连杆并排式双件锻造工艺及模具设计（含全套CAD图纸）
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外 文 翻 译重 力 压 铸 工 艺 模 具 设 计 和 工 艺 优 化Gravity Die Casting Process Die Design and Process Optimization性 质 : 毕 业 设 计 毕 业 论 文 教 学 院 ：系 别 ：学 生 学 号 ：学 生 姓 名 ：专 业 班 级 ：指 导 教 师 ：职 称 ：起 止 日 期 ：吉 林 化 工 学 院Jilin Institute of Chemical Technology重 力 压 铸 工 艺 模 具 设 计 和 工 艺 优 化Dr.S.Shamasundar, V.Gopalakrishna, Manjunatha, BadrinathProSIM- AFTC, 326, III Stage IV Block, Basaveshwara Nagar,Bangalore 560079Dr. Janagan,Ennore Foundries Limited, Chennai摘 要 ： 用 传 统 方 法 ， 模 具 设 计 、 浇 注 和 冒 口 系 统 在 重 力 压 铸 或 永 久 型 铸 造 ，是 一 个 艰 难 的 耗 费 时 间 的 可 行 的 铸 造 过 程 。 传 统 的 试 验 和 错 误 模 具 设 计 基 础 和 过程 开 发 是 很 昂 贵 和 费 时 。 这 样 一 个 过 程 也 可 能 导 致 更 高 的 废 料 和 较 低 的 铸 造 产 量 。任 何 更 改 和 修 改 合 并 到 冲 模 设 计 ,包 括 金 属 切 削 和 重 塑 将 会 促 进 更 好 的 发 展 。 在 一个 较 短 的 时 间 内 ， 以 过 程 开 发 和 模 具 设 计 为 基 础 的 计 算 机 仿 真 程 序 的 开 发 被 用 于模 具 的 快 速 发 展 。 这 样 一 个 基 于 经 常 使 用 先 进 的 有 限 元 分 析 软 件 系 统 计 算 机 模 拟程 序 ， 可 以 提 高 质 量 和 企 业 的 生 产 力 用 于 新 产 品 快 速 发 展 。 基 于 仿 真 软 件 系 统 的有 限 元 法 ， 可 以 帮 助 设 计 师 “看 到 ”在 模 具 型 腔 内 的 金 属 流 动 ， 温 度 变 化 , 凝 固 进步 和 缩 孔 ,冷 隔 ,过 烧 等 缺 陷 的 演 化 。程 序 设 计 者 应 用 有 限 元 模 拟 设 计 和 开 发 各 种 铝 合 金 重 力 压 铸 工 艺 。 组 件 包 括一 个 的 齿 轮 和 歧 管 。 在 此 过 程 中 通 过 有 限 元 模 拟 研 究 的 不 同 的 选 择 的 选 通 设 计 ，对 凝 固 的 合 成 模 式 进 行 了 讨 论 。ProCAST 是 一 种 基 于 有 限 元 模 拟 的 虚 拟 铸 件 的 铸 造 工 艺 分 析 的 环 境 ， 被 作为 一 种 工 具 用 于 模 具 设 计 和 工 艺 优 化 。1. 引言重 力 铸 造 或 永 久 模 铸 造 正 如 其 名 称 所 暗 示 的 是 一 个 过 程 ， 没 有 任 何 外 部 压 力下 ， 将 所 述 液 体 金 属 浇 入 金 属 模 具 。 金 属 液 体 通 过 重 力 进 入 模 腔 。 重 力 铸 造（ GDC） 是 不 同 于 高 压 压 铸 （ HPDC） 这 种 在 高 压 下 ， 将 液 体 金 属 被 注 入 到 金 属模 具 ， 用 于 生 产 具 有 更 好 的 尺 寸 精 度 和 表 面 光 洁 度 薄 壁 小 铸 件 。在 重 力 铸 造 的 模 具 设 计 中 ， “芯 ”的 使 用 是 一 个 重 要 的 问 题 。 