mm132mm102mm, 最薄壁厚为 5mm,平均壁 厚为 611mm，重 2.7kg，材质为 zl401 或 zl201。为典型壳体零件，多处侧凹， 形状较复杂，尺寸繁多。图 2-3 为壳体零件轮廓示意图。 图 2-3 壳体零件轮廓示意图 壳体铸件毛坯采用组合机床加工，其加工工艺为： 1)以右侧小圆端面、前后两侧端面和顶端面为加工基准，加工左侧端面和底面； 2)以加工的左侧端面、底面端面和前后两侧端面为基准，削铣顶面端面； 3)以加工的左侧端面，底面端面和顶面端面为基准，削铣前后两侧端面； 4)后续局部面、孔的加工； （2）轨道钻机壳盖 轨道钻机壳盖轮廓尺寸为 136mm100mm85mm,壁厚均匀, 平均壁厚为 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 14 6mm，重 0.5kg，材质为 zl401 或 zl201。该壳盖零件形状较简单。图 2-4 为壳盖零 件轮廓示意图。壳盖铸件毛坯只需加工零件底面，可采用简单机床加工。 图 2-4 壳盖零件轮廓示意图 2.2.1.2 零件模型的设计理解零件模型的设计理解 进行三维设计前，必须充分理解设计模型，应该注意以下几个问题： (1)主要的设计参数，关键的设计结构，设计约束。如：中心距、加工余量和同 心度。 (2)观察平面二维图纸的视图分布和尺寸链相关性，三维设计时的草绘面构造顺 序和标注风格应该尽可能与其一致。 2.2.1.3 零件主体结构造型零件主体结构造型 (1)设计基准(datum)通常决定你的设计思路，好的设计基准将会简化造型过程并 方便后期设计的核对与修改，大部分的造型过程都是从设计基准开始的。 在进行轨道钻机壳体造型时，我们会发现壳体的外部包容尺寸都源于型腔的中 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 15 心轴，我们在造型必须领悟这一核心思路，以中心轴作为建模和标注的参考基准， 减少封闭尺寸链的干扰，造型思路趋近于设计思路，这样使我们的建模工作准确又 高效。 壳盖造型时，则以底部平面和壳盖中心轴为基准。 (2)建立模型的主要轮廓，确定主要轮廓的 sketch 对于你的建模过程起到关键作 用。 例如：主要轮廓轨道钻机壳体，可以先绘出垂直于中心轴和前后侧面的的 主要轮廓 sketch；壳盖，可以先绘出垂直于中心轴的主要轮廓 sketch。在创建草图过 程中应该注意几点： 每个 sketch 尽可能简单,可以将一个复杂草图分解为若干简单草图，这样便于 约束，便于修改； 每一个 sketch 置于单独的层(layer)里，这样便于管理 (layer 21 to 40)； 给每一个 sketch 赋予合适的名称，这样便于管理 (skt_layer_usage)； 在作曲线过程中， 为了避免捕获不在 sketch 工作面上的点， 可设置： preferences work plane objects off work plane dim and non-selectable(on),这样便于 快速构造曲线； 对于比较复杂的 sketch，最好避免“构造完所有的曲线，然后再加约束”，这 会增加全约束的难度。应该先创建第一条主要曲线，然后施加约束，同时修改尺寸 至设计值，再按设计意图创建其它曲线，但每创建一条或几条曲线，应随之施加约 束，同时修改尺寸至设计值，这种建几条曲关线然后施加约束的过程，可减少过约 束、约束矛盾等错误； 施加约束的一般次序：先定位主要曲线至外部几何体(fix；collinear)，再按设 计意图、施加大量几何约束，最后施加少量尺寸约束(表达设计关键尺寸)； 一般不用 trim 操作，而是用线串方法(curve string)或用 coincident、point on curve 等约束； 一般情况下圆角和斜角不在 sketch 里生成，而用 feature 来生成； 草图中参考线的运用和定位 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 16 (3)确定的设计部分，先造型，不确定的部分放在造型的后期。 