行星架砂型铸造工艺的数值模拟

PAGEPAGEI摘要本文完成了HT-250行星架砂型铸造工艺的数值模拟，并利用计算机对铸造工艺进行数值模拟。根据铸造零件的生产批量、生产条件、结构特点、技术要求等，以避免缺陷和提高经济效益两方面、简化铸造工艺为目的，对其进行砂型铸造工艺设计画出三维图；通过计算机数值模拟软件AnycastingTM对初步铸造工艺进行计算机数值模拟；通过分析模拟结果，从避免产生缩孔、缩松等缺陷的角度考虑，改进初步工艺，然后再对改进铸造工艺进行反复模拟，反复多次模拟及分析模拟结果，直至设计出最优化的铸造工艺方案。关键词：铸造工艺；数值模拟；缩孔；缩松AbstractThisarticleintroducesthedesignandnumericalsimulationoftheHT250Planetary

gear.First,accordingtothestructurecharacteristics,thetechniquerequest,thebatchquantityandtheconditionetc.,technologycapability,themodelingmethodandthecraftparameterareanalyzedinordertoavoidflawandsimplifythecastingprocess.Thepreliminarycastingprocessisdesignedbasedonthecalculationdata.Second,thenumericalsimulationtothepreliminarycastingcraftusingnumericalsimulationsoftwareAnycastingTMisgiven.Craftisimprovedonavoidanceoftheflawsofshrinkagecavityandporosityandthengiventhenumericalsimulationofthebattercraft.Repeattheabovestepsuntilgettingthebestcastingprocess.Keywords：Castingprocess,Numericalsimulation,Shrinkagecavity;Shrinkageporosity目录TOC\o"1-3"\h\u5774摘要 I28461Abstract II7639第1章绪论 1161201.1铸造模拟类课题的研究背景 141391.1.1铸造过程数值模拟概况 128171.1.2铸造过程数值模拟技术发展史 1272941.1.3国内（外）在该方向研究现状及分析 2187131.2课题研究的内容目的和意义 311430第2章铸铁铸造性能及数值模拟基础 4246312.1灰铸铁的铸造工艺性 4228562.2浇注系统的设计原则 4264852.3型砂配方 5293752.4数值模拟简介 524622.4.1AnycastingTM软件的介绍 5195142.4.2计算机数值模拟的操作过程 66767第3章铸造工艺的设计及模拟 7109143.1砂型铸造方法的选择 748073.1.1造型制芯方法选择 7134523.1.2造型制芯的设备选用 749423.1.3砂芯的设计及工艺设计参数 8123423.2初步铸造工艺的设计及模拟 971823.2.1铸造工艺方案的设计 9145233.2.2铸造工艺参数的确定 1173033.2.3浇注系统的设计及计算 12282283.1.4铸造模拟结果分析 15205813.3顶注式浇注系统工艺的设计及模拟 17198493.3.1浇注系统的设计 17265763.2.2铸造模拟结果分析 18202963.4改进铸造工艺的设计及模拟 2074253.4.1冒口的设计 20315083.4.2模拟结果分析 21315413.5本章小结 223643第4章优化铸造工艺的设计 23109514.1最终方案的确定 23262324.1.1最终方案 23176664.1.2铸造工艺参数的确定 24225614.2工艺出品率的计算 29159254.3本章小结 2925393结论 3020102致谢 317641参考文献 32PAGEPAGE2第1章绪论1.1铸造模拟类课题的研究背景1.1.1铸造过程数值模拟概况铸造行业是制造业的重要组成部分，对国民经济的发展起着重要作用[1] 。