箱盖铸造工艺设计及模拟-xiao

1、键入文字安徽工程大学毕业设计（论文） 箱盖的铸造工艺设计及模拟摘 要箱盖是用途一直很广泛的零件，所以箱盖的铸造工艺设计有很重要的现实意义。本文通过对箱盖的结构、材料、技术要求等的分析。在此基础上设计出符合该零件的砂型铸造工艺方案。确定零件机械加工余量、浇注位置、分型面，分模面和铸造收缩率等相关参数。 然后选择了合适的铸造工艺参数，设计铸件的的补缩系统，浇注系统。绘制出铸造工艺图。合理的设置冒口、冷铁，可以保证铸件的顺序凝固和金属液的有效补缩，获得结构完整，没有缺陷的铸件。铸造工艺的设计不是一次性就能设计成功的，想要得到最优化的设计结果，我们需要多次的修正。通过华铸CAE对箱盖灰铸铁件进行凝固过

2、程的数值模拟，揭示了产生缩松、缩孔的部位。从而优化铸造工艺。关键词 结构分析；铸造工艺；浇注系统；模拟分析。Casting Process Design and Simulation of The Box CoverAbsractThe box cover is very useful in our life，so the casting process design of Box cover is as important as the box cover。This article through to the structure of the box cover ,the material

3、,the technical requirements for analysis,based on this design meets the components of the resin sand and casting process scheme. According to the casting process manual and related materil,i determined the machining allowance,pouring posion parting surface and casting shrinkage and related parameter

4、s. Then .I select the appropriate technical parameters,design.feeding system and pouing system of the casting,map out the casting process plans. Simulation results show that the reasonable setting riser,cold iron casting,can guarantee the molten metal solidification and effective shrinkage,complete

5、structure and no defects casting.Casting process design cannot be perfectly,we should modify it again and again. Use of cast iron casting Iowa box cover of CAE solidification process numerical simulation and reveals the shrinkage,shrinkage of produce and for mantion,thus of casting process optimizat

6、ion.Keywords:structure analysis；casting process；gating system；simulation analysis. 目 录引言 1第1章 绪论21.1概述 21.2中国铸造业现状及发展趋势 .21.3国外铸造行业现状及发展趋势21.4本课题的研究内容3第2章 铸造工艺方案的确定42.1 零件基本信息42.2 箱盖结构的铸造工艺性52.3造型，造芯方法的选择52. 4浇注位置的确定52. 5分型面的确定62.6 一型中的铸件数量的确定及其安排7第3章 铸造工艺参数及砂芯设计93.1 工艺设计参数的确定93. 2砂芯设计10第4章 浇注系统及冒口、

7、冷铁、出气孔等设计124.1浇注系统的设计124.2冒口的设计154.3冷铁的设计164.4出气孔的设计164.5铸件工艺出品率的校核16第5章 箱盖的铸造工艺模拟及优化175.1 计算机技术在铸造生产中的应用175.2 华铸CAE的概述175.3 华铸CAE对箱盖铸造过程温度场的模拟185.4 箱盖铸造工艺优化21第6章铸造工艺装备设计236.1模样的设计236.2模板的设计236.3 芯盒的设计236-4砂箱的设计23结论与展望24致谢25附录A主要参考文献摘要.28附录B英文原文及翻译.30插图清单图2-1 箱盖零件图4图2-2 箱盖外形示意图5图2-3 箱盖的浇注位置6图2-4 分型面

8、方案一6图2-5 分型面方案二.7图2-6砂箱中铸件排列示意图.8图4-1 内浇道位置示意图12图4-2 内浇道截面示意图14图4-3 橫浇道截面示意图14图4-4 直浇道截面示意图15图4-5 浇口杯截面示意图15图5-1 温度场计算分析流程图19图5-2 网格剖分.19图5-3 原始工艺的凝固过程照片21图5-4 工艺优化后的凝固过程照片22图 6-1 砂箱零件图24 表格清单表2-1 合金成分4表2-2 吃砂量的最小值8表3-1 铸件的最小铸出孔10表4-1 灰铸铁件工艺出品率12表4-2 普通漏斗形浇口杯尺寸15表5-1 温度场初始化物性参数19 -37-引言铸造是人类掌握比较早的金属

9、热加工工艺，差不多有6000年的历史。进入20世纪铸造发展速度很快，其重要原因之一是产品技术的进步，要求铸件的机械物理性能更好，同时具有良好的机械加工性能。另一个原因是机械本身和其他技术的发展，为铸造技术快速发展提供很好的支持。近几年来，我国的铸件产量已达1000万吨/年左右，为各个行业提供各种铸件。说明我国铸造技术正在接近国际先进水平。本课题毕业设计是材料成型及控制工程专业的必须要经历的一个重要的实践环节。通过本次毕业设计的锻炼一方面可以把以前所学的知识融会贯通，从而达到温故而知新的目的和提高解决实际工程课题的能力；另一方面，可以把理论知识与实际结合，学会应用。本课题有利于培养我在实际的工业

