数字化无模铸造成型工艺设计

本科毕业设计（论文）摘 要本文对汽车发动机四缸缸体、缸盖、排气歧管、曲轴和连杆五个铸件进行了数字化无模铸造成型工艺设计。整个设计内容包括三维 CAD 模型的建立、铸造型腔的设计（铸造工艺设计） 、铸型的分块、子型块的加工及铸型的组装并浇注。针对不同铸件提出不同的浇冒口设计方案、不同的铸型分块方案、不同的子型块加工方式等，解决了汽车类铸件数字化无模铸造成型工艺中的若干问题。通过本次毕业设计，得出结论：数字化无模铸造成型工艺是一种全新的汽车复杂零部件的快速制造方法，不同于传统的砂型成型，将汽车零部件的砂型分块加工、组装，不需要模样，不仅制造速度快而且精度高，从而使得汽车复杂零部件制造变得数字化、精密化、柔性化、绿色化，为发动机缸体、缸盖等汽车零部件新产品的开发提供了新的解决方案。关键词：数字化；无模铸造 ；汽车铸件本科毕业设计（论文）AbstractIn this paper, five casting products including the four cylinder block, cylinder cap, exhaust manifold, crankshaft and connecting rod are processed with digital technology and patternless casting. All contents of this design includes establishing three-dimensional CAD model, designing casting sand molds, processing and assembling mold block and affiliated block and designing pouring. The different designing scheme of casting pouring, the different distributing scheme of block and the different processing pattern of affiliated block are proposed based on different casting products, which solve some of the problems of digital patternless casting. This graduation design can get some conclusion, which include that digital casting without molding is a new and rapid manufacturing method of complicated automotive parts, and the processing and assembling of sand mould of the automotive parts neednt mold which different from the traditional sand casting. It have lots of advantages which include manufacturing rapidly and high precision. This process will make the complicated parts become digital, precision, flexibility and greenization, and it provides solution for developing the cylinder block of engine, cylinder cap and other automotive parts.Keywords: Digital; no casting; automobile castings本科毕业设计（论文）目 录摘 要.2Abstract.3目 录.4第一章 引言.61.1 课题的背景及意义.61.2 数字化无模铸造成型工艺简介.71.3 课题研究对象及研究目的、意义.9第二章 各零件的铸造工艺设计.102.1 铸造工艺设计的内容.102.2 缸盖铸造工艺设计.112.2.1 浇注方式的选择及位置的确定.122.2.2 浇注系统结构尺寸设计.132.2.3 冒口的设计及位置的确定.142.3 缸体铸造工艺设计.142.3.