同时，铸造业又是产品质量不易保证、废品率较高的产业，因此，对铸件生产实现科学化控制，确保铸件质量，缩短试制周期，降低铸件成本，加速产品更新换代，对于促进传统工业的技术改造具有重要的现实意义[1]。近年来，铸造工艺计算机辅助设计 CAD，铸件凝固过程数值模拟 CAE 等多项技术已大量应用于生产实际[1]。以工业发达国家为例，目前大部分的铸造企业在生产采用凝固模拟分析技术，精确地预测缺陷以及改进铸件的出品率[1]。在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程[1]。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要[1]。铸造过程就是将高温的液态金属浇注到封闭的型腔中，通过充型和凝固过程最终获得所需形状铸件的热成形过程[1]。在整个过程中，速度场、应力场和温度场的相互耦合作用非常复杂，难以通过实时观察和测量得出科学的结果，因此利用计算机对铸造充型和凝固过程进行数值模拟显得非常必要[1]。从20世纪60年代开始凝固过程数值模拟，80年代初开始充型过程数值模拟和铸件应力应变数值模拟，到90年代兴起铸件微观组织数值模拟的研究，数值模拟技术已深入到铸件成形过程的各个方面，铸造过程的模拟仿真研究也正在向微观组织模拟、性能优化及使用寿命预测的方向发展，成为多功能、高保真、高效率的多学科模拟与仿真技术[1]。1.1.2铸造过程数值模拟技术发展史铸件凝固过程数值模拟开始于 60 年代，丹麦 FORSUND 把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算，之后美国 HENZEL 和 KEUERIAN 应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近[2]。这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景[2]。进入 20 世纪 80 年代，凝固过程模拟已形成世界范围内的热潮[2]。目前，国内外已将凝固模拟技术从实验室科学研究发展到工厂实用阶段，可以做到以铸造凝固理论为指导，以计算机数值模拟为手段，研究、控制凝固及预测铸件缩孔、缩松及裂纹等缺陷，预测铸件的微观组织并推测铸件的机械性能，从而达到优化工艺方案，控制及确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，最终实现取得良好的经济效益[2]。随着计算机技术的发速发展，相继成功开发一系列专用的铸造凝固模拟软件，比较出名的有：德国 Magma公司的MAGMASOFT软件、英国的PHOENICS和英国Foseco 公司的 Solstar、法国AP公司的SIMULOR、日本小松制作所的Soldia 和日立制作所的S- CAST、澳大利亚CISRO 公司的CASTHERM、美国流体科学公司的FLOW-3D 和美国 UES 公司的Procast、清华大学研究开发的“铸造之星 FT- STAR”三维铸件充型凝固过程数值模拟分析系统、华中科技大学的华铸CAE等[2]。模拟技术已经大量应用于铸件的日常生产之中，在分析铸造缺陷、预测铸件质量、优化铸造工艺方面发挥着重要的作用[2]。1.1.3国内（外）在该方向研究现状及分析液态金属充型过程是铸造过程的中一个重要的阶段，充型过程中的不平稳和充填顺序不合理以及充型时间过长会造成卷气、冷隔和浇不足等缺陷[3]。但由于充型流动的模拟比起温度场的模拟更加复杂[3]。与凝固过程计算机模拟相比，充型过程计算机模拟起步较晚，在液态金属的充型过程中，金属液的流动绝大多数是紊流，而且充型时间非常短，并伴有传热现象，流场和温度场都在不断变化、相互影响[3]。此外，型腔内金属液与铸型间的热阻、型壁状况、入流条件、结晶潜热及固相率等都影响充型过程，使充型过程的计算机模拟成为一个相当复杂 的数值模拟问题[4]。由于离心铸造复合轧辊的充型过程中液态金属和铸型温度变化较大，因此充型模拟分析显得尤为重要[4]。