10、生产中综合运用多学科知识和技能独立工作的能力，而且让我拓展了知识面，学会了如何分析和解决问题。针对该课题我的研究思路是首先对零件图做出详尽的分析，接着对零件的工艺进行设计，然后对该工艺进行铸造CAE模拟，最后设计零件的工装。 第1章 绪论1.1概述 铸造生产就是用液态合金形成产品的方法将液态合金注入铸型中使之冷却、凝固，这种制造金属制品的过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的金属制品称为铸件。铸造是人类掌握很早的金属热加工工艺，我国铸造技术已有6000年的悠久历史，是世界上比较早掌握铸造技术的文明古国，2500多年前（公元前513年）就铸出270kg的铸铁刑鼎1。1.2中国铸造业现状及发展趋势铸

11、造工艺是机械制造工业的基础工艺之一，因此铸造业的发展标志着一个国家的生产实力。据资料介绍210 ，中国是当今世界上最大的铸件生产国家，我国铸件总产量到2009 年底已连续10 年居世界首位。 最近几年，铸件进出口贸易增长较快，铸件的产量已达到9%左右。 “长三角”地区的铸件产量占全国的1/3，该地区主要以民营企业为主，汽车和汽车零部件行业的发展有力地拉动了铸造行业的发展。铸造企业平均规模与经济规模和国外比有较大差距。大多数铸造企业规模偏小。就整个铸造行业而言，其现状仍然是厂点散 ，从业人员多 ，效益低下 ，我国的铸件质量与国外先进水平相比有比较大的差距。铸件尺寸精度普遍低12级，表面粗糙度差1

12、2级，铸件壁厚也厚得多。中国的铸件材料仍以灰铸铁为主，约占铸件总产量的60%多，球墨铸铁占16.7%，比世界平均值低20%，远低于日本(30.8%)、美国(29.6%)。合金钢在铸钢件中的比例，中国25%，国外先进水平为42%-60%。有色金属铸件。中国为7.9%，国外先进水平为11%-20%。此外，材料成分、组织和性能的一致性、稳定性与发达国家相比也有差距3 。每吨铸件能耗为日本的2.5倍。发展绿色铸，提高产能是我们急需解决的问题5。 未来几年我国铸造模具的发展目标和主要任务为贯彻落实科学发展观, 依靠技术创新, 提高企业的装备水平和核心竞争力,突出做强骨干企业, 推动铸造模具产业的持续健康

13、快速发展4。1.3国外铸造行业现状及发展趋势发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品系列化供应铸铁熔炼使用大型、高效、除尘、微机控制、外热送风无炉衬水冷连续作业冲天炉，普遍使用铸造焦，冲天炉或电炉与冲天炉双联熔炼，采用氮气连续脱硫或播包脱硫使铁液中硫含量达0.01%以下；熔炼合金钢多用AOD、VOD等设备，使钢液中H 、O、N达到几个或几十个的水平。在重要铸件生产中，对材质要求高，采用先进的无损检测技术有效控制铸件质量。普遍采用液态金属过滤技术，过滤器可适应高温诸如钴基，镍基合金及不锈钢液的过滤。过滤后的钢铸件射线探伤A级合格率提高13个百分点，铝镁合

14、金经过过滤抗拉强度提高50%、伸长率提高100%以上6。在金属铸造过程中，传热对于给定取向和晶粒尺寸的厚金属锭的生产是一个重要的参数9。近十年来铸造技术有重大的发展，世纪之交的各国铸造行业在不同程度上遇到来自行业内部和外部的巨大挑战。积极地将信息技术应用到铸造生产中看来是铸造厂使自己能在21 世纪激烈的竞争中生存和发展的一个关键措施。对于我国铸造行业来讲，这既是一个挑战，又是一个机遇。若能抓住这个机遇，我国铸造行业的技术水平就能跃上一层较高的台阶8。美国铸造业正处在经济危机( 从2008 年年底至2010 年年初) 后的恢复当中。 美国铸造行业从2010 年出现回暖迹象， 年增长率为9. 3%