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定.152.3.2 浇注系统结构尺寸设计.152.3.3 冒口的设计及位置的确定.162.4 曲轴铸造工艺设计.162.4.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定.162.4.2 浇注系统结构尺寸设计.172.4.3 冒口的设计及位置的确定.172.5 排气歧管铸造工艺设计.172.5.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定.182.5.2 浇注系统结构尺寸设计.182.5.3 冒口的设计及位置的确定.192.6 连杆铸造工艺设计.192.6.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定.202.6.2 浇注系统结构尺寸设计.20本科毕业设计（论文）2.6.3 冒口的设计及位置的确定.21第三章 铸型 CAD 模型的建立及分块 .22第四章 加工铸型子模块.254.1 子模块的加工原则.254.2 子模块加工.25第五章 铸型组装及浇注.27第六章 结论与展望.28致 谢.29参考文献.30本科毕业设计（论文）第一章 引言1.1 课题的背景及意义汽车是一个由机电液综合的复杂机械系统，构成汽车的零件有成千上万个。汽车上的的大部分功能性结构件都是铸件，这些零件大部分集中在汽车底盘上，由动力系、传动系、行驶系、转向系和制动系五部分组成。汽车动力系，包括发动机缸体、缸盖、排气歧管等；汽车传动系，包括离合器、变速器、自动变速器、万向传动装置、驱动桥等；汽车转向系，包括转向器、转向操纵机构、转向传动机构、动力转向装置等；汽车制动系，包括车轮制动器、驻车制动器、制动传动装置、防抱死制动系等；汽车行驶系，包括车架、车轮与轮胎、非独立悬架、独立悬架、平衡悬架、汽车电子控制悬架系统等。汽车底盘涉及的铸件很多，有砂铸件、压铸件.主要大件有桥壳、变速器壳体、离合器壳体、转向节、制动盘、轮毂、转向节等。这些零件主要是由传统铸造技术进行制造成形。随着汽车产量的迅猛增长，我国汽车企业越来越注重提高自主研发能力。动力总成系统中缸盖、缸体以及变速箱壳体等铸件是汽车自主研发的关键部件，目前国内以 6 缸发动机为代表大型汽车发动机缸体、缸盖的自主开发过程中复杂铸件主要是依靠国外机构进行快速铸造，已经严重制约了我国自主开发的速度。另一方面，随着技术进步，汽车发动机零部件日趋复杂化、大型化和轻量化，要求零部件的整体化、集成化制造，采用模具进行翻砂制模的传统工艺，模具越来越复杂，活块数量也急剧增加，这些都加大了新产品开发的难度和周期1 。为缩短产品开发周期，降低样机开发成本，同时打破国外技术垄断，满足汽车发动机关键零部件技术国产化的需求，开展汽车发动机零部件无模组装制造技术研究对于提高我国汽车行业的自主创新能力具有重要意义。随着数控计算机自动控制等数字化技术的快速发展，将数字化制造与铸造技术相结合，使铸造过程实现数字化是铸造技术的一场革命。本课题是就汽车类铸件的数字化无模成型工艺进行的一次探讨。本科毕业设计（论文）1.2 数字化无模铸造成型工艺简介从铸造过程来看，任何铸件生产都是把冶炼好的液态金属，注入预先准备好的铸型中，冷却后经落砂、清理和后处理等几个过程得到合格的铸件。在整个工艺流程中，铸型的制造最为繁杂、重要。传统的铸造生产由浇注系统设计、铸型制备、浇注等几个连续的工艺过程组成。在整个流程中，铸型（上、下砂型及砂芯）是获取金属铸件的最重要的一个环节，制造完成后合箱浇注，金属液冷却并最终成形，故铸型质量直接影响铸件的质量，其制造周期及成本也直接影响铸件的生产周期及成本；其尺寸精度、形状精度直接影响着铸件精度。