进行充型模拟不仅可以模拟分析充型过程中液态金属的流动，预测缺陷，也为凝固模拟分析提供必要的初始温度场[4]。 铸造充型流动过程对铸件的最终质量有着重要的影响，平稳的充型流动过程，合理的充型顺序是获得 优质铸件的必要条件，是铸件形成过程的重要环节[4]。一方面，充型过程的数值模拟不仅能分析冒口系统和型腔中金属液的状况，还能优化冒口的设计消除流股分离和避免氧化，减轻金属液对铸型的侵蚀和冲击；另一方面，分析充型过程中金属液及铸型温度变化，预测冷隔和浇不足等铸造缺陷[4]。以上结果可用于优化浇冒系统设计，预测冷隔和浇不足等缺陷，同时为后续的凝固过程模拟分析提供初始 温度场条件[4]。国内外现已经开发了以流场模拟的实用化为目标相应的商品软件，如德国的MAGMASOFT、美国的PROCAST、FLOW-3D、清华大学的FT—STAR、华中科技大学的华铸 CAE 等，不仅能够有效地 预测铸件缩孔类缺陷，其准确性基本上达到了定量的程度，为铸造工艺的设计提供可靠的理论基础和实用参数，可实现铸造工艺的设计从经验化走向科学化[4]。1.2课题研究的内容目的和意义本次课题模拟了行星架的铸造过程，对其进行缺陷分析。尽量矫正行星架所存在的缺陷。通过查阅文献，对行星架进行砂型工艺的设计，确定相关的数据如：分型面，浇注位置以及铸造参数等。按照设计的数据画出三维图并通过计算机进行模拟。通过Anycasting模拟后就能够铸件的充型与凝固过程进行透视观察。从而可以得到工艺方案的准确数据并以此来分析方案的可靠程度，还能够缩短工艺的周期节约时间，降低铸造的生产成本。最后通过模拟的结果分析缺陷产生的位置与原因，进而对工艺方案进行改进，以此达到优化工艺方案的目的。第2章铸铁铸造性能及数值模拟基础2.1灰铸铁的铸造工艺性灰铸铁具有优良的铸造性能，在缺口敏感性、减震性和耐磨性方面有独特的优点[10]。由于灰铸铁的熔点低，成分接近于共晶点，灰铸铁件铸造成形时，不仅其流动性好，而且还因为在凝固过程中析出比体积较大的石墨，减小凝固收缩，容易获得优良的铸件，表现出良好的铸造性能[10]。灰铸铁基体中的石墨对铸铁件承受震动起缓冲作用，减弱晶粒间振动能的传递，并将振动能转变为热能，所以灰铸铁具有良好的减震性[10]。石墨本身也是一种良好的润滑剂，脱落在摩擦面上的石墨可起润滑作用，由于石墨剥落后留下的孔隙具有储存润滑剂的作用，因而灰铸铁具有良好的耐磨性能[10]。牌号HT250的灰铸铁件，铸件壁厚δ≥40mm，C：3.16～3.30%，Si：1.79～1.93%，Mn：0.89～1.04%，P:1.20~1.70%，S:0.094~0.125%。表2-1铸铁的凝固收缩率(%)碳含量2.02.53.03.54.0白口铸铁5.14.64.23.73.3灰口铸铁4.32.81.40.1-1.5由于HT250的化学成分为C：3.16～3.30%，所以铸件的凝固收缩率取1.0%。2.2浇注系统的设计原则浇注系统的设计需要遵循以下原则：（1）具有良好的阻渣能力；（2）浇注系统设计时要保证适当地缓冲力，确保金属液流入铸型内的线速度不能够太快了，防止产生飞溅、冲刷型壁或砂芯的不良后果；（3）在浇注系统设计时要确保冷铁和芯撑不被毁坏；（4）保证在浇注时最大限度减少对金属液的消耗，并且在浇注完毕后方便行清理。（5）尽可能地缩大中型腔体积，使造型变得更加简单，方便制出模样。2.3型砂配方型砂配方：采用90％的再生砂和10％的芯砂。使用大约占原砂总质量的1%呋喃Ⅱ型树脂和原砂进行混合。并加入少量的对甲苯磺酸作为固化剂，对于甲苯磺酸的加入量随着不同的季节需要适量的调整。在春季时，甲苯磺酸的加入量占树脂的40%；夏季占树脂的35％；秋季的加入量和冬季的差不多；冬季占树脂的45％。还得加入低含量的KH550作为偶联剂，占树脂的0.2％左右；芯砂配方：全部采用新砂。主要成分使用呋喃Ⅱ型树脂，大约1.2%的呋喃Ⅱ型树脂和原砂进行混合。通过适量的甲苯磺酸作为固化剂，甲苯磺酸加入量要根据季节变化进行适度调整。春季甲苯磺酸的加入量大概占树脂的40%;夏季占树脂的35％;秋季的加入量和冬季的差不多；冬季占树脂的45％。还必须要加入低;含量的KH550作为偶联剂，加入量占树脂的0.2％左右。