15、。2011 年经济复苏的速度有望加速增长，预计年销售额263 亿美元。美国铸造业将于2012 年恢复到2007 年的水平，有望于2013 年超越。美国铸造行业主要的增长领域是球墨铸铁件、铝铸件与镁铸件， 原因在于美国国内汽车行业的复苏带来的汽车配件产量的增长。由于采矿业、建筑业与轨道交通等行业需求量的增加， 铸钢件的销售额也将迅速恢复到经济危机前的水平。灰铁件与可锻铸铁件在经济复苏过车中短期将会出现小幅增长， 但从长期预测来看， 这两种材质铸件的销售额还将持续亏损。如今， 美国铸造工厂的数量从5 年前的2 336家下至2 040 家， 铸造工厂数量的减少主要归结与经济的衰退、科技的进步、来自其

16、他国家的竞争以及严格的法规7。1.4本课题的研究内容本次毕业设计的题目是：箱盖的铸造工艺设计及模拟。我查阅了相关资料和书籍后，主要进行了铸造工艺性分析、铸造工艺设计及铸造工艺装备设计。这个过程看似一目了然，但具体工作却十分繁琐，首先，我们要确定这个零件是否适合铸造工艺性的要求；其次，我们还要确定浇注位置，分型面以及造型、造芯的方法；然后，开始铸造工艺参数的选择以及砂芯的设计；再然后，我们要进行浇注系统的设计；当这一切完成后，我们还要在华铸CAE上进行模拟，利用计算机模拟的帮助，修改工艺参数并选择较为合理的方案。最后，要对铸造工艺装备进行选择和设计。 第2章 铸造工艺方案的确定2.1 零件基本信

17、息零件名称 箱盖零件材质 HT200，合金具体成分含量具体见表2-1零件结构 零件图如图2-1所示,零件外形示意图如图2-2所示。箱盖的外形轮廓尺寸为130mm×80mm×53mm，主要壁厚5mm，最大壁厚10mm。是一个小型铸件，铸件除了满足几何尺寸精度及材质方面的要求外无其他特殊技术要求。图2-1 箱盖零件图表2-1 合金成分牌号铸件主要壁厚（mm）CSi MnPSHT200 <15 3.23.6 1.92.2 0.60.9<0.15 0.12图2-2 箱盖外形示意图2.2 箱盖结构的铸造工艺性对箱盖的铸造工艺性分析如下：箱盖的轮廓尺寸为130mm×

18、;80mm×53mm，整体尺寸不大，为小型铸件。砂型铸造条件下该轮廓尺寸允许的最小壁厚查铸造方面相关书籍1表3-2-1得：最小允许壁厚为34 mm。而设计箱盖的最小壁厚为5mm。符合要求。箱盖的设计壁厚较为均匀，可以有效构成热节，不易产生热烈。2.3造型，造芯方法的选择箱盖的轮廓尺寸为130mm×80mm×53mm，铸件尺寸较小，属于中小型零件且是中批量生产。适宜使用湿型手工造型（砂箱造型），手工造型能适应各种复杂的要求，比较灵活，不要求很多的工艺装备 。而且粘土、膨润土是价格低廉、无污染、可反复回用的粘结剂。对于中小批量生产的铸件一般选择手工制芯，只有大批量生产

19、时才选用机器制芯。2.4浇注位置的确定铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量，铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。 确定浇注位置应注意以下原则：1.铸件的重要部分应尽量置于下部2.重要加工面应朝下或直立状态3.使铸件的大平面朝下，避免夹砂结疤内缺陷4.应保证铸件能充满5.应有利于铸件的补缩6.避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验综上所述浇注位置方案如图2-3所示，保证了重要加工面的正确放置，且便于下芯及合箱。图2-3 箱盖的浇注位置2.5分型面的确定分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的优劣在很大程

20、度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。 经过对零件结构的分析，初步对支座进行分型有：方案一如图2-4、方案二如图2-5。图2-4 分型面方案一图2-5 分型面方案二而选择分型面时应注意一下原则：1. 应使铸件全部或大部分置于同一半型内2. 应尽量减少分型面的数目3. 分型面应尽量选用平面4. 便于下芯、合箱和检测5. 不使砂箱过高6. 受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度7. 注意减轻铸件清理和机械加工量对以上两个分型面方案综合分析可知，分型面方案一比分型面方案二更合理。首先铸件不可能是没有可能在同一半型内的，两者重要加工面都在垂直面内，但是分型面方案一更便于下芯和取出模样，且不会使砂箱过

21、高。所以方案一更合理一些。 2.6 一型中的铸件数量的确定及其安排一型中铸件数的一般原则是在保证铸件质量的前提下越多越好。考虑到铸件尺寸大小，浇注系统的布置和必要的吃砂量选择一箱两件。其中铸件的轮廓尺寸为130mm×80mm×53mm，吃砂量经查相关表格11可以暂时定为45mm。由此可以将砂箱尺寸暂定为300mm×300mm×100mm。铸件在砂箱中的排列方式简图如图2-6所示表2-2 吃砂量的最小值摸样高1015253035407090120吃砂量182024262832404550图2-6砂箱中铸件排列示意图 第3章 铸造工艺参数及砂芯设计3.1 工