传统铸型制造过程需模样（木模、金属模、塑料模等）翻模来获得，而模样制作在整个铸造中占有极大比重，其制造周期直接影响铸件生产时间。铸型制造传递了模样（木模、金属模、塑料模等）的形状信息，因此要制造高质量铸件一定要使模样具有可靠的形状信息。传统铸造工艺制造模样周期长、生产成本高、模样使用率低且造成资源浪费大，造型、造芯过程复杂且非常容易引起铸件缺陷，不能适应零部件日趋复杂化、轻量化、整体化、集成化制造的开发要求，而数字化无模铸造工艺将快速原型技术与传统铸造技术相结合，形成快速铸造成形技术，可以很好地解决传统的铸型制造在单件、小批量生产过程中存在工艺落后、制造周期长、开发成本高、铸件成品率低等缺陷问题2。数字化无模铸造精密成型技术，简称无模铸造技术，是计算机、自动控制、新材料、铸造等技术的集成和原始创新：由三维 CAD 模型直接驱动铸型制造，不需要模具缩短了铸造流程，实现了数字化铸造、快速制造（图 1-1） 。图 1-1 数字化无模铸造成型工艺流程本科毕业设计（论文）数字化快速铸造技术是装备行业快速铸件制造技术的发展方向。目前无模铸型的数字化快速制造主要包括离散堆积成形技术和去除加工成形技术。1、基于离散堆积原理的无模铸型制造技术 基于离散堆积原理的无模铸型制造技术近年来取得一定进展，通过以铸造用的陶瓷粉末或型砂为原料，在 CAD 模型驱动下通过快速成形机，可以直接制成铸造用的型壳。在 CAD 环境中，直接将零件模型转换为壳型，再配以浇冒口系统。型壳的厚度可取 5 10mm ，烧结或粘接过程中，非零件部分进行烧结或粘接，零件部分仍是粉末。造型完成后将粉末倒出，再经固化处理就获得铸造用的型壳。用此方法，省去传统精密铸造过程中蜡型、泡沫塑料模、木模的制作等多种工艺过程，是传统铸造过程的重大变革。一般一个壳型只能使用一次。目前典型的 CAD 直接铸型工艺主要有 PCM(Patternless Casting Modeling) 无模铸型制造工艺、SLS (Selective Laser Sintering) 选择性激光烧结工艺、3D-P(3-Dimensional Printing)工艺和德国 GS(Generis sand)工艺。2、基于去除加工原理的无模铸型制造技术 由于数控技术的快速发展，基于去除原理的快速加工制造技术在机械工业中得到快速应用。目前已经广泛应用于零件加工、模具制造中，然而工业发达国家目前将数控加工技术应用于制造铸型，是传统铸造工业的重大变革。在CAD 模型驱动下，直接采用数控机床加工砂型，获得浇注的铸型，不需要传统的铸造模样，不仅制造速度快，而且精度高。由于在封闭环境中加工，成形过程中的废弃物如粉尘、废气、废渣等可以得到回收。典型工艺 DMM(Direct Mould Milling) 工艺和德国 AcTech 公司无模铸型制造技术等 3。本设计对汽车类铸件进行无模铸造工艺设计中将涉及两种铸型制造方法，复合制造铸型。3、数字化无模铸型快速制造是一种全新的铸型的快速制造方法，其主要特点是4： (1) 数字化 在计算机模拟优化铸件基础上，采用数控编程控制数控机床对铸型材料进行切削，少有或者无需人为干预，且加工出来的铸型无需后处理，采用该方法可以实现铸型设计、加工和浇铸的一体化，而且加工出来的铸型能够和目前的铸造生产实现无缝连接。 (2) 精密化 本科毕业设计（论文）利用数控机床可以加工各种各样的空间曲面，以及各种细小结构特征的能力，可以在铸型材料上直接加工出复杂、精细的内部型腔结构，实现精密铸造。通过离散堆积成形，可以制造复杂曲面的铸件。 (3) 柔性化 由于该方法省去了传统铸型加工方法中模样的制作过程，使得铸型加工周期大大缩短，通常一周时间即可加工出所需的铸型，这就大大缩短了产品开发和上市时间，非常适用于一些单件、小批量铸件的生。 (4) 绿色化 该方法的整个加工过程是在封闭的环境中进行的，无废气或粉尘污染，解决了传统铸型加工车间废气、粉尘污染严重的问题，而且使用该方法切削产生的废料还可以二次利用，作为下批铸型的制造原料，节约了原料。