輸油管接頭的鑄造工藝設(shè)計及其優(yōu)化論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　西安文理學(xué)院</b></p><p>　　物理與機械電子工程學(xué)院</p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　題 目 輸油管接頭的鑄造工藝設(shè)計及其優(yōu)化 </p><p>　　專業(yè)班級 08機械設(shè)計制造及其自動化（2）班 </p><p>　　

2、學(xué) 號 08102080241 </p><p>　　學(xué)生姓名 白粉毅 </p><p>　　指導(dǎo)教師 何斌鋒 羅振元 </p><p>　　設(shè)計所在單位 西安文理學(xué)院 </p>

3、<p>　　2012年 05 月</p><p>　　輸油管接頭的鑄造工藝設(shè)計及其優(yōu)化</p><p><b>　　摘要:</b></p><p>　　通過分析零件的結(jié)構(gòu)和特點，選用粘土濕型砂手工造型方法，采用兩箱造型并確定了澆注位置和分型面。確定了機械加工余量、起模斜度、鑄造收縮率等工藝參數(shù)。根據(jù)各鑄造工藝參數(shù)，用Pro/E軟

4、件畫出鑄件的3D圖。根據(jù)鑄件形狀特點，設(shè)計了內(nèi)腔處1#、底部2#兩個砂芯。采用開放式中注澆注系統(tǒng)對鑄件進行澆注，利用奧贊公式計算阻流截面積，確定澆注系統(tǒng)的各截面積和尺寸，并完成對冒口的初步設(shè)計。用View Cast鑄造模擬軟件對未設(shè)冒口的的鑄件進行凝固過程數(shù)值模擬，模擬結(jié)果顯示所產(chǎn)生的缺陷與之前設(shè)想一致。采用頂部收縮冒口和兩側(cè)各圓柱形冒口對鑄件進行補縮。再用View Cast軟件對帶有冒口和澆注系統(tǒng)的鑄件進行充型和凝固過程數(shù)值模擬，模擬

5、結(jié)果顯示澆注過程平穩(wěn)，未出現(xiàn)紊流現(xiàn)象，鑄件無缺陷。通過減小尺寸對冒口進行優(yōu)化。</p><p>　　關(guān)鍵詞：鑄造工藝；數(shù)值模擬；凝固過程；充型過程</p><p>　　The casting process and optimization of the oil pipe connector</p><p><b>　　Abstract：</b>

6、;</p><p>　　Green sand hand-modeling method was selected and two boxes of modeling and sub-surface was determined by analyzing the structure and characteristics of the parts. Machining allowance, from the mod

7、e slope, casting shrinkage process parameters was identified by inquiry about data. Pro / Engineer software were used to draw 3D solid modeling of the casting. Two cores be designed according to the characteristics of sh

8、ape castings, which are the inner cavity #1and the bottom #2 cores. The Note gating </p><p>　　Keywords：Casting process；Numerical Simulation；Solidification process；Filling Process</p><p><b>

9、;　　目錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1選題背景和研究意義1</p><p>　　1.2本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢2</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容3</p><p>　　1.3.1鑄造工藝研究3&

10、lt;/p><p>　　1.3.2澆注系統(tǒng)的設(shè)計3</p><p>　　1.3.3補縮系統(tǒng)的設(shè)計3</p><p>　　1.3.4用鑄造軟件模擬3</p><p>　　第二章 鑄件簡述5</p><p><b>　　2.1零件名稱5</b></p><p><

11、b>　　2.2 用途5</b></p><p><b>　　2.3 材質(zhì)5</b></p><p>　　2.4 技術(shù)要求6</p><p>　　第三章 鑄造工藝方案7</p><p>　　3.1工藝方法和說明7</p><p>　　3.2 分型面選擇7</p&g

12、t;<p>　　3.3 澆注位置的選擇7</p><p>　　3.4 型腔數(shù)量的設(shè)計8</p><p>　　3.5 砂芯設(shè)計8</p><p>　　3.5.1 造芯方法與造芯數(shù)量8</p><p>　　3.5.2 砂芯的結(jié)構(gòu)與尺寸9</p><p>　　3.6 工藝參數(shù)10</p&g

13、t;<p>　　3.6.1 鑄件的尺寸公差10</p><p>　　3.6.2 鑄件的質(zhì)量公差10</p><p>　　3.6.3 機械加工余量10</p><p>　　3.6.4 鑄件模樣的起模斜度11</p><p>　　3.6.5 鑄造收縮率11</p><p>　　3.6.6

14、最小鑄出孔及槽11</p><p>　　3.7 澆注系統(tǒng)的設(shè)計11</p><p>　　3.8 冒口的計算13</p><p>　　第四章 鑄件充型及凝固過程數(shù)值模擬15</p><p>　　4.1 View Cast的實現(xiàn)過程15</p><p>　　4.2 鑄造工藝方案的凝固過程模擬15</