表2-2型砂成分要求型砂SiO2含量耗酸值微粉含量含泥量原砂>97％>5>0.5％<0.2％再生砂>97％>5>0.5％>0.2％2.4数值模拟简介2.4.1AnycastingTM软件的介绍AnycastingTM是新一代基于Windows操作平台的高级铸造模拟软件系统[7]。同时更是一套专门针对各种铸造工艺过程开发的仿真模拟系统，可以进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析[6]。它专注于铸造成型过程，既可以模拟铸件的充填、传热和凝固过程，也可以模拟铸型的传热过程[6]。它借助于现代计算机技术，再现铸造工程师的工作成果，辅助他们高效快捷地完成工作任务，实现铸造成型工艺的完美化[6]。它能优化铸造企业的生产过程，最大程度地减少铸造生产过程中的试模次数，提高铸造生产效率和铸件质量，降低铸造生产成本[6]。2.4.2计算机数值模拟的操作过程1.利用ProE软件完成对铸件、浇注系统、冒口等部件的三维实体造型并组装，最后以*.stl格式分别将各部分保存副本[7]。2.将保存的*.stl文件全部导入anyPRE中，设置各部分组件属性，设置铸型，并对其划分网格[7]。3.设置材料属性、浇口条件、重力条件、收缩模块等参数，并设定输出条件[7]。4.利用Anycasting中的求解模块anySOLVER来模拟铸造充型以及凝固过程[7]。5.利用Anycasting中的后处理模块anyPOST读取anySOLVER生成的图形数据和结果文件，转化并分析三维图形模拟结果[7]。6.结合模拟三维图形分析改进铸造工艺设计方案，反复进行模拟，直至获得最优铸造工艺方案[7]。第3章铸造工艺的设计及模拟3.1砂型铸造方法的选择3.1.1造型制芯方法选择由于行星架的行星架廓尺寸适中，属于大中型灰铸铁件，所以属于单件大批量生产。根据现如今生产条件和成本等综合因素的综合考虑一般选择使用树脂自硬砂造型制芯。1、树脂砂在造型过程中具有以下优点：(1)型、芯砂可以在芯盒中在正常环境下逐渐硬化成型，可以极大地节约材料和人工成本，改善工人的作业环境；(2)型、芯砂在正常工作中还具有良好的流动性，只需要给与非常小的紧实力，就可以在造型中进行较好地填充型腔、芯腔各个部位，操作方便、高效，可以有效地减少工人的工作量；(3)树脂砂还具有良好的溃散性，铸件冲型完后，可以方便落砂、便与清理；(4)相对于传统的湿型砂等，可以改善车间工作环境，极大减少车间的粉尘，有利于工人的健康，并且可以明显提高车间的单位面积产；2、对于可以制芯采用自硬树脂砂，具有以下几点好处：(1)造型和制芯都采用树脂砂造型，因为都采用树脂砂，可以防止不同种砂的造型而造成混砂，导致难以清理。(2）制芯与造型都采用树脂砂造型，可用可以使用同一种新砂，可以方便进行组织生产，能够极大增强生产效率，从而缩减生产成本；3.1.2造型制芯的设备选用此次对型芯制造采用因为行星架是一大中型灰铸铁件，结构相对简单，可以成批量生产，所以采用机器造型的方法。机器造型有以下优点：（1）铸件的尺寸精度相对较高；（2)其加工表面光洁，而且生产效率高；（3）劳动条件好，易实现自动化，可以节约生产成本。表3-1制芯设备设备名称备注混砂设备双臂连续混砂机型号为S2530，生产率为25-30t∕h制芯设备单臂连续混砂机型号TYHD-05，生产率3-6t∕h紧实设备振动紧实台二维振动，频率20-50HZ3.1.3砂芯的设计及工艺设计参数1.砂芯的形状对于本次设计的零件为行星架，采用树脂自硬砂制芯，涉及不到砂芯的烘干。砂芯可以帮助铸件成型、确保铸件精度的关键因素。分析铸件的结构，因为该铸件为对称结构，铸件的尺寸较适中，只需要做一个整体砂芯如图3-1。图3-1砂芯2.砂芯的固定由于行星架的砂芯使用树脂自硬砂，所以制出的砂芯会有很高的强度，不容易发生损坏。砂芯在沙箱中发生偏移或者浮动，铸件将会容易产生一些损坏、缺失甚至发生较严重的变形从而导致铸件作废，因此，必须保证铸件的砂芯在砂型之中的位置足够的牢固。砂芯有两个垂直芯头和一个水平芯头可以确保砂芯在型砂中牢牢固定，不发生移动。因为铸件的内腔较简单，在整个砂芯的固定中无需采用芯撑等结构。3.芯头的设计芯头是伸出铸件型腔以外的砂芯一部分，它可以起到定位砂芯的作用[27]。根据行星架的型腔结构，设置两个垂直芯头。垂直芯头：根据《铸造工艺手册5》表（3-83）因为L=790mm,D=290mm，取间隙S=0.5，H垂直=60mm。