22、艺设计参数的确定铸造工艺设计参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些数据，这些工艺数据一般都与模样及芯盒尺寸有关，及与铸件的精度有 密切关系，同时也与造型、制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。这些工艺数据主要是指加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔、型芯头尺寸、铸造圆角等。工艺参数选取的准确、合适，才能保证铸件尺寸精确，使造型、制芯、下芯及合箱方便，提高生产率，降低成本。3.1.1 铸件尺寸公差铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许的极限尺寸之差。在两个允许极限尺寸之内，铸件可满足机械加工，装配，和使用要求。 单件小批量生产下的粘土手工造型时,铸钢和铸铁件尺寸公差等级能达到CT13 CT15

23、级。这里取CT13级。箱盖的轮廓尺寸为130mm×80mm×53mm，查国家标准GB/T6414-1999得：箱盖尺寸公差数值为9mm。3.1.2 机械加工余量机械加工余量是铸件为了保证其加工面尺寸和零件精度，应有加工余量，即在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属层厚度。箱盖为砂型铸造手工造型，单件小批量生产。灰铸铁件的机械加工余量等级为F、G、H级，取H级。箱盖的轮廓尺寸为130mm×80mm×53mm，查国家标准GB/T11350-89得：双面加工箱盖的机械加工余量为5.5mm，实取5mm。箱盖内腔的加工余量为3mm3.1.3 铸

24、造收缩率铸造收缩率又称铸件线收缩率，用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示：K=（LM-LJ）/LJ ×100% (3-1)式中 LM-模样（或芯盒）工作表面尺寸 LJ铸件尺寸。铸件收缩率受很多因素的影响，例如，合金的种类及成分、铸件的冷却、收缩时受到阻力的大小、冷却条件的差异等，因此，要十分准确的确定铸件的收缩率是很困难的。箱盖的收缩率查表1得：受阻收缩率为0.9%。3.1.4 起模斜度为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯。这个斜度，称为起模斜度。起模斜度应在铸件上没有结构斜度的，垂直于分型面的表面上应用。由于该铸件有圆形部分，易于起模，因此可

25、以不设置起模斜度。3.1.5最小铸出孔及槽零件上的孔、槽、台阶等，究竟是铸出来好还是靠机械加工出来好，这应该从品质及经济角度等方面考虑。一般来说，较大的孔、槽等应该铸出来，以便节约金属和加工工时，同时还可以避免铸件局部过厚所造成热节，提高铸件质量。较小的孔、槽或则铸件壁很厚则不易铸出孔，直接依靠加工反而方便。 根据箱盖的的轮廓尺寸130mm×80mm×53mm 查阅 表格1得：最小铸出孔直径约为20mm。因此零件箱盖上部的直径为20mm的孔，加上机械加工余量后就铸造不出来了，箱盖边缘的的孔直径更小也铸造不出来。只能由机械加工得来。表3-1 铸件的最小铸出孔生产批量最小铸出孔

26、直径d/mm灰铸铁件铸钢件大批量生产1215成批生产15303050单件、小批量生产3050503.1.6 铸件在砂型内的冷却时间铸件在砂型内的冷却时间短，容易产生变形，裂纹等缺陷。为使铸件在出型时有足够的强度和韧性，铸件在砂型内应有足够的冷却时间。3.1.7铸件重量公差铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。箱盖的尺寸公差为CT13级，按照规定质量公差应定为MT13级。查阅相关资料3得：MT13=24%。3.1.8工艺补正量在单件小批量生产中，由于选用的缩尺与铸件的实际收缩率不符，或由于铸件产生了变形等原因，使得加工后的铸件某些部分的壁厚小于图样要求尺寸，严重时会

27、因强度太弱而报废。因此工艺需要在铸件相应的非加工壁厚上增加层厚度称为工艺补正量。工艺补正量可以粗落地按照下述经验公式粗略地计算 e0.002L 式中 e工艺补正量 L加工面到加工基准的距离。3.1.9分型负数干砂型、表面烘干型以及尺寸较大的湿砂型，分型面由于烘烤，修整等原因一般都不很平整，上下型接触面很不严。为了防止浇注时炮火，合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳、泥条等，这样在分型面处明显增加了铸件的尺寸。为了保证铸件尺寸精确，在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。而支座是湿型且是小型铸件故不予考虑分型负数。3.1.10反变形量铸造较大的平板类、床身类等铸件时，由