1.3 课题研究对象及研究目的、意义本毕业课题主要针对汽车类铸件，特别是汽车发动机缸体、缸盖、排气管等 5 个零件进行数字化无模铸造成型工艺设计，系统的说明整个无模化复合成形技术在整个流程中的应用。无模铸造的总体工艺流程如下:零件及其浇注系统设计模型相关模块拆分加工砂型子模块（堆积法 or 切削法）无模数控机床加工砂型组装浇注金属件5。本课题是对数字化无模铸造技术在汽车类铸件制造生产应用的一次实践和研究，进行汽车类铸件的数字化无模成型工艺设计。通过本课题的实践与研究，获得快捷可行的成型工艺，实现汽车类铸件的快速成型。本科毕业设计（论文）第二章 各零件的铸造工艺设计2.1 铸造工艺设计的内容铸造工艺设计包括以下内容：说明铸件的材质、形状特点、铸件要求、拟采用的铸造方法，本文中铸件均采用数字化无模铸造工艺制造；结合三维 CAD 图，对比分析确定浇注位置的选择、选择分型面，本文中铸型首先是一个整体，然后分块形成砂型子模块分别加工，最后再组合成型腔就行浇注，可以略过分型面的选择；选择铸件收缩率、加工余量、最小铸出孔等主要工艺参数（本文主要研究数字化无模铸造工艺过程，对此项选择没有侧重） ；设计浇注系统，说明所设计浇注系统类型，浇注系统各单元的截面形状及尺寸，内浇道引入位置等；补缩排气系统设计，包括明暗冒口的设计和出气孔的设计，本文中略去了出气孔的设计；计算最小吃砂量，确定沙箱及铸件在沙箱中的位置。对于数字化无模铸造来说，铸型设计是铸造工艺设计的关键，而浇冒口系统设计是决定铸型形状、尺寸关键，因此各铸件的浇冒口设计是本次毕业设计的重中之重。确定浇注位置的一般原则如下6：（1）尽可能将铸件的主要工作表面、重要的加工表面放在铸型下部或侧面。这样上述表面产生气孔、夹砂等缺陷的可能性较少。（2）尽可能将铸件的薄壁部分置于铸型的下部，厚大部分置于铸型上部。这样，薄壁部分易于充满，而且也容易做到定向凝固。（3）尽可能使砂芯数量最少。（4）力求使砂芯定位准确、支撑可靠。（5）避免太高的吊砂台。（6）应尽量避免在铸件的非加工面上留下分型披缝。设计浇注系统的原则如下：本科毕业设计（论文）（1）使液态合金平稳充满铸型，不冲击型壁和型芯，不产生涡流和喷溅，不卷入气体，并利于将型腔内的空气和其他气体排出型外。（2）阻挡夹杂物进入型腔。（3）调节铸型及铸件各部分温差，控制铸件的凝固顺序。（4）不阻碍铸件的收缩，减少铸件的变形和开袭倾向。（5）起一定的补缩作用，主要是在由浇道凝固前补给部分液态收缩。（6）控制浇注时间和浇注速度，得到轮廓清晰、完整的铸件。（7）合金液流不应冲刷冷铁和芯撑。（8）浇注系统尽可能简单，占砂箱机积少，体积小，有利于减少冒口体积，这样可节约合金液和型砂，提高砂箱利用率，方便造型、清理和浇注系统模样的制造。冒口位置的设置原则：（1）冒口应充在铸件热节的上方（顶冒口）或热节的侧旁（边冒口） 。（2）冒口应尽量设在铸件的最高、最厚的部位。尽量用一个冒口补缩几个热节。（3）当铸件需要在不同高度上都设冒口，或部分设置冒口时，每个冒口，有特定的补缩区域，必要时采用冷铁将各个冒口补缩区隔开。（4）冒口尽可能设在铸件的加工面上，而不设在非加工面上，以减少精整冒口根部的工作量和节约能耗。（5）冒口尽量不设在铸件应力集中的部位和阻碍铸件收缩部位，以免产生裂纹。（6）为加强冒口补缩效果，冒口设置应与内浇道、冷铁、补贴的设置以及加保温剂、点补金属液工艺操作结合起来考虑。（7）冒口设置应使切除冒口操作方便。根据以上铸造工艺设计的内容与原则，接下来对汽车发动机缸盖、缸体、排气歧管、曲轴和连杆五个铸件进行铸造工艺设计。2.2 缸盖铸造工艺设计汽车发动机汽缸盖是发动机中工作强度很大的零件之一，承受很高的热负荷和机械负荷，要求专门的制造技术和很高的精度。发动机汽缸盖结构复杂、壁厚不均匀的铸件，而且生产过程难度较高。目前常用的方法有：金属型重力本科毕业设计（论文）铸造、金属型低压铸造、砂型铸造、消失模铸造等7。汽缸盖的实体模型如图 2-1，汽缸盖的基本尺寸，长 590mm，宽 170mm,高143mm,材料为 HT250，密度为 7.4g/cm3,铸件质量 48.2kg,为 4 缸缸盖。