单边斜度为15度。3.2初步铸造工艺的设计及模拟3.2.1铸造工艺方案的设计1.审查铸件结构所要生产的铸件的结构合理与否直接影响铸件的质量，结构合理的铸件在铸造过程中能够有效地避免许多铸造缺陷。行星架的三视图如图3-2所示，通过所给零件图可知行星架的外行星架廓尺寸为880×880×790mm，其左右结构对称，上下结构和前后结构也比较对称，行星架的内部结构相对简单，壁厚均匀，主要壁厚为60mm，最大壁厚处是80mm，最大孔径为Φ290mm,最小孔径为Φ120mm。图3-2零件三视图由于行星架是大中型灰铸铁件，而且铸件的壁厚均匀，材料为HT250，属于灰铸铁，浇注温度比较低，但流动性好，所以在浇注和凝固的过程中不容易产生浇不足、缩孔、缩松以及变形等缺陷。2.分型面的选择选好分型面可以极大的简化铸造工艺、节约劳动成本，增强生产的效率，在提升铸件质量方面起到关键作用。根据行星架的结构特点确定以下两种分型面分型方法:图3-3分型面方案一：如图a所示，行星架从图中可以看到铸件均布在上下箱，而且上下模样过高，这将会极大地增加造型过程的工作量和工作难度；方案二：如图b所示，有以下几个优点：分型面位于行星架厚度的中间，且在铸件最大断面处，造型时相比第一种方案更加的简单方便。综合上述二种方案的优缺点比较，可以确定分型面依据上述方案b。3.浇注位置的确定由于行星架是大中型灰铸铁件，质量较轻。充型金属液为HT250，浇注温度较低冷却较快，金属凝固时没有实现顺序凝固的可能，所以设置浇注位置时尽量使金属液同时凝固，而且浇注位置要设置到零件的加工面上，易于清理，保证铸件的表面质量与美观。选定的浇注位置如图3-4所示：图3-4浇注位置3.2.2铸造工艺参数的确定表3-2铸造工艺参数参数名称参数铸件尺寸公差查阅GB/T6414-1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》选取机械加工余量CT10，尺寸公差数值为4mm。机械加工余量《铸造工艺手册5》表3-60，行星架为GB/T6414-1999-CT9-RMA6.3(G)。分型负数上箱和下箱分模造型，上下箱对称分布，分型负数选定为2mm起模斜度为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定的出模斜度。铸件技术要求起模斜度为5O。最小铸出孔所有孔径均大于最小铸出孔直径，故均需铸出。6.砂箱的选择砂箱是铸件生产的主要工艺装备正确设计和选择砂箱对更好满足生产要求，提高劳动生产率有着重要的作用。砂箱的设计应根据零件的具体铸造工艺、生产条件和成型设备而定；应满足铸造工艺要求，如保证砂箱与模具之间有足够的吸砂量，不妨碍铸件收缩等；与砂模有一定的粘合性，不掉砂，易掉砂；应有足够的强度和刚度条件，保证使用中不发生断裂和变形；结构简单单一，易于制造，价格低廉。同时，最好规范化，降低成本。铸件机械造型用砂箱选择灰铸铁作为砂箱材料。根据《铸造手册》表4-99通用砂箱，选择砂箱的尺寸：上箱为1300×1500×500mm下箱为1300×1500×900mm。3.2.3浇注系统的设计及计算1.浇注系统的类型由于行星架是灰铸铁件，根据《铸造工艺手册》表3-132各类型浇注系统的特点和应用，可以知道开放式浇注系统适用于非铁合金等易氧化金属件，行星架属于灰铸铁件，选择封闭式浇注系统[27]。浇注位置如图3-5所示，之所以这样选择是因为不仅能使金属液平稳的充满型腔，还能够使铸件组织变得更好，对铸件的凝固补缩与清理有好处。图3-5浇注系统示意图2.决定直浇道的位置和高度将浇口高度设置为砂箱高500mm。但是，应检查高度是否足够。图3-6压力角直浇道的剩余压力角应满足压力角的要求。本铸件的宽为880mm，所以L=1300mm，铸件的平均壁厚为60mm，根据铸造工艺学课本[28]最小压力角选取表格，角度选定6°～7°之间。根据公式Hm/L≥tgα对砂箱高度进行验算。经核算验证了所选砂箱符合本铸件，能够保证金属液体充满型腔。3.计算浇注时间由经验公式t=Amn并通过τ≤C/V型min。进而确定浇注时间。t=Amn(3-1)t--为浇注时间(s);A--与壁厚相关的系数；m--铸件质量。