王欢的虚拟铸造成型论文

1、虚拟铸造成型王欢 何斌锋西安文理学院，物理与机械电子工程学院，陕西西安 71006摘要：由于零件性能要求较高，因此在方案选用上，以达到技术要求且节约成本为前提，进行工艺方案的设计。最初设计是选用树脂砂，采用两箱造型的方法；确定零件的加工余量和公差为HB6103-2004 CT10的航空标准，起模斜度为5°，铸造收缩率为1%；零件中的孔的均不予铸出，确定出铸件和砂芯的结构尺寸，因此可知此铸件为薄壁件，壁厚分布非常不均，铸造时很容易产生缺陷，因此采用加冒口和冷铁的方法，使铸件进行顺序凝固。由铸件的工艺参数做出铸造工艺图，用Pro/E软件画出铸件的三维实体图，再用View Cast铸造模拟

2、软件对铸件进行凝固模拟，再分析模拟结果，对产生的缺陷进行优化，最终达到铸件无缺陷的结果。最后对优化后的工艺方案进行充型模拟，模拟结果表明充型过程平稳，不产生飞溅，冲击和紊流，铸件无缺陷且充型过程平稳。关键词：铸造工艺；工艺优化；数值模拟；铝合金；1 绪论铸造在我国有着悠久的历史，但至今仍是一门充满活力的产业，在国民经济中占有重要的地位。近年来，我国铸造业正向铸造强国的方向发展，铸造产业也将迎来一次新的变革，在铸造工艺设计上趋向于对计算机技术的应用，在铸造材料上也趋于高强度轻量化特点。其中铸造铝合金是我国铸造业重点发展的新型材料，同时它也将被广泛用于其他行业，尤其在汽车，航空等行业，有很大的发展

3、前景。铝合金为传统的金属材料，密度小，高强度，流动性好，熔炼温度低，特别适用于金属型铸造、压铸、挤压铸造。所以大多数论文以压铸为题，进行铸造工艺的设计，但对于单件小批生产，若采用金属造型或压铸，会增加铸造成本，使产品变得很不经济。而砂型铸造因不受零件大小，形状，复杂程度及合金种类的限制，造型材料来源广，生产准备周期短，成本低而被广泛应用。本文以铝硅合金砂型铸造为例，设计了零件的铸造工艺。2 铸件要求及工艺设计2.1 铸件要求此零件为ZL101的封闭开关外体，是用于航空业的压力阀，在满足正常使用的情况下，对铸件要求在的煤油压力下进行渗漏试验，保持5分钟不得有渗漏，铸件如图1所示。2.2 铸造工艺

4、系统设计图1 铝合金铸件的三维实体图 图2 浇注位置和铸件的分型面该封闭开关外体零件质量为0.81，属于小型壁厚不均的薄壁件，铸造难度较大。在此拟定为用树脂砂手工造型的铸造方法，其型芯为干砂，冷铁为45钢，铸造材料为ZL101，浇注温度为720，生产类型为单件小批生产。根据铸件的厚大部分应放在上部或侧面的分型原则，确定出分型面。根据铸件的结构特点确定浇铸位置。浇注位置及分型面的位置如图2所示。铸造材料为铝合金极易氧化吸气，凝固体积收缩率大，易产生缩孔缩松，且混入铝液中的氧化物很难浮起，使铝液中存有夹杂。因此对浇注系统的要求有：快速；平稳充型；不产生飞溅、冲击和涡流；有强的挡渣能力；并使铸件进行

5、顺序凝固。故此选择开放式浇注系统，浇注系统各部分比例为：。根据公式计算出浇注系统的阻流截面。因此直浇道的最小直径为=1.5957，取整得=16。根据比例分别求出其他部分的截面面积，,面积为，则，规格如图3所示。 (a) 内浇道 (b) 横浇道 图4浇注系统及补缩系统 图3 浇注系统各部分截面及尺寸2.3冷铁和冒口的设计根据铸件的结构特点，对于下箱的厚大部位采用增加冷铁方法（如图2所示），而上箱（如图2所示）则采用加冒口的方法，进行顺序凝固。根据圆柱体模数的计算公式5所以公式计算对采用冷，则冷铁激冷面积计算公式为：所以，则冷铁的厚度为10；由于激冷面积过大，则选用仿形冷铁，以提高激冷面积。同理可