15、p><p>　　4.3 利用View Cast軟件設(shè)計冒口17</p><p>　　4.4冒口的優(yōu)化20</p><p>　　4.4.1 凝固過程數(shù)值模擬20</p><p>　　4.4.2 充沖型過程數(shù)值模擬22</p><p><b>　　結(jié)束語25</b></p>&

16、lt;p><b>　　致謝26</b></p><p><b>　　參考文獻27</b></p><p>　　附錄錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1選題背景和研究意義</p><p&

17、gt;　　鑄造行業(yè)作為一個古老的行業(yè)，在數(shù)千年人類發(fā)展過程中，曾經(jīng)為人類文明的發(fā)展與進步作出了巨大貢獻。早在5000年前的殷商時代，可以鑄造飲酒用的杯，當(dāng)作樂器用編鐘,祭祀用的銅鼎，打仗用的武器等, 被譽為世界奇跡。青銅器的鑄造就很發(fā)達，湖北隋縣出土的一套青銅全套64支，總重5噸多，氣勢磅礴，鑄造精美，紋路精細(xì)，敲擊時鏗鏘悅耳，深沉渾厚，樂音和諧，扣人心弦。到了漢代，生鐵鑄造就已成規(guī)模。各種農(nóng)業(yè)用工具，打仗用刀斧劍炮，裝飾用鐵人、鐵馬、

18、方鼎，品種繁多?？脊虐l(fā)現(xiàn)，當(dāng)時可鍛鑄鐵在中國使用己經(jīng)很廣泛。而西方在公元1670年才發(fā)明歐法的白心可鍛鑄鐵。中國古代的鑄鐵生產(chǎn)技術(shù)要比歐洲早1000多年[1]。 目前，我國鑄件年產(chǎn)量已超過3100萬噸，居世界第一，是世界鑄造生產(chǎn)大國。由于鑄造業(yè)其產(chǎn)品質(zhì)量不易保證，廢品率較高，所以在我國改革開放和經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展的不斷深入以及國際市場競爭更加激烈、嚴(yán)格的條件下，對鑄件生產(chǎn)實現(xiàn)科學(xué)化控制，確保鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低鑄件成本，增加

19、競爭能力，提高經(jīng)濟效益，加速產(chǎn)品更新和技術(shù)換代，對于促進我國傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造和國民經(jīng)濟向質(zhì)量效益型健康發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實意義</p><p>　　從六十年代初凝固模擬技術(shù)首次被用來進行溫度場研究開始，經(jīng)過數(shù)十年的努力，鑄件充型凝固過程的計算機模擬仿真技術(shù)的發(fā)展已進入了工程實用化階段，鑄造工藝設(shè)計和實施也正在逐步由經(jīng)驗走向科學(xué)化。近年來，隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，鑄造工藝計算機輔助設(shè)計，鑄件凝固過程數(shù)值模擬

20、等多項技術(shù)在鑄造生產(chǎn)過程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)在改造和提升傳統(tǒng)鑄造技術(shù)，降低產(chǎn)品成本，提高鑄造企業(yè)競爭力等方面起到了不可替代的作用，其廣泛應(yīng)用必將為鑄造行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。</p><p>　　鑄件充型凝固數(shù)值模擬系統(tǒng)主要包括前處理、充型計算、凝固計算和后處理幾個主要模塊。鑄件凝固過程模擬包括溫度場計算、縮孔縮松預(yù)測、微觀組織形成以及其它場的模擬計算，其中溫度場計算、縮孔縮松預(yù)

21、測，被學(xué)者稱為鑄件凝固過程的宏觀模擬。目前，一般的溫度場模擬已基本成熟，縮松、縮孔等缺陷預(yù)測也得到了深入研究。對于數(shù)值模擬軟件而言，縮松、縮孔的預(yù)測是凝固計算的主要目的之一，也是大多數(shù)凝固模擬軟件的主要功能之一，但是目前軟件的推廣以及應(yīng)用還并不完善。</p><p>　　縮孔是鋁合金鑄件常見缺陷之一，嚴(yán)重的縮孔缺陷往往造成鑄件的大量報廢。目前國內(nèi)的鋁鑄件生產(chǎn)廠家主要是通過質(zhì)量的檢測和工藝的改進相結(jié)合的辦法來減輕或

22、消除此類缺陷。產(chǎn)品的試制時間較長，并造成了人力、物力的浪費。計算機模擬技術(shù)為預(yù)測鑄件缺陷，確保鑄件質(zhì)量提供了一種簡便、經(jīng)濟的方法。對凝固過程的計算機模擬也成功的用于澆冒口的輔助設(shè)計，但大都偏重于鑄鋼、鑄鐵件的應(yīng)用，對鋁合金的應(yīng)用研究較少。80年代中期以來，隨著計算機軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造過程中得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，隨著模擬研究的不斷發(fā)展，模擬研究的重點已經(jīng)從早期的溫度場模擬和近幾年較受關(guān)注的流場模擬轉(zhuǎn)向了以下