额 外 的 模 具 部件 的 帮 助 下 ， 用 于 底 切 部 和 空 心 形 状 的 制 造 ， 称 为 “芯 ”。 对 于 没 有 任 何 的 切 割金 属 芯 的 简 单 形 状 将 被 使 用 ， 而 对 底 切 部 和 复 杂 的 空 心 形 状 ， 沙 子 或 石 膏 的 “芯 ”的 采 用 ， 这 是 很 难 收 缩 的 。 重 力 压 铸 工 艺 适 合 大 批 量 生 产 非 有 色 合 金 铸 件 ， 铝 ， 镁 ，铜 ， 锌 基 合 金 和 铸 铁 铸 件 等 一 定 大 小 的 范 围 内 。 铸 件 可 根 据 生 产 数 目 来 选 着 手 动 操作 或 通 过 自 动 设 备 或 通 过 压 铸 机 。 所 使 用 的 模 具 材 料 为 灰 铸 铁 和 钢 。典 型 的 经 济 生 产 量 是 约 75,000-1,00,000 每 件 模 具 。 在 此 之 后 ， 模 具 磨 损 导致 组 件 的 完 整 性 丢 失 。 经 济 每 模 铸 件 的 生 产 量 将 大 约 75,000 件 。重 力 铸 造 的 过 程 有 几 个 优 势 。 这 种 方 式 ， 是 适 合 于 大 规 模 生 产 具 有 更 好 的 相同 铸 件 ;比 传 统 的 砂 型 铸 件 的 尺 寸 精 度 和 表 面 光 洁 度 。 最 小 浇 铸 壁 厚 为 3.0 毫 米 。在 特 殊 情 况 下 ， 2 毫 米 壁 厚 浇 铸 在 小 区 域 上 。范 围 从 几 克 到 100 公 斤 的 铝 合 金 铸 件 可 以 浇 铸 。 有 报 道 说 ， 一 些 代 工 厂 生 产缸 体 约 300 公 斤 的 重 力 铸 造 。 由 于 组 件 的 尺 寸 和 复 杂 性 的 增 加 ， 这 种 浇 铸 方 式 变得 更 加 昂 贵 ， 不 经 济 。 这 也 将 导 致 在 处 理 的 模 具 ， 并 在 提 取 铸 件 从 模 具 中 与 减 少铸 件 的 尺 寸 精 度 和 完 整 的 困 难 。由 于 更 快 的 速 度 凝 固 赋 予 更 好 的 晶 粒 度 ， 重 力 铸 造 的 力 学 性 能 比 砂 型 铸 造 的力 学 性 能 好 20 以 上 。 这 个 过 程 可 以 实 现 自 动 化 ， 还 可 以 生 产 半 重 力 压 铸 件 ， 产品 内 部 细 节 采 用 沙 子 或 石 膏 的 。该 工 艺 具 有 一 定 的 缺 点 。 几 何 形 状 /尺 寸 的 限 制 是 一 个 主 要 的 缺 点 ， 因 为 它 很难 铸 造 大 尺 寸 的 高 度 复 杂 的 形 状 。 超 出 特 定 的 形 状 和 尺 寸 的 工 艺 将 变 得 不 合 算 。这 是 很 难 附 浇 口 和 冒 口 再 所 需 要 的 位 置 上 。 铸 件 产 量 与 其 他 压 铸 工 艺 低 的 多 。这 个 过 程 是 不 适 合 的 钢 和 超 合 金 ， 因 为 它 们 的 高 的 浇 注 温 度 。 即 使 是 有 色 金属 ， 它 是 很 难 铸 造 成 具 有 热 裂 倾 向 的 类 似 铝 - 铜 合 金 的 合 金 。 在 急 剧 冷 却 时 ， 这些 凝 固 范 围 大 的 合 金 往 往 具 有 破 裂 的 趋 势 。在 重 力 铸 造 ， 模 具 成 本 高 于 砂 铸 件 ， 较 小 的 生 产 量 是 不 经 济 的 。 工 具 修 改 一定 是 昂 贵 的 。不 同 的 铸 造 工 艺 的 比 较沙 模 铸 造 沙 模 铸 造 法 重 力 压 铸 法 加 压 模 铸 法1 公 差 0.75 mm 0.75 mm 0.1 mm2 表 面 粗 超 度 1224 m 412 m 12 m3 最 大 重 量 无 限 制 30kg 10kg4 最 大 尺 寸 无 限 制 800*500 mm 500*500 mm5 最 小 壁 厚 3.5 mm 3.0 mm 1.0 mm6 产 量 100 2000 1000007 最 小 空 心 空 尺 寸 10mm 6mm 2mm8 加 工 余 量 2.5mm 1.5mm 0.5mm9 力 学 性 能 1 1.25 1*经 济 订 购 量 :经 济 订 货 批 量2. 