6、得，对于上箱的厚大部位采用暗冒口，则选用标准圆冒口，取冒口颈长度取5。计算如下：则对于有，对于，则有： 对于处，根据以上方法可得； ，此处仍采用仿形冷铁，根据要求冷铁的厚度取10。根据以上参数可，确定铸件浇注系统及补缩系统，如图4所示3 铸件充型及凝固过程的数值模拟3.1 铸件的凝固过程模拟如图5为凝固过程模拟结果，图中透明的部分表明此部位的金属已经凝固。从模拟结果可以看出，冒口先于铸件凝固，因此基本没有起到补缩作用，那么在这些区域肯定会产生铸造其缺陷。图6为缺陷预测图，从预测结果可以看出，在铸件在安放冒口位置出现了铸造缺陷。图5凝固过程 图6凝固缺陷 图7砂芯的装配 图8铸件的整体装配3.2

7、 工艺优化根据图6的预测结果，进行以下优化：1）将扁平状截面的内浇道改为高梯形截面，但不改变截面积；2)将进行适当的增大如下：；将增大如下:; 将出改为冒口规格为：，如图8所示3）在砂芯上添加冷铁，如图7所示对优化后的工艺进行凝固过程，模拟结果凝固过程如图9所示，缺陷预测凝固结果如图10所示。9图9铸件的凝固过程 图10优化的结果 3.3 对第一次优化结果进行分析并优化根据图10的预测结果，进行如下优化：1）处冒口高度过于短小，则改为；2）将内浇道模数增大，规格如图12所示；3）将在砂芯上加冷铁改为在铸件外部加冷铁的方法，如图11所示；图11 砂芯的装配 图12 整个铸件的装配根据此次改动，凝

8、固过程如图13 所示，凝固结果如图14所示：由图14 可知经过两次优化设计，铸件最终达到无缺陷的结果。图13 凝固结果图 图14 凝固过程3.4 充型过程模拟其充型过程模拟结果如图14所示。图15 优化设计后的充型模拟整个充型过程历时4.9秒，充型时间不会过长，符合此铸件生产要求。充型过程中，金属液由分型面处开始填充，液面上升平稳，没有出现金属液间的碰撞和紊流现象。结 论(1) 根据零件的结构特点和技术要求，确定了造型方法、分型面、浇注位置和铸造工艺参数等，设计了砂芯的结构和浇注系统，并根据铸件的特点计算出冒口的大小和冷铁的激冷面积，但未计入薄壁处的补缩和冷铁的加入使冒口的补缩能力增强等因素，

9、使冒口体积过小，冒口补缩效果不佳。在用冷铁方面，虽然计算出冷铁的激冷面积，但是由于铸件的结构限制，使能用于安放冷铁的面积大受限制。所以产生很多的缺陷。(2) 针对第一次的模拟结果，在处的有效激冷范围内再添加冷铁，在圆角处也使用冷铁，将处改用冒口补缩，和的冒口适当的增大，将内浇道改为高梯形。最终结果表明，由于冷铁的增加，加大了冒口补缩范围，使缺陷的移动有了明确的方向，但其结果还是有缺陷。(3) 针对第二次模拟结果，将内浇道的截面改为模数适量增大，将处冒口进行了优化，在处也做了一些调整。最总结果表明，由于内浇道和处冒口的共同补缩，使铸件最终达到无缺陷的结果。(4) 对优化后的工艺方案进行充型模拟，

10、模拟的结果显示，充型平稳，没有产生飞溅，冲击和涡流，验证了优化工艺的合理性。参考文献1李传栻. 铸造工程师手册. 北京. 机械工业出版社（第二版）. 2002.12. 第四章铸造有色金属和合金及其熔炼（339352）与第六章铸造工艺。2刘喜俊. 铸造工艺学. 北京. 机械工业出版社. 1999.10. 第六章第五节其他合金铸件浇注系统的特点。3 中国机械工程学会铸造分会铸造手册：第五卷 铸造工艺（第二版）M北京：机械工业出版社，2003。4 叶荣茂铸造工艺设计简明手册M北京：机械工业出版社，1997。5 王文清，李魁盛铸造工艺学M北京：机械工业出版社，2002。6 李弘英，赵成志铸造工艺设计M北京：机械工业出版社，2005。7 李魁盛，侯福生铸造工艺学M北京：中国水利水电出版社2005。8 HB 6103-2004铸件尺寸公差和机械加工余量。9 荆涛凝固过程数值模拟M北京：电子工业出版社，2002。10 李依依，李殿中，朱苗勇等金属材料制备工艺的计算机模拟M北京：科学出版社，2006。11 柳百成，荆涛铸造工程的模拟仿真与质量控制M北京：机械工业出版社，2002。12