23、兩個方面：一個是向微觀組織模擬以及力學(xué)性能模擬等方面進行深入的探討，尋求新的突破；另一個是在已有的溫度場、流場的模擬基礎(chǔ)上，針對特定的鑄造工藝，且對各項參數(shù)十分敏感的特種鑄造工藝，結(jié)合各種工藝因素進行模擬，追求更加準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，為工藝分析與優(yōu)化提供依據(jù)。對實際的鑄造生產(chǎn)而言，后者具有更加現(xiàn)實的意義。這意味著在未來的幾年里,凝固模擬將進一步在各種新的鑄造工藝中應(yīng)用。</p><p>　　對鋁鑄件滲漏的研究主要集中

24、于以下方面: </p><p>　　1)利用數(shù)學(xué)的方法分析縮松、縮孔形成的熱力學(xué)和動力學(xué)因素,建立數(shù)學(xué)模型,使用</p><p>　　計算機模擬鑄件凝固過程,確定鑄件中縮孔縮松形成的部位,然后進行分析并改變模型中的工藝參數(shù)以達到消除或減輕縮松的目的,最終用于指導(dǎo)鋁合金鑄件的生產(chǎn)。 </p><p>　　2)依據(jù)凝固過程的特性,在生產(chǎn)實踐中通過反復(fù)試驗,探索縮孔、縮松

25、形成的原因和機理,針對成因改進工藝消除或減輕縮松、縮孔,以達到防治滲漏的目的。</p><p>　　1.2本課題在國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢</p><p>　　發(fā)達國家總體上鑄造技術(shù)先進、產(chǎn)品質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、環(huán)境污染少。生產(chǎn)普遍實現(xiàn)機械化、自動化、智能化（計算機控制、機器人操作）。廣泛應(yīng)用合金包芯線處理技術(shù)，使球鐵、蠕鐵和孕育鑄鐵工藝穩(wěn)定、合金元素收得率高、處理過程無污染，實現(xiàn)了微機

26、自動化控制。在大批量中小鑄件的生產(chǎn)中，大多采用微機控制的高密度靜壓、射壓或氣沖造型機械化、自動化高效流水線濕型砂造型工藝,砂處理采用高效連續(xù)混砂機、人工智能型砂在線控制專家系統(tǒng), 制芯工藝普遍采用樹脂砂熱、溫芯盒法和冷芯盒法。在工藝設(shè)計、模具加工中，采用CAD/CAM/RPM技術(shù)；在鑄造機械的專業(yè)化、成套化制備中，開始采用CIMS技術(shù)。</p><p>　　總體上，我國鑄造領(lǐng)域的學(xué)術(shù)研究并不落后，很多研究成果居國

27、際先進水平，但轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的少。國內(nèi)鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平高的僅限于少數(shù)骨干企業(yè)，行業(yè)整體技術(shù)水平落后，鑄件質(zhì)量低，材料、能源消耗高，經(jīng)濟效益差，勞動條件惡劣，污染嚴(yán)重。近年開始引進AOD、VOD等精煉設(shè)備和技術(shù)，進步了高級合金鑄鋼的內(nèi)在質(zhì)量；應(yīng)用過濾技術(shù)于缸體、缸蓋等高強度薄壁鑄件流水線生產(chǎn)中，減少了缺陷，改善了鑄件內(nèi)在質(zhì)量；人工智能技術(shù)在灰鑄鐵性能預(yù)測中應(yīng)用；鑄造塵毒治理、污水凈化、廢渣利用等取得系列成果，并開發(fā)出多種鑄造環(huán)保技術(shù)（如

28、污水凈化循環(huán)回用系統(tǒng)，鑄造舊砂干濕法再生技術(shù)、鑄造廢砂爐渣廢塑料制作復(fù)合材料技術(shù)等）。</p><p>　　“綠色鑄造”的呼聲正在迅速成為鑄造技術(shù)發(fā)展的指揮棒，開發(fā)降低生產(chǎn)成本、材料再利用和減少環(huán)境污染的技術(shù)是全球鑄造的最終目標(biāo)。為提高汽車缸體缸蓋重要鑄件內(nèi)腔尺寸精度和表面質(zhì)量，解決鑄鋼件殼型鑄造中粘砂、表面粗糙等問題，推廣非占位涂料或高滲透、薄層涂料技術(shù)與覆模砂技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用。采用精密、大型、薄壁熔模鑄件成形技