在进行壳体侧面凸起设计时，由于其形状不规则且壳体圆柱基体尚未建立，无 法确定其相交面的尺寸和方式，于是先忽略此处，待圆柱基体特征完成后，侧面凸 起造型困难就迎刃而解；壳盖则相对较简单。 2.2.1.4 建模过程中的重要提示建模过程中的重要提示 (1)必须事先规划统一的层(layer)设置标准。 (2)如果在文件系统下进行设计，那么在建模过程中，最好时常存为不同的版本 以作备份，在完成建模之后，再删除老版本。 (3)每完成一个阶段的主要工作,都必须用 examine geometry 来检查几何数据的 正确性。 (4)用参数化建模，尽量不使用没有相关性的曲线。不要用 edit transform， 而要用 feature operation instance；不要用 curve operation extract edge curve，而要用 form feature extract curve。 (5)充分应用 ug 的复合造型技术提高你的设计效率。对于二维轮廓，在不能确 定约束条件或者不需要进行参数化时，可以直接使用参数化的曲线定义轮廓。在草 图设计时可以使用局部的约束功能。 (6)用实体建模，曲面可作为辅助体来修剪实体(trim body)。 模型建构的好坏直接关系产品的模具设计成败， 因此要特别小心谨慎。 一般而言， 首先对照壳体图纸，主要利用 ug 的草图功能进行缸盖主要轮廓的设计，在利用细 节特征进行其它的特征修补，能够参数设计的尽量参数设计，提高模型的可更改性 能。根据厂家提供的零件图纸，结合后续工艺，铸件图结构可做出适当的改变。如 壳体所在底面为铸件的加工面，考虑到以后浇注时，该面应会有内浇道，因此在该 面保留了圆柱面。对照铸件二维图纸建立起铸件三维模型后，得到厂家的最终确认。 由于实际生产因素或产品更新原因，用户所需的产品与图纸上略有出入，最终以用 户的要求为准。图 2-5、图 2-6 为最终确定的轨道钻机壳体和壳盖三维模型图。 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 17 图 2-5 壳体三维模型图 图 2-6 壳盖三维模型图 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 18 2.2.1.5 收缩率设置收缩率设置 铸件模型建立后，金属模型也随之确定。考虑到铸件成型过程中液态铝合金金属 zl201 或 zl401 的收缩，本设计取收缩率值为 1.0。 2.2.2 金属型的设计特点金属型的设计特点 2.2.2.1 金属型工艺应用范围金属型工艺应用范围 (1)合金种类：除某些热裂倾向大的合金不宜采用金属型铸造外，所有的常用铸 造合金都可以用金属型铸造，特别是铝、镁合金应用最广。 (2)铸件形状和大小：金属型铸造一般适用于铸造不太复杂的中小型零件。铸造 非铁合金可以铸造较复杂的零件，如发动机的气缸盖、液压泵壳体等。铝、镁合金 铸件重量一般从几十克到几十千克。 (3)尺寸精度和表面粗糙度：按 gb/t64141999铸件尺寸公差与机械加工余 量 ，尺寸精度一般为 ct7ct9 级，铝、镁合金铸件的尺寸精度为 ct6ct8；表 面粗糙度一般为 ra12.56.3m，最高可达 ra3.2m。 (4)生产规模：一般只有成批或大量生产时采用。如表 21 金属型铸件应有的批 量4445 表 21 金属型铸件应有的批量44 铸件类型 一般应具有的批量/件 小而不复杂 300400 中等复杂 3005000 复杂 500010000 注：对于年生产批量不大，但每年都需要生产的铸件，也可考虑应用金属型铸造。 由于武汉市汉博铁道实业公司对该产品的年产量要求一千件,而且产品形状较复 杂，给铸造成形带来一定的困难。查表 22 金属型铸造和砂型铸造铝合金单铸试样 力学性能比较,表 23 金属型铸件最小壁厚, 通过对该产品结构和技术要求的认真 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 19 分析,结合我们现有的技术设备条件,确定了采用金属型重力铸造成形。