缸盖零件结构非常复杂，不仅有许多复杂曲面，还有若干尺寸不同的孔洞，造型难度大。且该件是薄壁结构，壁厚不均匀，最薄处仅 5mm。该铸件铸造工艺方案制定如下：2.2.1 浇注方式的选择及位置的确定浇注系统按内浇道在铸件上的位置可以分为顶注式、测注式、底注式和阶梯注入式。由于底注式浇注金属液由下而上平稳充型，有利于行腔中气体的排出，故采用底注式的方式进行浇注。重力铸造是指在重力作用下，液体金属充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法。应用重力铸造工艺生产缸盖具有较好的技术优势，它具有表而质量好，尺寸精度高的特点，而工艺灵活性又有利于解决像气缸盖这类复杂铸件的实际生产问题，尤其是从协调浇注系统与铸件补缩这两个难题方面所出现的多种优化方案充分体现了它高度的灵活性。浇注位置选在缸盖重要平面一侧的底部。图 2-2.1 四缸缸盖实体模型本科毕业设计（论文）2.2.2 浇注系统结构尺寸设计浇注系统各组元尺寸、比例的正确设计是气缸体铸件质量的有利保障。首先需要得到浇注系统的最小断面积即阻流截面面积，再结合铸件的结构特点，确定浇道截面面积比，最后确定各单元的尺寸和结构，图 2-2 为浇注系统效果图。根据铸件质量 G=48.3kg,铸件材质为 HT250，查铸造工艺设计手册可得直浇道总截面积为 As=240mm。查阅资料和相关计算取8:As:Aru:Ag=1:2:3 (2*1)其中 As 为直浇道直径；Aru 为横浇道直径；Ag 为内浇道直径。最小断面积取 As，可以求得横浇道和内浇道的截面积分别为 480mm2 和 720mm2。四个内浇道每个截面积为 Ag=180 mm。直浇道截面设计为圆形，长图 2-2.2 浇注系统及冒口设计本科毕业设计（论文）度为 200mm；横浇道截面设计为矩形，内浇道截面为彼扁等腰梯形，内浇道截面尺寸分别如图 2-3 所示。2.2.3 冒口的设计及位置的确定在铸件壁上端加冒口，冒口设计在铸件顶部，采用搭边的方式连接。冒口的形状为圆柱形。冒口的高度由经验公式 H=1.5D。来确定。冒口的结构如图2-4 所示，高 60mm，上端截面圆半径 45mm。加入冒口后，铸件收缩缺陷能得到预防。2.3 缸体铸造工艺设计发动机是汽车的心脏，缸体是发动机的主要组成部分。本文所研究的缸体是由四个汽缸和支承曲轴的曲轴箱所组成。缸体的工作条件通常是高温高压和活塞往复运动造成的巨大摩擦力，因此缸体必须能耐磨损、耐高温、耐腐蚀。该缸体的外形轮廓尺寸为 610mm304mm400mm，重量为 129kg，材图 2-3.1 四缸缸体实体模型本科毕业设计（论文）质为 HT250。从图 3-1 中可以看出，缸体是非常典型的薄壁复杂件。外部有很多凸台、加强筋以及大面积曲面；内部有冷却水道、储油腔等复杂孔洞和空腔结构；整体壁厚差距大，最小壁厚仅为 10mm，最大壁厚可达 70mm。这样的结构特点可以说是目前铸造生产中最为复杂的铸件类型之一，国内生产缸体主要是采用砂型铸造的方法。2.3.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定缸体结构复杂，薄壁部分较多，铸件比较高大，国内普遍应用底注式浇注系统。底注式是汽缸体浇注系统的传统方式，如第一汽车制造厂生产的CA6102 及 CA6110 汽缸体均采用此种形式的浇注法9。进浇位置通常选在下油底法兰上，如图 3-2 所示。2.3.2 浇注系统结构尺寸设计根据铸件质量 G=129kg,铸件材质为 HT250,查铸造工艺设计手册可得内浇道总截面积为Ag=760mm，四个内浇道，每个截面积分别为 Ag=190mm。图 2-3.2 四缸缸体浇注系统本科毕业设计（论文）查阅铸造工艺手册取:As:Aru:Ag=1.2:2:1 （2*2）最小断面积取 Ag ，可以求得横浇道和直浇道的截面积分别为Aru=1520mm2 和 As=912mm2。直浇道截面设计为圆形，长度为 200mm；横浇道截面设计为等腰梯形，内浇道截面为彼扁等腰梯形，内浇道截面尺寸分别如图 3-3 所示。