29、術(shù)；采用快速成形技術(shù)替代傳統(tǒng)蠟?zāi)３尚渭夹g(shù)，簡化工藝，縮短生產(chǎn)周期；開發(fā)復(fù)雜、薄壁、致密壓鑄件生產(chǎn)技術(shù)，推動低壓鑄造向差壓鑄造的發(fā)展。發(fā)展金屬半固態(tài)連續(xù)鑄造技術(shù)；推廣樹脂砂、金屬型及覆砂金屬型等高精度、近無切削的高效鑄造技術(shù)；推廣無鑄型電磁鑄造技術(shù)；開展噴鑄技術(shù)的研究和應(yīng)用。推行計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)，借助計算機網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫集成各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，綜合運用現(xiàn)代管理技術(shù)、制造技術(shù)、信息技術(shù)、系統(tǒng)工程技術(shù)，將鑄造生產(chǎn)全過程中有關(guān)人、技術(shù)

30、、設(shè)備與經(jīng)營管理要素及信息流、物質(zhì)流有機集成，實現(xiàn)鑄造行業(yè)整體優(yōu)化。</p><p>　　1.3 主要研究內(nèi)容</p><p>　　1.3.1鑄造工藝研究</p><p>　　根據(jù)輸油管零件圖計算毛坯圖的尺寸并繪制其三維模型、確定鑄造工藝過程中所涉及到的各參數(shù)，如：鑄造溫度、所用型芯的數(shù)目、澆注系統(tǒng)類型等。</p><p>　　1.3.2澆注

31、系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　首先計算出輸油管接頭鑄件的毛坯尺寸，根據(jù)冒口及整個鑄件的高度確定出直澆道的總高度，鑄件材料流動性選擇澆道形狀，根據(jù)毛坯的形狀選擇分型面及型芯的放置位置。</p><p>　　1.3.3補縮系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　根據(jù)鑄造手冊以及經(jīng)驗公式分析確定何處會出現(xiàn)缺陷，設(shè)計補縮系統(tǒng)。根據(jù)鑄件的材料、所選型砂的強度確定是否需要冒口；根據(jù)鑄

32、件的厚度，查閱手冊確定是否要用冷鐵及冷鐵的尺寸、個數(shù)。</p><p>　　1.3.4用鑄造軟件模擬</p><p>　　采用Pro/E進行造型，通過鑄造模擬軟件進行驗證澆注系統(tǒng)和補縮系統(tǒng)是否能夠保證鑄件無缺陷；若有缺陷，對其進行優(yōu)化。</p><p><b>　　第二章 鑄件簡述</b></p><p><b&

33、gt;　　2.1零件名稱</b></p><p><b>　　輸油管接頭</b></p><p><b>　　2.2 用途</b></p><p>　　輸油管接頭是用于輸油管連接處起連接和轉(zhuǎn)向作用的主要零件。</p><p><b>　　2.3 材質(zhì)</b><

34、/p><p>　　該輸油管接頭的材質(zhì)為ZL104-T6，其成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))見表2.1：</p><p>　　表2.1 ZL104-T6的成分</p><p>　　零件圖如下圖2.1所示：</p><p><b>　　圖2.1 零件圖</b></p><p>　　根據(jù)零件圖在Pro/e軟件中繪制鑄件的

35、三維圖，如下圖2.2所示：</p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖2.2 零件的三維實體圖（(a)視角1，(b)視角2）</p><p>　　根據(jù)三維圖測得鑄件體積為：244.0049cm³</p><p>　　查表得ZL104的密度為：2.7 g/ cm³</p&

36、gt;<p>　　則經(jīng)過計算得鑄件的質(zhì)量為：658.8g</p><p><b>　　2.4 技術(shù)要求</b></p><p>　?。?）拔模斜度為1~2°。單件生產(chǎn)。</p><p>　?。?）未注明的圓角為R3。</p><p>　?。?）在5kg /cm³煤油的壓力下進行氣密性試驗

37、，保持5分鐘不滲透。</p><p>　?。?）鑄件表面陽極化處理，鑄件采用T6熱處理。</p><p>　?。?）鑄件尺寸公差按HB6103-86 CT9。</p><p>　　第三章 鑄造工藝方案</p><p>　　3.1工藝方法和說明</p><p>　　該輸油管接頭鑄件質(zhì)量約658.8g，屬于較小型鑄件。鑄件

38、的外部結(jié)構(gòu)簡單但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較小且分布較均勻，單件生產(chǎn)。出于降低鑄件生產(chǎn)成本和保護環(huán)境的考慮，同時滿足鑄件精度及技術(shù)要求較高，本工藝中采用濕型粘土砂手工造型鑄造方法來生產(chǎn)。</p><p><b>　　3.2 分型面選擇</b></p><p>　　為了鑄件能合理地從模具中取出，采用水平澆注，該零件的分型面只有一種，如下圖3.1所示：</p>&

39、lt;p>　　圖3.1 分型面的位置</p><p>　　3.3 澆注位置的選擇</p><p>　　澆注位置有2種，如圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 澆注位置</p><p>　　如上圖所示，型腔布置有①、②兩種澆注位置。圖②中，型腔高度方向尺寸較大，底部冒口不便設(shè)置；而圖①高度方向較小，可以在兩側(cè)加冒口得以補縮，