28、于冷却速度的不均匀性，铸件冷却后常出现变形。为了解决挠曲变形问题，在制造模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，使其于变形量抵消，这样在模样上做出的预变形量称为反变形量。而箱盖没有较大平板故基本不会产生挠曲变形，所以不用设置反变形量。3. 2砂芯设计砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外型不能出砂的部分。砂型局部要求特殊性能的部分有时也用砂芯。铸件所用砂芯的数量及其结构主要取决于铸件的结构，砂芯设计时还需要考虑到要使砂芯制造方便，下芯容易。所以砂芯的设计要注意以下几点：1 一般尽量减少砂芯数量，减少制造工时和提高铸件尺寸精度。2 选择合适的砂芯形状。3砂芯烘干的支撑面最好是平面。4

29、砂芯芯盒的分盒面应尽量与砂型的分型面一致，以保证砂芯和砂型之间形成的壁厚均匀，同时也有利于砂芯排气。5 便于制芯下芯及合型，保证铸件精度。6分段的砂芯每段均要有良好的固定条件，以保证铸件形状准确。3.2.1箱盖的芯头长度及斜度设计 芯头形状采用水平悬臂芯头，芯头加长。1芯头长度，根据铸造方面相关书籍11芯头长度l取1.25倍的D，D为芯头直径60mm。所以芯头长度l=30×1.25=31.25 mm。取32mm2 芯头斜度 对于水平心头如果不设计芯头斜度就能从芯盒中顺利取出，则可以不留芯头斜度。考虑到箱盖砂芯结构简单，容易从芯盒中取出，所以不设计芯头斜度。3.2.2压环、防压环和集砂

30、槽芯头结构 在湿型批量生产中，为了加速下芯、合芯及保证铸件质量，在芯头的模样上常常做出压环、防压环和集砂槽。查铸造方面的资料11得 a=5 b=1 c=15 r=2 。3.2.3芯骨设计为了保证砂芯在制芯、搬运、配芯和浇注过程中不开裂、不变形、不被金属液冲击折断，生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其刚度和强度。因为砂芯尺寸较小，而且采用树脂砂，故砂芯强度较好，砂芯内不用放置芯骨。3.2.4砂芯的排气砂芯在浇注过程中，其粘结剂及砂芯中的有机物要燃烧（氧化反应）放出气体，砂芯中的残余水分受热蒸发放出气体，如果这些气体排不出型外，则要引起铸件产生气孔。而箱盖的砂芯采用热芯盒造芯，故不用有意设置排气道

31、、排气孔等排气。3.2.5砂芯负数大型粘土砂芯在春砂过程中砂芯向四周涨开，刷涂料以及在烘干过程中发生的变形，使砂芯四周尺寸增大。为了保证铸件尺寸准确，将芯盒的长、宽尺寸减去一定量，这个被减去的量叫做砂芯负数。因为砂芯负数只用于大型粘土砂芯，本设计中的砂芯为小型砂芯不设计砂芯负数。 第4章 浇注系统及冒口、冷铁、出气孔等设计4.1浇注系统的设计浇注系统是铸型中引导液体金属进入型腔的通道，它由浇口杯，直浇道，横浇道和内浇道组成。4.1.1选择浇注系统类型浇注系统分为封闭式浇注系统，开放式浇注系统，半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。因为封闭式浇注系统控流截面积在内浇道，浇注开始后，金属液容易充

32、满浇注系统，呈有压流动状态。挡渣能力强，但充型速度快，冲刷力大，易产生喷溅，金属液易氧化。适用于湿型铸件小件。而箱盖就是采用湿型的铸件小件，所以选择封闭式浇注系统。4.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向箱盖结构较为简单且是单件小批量生产小型件，铸造时采取一箱一件。为了造型方便采用一个内浇道，内浇道开设在分型面上。初步选取砂箱尺寸为250mm×150mm×80mm。如图4-1所示 图4-1 内浇道位置示意图4.1.3 浇注系统尺寸设计计算内浇道总截面积：内浇道是阻流截面按公式A内=GL/0.31µtHP0.5 (4-1)计算式中的GL、µ、

33、t、HP的值。1 计算通过内浇道的铁液重量GL 经计算知道铸件的毛重=0.84kg，查表124-1得工艺出品率为70%。则 GL=铸件毛重×2/工艺出品率 =0.94×2/0.7 =2.68kg表4-1 灰铸铁件工艺出品率铸件重量/kg<1001001000>1000工艺出品率（%）单件小批生产657575808090成批生产708080858590大批量生产75808085-2 计算浇注时间t 每一种铸件在确定的铸造工艺条件下，都对应一个适宜的浇注时间范围，超出这个时间范围，铸件就会出现铸造缺陷。箱盖的重量很小，还不到1kg。因此其浇注时间公式为t=sGL0.