流程步骤图 1 流 模 式 的 计 算 机 仿 真3. 模具设计的传统方法该 模 具 有 被 设 计 成 使 得 模 具 的 热 量 是 下 一 铸 造 倾 之 前 被 消 散 。 模 具 也 应 该 有足 够 的 质 量 充 当 吸 热 部 件 ， 以 避 免 热 损 失 在 铸 件 之 间 的 时 间 间 隔 要 求 的 范 围 内 。每 个 周 期 （ 依 次 由 冲 模 消 散 ） 的 热 量 输 入 的 公 式 可 以 计 算 出 的 有 效 的 冷 却 所 需 的模 具 的 厚 度 。 在 传 统 的 设 计 中 ， 每 个 周 期 的 铸 造 的 热 量 输 入 由 下 式 给 出 ：Q = M.HC (TP -TE)+ M.HL 其 中 ，Q =热 输 入 /周 期 。 （ Cals.C）M =重 量 的 液 体 金 属 浇 （ GMS）HC =比 热 的 合 金 。 （ CALS/克 C）TP =浇 注 温 度 。 （ C）TE =喷 射 温 度 。 （ C）HL =的 熔 化 潜 热 。 （ CALS/克 。 C）传 统 的 公 式 的 主 要 缺 点 之 一 是 ， 它 并 没 有 考 虑 到 实 际 情 况 变 化 。 例 如 铸 件 的 温 度在 不 同 的 点 ， 在 不 同 的 区 域 将 会 不 同 ， 在 这 里 所 使 用 的 公 式 将 不 同 。 当 在 重 力 压铸 的 精 度 ， 质 量 和 提 高 生 产 力 都 是 重 要 的 问 题 时 ， 这 种 假 设 变 得 非 常 关 键 。 模 具中 的 冷 却 速 率 可 以 控 制 ， 通 过 合 理 的 改 变 周 期 时 间 ， 或 通 过 采 用 外 部 冷 却 的 空 气或 水 的 频 道 等 等 。3.1 按常规方法的浇口和冒口设计铸 件 的 研 制 成 功 的 一 个 主 要 因 素 是 模 具 的 浇 口 和 冒 口 设 计 的 设 计 。 一 个 设 计良 好 的 浇 注 系 统 ， 应 避 免 在 金 属 流 动 的 动 荡 和 减 少 夹 杂 物 和 滞 留 在 铸 造 的 空 气 。需 要 充 足 的 供 料 器 ， 与 避 免 凝 固 相 关 缺 陷 ， 如 收 缩 ， 微 孔 隙 度 ， 热 裂 等 。 最 经 典的 方 法 是 通 过 计 算 设 计 的 各 个 铸 件 局 部 （ 模 数 法 ） 的 体 积 和 表 面 积 。 体 积 表 示 存储 的 热 量 的 能 力 ， 表 面 面 积 表 示 通 过 对 流 把 热 量 传 递 到 周 围 的 能 力 。 更 高 的 模 量意 味 着 ， 更 多 的 容 量 来 存 储 热 (体 积 )相 对 于 通 过 对 流 的 热 损 失 （ 表 面 积 ） 。 出 于 这个 原 因 ， 在 冒 口 的 模 量 应 高 于 铸 件 。 对 于 有 色 金 属 的 冒 口 模 量 通 常 是 在 1.3 至 1.4倍 的 范 围 内 相 比 于 在 铸 件 的 模 量 。在 传 统 冒 口 设 计 方 法 中 ， 在 铸 件 分 成 热 区 区 域 的 数 量 依 据 铸 件 从 2D 剖 面 图 上确 定 的 热 点 。 连 接 这 些 区 域 的 个 别 冒 口 具 有 较 高 的 模 量 。 这 样 的 过 程 是 非 常 依 赖于 设 计 工 程 师 的 经 验 和 技 巧 。 此 外 ， 识 别 形 状 复 杂 的 部 件 热 点 并 不 总 是 直 截 了 当的 。 这 涉 及 到 严 格 的 计 算 和 铸 造 证 明 试 验 来 确 定 是 否 充 足 。 此 外 ， 这 是 仅 基 于 几何 形 状 ， 不 考 虑 热 效 应 的 模 具 介 质 和 热 饱 和 的 核 心 。 