2.3.3 冒口的设计及位置的确定冒口设计考虑得是远端的补缩，位置放在缸体离进浇位置最远的顶部，也采用圆柱形搭边冒口，具体形式与上述缸盖冒口相同。2.4 曲轴铸造工艺设计曲轴是发动机的重要零件,也是典型的轿车轴类铸件。曲轴的主要功用为：1.将作用在活塞顶上的燃气压力转变为曲轴转矩输出给汽车传动系；2.驱动配气机构及其它附属装置。它既要求高的强度、韧性,又要求好的耐疲劳性和耐磨性,还要有高的尺寸精度以保证动平衡要求和少的加工余量。本文研究的曲轴材料为 QT700-2，重量 47.6kg。从图 4-1 可以看出，曲轴几何尺寸610mm230mm208mm，整个结构呈拐型，主要壁厚为 24mm,前端轴直径85mm,如图 4-1 所示。2.4.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定采用一箱两件立浇底注式，进浇位置选在前端轴断面上，后端轴断面上设置球形暗冒口。底注式既有利于金属液面的平稳上升，有利于行腔中气体的排出，又能与大冒口配合，实现自下而上的顺序凝固，减少缩孔缩松缺项。图 2-4.1 曲轴实体模型本科毕业设计（论文）本科毕业设计（论文）2.4.2 浇注系统结构尺寸设计根据铸件质量 G=47.6x2 95kg,铸件材质为 QT400,查铸造工艺设计手册可得内浇道总截面积为Ag=960mm，两个内浇道，每个截面积分别为Ag=480mm。查阅铸造工艺手册取得横浇道和直浇道的截面积分别为Aru=1140mm2 和 As=1330mm2。直浇道截面设计为圆形，长度为 900mm；横浇道截面设计为等腰梯形，内浇道截面为彼扁等腰梯形，内浇道截面尺寸分别如图 4-3 所示。2.4.3 冒口的设计及位置的确定由于铸件高大呈纵向分布，后端面在进浇位置的远端，需在远端设置大冒口进行补缩和调节铸造温度分布，冒口的形式为球形冒口，具体尺寸从手册查得，截面情况见图 4-4。2.5 排气歧管铸造工艺设计排气歧管，是与发动机气缸体相连的，将各缸的排气集中起来导入排气总图 2-4.2 曲轴浇冒口系统设计本科毕业设计（论文）管的，带有分歧的管路。本文研究的排气歧管如图 5-1 所示，包括一个主管和四个支管，管的截面都为方形，管口带法兰，法兰上钻有装配孔。大管截面尺寸为 60mm x 54mm,小管尺寸 36mm x 36mm。排气歧管铸件是典型薄壁结构，且壁厚不均匀。材料为球墨铸铁，质量 8.5kg。2.5.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定排气歧管的进浇位置在实际生产中一般选在主管上，有利于金属液的进入各个支管型腔，如图 5-2 所示。本文采用底注式，金属液进入型腔平稳，有利于薄壁件充型，减少缩孔卷气缺陷。2.5.2 浇注系统结构尺寸设计根据铸件质量 G=8.5kg,铸件材质为 QT400,查铸造工艺设计手册As:Aru:Ag=1.2:2:1 （2*3）图 2-5.1 曲轴实体模型本科毕业设计（论文）可得内浇道总截面积为Ag=300mm，两个内浇道，每个截面积分别为Ag=150mm。根据大孔出流理论得横浇道和直浇道的截面积分别为Aru=360mm2 和 As=420mm2。直浇道截面设计为圆形，长度为 200mm；横浇道截面设计为等腰梯形，内浇道截面为彼扁等腰梯形，内浇道截面尺寸分别如图 5-3 所示。2.5.3 冒口的设计及位置的确定利用石墨化膨胀产生的自补缩作用达到少、无冒口的目的，减少了缩松和缩孔缺陷，该铸件结构不是很复杂，所以不设置冒口。2.6 连杆铸造工艺设计连杆机构是两端分别与主动和从动构件铰接以传递运动和力的杆件。本文中连杆如图 6-1 所示，大头为叉形带厚壁法兰，叉部最大跨度 140mm,主轴为工字轴，小头为圆孔型，圆周直径为 60mm。材质为球铁，重 2.37kg。图 2-5.2 排气管浇注系统设计本科毕业设计（论文）2.6.1 浇注方式的选择和浇注位置的确定采用顶注式，立浇，进浇位置选为小头顶部圆弧端面，如图 6-2 所示。2.6.2 浇注系统结构尺寸设计根据铸件质量 G=2.37kg,铸件材质为 QT,查铸造工艺设计手册可得内浇道总截面积为 Ag=192mm，直浇道的截面积为 As=300mm2。