使用ProE测量铸件的三维实体图形质量，设置铸件密度7.2×103kg/dm3，可知铸件质量为m=700kg。浇注时间为t=Amn=（1.63～2.2）×7000.5=43～58.2s查表铸铁件壁厚35mm，所以取液面最小上升速度V型min=17.5mm/s，t≤880/17.5=50.28s。为了减少铸件夹砂类缺陷的可能性，因此选择快浇，这种浇注方式还易于充满型腔，最终决定浇注时间t=50.28s。4.各浇道口截面积计算由铸造工艺学课本[28]铸铁件的流量系数μ值表，选取流量系数μ=0.35。充型时平均压力头：Hp=Ho=500mm（3-2）根据奥赞公式，封闭式浇注系统的阻流截面积：（3-3）公式中：m--充填铸型所需金属液;t--为充填时间;μ--为流量系数;Hg--为充型平均静压头。铸造工艺学课本[28]选择封闭式浇注系统浇口比∑S内：∑S横：∑S直=1:1.2:1.4。确定直浇道的个数为1，横浇道个数为2，内浇道数为2，则各组元的单个截面积分别为：S直=34.79cm2，S横=14.91cm2，S内=12.43cm2。本次设计选取圆锥形直浇道，因为圆锥形直浇道模制造容易、造型方便，所以适用于中、大中型铸件。大中型灰铸铁件一般选择截面为扁平平面的内浇道。因为扁平内浇道可以有效地防止金属液吸渣而进入型腔内，扁平内浇道还能够通过分散分布、增减其数目的少来有效地调节温差和凝固顺序，内浇道的入口处需要进行适当的倒圆，向型腔口型腔方向逐渐加宽的扩张式引入方法[28]。根据铸造手册，选择最接近的标准值，并得到各部分组元尺寸如图3-7所示：图3-7浇注系统横截面3.1.4铸造模拟结果分析从图3-8模拟充型的截图中分析可得：金属液充型较快且液面上升较为平稳。充型开始时，横浇道、内浇道均处于充满状态，避免了金属液的激溅。当充型达100%时，整个型腔呈充满状态，不存在浇不足现象。图3-8充型时间从图3-9分析可知，铸件的缩孔位于图中的铸件顶部平面处，顶部由于最后凝固，金属液凝固收缩，造成顶面部位产生缩孔。缩孔主要位于铸件的最高处。图3-9凝固缺陷3.3顶注式浇注系统工艺的设计及模拟3.3.1浇注系统的设计1.核算直浇道高度根据铸件的尺寸、质量来定义砂箱的尺寸，铸件尺寸为：L=880mm，B=880mm，H=790mm，根据软件测量铸件质量为799kg，铸件机械造型用砂箱选择灰铸铁作为砂箱材料。根据《铸造手册》表4-99通用砂箱，选择砂箱的尺寸：上箱为1300×1500×500mm下箱为1300×1500×500mm本铸件的宽为880mm，所以L=1300mm，铸件的平均壁厚为60mm，根据铸造工艺学课本[28]最小压力角选取表格，角度选定6°～7°之间。根据公式Hm/L≥tgα对砂箱高度进行验算。经核算验证了所选砂箱符合本铸件，能够保证金属液体充满型腔。2.浇注时间的确定浇注时间为t=Amn=（1.63～2.2）×7000.5=43～58.2s,查表铸铁件壁厚35mm，所以取液面最小上升速度V型min=17.5mm/s，t≤790/17.5=45.14s。确定浇口比并计算各组元截面积由铸造工艺学课本[28]铸铁件的流量系数μ值表，选取流量系数μ=0.35。充型时平均压力头：Hp=Ho=500mm(3-4)根据奥赞公式，封闭式浇注系统的阻流截面积：(3-5)铸造工艺学课本[28]选择封闭式浇注系统浇口比∑S内：∑S横：∑S直=1:1.2:1.4。直浇道数量为1，横浇道数量为2，内浇道数量为2，则各组元的单个截面积分别为：则各组元的单个截面积分别为：S直=38.64cm2，S横=16.44cm2，S内=13.7cm2。查铸造手册[27]，选择最接近的标准值，并得到各部分组元尺寸。如图3-10所示。图3-10浇注系统横截面3.3.2铸造模拟结果分析从图3-11模拟充型过程图中分析可得：金属液充型较快，金属液进入型腔时，对中间竖直大砂芯冲击较大，由于铸件较高，金属液有激溅发生，有可能会产生偏芯现象，铸件容易产生氧化和铁豆缺陷。图3-11充型时间从图3-12分析可知，铸件的缩孔位于图中的铸件顶部平面处，顶部由于最后凝固，金属液凝固收缩，造成顶面大平板部位产生缩孔。缩孔主要位于铸件的最高处。图3-12凝固缺陷3.4改进铸造工艺的设计及模拟比较上述两个不同方案，第一个方案充型平稳，对砂芯冲刷很小；第二个方案由于铸件高度较大，充型时对地面砂型以及中心砂芯冲击较大，产生了激溅现象，液面上升时有紊流现象。