在 一 个 重 力 压 铸 过 程 中 ， 任何 更 改 涉 及 金 属 切 削 和 重 塑 的 金 属 模 具 的 时 候 ， 这 个 过 程 将 变 得 更 加 复 杂 的 ， 昂贵 和 费 时 。3.2 基于计算机模拟的模具设计和浇口设计在 铸 造 过 程 中 ， 计 算 机 模 拟 能 克 服 传 统 的 计 算 涉 及 的 局 限 性 和 不 确 定 性 。 这种 技 术 被 广 泛 采 纳 世 界 各 地 的 大 量 的 铸 造 厂 。 通 过 在 计 算 机 上 做 所 有 的 物 理 过 程 ，包 括 的 熔 融 金 属 的 流 动 ， 传 热 ， 凝 固 和 收 缩 这 样 做 的 铸 造 模 拟 ， 并 且 形 成 对 应 力进 行 了 分 析 。 此 外 ， 在 完 整 的 三 维 视 图 组 件 ， 从 一 开 始 铸 造 直 到 脱 模 完 整 的 信 息 ，都 是 有 价 值 的 。 设 计 师 可 以 选 择 部 分 的 兴 趣 和 看 更 详 细 的 结 果 。 图 1 给 出 了 一 个 典 型 的 基 于 计 算 机 仿 真 的 设 计 流 程 。CAD 组 件 。CAD 的 铸 造 部 件 。可 铸 性 检 查 。铸 造 工 艺 选 择 。预 测 热 点 的 热 分 析 。CAD 模 具 和 浇 注 。网 格 化 的 流 固 耦 合 热 分 析 。分 析 过 程 中 的 缺 陷 ， 产 生 等 。修 改 门 控 ， 及 模 具 设 计 。重 新 运 行 模 型 和 分 析 缺 陷 的 过 程 。完 成 模 具 设 计 和 冒 口 设 计 循 环 设 计 ， 仿 真 和 分 析 。生 产 的 模 具 和 车 间 试 验 。发 送 铸 件 的 检 测 和 批 准 。这 样 的 程 序 的 设 计 和 浇 口 设 计 能 显 著 的 降 低 产 品 开 发 周 期 ， 降 低 开 发 成 本 。通 过 使 用 计 算 机 仿 真 一 个 虚 拟 的 铸 造 车 间 。下 面 可 以 实 现 ：优 化 模 具 设 计 。优 化 门 控 和 浇 铸 冒 口 的 系 统 。预 测 的 缺 陷 ， 如 收 缩 ， 孔 隙 度 ， 热 裂 ， 冷 隔 ， 气 体 残 留 等 ， 对 于 一 个 给 定 的 门控 设 计 。为 了 提 高 产 量 和 减 少 废 料 通 过 了 解 给 定 的 控 制 设 计 和 重 新 设 计 的 控 制 设 计 。流 程 再 造 工 程 。由 于 脱 模 和 部 件 失 效 估 计 应 力 。估 价 显 微 的 组 成 结 构 部 件 。由 于 用 研 发 工 具 进 行 实 验 用 不 同 的 选 项 ， 不 同 实 际 铸 造 试 验 。4. 案例研究基 于 计 算 机 仿 真 的 设 计 上 述 程 序 有 已 经 实 施 。 两 个 案 例 研 究1） 齿 轮 箱 外 壳2） 组 件在 这 篇 文 章 中 ， 描 述 中 所 涉 及 的 步 骤 程 序 。 读 者 想 象 模 拟 程 序 的 好 处 在 快 速 生 产 铸件 中 。4.1. 案例 1：齿轮箱 - 铝合金重力压铸有 限 元 分 析 开 始 没 有 附 着 任 何 馈 送 系 统 （ 热 分 析 ） 或 作 为 铸 造 模 型 铸 件 的 三维 模 型 。 该 模 型 离 散 成 小 分 子 和 四 面 体 /楔 性 /六 角 网 产 生 。 这 些 模 型 上 进 行 热 分 析 。图 2 示 出 的 三 维 CAD 铸 件 的 模 型 。 图 3 示 出 了 与 用 于 网 格 对 比 热 分 析 的 铸 造 的CAD 模 型 。 图 4 示 出 了 热 分 析 示 出 的 最 后 的 区 域 固 化 （ 热 点 ） 。 在 分 析 中 的 热 点有 两 个 假 设 。 