直浇道截面设计为圆形，长度为 80mm；内浇道截面为彼扁等腰梯形，内浇道截面尺寸分别如图 6-3所示。图 2-6.1 连杆实体模型本科毕业设计（论文）2.6.3 冒口的设计及位置的确定同样利用石墨化膨胀产生的自补缩作用达到少、无冒口的目的，减少了缩松和缩孔缺陷，该铸件结构简单，所以没有设置冒口。图 2-6.2 连杆浇注系统本科毕业设计（论文）第三章 铸型 CAD 模型的建立及分块首先根据各个铸件的重量及其结构形式，根据铸造工艺手册吃砂量方面的经验值，最终确定各个铸型的最小吃砂量。利用三维造型软件在带有浇注系统的零件外建立吃砂量最小的砂坯，并利用 UG6.0 布尔运算减掉铸件和浇注系统，获得铸型。然后根据铸型模型的复杂程度、尺寸方面数据判断模型的剖分，最终决定在上下盖板处建立剖分，将各铸件拆分为如下图所示的几个子模块。分块的原则是既能完整地组合成原来的铸型，保证装配精度，又便于砂型的加工，分成的子型块数目越少越好。模型拆分完成后涉及到装配结构的形式，由于模型剖分后，必须保证最终铸型的装配精度，可以适当采用凸台、圆孔、凹槽等装配定位结构定位，本文中大多采用的是凸台结构。总之模型的分割充分考虑发动机缸体铸型/砂芯加工、组装要求和铸造涂料喷涂、合型浇注的铸造要求。具体的铸型分块情况如下：缸盖铸型从上下左右总共拆成了 5 个大子块，其中紫色的型芯上复杂曲面，如图 3-1。缸体铸型从上下左右前后共拆成 7 个子模块，其中左右两块（紫色和棕色）型芯结构比较复杂，如图 3-2。曲轴和连杆铸型类似，分为上下两个子模块，且它们表面结构比较简单，如图 3-3 和 3-4。排气歧管铸型分为两块型芯和两块型腔，两块型腔的结构比较简单，形成管道的型芯曲面结构比较复杂，如图 3-5。本科毕业设计（论文）图 3-1 四缸缸盖铸型分块图图 3-2 四缸缸体铸型分块图本科毕业设计（论文）图 3-3 连杆铸型分块图 图 3-4 缸盖铸型分块图图 3-5 排气歧管铸型分块图本科毕业设计（论文）第四章 加工铸型子模块4.1 子模块的加工原则模型剖分完成后，下一步就是模块的加工，复合成形加工工艺中涉及到两种加工方法，因此要对加工方式进行选择。在前期的模型剖分过程中已经将模块的加工方式作为一个因素考虑到拆分原则中，即将模型剖分的复杂程度判断作为一个加工方式的判断，故模型的复合加工方式大致将模块分为以下两类：复杂结构薄壁件且尺寸范围小的模块，可优先选用激光烧结加工方式。结构内含通道少且尺寸范围大的模块，可优选无模数控切削加工方式。根据以上原则，本文涉及的五个铸件的子型块中，缸体和缸盖的砂芯、排气歧管的砂芯等几个子型块结构复杂，存在翻转曲面等难于数控切削加工的表面，故此类子型块适合选用激光烧结加工方式加工。其余大块、厚体的铸型子型块选用无模数控切削的方式加工。4.2 子模块加工在铸型数控加工时，将外模的 CAD 模型依次导入到 CAM 软件中分别编写加工代码，也可以将外模的 CAD 模型同时导入，按一定的顺序排好，这样就可以在一个较大的砂型毛坯上同时加工出多个外模。编程中，粗加工采用 3mm 的切深，选择跟随部件的方式生成加工代码，并采用层优先的加工策略；精加工阶段采用带曲面清理的等高轮廓器方式，提高表面尺寸精度。生成的加工代码进行加工过程仿真，确保无过切后才可以用于实际加工。外模加工过程中，对原砂的颗粒尺寸有一定要求，颗粒尺寸过小，不易混合均匀，且铸型透气性差；但又不能太粗，否则切削过程中容易引起大的砂粒剥离，影响加工铸型表面的质量。所以铸型数控切削的原砂粒度级别选择为 70/140 目。将打好的砂坯固定在工作台上，采用平面铣刀将加工砂坯的表面铣平，达到指定高度。然后采用 8mm 的立铣刀进行粗加工，采用 6mm 的球头刀进行精加工，主轴转速为 6000rpm，切削速度为 100150mm/s。发动机缸体缸盖砂芯、排气歧管砂芯等为薄壁复杂结构，所以采用激光烧本科毕业设计（论文）结快速成形来制造，采用宝珠覆膜砂做为烧结材料，其原砂粒度为 50/100 目，加热温度为 230，激光采用 100W 射频 CO2 激光。