34、5 (4-2)式中 t -浇注时间（s）； GL-型内铁液总重量（kg）； S -与铸件主要壁厚有关的参数，查铸造技术相关书籍12中表4-58得s=1.85。代入数据计算得：t=1.85×2.680.5 =3s3 核算液面上升速度，平均液面上升速度验算公式为：v=h/t (4-3)式中 v-型内液面上升速度（mm/s） h-铸件的高度（mm） t-浇注时间（s）代入数据计算v=80/3=26.7（mm/s）。对照书中1表3-4-6，此值符合表中所列数值，是合适的。4 计算流量系数µ 影响流量系数µ的因素很多，准确确定流量系数µ是有困难的。对于一般灰铸铁件

35、可以根据经验数据确定。查相关书籍1表3-4-8得µ=0.42，再按有关书中1表3-4-10修正。浇注温度提高约100摄氏度，µ修正值取0.1；有出气口，µ修正值取0.1橫浇道断面积大于内浇道，并且A横/A内1.3，µ修正值取0；内浇道设置4个，µ修正值取-0.1。合计则 µ=0.42+0.1+-0.10=0.425 计算平均压力头HP和最小压力头HM。（1）中注式平均静力压头高度计算公式为HP=H0-h/8 (4-4)H0=10cm，h=8 cm。HP=H0-h/8=9 cm。将各值代入A内=GL/0.31µtHP0.5=2

36、.68/0.31×0.62×3×90.5=2.3cm2半封闭式浇注系统各单元的截面积比，取A内：A横：A直=1:12:1.1.4则 A横=2.3×1.2=2.76 cm2 A直=2.3×1.4=3.22 cm2（2）核算最小剩余压头HM 砂箱高度100mm，内浇道以上铸件高度为40mm，则剩余压头高度为HM=100-40=80mm。直浇道中心到铸件最远点距离L=53+52=105mm。根据公式HM=Ltan，(4-5)则=arctan（HM/L）=arctan(60/105)=29.6°。对照有关书中1 表3-4-11，值大于表中的经

37、验值，因此可以得到轮廓清晰的铸件。6 确定内浇道、橫浇道、直浇道截面尺寸。（1）内浇道截面尺寸由于内浇口设计了4个，所以内浇口截面积S内=A内/4=2.3/4=0.58cm2，取内浇道的截面积为0.6cm2.内浇道形状取梯形断面形状如图4-2所示。图4-2 内浇道截面示意图梯形断面大小由铸造方面相关表格1-2513查得a=11mm b=9mm c=6mm。（2）橫浇道截面尺寸横浇道的功用是向内浇道分配洁净的金属液，储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣滓，使金属液流平稳和减少产生氧化夹杂物。由于设计橫浇道只有一个，所以S横=3.0 cm2。横浇道形状取梯形断面形状如图4.3所示。图4-3

38、 橫浇道截面示意图梯形断面大小由铸造方面相关表格1-2513查得：A=17mm B=13mm C=20mm。（3）直浇道截面尺寸直浇道的功用是从浇口杯引导金属液向下，进入横浇道、内浇道或直接进入型腔。并提供足够的压力头，使金属液在重力作用下能克服各种流动阻力充型。由于设计直浇口有一个，因此S直=3.22cm2 直浇道形状取圆形截面形状如图4-4图4-4 直浇道截面示意图圆形断面大小由铸造方面相关表格1-2513查得：D=24mm。7 浇口窝的设计 浇口窝对于来自直浇道的金属有缓冲作用，能缩短直横浇道拐弯处的紊流区，改善横浇道内的压力分布，并能浮出金属液中的气泡。浇口窝直径为直浇道下端直径两倍，

39、因此D=1.4×24=33.6mm浇口窝高度为横浇道高度两倍，因此h=2×20=40mm8 浇口杯的设计浇口杯是用来承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇注，并可以减轻金属液对型腔的冲击，还可分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔。浇口杯选用普通漏斗形浇口杯，其断面形状如图4-5所示图4-5 浇口杯截面示意图表4-2 普通漏斗形浇口杯尺寸浇口杯断面大小由 表4-2查得：D1=64、D2=60、h=48。4.2冒口的设计冒口是铸型内用于储存金属液的空腔，在铸件形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。箱盖所用的灰铸铁在凝固时其体积变化情况与一些工业上常用的金属及