1） 在 模 拟 开 始 时 模 具 的 型 腔 完 全 被 熔 融 金 属 填 充 和 2） 模 具 型 腔 中的 熔 融 金 属 的 温 度 是 均 匀 的 （ 在 灌 装 过 程 中 没 有 热 损 失 ） 。 通 过 这 样 的 分 析 ， 选择 的 分 模 线 ， 模 具 设 计 ， 固 定 的 核 心 位 置 和 设 计 的 初 始 门 控 制 是 很 容 易 。4.1.1 最 初 的 门 控 制 设 计 的 分 析图 3 示 出 了 网 状 附 着 在 铸 件 的 浇 注 系 统 的 模 型 。 图 5 显 示 了 在 不 同 的 部 分 固体 视 图 。 部 分 固 体 等 于 1时 ， 100 的 发 生 凝 固 ， 0时 没 发 生 一 点 凝 固 。 如 果 部 分固 体 区 域 小 于 1， 这 是 由 完 全 固 化 （ 部 分 固 体 = 1） 区 域 包 围 ， 它 表 明 存 在 着 一 些问 题 。4.1.2 浇 口 设 计 的 问 题 检 测 通 过 PROCAST 模 拟ProCAST 模 拟 详 细 分 析 的 结 果 表 明 ， 有 许 多 供 给 凸 台 和 低 于 冒 口 的 区 域 如上 图 5， 在 模 腔 内 熔 体 流 动 必 须 要 光 滑 的 ， 不 会 导 致 温 度 急 剧 下 降 。 基 于 仿 真 结果 的 基 础 上 ， 进 行 了 适 当 的 改 动 在 浇 口 ， 模 具 厚 度 部 分 和 核 心 设 计 上 。4.1.3 修 改 控 制 和 模 具 设 计 （ 设 计 -2）基 于 仿 真 结 果 的 分 析 ， 进 行 了 以 下 更 改 的 模 具 设 计 和 浇 注 系 统a） 增 加 收 缩 率 可 预 测 的 冒 口 的 模 量b） 修 改 浇 口 ， 流 道 使 浇 口 填 充 更 均 匀 。c） 延 长 的 中 空 圆 筒 形 冒 口 到 朝 向 浇 道 的 凸 缘 区 域 。D） 模 具 截 面 厚 度 的 改 变 。修 改 后 的 浇 注 系 统 进 行 了 模 拟 计 算 。 图 6 示 出 了 与 设 计 方 案 2 的 冒 口 部 分 固 体 。详 细 的 分 析 表 明 ， 一 个 光 滑 的 熔 体 流 动 和 附 近 的 坚 实 铸 造 。 然 而 ， 该 地 区 下 面 的方 形 冒 口 显 示 ， 一 些 区 域 从 进 料 路 径 切 断 。 在 这 个 阶 段 铸 造 试 验 已 经 实 施 了 。 图 7示 出 中 有 缺 陷 的 组 件 的 照 片 以 及 仿 真 显 示 相 应 部 分 的 缺 陷 。4.1.4 设 计 -3为 了 克 服 上 述 缺 陷 ， 在 设 计 中 提 供 了 铜 片 冷 却 装 置 。 铜 的 冷 却 装 置 对 铸 件 质 量的 效 果 在 图 8 中 示 出 。 没 有 缺 陷 被 预 测 出 来 。 设 计 被 冻 结 在 试 验 阶 段 。 试 验 表 明 ，这 些 生 产 的 铸 件 质 量 很 好 。图 2 CAD 模 型 的 铸 造 。 图 3 四 面 体 网 格 生 成 的 组 件 图 4 应 用 ProCAST 软 件 热 分 析 ， A， B， C 铸 造 显 示 最 后 凝 固 区 不 同的 试 图 。图 5 部 分 固 体 区 域 切 断 进 料 路 径 。 （ 远 景 区 容 易 的 收 缩 ） 图 6 模 拟 的 照 片 显 示 所 做 的 更 改 ， 清 洁 除 了 在 冒 口 预 测 收 缩 率 区 域 （ 标 记为 一 个 圆 ） 的 进 料图 7 显 示 在 冒 口 实 际 收 缩 缺 陷图 8 仿 真 图 片 显 示 自 由 铸 造 缺 陷4.2 案例 2：铝合金支管组件 重力压铸图 9 显 示 了 网 流 量 分 析 铸 件 的 CAD 模 型 。 基 于 热 分 析 的 基 础 上 ， 在 案 例 1 中阐 明 ， 一 个 初 始 冒
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