在激光选区烧结砂型工艺中，对零件表面采用精细、慢速、低激光功率扫描，保证零件的精度和表面光洁度，内部采用大间距、快速、高激光功率扫描，起到补充强度的作用。通过将影响零件精度的轮廓表面和影响零件强度的本体分别加工，在保证成形精度的前提下提高了加工速度。本科毕业设计（论文）第五章 铸型组装及浇注加工完毕后，将采用铸型加工的外模与激光选区烧结制造的砂芯进行组装，组装之前应该在铸件成型表面涂刷好适当的涂料。由于铸型加工精度高，所以模型不需要繁琐的手工打磨，且分块过程考虑了装配定位的问题，能很好的就实现了整体配合浇注。浇注过程与传统铸造工艺相同。预计本文中涉及的几种汽车类铸件自建立三维 CAD 数据到加工铸型组装完毕准备浇注，每件仅用时一周左右，真正实现了汽车类铸件数字无模的快速制造。由于条件有限，本次毕业设计没有涉及实际铸件的生产及无模型腔的制作。本科毕业设计（论文）第六章 结论与展望本次毕业设计主要涉及了汽车发动机缸体、缸盖、排气歧管、曲轴和连杆五个汽车类铸件的数字化无模铸造工艺，通过整个设计学习的过程，深度了解了数字化无模铸造工艺设计的方法和流程。主要结合目前现有快速铸型技术-即无模数控成形技术的去除材料的加工工艺和激光烧结铸型的离散堆积成形的加工工艺的优点，进行了无模复合成形工艺，学习并掌握了快速、高效、高精度要求的铸型制造方法。本文主要从铸型的设计、铸型的剖分、子型块加工方式的选择、铸型的组装等几个方面进行了探讨，得到主要结论如下：汽车零部件数字化无模铸造成型工艺是数值模拟、CAD、铸造、数控切削等技术的系统集成，是一种全新的汽车复杂零部件的快速制造方法，不同于传统的砂型成型，将汽车零部件的砂型分块加工、组装，不需要模样，不仅制造速度快而且精度高，从而使得汽车复杂零部件制造变得数字化、精密化、柔性化、绿色化，为发动机缸体、缸盖等新产品的开发提供了新的解决方案。本科毕业设计（论文）致 谢经过三个多月的努力，毕业设计已经接近尾声，四年的大学生活亦将结束。这次毕业设计是对自己大学期间学习成效的一次综合检测。本论文的顺利完成，离不开老师和同学们的帮助，尤其是向青春老师对我的指导。向青春老师严谨的工作作风，渊博的学识，丰富的实践经验令我钦佩不已。此间我多次遇到一些棘手问题，大多数也都是在向青春老师的悉心指导下才得以解决的。在此向向青春老师和所有其他所有关心指导过我的老师及同学表示衷心的感谢！本科毕业设计（论文）参考文献1刘丰,单忠德,冯涛,陈文刚. 汽车发动机零部件无模组装制造技术研究A. 中国机械工程学会铸造分会.2010 年中国铸造活动周论文集C.中国机械工程学会铸造分会:, 2010:4.2顾兆现. 铸件快速复合成形制造工艺研究D.机械科学研究总院,2012.3单忠德,李新亚,战丽,董晓丽. 无模铸型的数字化快速铸造技术新进展A. 中国机械工程学会、湖南省人民政府.2007 年中国机械工程学会年会论文集C.中国机械工程学会、湖南省人民政府:, 2007:5.4本报记者 滕继濮. 数字化无模铸造：引领铸造技术革命N. 科技日报,2012-03-02(005).5顾兆现,单忠德,刘丰,徐先宜. 叶轮件无模铸造技术应用研究A. 中国机械制造工艺协会.2011 年“天山重工杯”全国机电企业工艺年会暨第五届机械工业节能减排工艺技术研讨会论文集C.中国机械制造工艺协会:,2011:3.6王文清，李魁盛.铸造工艺学M.机械工业出版社，2002.7赖华清，范宏诩，汽车铝缸盖铸造工艺方法材料J中国铸造装备与技术，2003，（5）：29-31.8中国机械工程学会铸造分会铸造手册（第 6 卷）特种铸造北京：机械工业出版社，20049李魁盛.典型铸造工艺设计实例M.北京：机械工业出版社，200910 单忠德，战丽，董晓丽. 无模铸型的数字化快速铸造技术新进展. 2007 年中国机械工程学会，2007，11：89.11 颜永年,单忠德.快速成形与铸造技术.北京:机械工业出版社，2004.12 Zhongde Shan, Feng Liu, Li Zhan, et al. Research on Patternless Casting CNC Manufacturing Te