40、合金不同，其特点是在液态冷却时发生收缩，冷却至共晶温度时停止收缩，由于析出石墨而发生膨胀，在接近凝固终了时余下的液态金属凝固时又开始收缩，直至凝固结束。所以其凝固时的膨胀和液态收缩趋于互相补偿。故铸铁补缩时需要的铁水量少，而且箱盖壁厚均匀无厚大壁，所以可利用浇注系统进行补缩不设置冒口。4.3冷铁的设计为了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。箱盖铸件壁厚较为均匀，且无厚大壁，固不易产生裂纹缩松等缺陷。而且设置冷铁会增加生产工序，使成本增大，所以不设置冷铁。4.4出气孔的设计出气孔用于排出型腔内的气体，改善金属液充填能力、排除先冲到型腔中的过冷金属液与浮渣，还可作为观察

41、金属液充满型腔的标志。出气孔设置位置详见工艺图。防止出气孔过大导致铸件形成热节，以至产生缩孔，出气孔根部直径，不应大于设置处铸件壁厚的0.5倍。即出气孔直径应小于5mm(0.5×10mm)。因此设计出气孔根部直径为5mm，一箱2件共4个出气孔。为方便取模采用上小下大的锥形，斜度为起模斜度=1°10出气孔总截面积为3.14×（0-5/2）²×4=0.79cm²4.5铸件工艺出品率的校核铸型中铁水总重量=铸件重量+浇注系统重量+冒口重量+气孔等的重量。工艺出品率=铸件重量/铸型中铁水总重量=1.9kg/3kg= 63%。在计算浇注系统时估

42、计工艺出品率为70%，基本符合事实。第5章 箱盖的铸造工艺模拟及优化5.1 计算机技术在铸造生产中的应用众所周知材料液态成形铸造，就是将熔融的液态金属注入模型，在模型中凝固、冷却、成形，从而得到特定结构（形状）的产品。中国是铸造古国，有着几千年的辉煌历史。但在这几千年历史的绝大部分时间内，铸造是一种技艺，凭借的是经验，方式是手工，“睁眼造型，闭眼浇注”就是这一状况的生动写照。随着计算机技术的飞速发展及在材料加工中的广泛应用，计算机也完全变革了有着悠久历史的铸造领域，计算机辅助设计造型（CAD）、计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）与其他先进技术在铸造领域得到了广泛的应用，并已成为

43、铸造学科的技术前沿和最为活跃的研究领域。传统的液态成型工艺的设计都是基于人工的、经验的，利用红蓝铅笔直接在图纸上画出铸造工艺。而利用CAD进行工艺设计不仅甩掉红蓝铅笔，而且能够完成工艺基本要素的设计与绘制（造型）任务。随着三维造型理论和实用技术的日趋成熟，基于三维的铸造工艺CAD系统具有几何信息的完整，易于与铸造工艺CAE系统、铸造工装CAD/CAM系统衔接，可实现数据共享，设计结果直观，可方便地生成二维工程图样等。目前常见的、成熟的、商品化的三维CAD造型平台有Pro/E、UG、Solidworks、Solidedge等。液态成型CAE技术主要包括充型流动过程模拟、结晶凝固过程模拟、应力/应

44、变分析、微观组织模拟等。众所周知，铸造是一个过程复杂、影响因素多、废品率高的成形方式。但是铸造过程模拟技术（CAE）与CAD技术相结合完全改变了传统模式。设计者先在三维CAD平台上设计出一个铸造工艺方案，然后利用CAE进行模拟分析，预测缺陷，发现问题，再根据CAE的模拟结果在CAD上对方案进行修改，再进行CAE分析，如此往复直到得到满意的工艺设计方案，根据优化后的方案组织实际生产。国内外商品化数值模拟软件10的简介见表3-1所示。计算机辅助制造技术（CAM）在铸造上的应用主要是在工装领域，包括铸造模具、模板等。随着技术的进步，目前绝大部分铸造模具、模板的制造都采用了CAM技术，由数控机床完成，

45、并且大都实现了CAD/CAM一体化。这些先进设计、技术大大推动了铸造行业的技术进步，缩短了新产品的开发周期，大幅度降低了废品率，提高了铸造企业的竞争力。5.2 华铸CAE的概述华铸CAE/ InteCAST铸造工艺分析软件集成系统是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具，是华中科技大学(原华中理工大学)经二十多年研究开发，并在长期的生产实践检验中不断改进、完善起来的一项软件系列产品。华铸CAE/InteCast集成系统是目前国内铸造行业最为著名的工艺分析系统,四百多套华铸CAE系统正在国内一百多家工矿企业和科研院所运行使用,深受广大用户的好评。华铸CAE/ InteCAST以铸件充型过程、凝固过程数