40、比較而言，上圖①所示位置更合理。</p><p>　　經(jīng)過上述分析，設(shè)計的工藝圖如下：</p><p><b>　　圖3.3 工藝圖</b></p><p>　　3.4 型腔數(shù)量的設(shè)計</p><p>　　由于鑄件較小，為了提高生產(chǎn)效率，采用一模兩件生產(chǎn)。</p><p><b>　

41、　3.5 砂芯設(shè)計</b></p><p>　　3.5.1 造芯方法與造芯數(shù)量</p><p>　　由于砂芯的表面精度要求較高，而采用殼芯法制作的砂芯表面較熱芯盒光滑，并且有利于砂芯的排氣，成本也較低，故選擇用殼芯法制作砂芯。</p><p>　　3.5.2 砂芯的結(jié)構(gòu)與尺寸</p><p>　　由零件圖2.1可以看出，鑄件為三

42、通鑄件，為了方便造芯與節(jié)省工序，可以將圖3.2中的上面兩個砂芯連在一起造芯，故總共需要制作2個砂芯，如圖3.4所示。為了保證鑄件上表面精度要求，且使砂芯能在模具型腔中定位，上砂芯的芯頭采用圖中結(jié)構(gòu)。而對于下砂芯，要保證它的定位要求，則在它的兩側(cè)分別制作如圖中所示的不同形狀的芯頭。</p><p>　　砂芯與鑄件的位置及具體尺寸如下圖3.5和圖3.6所示：</p><p>　　1#砂芯與鑄件

43、的空間位置</p><p>　　圖3.5 上砂芯的形狀、尺寸</p><p>　　2#砂芯與鑄件的空間位置</p><p>　　圖3.6 下砂芯的形狀</p><p><b>　　3.6 工藝參數(shù)</b></p><p>　　3.6.1 鑄件的尺寸公差</p><p>

44、　　鑄件的造型材料為濕型砂，最大輪廓尺寸為187.76mm，為單件生產(chǎn)。所以結(jié)合生產(chǎn)情況及零件特點，選取鋁合金鑄件的尺寸公差等級為CT9。鑄件尺寸公差的數(shù)值按GB6414-1999表1查取[8]。</p><p>　　3.6.2 鑄件的質(zhì)量公差</p><p>　　鑄件質(zhì)量公差定義為以占鑄件公稱質(zhì)量的百分率為單位的鑄件質(zhì)量變動的允許值。質(zhì)量公差按HB6103-86查取[6]，為MT9。&l

45、t;/p><p>　　3.6.3 機械加工余量</p><p>　　當(dāng)鑄件尺寸公差等級確定后，查參考文獻[6]表“用于單件和小批量生產(chǎn)與鑄件尺寸公差配套使用的鑄件機械加工余量等級（GB/T 6414-1999）”，確定鋁合金鑄件的機械加工余量等級為G。鑄件各需要加工部位的機械加工余量的具體數(shù)值，可通過參考文獻[6]查表“與鑄件尺寸公差配套使用的鑄件機械加工余量（GB/T 6414-1999）

46、”查取。各加工部位加工余量的具體尺寸數(shù)值，其在鑄件工藝圖中標(biāo)出。</p><p>　　3.6.4 鑄件模樣的起模斜度</p><p>　　設(shè)定一定的起模斜度有利于模具的起模，通過查參考文獻[7]表“起模斜度（JB/T5105-91）”確定，其具體數(shù)值在鑄件工藝圖中標(biāo)出，未注起模斜度為。</p><p>　　3.6.5 鑄造收縮率</p><p

47、>　　ZL104-T6鋁合金為鋁硅合金，查表“各種鑄造合金鑄件的鑄造收縮率”，確定本工藝的內(nèi)部線收縮率為1.0%，外部線收縮率為1.2%[5]。</p><p>　　3.6.6 最小鑄出孔及槽</p><p>　　考慮到鑄件的質(zhì)量、鑄件粘砂清理方便和零件孔的尺寸大?。ㄗ钚】椎闹睆綖?0mm）[6、7]，確定在鑄件中的孔全為機械加工孔。</p><p>　　3

48、.7 澆注系統(tǒng)的設(shè)計</p><p>　　查參考文獻[7]知，鑄鋁件的澆注系統(tǒng)采用開放式澆注系統(tǒng)，其阻流截面在直澆道下口。各澆道截面比例關(guān)系如下：；取。</p><p>　　用奧贊公式（式3.1）求得鑄件澆注系統(tǒng)最小截面積，金屬液總質(zhì)量（單位為Kg）可取鑄件質(zhì)量的1.2~1.4倍。</p><p><b>　　（式3.1）</b></p&

49、gt;<p>　　式中 ——最小截面積（cm2）；</p><p><b>　　——（Kg）；</b></p><p>　　——澆注時間（s）；</p><p>　　——流量因子，量綱為1；</p><p>　　——平均靜壓頭（m）。</p><p>　　平均靜壓頭取91.7