综上所述，选择较优的第一套方案来进行优化和改进工艺的设计。3.4.1冒口的设计因为改进铸造工艺的铸造工艺方案以及参数并没有改变。浇注时间仍然为t=50.28s，在原来的基础上加上冒口和冷铁。由于本铸件的缩孔和缩松都位于铸件的上表面以及顶上突出部分，所以本件不需要加冷铁。根据模数法，Mr=fMc。为了使冒口不比铸件早凝固，使冒口达到补缩的目的，通常取f=1.0～1.2，本次设计取f=1.2。铸件模数Mc=V/A，铸件体积V=8.37×104cm3，铸件表面散热面积A=3.8×104cm2，则：Mc=8.37×104/3.8×104=2.3cm，Mr=1.2Mc=1.2×2.3=2.8cm则冒口的模数为Mr=2.8cm，查铸造手册[27]表3-244，采用如图3-13所示的冒口，尺寸为d=150mm，h=200mm，D=180mm。图3-13冒口及装配图为使冒口能够起到补缩的作用，因此要对冒口进行补缩校核。其共式中—铸件体积、冒口体积和因型壁移动而扩大的体积。的值对舂砂紧实的型近似为零。对受热后易软化的铸型或松软的湿型，应根据实际情况确定；（3-6）—金属从浇完到凝固完毕的体收缩率为3%；—冒口补缩效率15%。得：2511cm32632.4cm3所以冒口可以提供足够的金属液。3.4.2模拟结果分析根据铸造工艺方案加上冒口进行模拟，其他参数不变。通过图3-14可以看出，加入冒口后，原本圈中处于铸件顶部平面部位的缩孔已经完全补缩，缩孔全在冒口处。本铸件的改进方案取得成功。图3-14凝固缺陷3.5本章小结本章设计了HT250行星架零件的初始工艺方案以及改进后的工艺方案，并运用Anycasting进行了数值模拟，结合3.1与3.3小节进行分析，在设计冒口后铸件上的缩孔消失，进而工艺方案得到优化。第4章优化铸造工艺的设计通过以上各种铸造工艺的计算机数值模拟分析结果，可以确定改进后的铸造工艺方案为最为优化的铸造工艺。从它的模拟结果来看，它已经成功解决了铸件的缩孔。现在对整个铸造工艺设计进行总结。4.1最终方案的确定4.1.1最终方案1.分型面分型面选择如图4-1所示：图4-1分型面分型面位于行星架厚度的中间，且在铸件最大断面处，造型时相比第一种方案更加的简单方便。2浇注位置选定的浇注位置如图4-2所示：这样选取能使金属液同时凝固，而且浇注位置要设置到零件的加工面上，易于清理，保证铸件的表面质量与美观。图4-2浇注位置示意图4.1.2铸造工艺参数的确定铸造工艺参数同表3-2所确定一致，在此额外补充详细数据。1.机械加工余量行星架为大中型灰铸铁件，因为采用机器造型。根据《铸造工艺手册5》表3-60，行星架为GB/T6414-1999-CT9-RMA6.3(G)。图4-2各加工面示意图表4-1各加工面的机械加工余量序号基本尺寸mm加工余量等级(MA)加工余量数值mm说明1370G10重要加工面，降一级，单侧加工2350G10重要加工面，降一级，单侧加工3R100G3孔降一级4R60G3孔降一级5R170G5孔降一级2.最小铸出孔行星架零件为大批量、中型铸件，根据铸件要求，孔都铸出，对照手册最小铸出孔表，得所有孔径均大于最小铸出孔直径，故均需铸出。表4-2铸铁件的最小铸出孔的尺寸铸件厚度＜5050～100100～200＞200应铸出的最小孔径灰铸铁303540另行规定球墨铸铁354045另行规定4.1.3浇注系统1.浇注系统的类型本次设计结合行星架得结构特点与分型面最终确定浇注系统为中注式浇注系统。其特点为：同时具备底注式与顶注式的特点，而且能够便于排气与集渣。如图4-3所示。图4-3浇注系统示意图2.决定直浇道的位置和高度为了能够让直浇道的剩余压力角应满足压力角的要求，将直浇道高度设置为沙箱的高度为500mm。行星架铸件的宽为880mm，所以L=1300mm，铸件的平均壁厚为60mm，根据铸造工艺学课本[28]最小压力角选取表格，角度选定6°～7°之间。根据公式Hm/L≥tgα对砂箱高度进行验算。经核算验证了所选砂箱符合本铸件，能够保证金属液体充满型腔。图4-4压力角3.计算浇注时间使用ProE测量铸件的三维实体图形质量，设置铸件密度7.2×103kg/dm3，可知铸件质量为m=700kg。