采用金属型重 力 铸 造 成 形 ， 在 金 属 型 模 具 的 设 计 制 造 过 程 中 应 用 了 计 算 机 辅 助 技 术 (cad/cam/cae)。 表 22 金属型铸造和砂型铸造铝合金单铸试样力学性能比较33 合金代码 zl101（t4） 项目 抗拉强度/mpa 断后伸长率 a5(%) 布氏硬度 hbs 砂型铸造 229 9.8 73 金属型铸造 235 15.3 73 表 23 金属型铸件最小壁厚33 铸件外廓尺寸/mm 铝合金铸件/mm 150150 5 金属型的设计是金属型铸造技术的关键环节。往往由于模具设计、浇注系统和 金属型温度场控制系统设计的不当，致使模具生产周期过长、生产成本过高，试制 阶段的修改工作过多甚至报废，严重影响了企业响应市场的能力。本章摆脱传统设 计方法，研究了运用三维造型软件 ug 进行设计。 2.2.2.2 铸件工艺性设计铸件工艺性设计 (1) 铸件工艺性设计原则 金属型的设计包括了铸件工艺设计及铸型设计。传统的设计方法先是以手工、 图纸来表达设计意图，后来又引入了二维的 cad 设计软件，本论文则采用了三维 cad 的设计方法，在三维 cad 软件 ug 环境下完成了铸件造型、工艺设计及铸型 设计。 铸件工艺性设计应在尽量满足产品结构要求的前提下，通过调整机械加工余量、 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 20 增大铸造斜度、增加工艺余量和工艺肋及工艺凸台等方法，使铸件结构更加合理， 从而获得优质铸件。 (2) 铸件工艺性设计参数的选择 1) 加工余量：与砂型铸造相比，金属型铸件的加工余量可以适当减小。按表 2 4 gb180079公差与配合.总论 标准公差与基本公偏差中查得铸件的最大公 差为 2.2mm,我们取铸件的一般加工余量为 2.5mm，同时按照浇冒口开设的加工面应 给予较大的加工余量19的原则和顶面（相对浇注位置而言）的加工余量等级应低于 侧面和底面的加工余量等级20 的原则，取顶部冒口的加工余量为 3.5mm。 表 24公差与配合.总论 标准公差与基本公偏差gb180079 铸件尺寸/mm ct6 ct7 ct8 ct9 63100 0.8 1.1 1.6 2.2 100250 1.0 1.4 2.0 2.8 250400 1.1 1.6 2.2 3.2 2) 铸造圆角：铸造圆角半径 r（mm）一般可以按式(2-1)计算 r=(+ 邻)/4(+邻)/6 (2-1) 式中、 邻铸件相邻壁的厚度（mm） 因为壳体平均肉厚分布为 611mm，所以 r 取值为 25mm。 3) 铸造斜度：铸件铸造斜度的大小，与铸件表面和金属型间的相对位置有关。 凡是在铸件冷却时与金属型表面有脱离倾向的面，应给予较小的铸造斜度；凡是在 铸件冷却时趋向与包紧金属型或芯的面，应给予较大的铸造斜度。例如铸件的凹进 部分以及孔的铸造斜度应较大，一般可取 27（对不加工面可取 23，加 工面可取 37） 。铝合金铸件的金属型铸造斜度，一般外表面为 0.5,内表面 为 0.5233。 2.2.2.3 铸件的确认铸件的确认 确定铸件的过程就是铸造与零件设计、机械加工等部门将铸件的基准面，加工余 量位置及数值、特殊位置的铸造斜度等铸造工艺因素及技术要求，以铸件加以反应， 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 21 并经多方会签确定的过程。 图 27 为轨道钻机壳体铸件模型; 图 28 为轨道钻机壳 盖铸件模型。 图 27 轨道钻机壳体铸件模型 华华 中中 科科 技技 大大 学学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 22 图 28 轨道钻机壳盖铸件模型 2.2.2.4 浇注系统设计浇注系统设计 (1) 浇注系统的设计原则 设计和计算金属型浇注系统时，可以参照砂型铸造的方法，但应考虑金属型铸造 冷却速度快、排气条件差、浇注位置受到限制等特点，其设计原则如下： 1）浇注系统尺寸的大小应保证液体金属在规定的时间内能良好地充填金属型。 2）金属液应平稳流