50、5mm，G取鑄流過澆注系統(tǒng)最小橫截面的鑄鐵金屬液總質(zhì)量件質(zhì)量的1.2倍，因為鑄件屬于較小件，澆注時間按參考文獻查取，取t=2.4s。</p><p>　　此澆注系統(tǒng)為開放式澆注系統(tǒng)，查[6]表2-61得：</p><p><b>　　直澆道的直徑，。</b></p><p>　　本工藝中取，則，共四條，；。單個內(nèi)澆道和橫澆道的橫截面的形狀如圖3

51、.7和圖3.8所示，直澆道形狀和尺寸如圖3.9所示，圓形澆口杯的截面積形狀和尺寸如圖3.10所示。</p><p>　　圖3.7 內(nèi)澆道 圖3.8 橫澆道</p><p>　　圖3.9 直澆道 圖3.10 澆口杯</p><p>　　本工藝采用中注式開放式澆注系統(tǒng)，用1個橫澆道和4個內(nèi)澆道填充鑄

52、件。全部內(nèi)澆道的截面相等a=16mm，b=12mm，h=13mm，內(nèi)澆道的長度為50mm；橫澆道的截面，a=24mm，b=19mm，h=19.2mm，橫澆道總長為240mm。圓柱形直澆道渦的直徑為30mm，高度為38.4mm，其截面的圓心與直澆道圓心重合。澆注系統(tǒng)與鑄件的空間位置如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 各澆注系統(tǒng)與鑄件的空間位置</p><p><b&g

53、t;　　3.8 冒口的計算</b></p><p>　　由于采用中注式澆注系統(tǒng)，為了補縮鑄件頂部部分可能出現(xiàn)的缺陷，并且便于集渣和排氣，所以將冒口設(shè)置在下圖3.13 所示的位置。</p><p>　　如上零件圖2.1，鑄件熱節(jié)所在處的高度不大，而水平尺寸較大，要求冒口有橫向補縮作用時，冒口的尺寸大小計算公式為：</p><p>　　取，則冒口截面尺寸為，

54、。</p><p>　　冒口高度計算公式：頂冒口---------，則取。</p><p>　　綜上所述，所設(shè)計冒口為圓柱體，尺寸為：。其中冒口一部分環(huán)繞在砂芯上，如下圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 冒口尺寸及三維圖</p><p>　　圖3.13 冒口在鑄件上的位置</p><p>　　第

55、四章 鑄件充型及凝固過程數(shù)值模擬</p><p>　　4.1 View Cast的實現(xiàn)過程</p><p>　　鑄件凝固過程數(shù)值模擬的最終目的是解決鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)鑄件質(zhì)量預(yù)測和控制，其中縮孔縮松預(yù)測是一個重要內(nèi)容。傳統(tǒng)依靠經(jīng)驗反復(fù)“試錯”開發(fā)新工藝的方法已不能滿足需求。鑄造充型凝固過程的數(shù)值模擬，可以有效地預(yù)測各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間，確保鑄件的質(zhì)量，縮短試制周期，

56、降低生產(chǎn)成本。</p><p>　　本設(shè)計中采用的View Cast模擬軟件是比利時金屬加工中心開發(fā)的鑄造過程模擬輔助設(shè)計商業(yè)軟件?？梢阅M凝固過程溫度場、固相線分?jǐn)?shù)、液態(tài)金屬停止流動的時間以及充型過程中的速度場等，主要用于鑄造缺陷預(yù)測和澆注系統(tǒng)設(shè)計[9]。</p><p>　　利用Pro/E軟件生成鑄件的實體模型，將鑄件模型保存為*.STL文件，將其導(dǎo)入View Cast軟件進行網(wǎng)格剖分

57、。網(wǎng)格劃分越細(xì)，計算結(jié)果越精確。雖然細(xì)化網(wǎng)格有助于計算結(jié)果的精確性，但會導(dǎo)致計算時間過長。[12]</p><p>　　4.2 鑄造工藝方案的凝固過程模擬</p><p>　　選擇合適的壁厚和剖分網(wǎng)格單元數(shù)（100萬個）等參數(shù)后，網(wǎng)格劃分工作由View Cast軟件完成。輸入鑄件的相關(guān)參數(shù)如下：鑄鋁材料為ZL104（AlSi10），凝固初始溫度為700℃，砂型初始溫度為20℃。</

58、p><p>　　設(shè)定凝固過程計算相關(guān)參數(shù)后，對單個鑄件進行數(shù)值模擬計算。對計算過程中儲存的溫度場分布和缺陷位置，用軟件自帶的圖像處理技術(shù)生成虛擬鑄件圖，從而能直觀地觀察到凝固過程和鑄件凝固結(jié)束后的缺陷分布狀況。缺陷分布狀況見圖4.1，圖中透明部分表明其所含金屬的比例在99%以上，顏色不同的部位代表其所含的金屬量不同。凝固過程見圖4.2，圖中透明的部分表明此部位的金屬已經(jīng)凝固。鑄件從40.9秒開始凝固，當(dāng)凝固時間為13