浇注时间为t=Amn=（1.63～2.2）×7000.5=43～58.2s查表铸铁件壁厚35mm，所以取液面最小上升速度V型min=17.5mm/s，t≤880/17.5=50.28s。表4-3型内铸铁液最小上升速度铸件壁厚δ/mmV型min/(mm/s)＜40，水平浇注大平板8～10＞40，上箱有大平面20～3010～4010～204～1020～301.5～430～1005.确定浇口比并计算各组元截面积由铸造工艺学课本[28]铸铁件的流量系数μ值表，选取流量系数μ=0.35。充型时平均压力头：Hp=Ho=500mm（4-1）根据奥赞公式，封闭式浇注系统的阻流截面积：（4-2）公式中：m--充填铸型所需金属液;t--为充填时间;μ--为流量系数;Hg--为充型平均静压头。铸造工艺学课本[28]选择封闭式浇注系统浇口比∑S内：∑S横：∑S直=1:1.2:1.4。直浇道数量为1，横浇道数量为2，内浇道数量为2，则各组元的单个截面积分别为：S直=34.79cm2，S横=14.91cm2，S内=12.43cm2。本次设计选取圆锥形直浇道，因为圆锥形直浇道模制造容易、造型方便，所以适用于中、大中型铸件。大中型灰铸铁件一般选择截面为扁平平面的内浇道。因为扁平内浇道可以有效地防止金属液吸渣而进入型腔内，扁平内浇道还能够通过分散分布、增减其数目的少来有效地调节温差和凝固顺序，内浇道的入口处需要进行适当的倒圆，向型腔口型腔方向逐渐加宽的扩张式引入方法。根据铸造手册[27]，选择最接近的标准值，并得到各部分组元尺寸如图4-5所示：图4-5浇注系统横截面得到的最优方案实体图，如图4-6所示。图4-6最优方案实体图4.2工艺出品率的计算根据ProE软件测出原始铸件质量m1=700kg，浇注系统总质量m2=17kg，冒口总质量m3=93kg，最后算得铸件工艺出品率=m1/(m1+m2+m3)=86.4%。4.3本章小结本章设计了HT250行星架零件的最优铸造工艺方案，根据第3章的模拟及验证，详细地给出了较优铸造工艺的设计过程和计算过程，同时给出了最优铸造工艺的工艺出品率。为铸件的实际生产提供了参考。结论本文对HT250行星架零件进行了砂型铸造工艺设计，并利用计算机对铸造工艺进行数值模拟，得到如下结论：1.选用的浇注位置使大平面处于垂直位置，从而避免了夹砂结疤缺陷，同时也避免了大平面向上而引起的浇不足现象。2.通过中间注入式浇注系统一箱一件的设计，有利于金属液平稳流动，便于集渣、排气，并根据模拟结果，针对顶部缩孔缺陷设计了圆柱形冒口，达到了补缩的目的，成功避免了铸件顶部的缩孔缺陷的产生。。致谢本论文是在指导教师安勇良老师的精心指导下完成的。安老师在繁忙的教学与科研工作中仍不懈地花费大量心血和宝贵时间来指导我们，帮助我把握课题的方向、确定课题研究的内容以及论文撰写工作等，在此，谨向安老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！此外，在论文写作期间，同班以及同寝室的同学给予了关心、支持与帮助，在此向他们表示诚挚的谢意！最后，向所有在大学四年中给予过我关心、支持和帮助的老师和同学们表示诚挚的感谢，并祝愿大家有一个美好的明天。参考文献赵恒涛,米国发,王狂飞.铸造充型及凝固过程模拟研究概况[J].航天制造技术,2007,1:28-33曹洪吉,宋延沛,王文炎.铸造过程计算机模拟研究应用现状与发展[J].河南科技大学学报,2006,27(1):5-8孙逊,安阁英,苏仕方等.铸件充型凝固过程数值模拟发展现状[J].铸造,2000,49(2):84-88廖敦明,林汉同等.铸造热应力数值模拟研究的最新进展[J].现代铸铁,2000,4:4-7牛晓峰,梁伟,赵宇宏等.VTK显示技术在铸造模拟软件中的应用[J].铸造技术.2010,9:1241柳百成,荆涛等.铸造过程的模拟仿真与质量控制[M].北京机械工程出版社,2001杨亚杰.铸造模拟软件ProCast.软件世界.2003,7:109-111刘瑞祥,陈立亮,魏华胜等.铸件凝固过程数值模拟的生产应用[J].现代铸铁.2003,4:34-36刘瑞祥,周建兴,魏华胜,林汉同.开发中国自主版权的铸造CAE实用软件[J].铸造,2001,50(11):692-695柳百成.面向21世纪的铸造技术[J].