46、值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质（包括铸钢、球铁、灰铁、铸造铝合金、铜合金等）、多种铸造方法（砂型铸造、金属型铸造、压铸、低压铸造、熔模铸造等）下铸件的凝固分析、流动分析以及流动和传热耦合计算分析。实践应用证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。 华铸CAE/ InteCAST铸造工艺分析软件集成系统曾作为全国唯一的一套铸造CAD成果参加了“首届全国CAD应用博览会”。中央电视台、“

47、全国CAD应用工程通报”都曾报道过该系统的应用情况。华铸CAE / InteCAST 经过多年的努力，目前已成为一个比较成熟的商品化、实用化、集成化铸造工艺CAE系统。该系统在国际上已有一定的影响，美国、英国、法国、德国、泰国、韩国以及香港和台湾等国家和地区, 对该软件都表现出浓厚的兴趣。目前本系统已销往新加坡、马来西亚。5.3 华铸CAE对箱盖铸造过程温度场的模拟铸造凝固过程数值模拟的最终目的是解决铸造工艺优化设计，实现铸件质量预测和控制，其中缩孔、缩松预测是一个重要内容。温度场是判断铸件缩孔、缩松的基础，它在铸件凝固过程中起着决定性作用。接下来利用华铸CAE对挂舵臂铸造过程温度场进行模拟，

48、预测其缩孔、缩松，实现工艺优化。图5-1为温度场计算分析流程图。图5-1 温度场计算分析流程图5.3.1 STL文件的前置处理前处理模块包含造型和网格剖分两大部分。华铸CAE不具有三维造型能力，利用Solidworks三维造型软件生成铸件以及冒口、浇注系统、冒口套、冷铁等工艺参数的三维实体模型，并导出STL格式文件作为接口文件，输入的STL文件有：铸件、铸型、冒口、冒口套、冷铁、浇注系统等。华铸CAE前处理模块提供“优先级别”功能，这样可以大大减少三维造型的工作量。设置挂舵臂铸件、冒口、冒口套、冷铁、浇注系统的优先级高于铸型，造型时保证工艺装配模型有足够吃砂量的情况下生成一个六面体铸型，在前处

49、理模块“优先级别”功能下，装配后的铸件部分被自动从铸型中“挖空”，进而产生有型腔的铸型，节约了造型时间。华铸CAE采用的是直六面体网格，在这对箱盖采用均匀网格。考虑到箱盖尺寸不大，均匀网格大小大小定为2mm。网格剖分结果如图5-2所示。图5-2 网格剖分图5.3.2 温度场的计算分析1. 温度场的初始化初始条件是指0时刻的温度分布，华铸CAE纯凝固计算只考虑凝固过程温度场的计算，而不考虑充型的影响，基于“瞬间充型，初温均布”假设。温度场初始化物性参数设置如表4-1所示，温度场基础参数为：铸件材质HT200，潜热55J/g，环境温度为25，液相线温度1239-91，固相线温度1069-96，合金

50、凝固系数0-7，辐射系数0-375，粘度0-06cm2/s。表5-1 温度场初始化物性参数物性参数铸件铸型冒口套空气密度(g-cm-3)7-11-550-80-0012热容(J-g-1-1)3-4931-0920-631-008导热系数（J-cm-1-s-1-1)0-2230-0080-00340-0546初始温度(临界固相线温度的确定在铸件的凝固过程中，各个单元的凝固情况可以通过一个临界固相率来判断其凝固的情况。在凝固开始时的铸件单元的固相率为0，当铸件单元完全凝固时的固相率是1，在CAE参数设定时利用的是临界固相率概念。一般取铸件的临界固相率为0-65，与此固相率

51、所对应的温度称为临界温度。临界温度指金属液失去了流动性时的温度，一般取液、固相线温度差的65%75%。本次模拟临界固相线温度，得临界固相线温度值为750。由此可计算，当铸型内任何部位的金属液温度低于此温度时，可认为铸件已经完全凝固。4. 缩孔、缩松的判据在华铸软件中，对于缩松出现部位是用判据（也称判据）进行判断，式中G为温度梯度，R为冷却速度。为了预测缩松，计算三维温度场中每一个节点相邻26个单元的G、R值，取最大值代表枝晶间补缩能力。当铸件单元的值小于某一临界值时，该单元可能出现缩松，所有可能出现缩松的单元的集合就表示缩松的分布。对于中大型铸钢件，临界值在2-0-3-0之间。5.3.3 模拟结果显示与分析后处理模块通过对凝固过程液相分布的时序动画，可以显现凝固过程相变的细节，根据相变细节及相应的判据，可以得出铸件缩孔缩松倾向及位置的判断，并为改进工艺提供依据，从而达到