59、2秒時，整個鑄件已經(jīng)基本完全凝固。</p><p>　　從圖4.2中可以看出，在50s時鑄件的外部較薄的部位已經(jīng)凝固，到90s的時候澆注系統(tǒng)基本完全凝固，鑄件的內(nèi)部還有部分未凝固，澆注系統(tǒng)不能夠給這些部位提供補縮，這些部位將產(chǎn)生缺陷。最終所產(chǎn)生的缺陷如圖4.1所示。</p><p>　　圖4.1 帶澆注系統(tǒng)的鑄件凝固缺陷預(yù)測圖</p><p>　　50s

60、 60s 70s</p><p>　　80s 85s 90s </p><p>　　100s 105s 110s</p><p>　　圖4.2 帶澆注系統(tǒng)的鑄件的凝固過程<

61、;/p><p>　　4.3 利用View Cast軟件設(shè)計冒口</p><p>　　冒口對于澆注系統(tǒng)起著關(guān)鍵的作用，除了補償鑄件的液態(tài)和凝固時期體收縮，還起到排氣、集渣和調(diào)節(jié)鑄件溫度分布的作用，鋁合金易產(chǎn)生分散性縮松，冒口補縮對獲得致密鑄件至關(guān)重要，本鑄件采用鑄造模擬軟件View Cast來設(shè)計冒口。根據(jù)單個鑄件的凝固過程模擬結(jié)果，利用View Cast軟件的冒口計算功能，算出冒口的重量和

62、體積，本工藝選擇冒口的形式為圓柱形明冒口。冒的形狀及三維圖如圖4.3所示，其中D=35mm，高度h=49mm。</p><p>　　對帶冒口的鑄件進行凝固過程的模擬，模擬計算的相關(guān)參數(shù)與單個鑄件的模擬計算相同。經(jīng)計算后，得到缺陷預(yù)測圖見圖4.4，從圖中可知冒口能有效地補縮鑄件，有效地消除了鑄件的縮孔縮松等缺陷。凝固過程見圖4.5，鑄件從46.5秒開始凝固，當(dāng)凝固時間為145秒時，整個鑄件已經(jīng)完全凝固。</p

63、><p>　　圖4.3 冒口的截面形狀及三維圖</p><p>　　圖4.4 帶冒口的鑄件凝固缺陷預(yù)測圖</p><p>　　50s 60s 70s</p><p>　　80s 95s 105s</

64、p><p>　　110s 120s 130s</p><p>　　圖4.5 帶冒口鑄件的凝固過程</p><p>　　由圖4.5知，鑄件先于冒口凝固，說明冒口有效補縮鑄件凝固時所產(chǎn)生的缺陷，但鑄件仍有少量缺陷。為充分補縮鑄件凝固時所產(chǎn)生的缺陷，故將冒口改為梯形收縮形冒口，冒口的截面形狀如圖4.6。

65、</p><p>　　對改進的冒口的鑄件進行凝固過程的模擬，模擬計算的相關(guān)參數(shù)與單個鑄件的模擬計算相同。經(jīng)計算后，得到缺陷預(yù)測圖見圖4.7，從圖中可知冒口能有效地補縮鑄件，有效地消除了鑄件的縮孔縮松等缺陷。凝固過程見圖4.8，鑄件從35.5秒開始凝固，當(dāng)凝固時間為171秒時，整個鑄件已經(jīng)完全凝固。</p><p>　　圖4.6 冒口的截面尺寸及三維圖</p><p&g

66、t;　　圖4.7 帶冒口的鑄件凝固缺陷預(yù)測圖</p><p>　　50s 60s 75s</p><p>　　90s 110s 120s</p><p>　　130s 140s 150s&

67、lt;/p><p>　　圖4.8 帶冒口鑄件的凝固過程</p><p><b>　　冒口的優(yōu)化</b></p><p>　　4.4.1 凝固過程數(shù)值模擬</p><p>　　根據(jù)鑄件與冒口的凝固過程模擬結(jié)果可以判斷，冒口對鑄件的液態(tài)收縮的補縮效果很好，但冒口的金屬質(zhì)量比較大，可以減少冒口的尺寸來提高工藝出品率。改進冒口的凝

68、固模擬的結(jié)果見圖4.10，缺陷分布結(jié)果顯示此冒口能有效地補縮鑄件的收縮，且其冒口尺寸比初始的冒口小，能提高工藝出品率。優(yōu)化后冒口尺寸及三維圖如圖4.9所示。</p><p>　　對優(yōu)化的冒口的鑄件進行凝固過程的模擬，模擬計算的相關(guān)參數(shù)與單個鑄件的模擬計算相同。經(jīng)計算后，得到缺陷預(yù)測圖見圖4.10，從圖中可知冒口能有效地補縮鑄件，有效地消除了鑄件的縮孔縮松等缺陷。凝固過程見圖4.11，鑄件從35.4秒開始凝固，當(dāng)凝

69、固時間為170秒時，整個鑄件已經(jīng)完全凝固。</p><p>　　圖4.9 冒口的截面尺寸及三維圖</p><p>　　圖4.10 優(yōu)化冒口的鑄件凝固缺陷預(yù)測圖</p><p>　　45s 60s 75s</p><p>　　85s

70、 100s 110s</p><p>　　120s 130s 140s</p><p>　　圖4.11 帶冒口鑄件的凝固過程</p><p>　　4.4.2 充沖型過程數(shù)值模擬</p><p>　　對優(yōu)化方案的充型過程進行模擬，選擇合適

71、的壁厚參數(shù)，確定網(wǎng)格單元總數(shù)為100萬個，網(wǎng)格劃分工作要由View Cast軟件完成，其充型過程模擬結(jié)果如圖4.12所示。整個充型過程歷時2.352秒，充型時間短。充型過程中，金屬液由底部開始填充，液面上升平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)金屬液間的碰撞和紊流現(xiàn)象。說明設(shè)計所采用的澆注系統(tǒng)是合理的。</p><p>　　0.003s 0.065s 0.123s</p>

72、<p>　　0.226s 0.336s 0.445s</p><p>　　0.553s 0.664s 0.775s</p><p>　　0.884s 0.997s 1.111s</p><p>

73、　　1.232s 1.346s 1.455s</p><p>　　1.592s 1.731s 1.872s</p><p>　　2.021s 2.184s 2.352s</p><p>　　圖4.12優(yōu)化

74、工藝的充型過程模擬結(jié)果</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點和技術(shù)要求，確定了造型方法、分型面、澆注位置和鑄造工藝參數(shù)等，設(shè)計了砂芯的結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)。</p><p>　　采用View Cast軟件設(shè)計冒口并優(yōu)化冒口的尺寸，可以提高鑄件的工藝出品率；冒口能有效地補縮鑄件的液態(tài)收縮，收縮冒口易于切割，

75、鑄件容易清理。</p><p>　　對鑄造工藝方案進行充型與凝固過程數(shù)值模擬，能預(yù)測出充型過程中出現(xiàn)的紊流、卷氣和填充不平穩(wěn)等現(xiàn)象。</p><p>　　根據(jù)模擬結(jié)果，在原方案的基礎(chǔ)上改進工藝，設(shè)計了更簡單的澆注系統(tǒng)。</p><p>　　對優(yōu)化后的工藝方案進行充型與凝固數(shù)值模擬，模擬的結(jié)果顯示，充型平穩(wěn)且沒有縮孔縮松缺陷，驗證了工藝的合理性。</p>

76、<p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次論文設(shè)計過程中，何老師對該論文從選題、構(gòu)思到最后定稿的各個環(huán)節(jié)給予細(xì)心指引與教導(dǎo),使我得以最終完成畢業(yè)論文設(shè)計。在學(xué)習(xí)中,老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、豐富淵博的知識、敏銳的學(xué)術(shù)思維、精益求精的工作態(tài)度以及侮人不倦的師者風(fēng)范是我終生學(xué)習(xí)的楷模，導(dǎo)師們的高深精湛的造詣與嚴(yán)謹(jǐn)求實的治學(xué)精神，將永遠激勵著我。這四年中還得到眾多老師關(guān)心支持

77、和幫助。在此，謹(jǐn)向老師們致以衷心的感謝和崇高的敬意！</p><p>　　最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參與本人論文答辯的各位老師表示感謝。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]王君卿.鑄造與計算機模擬技術(shù)[J].軟件工程師.1988</p><p>　　[2]龐國興

78、.工程材料與成型技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005 </p><p>　　[3]陳琦.鑄造質(zhì)量檢驗手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006</p><p>　　[4]中國機械工程學(xué)會鑄造分會．鑄造手冊：第五卷 鑄造工藝（第二版）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2003</p><p>　　[5]葉榮茂．鑄造工藝設(shè)計簡明手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，199

79、7</p><p>　　[6]李弘英，趙成志．鑄造工藝設(shè)計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[7]李魁盛，馬順龍，王懷林.典型鑄件工藝設(shè)計實例[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007</p><p>　　[8]GB/T6414-1999，鑄件尺寸公差與機械加工余量[S]．</p><p>　　[9]中國機械工程學(xué)會鑄造

80、分會．鑄造手冊：（第二版）[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[10]荊濤．凝固過程數(shù)值模擬[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2002</p><p>　　[11]李依依，李殿中，朱苗勇等．金屬材料制備工藝的計算機模擬[M]．北京：科學(xué)出版社，2006</p><p>　　[12]柳百成，荊濤．鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M]．北京：機械工業(yè)出