铸造过程CADCAE综合实验报告-进气支管.doc

课程名称： 铸造过程CAD/CAE综合实验报告 学 院： 机械工程 专 业： 材料成形及控制工程 姓 名： 学 号： 年 级： 成形082 任课教师： 第一章 简介41.1 进气支管零件分析41.1.1 零件介绍41.2 进气支管结构分析4第二章 基于UG零件的三维造型42.1零件的三维造型图4第三章铸造工艺参数63. 1 工艺设计参数确定及砂芯设计63.1.1铸件尺寸公差73.1.2机械加工余量73.1.3铸造收缩率73.1.4最小铸出孔83.1.5铸件在砂型内的冷却时间83.1.6工艺补正量83.1.7分型负数93.1.8反变形量93.1.9非加工壁厚负余量103.1.10起模斜度103.1.11铸件重量公差10第四章 浇注系统及冒口、出气孔等设计114.1浇注系统的设计114.1.1选择浇注系统类型114.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向114.1.3决定直浇道的位置和高度124.1.4计算浇注时间并核算金属上升速度134.1.5铸件工艺出品率134.1.6计算阻流截面积144.1.7确定浇口比144.1.8计算内浇道截面积144.1.9计算横浇道截面积154.1.10计算直浇道截面积164.1.11浇口窝的设计174.1.12浇口杯的设计184.2冒口的设计184.3出气孔的设计19第五章 砂箱决定及铸件完整图195.1浇铸系统的三维图195.2砂箱大小及砂箱中铸件数目的确定21第六章 Anycasting模拟分析226.1进气支管模拟分析22结 论31致谢32参考文献33附图34第一章 简介1.1 进气支管零件分析 1.1.1 零件介绍零件名称：进气支管零件材料：进气支管材质为HT250，其主要参数是抗拉强度（MPa）不小于250MPa，主要组织为细片状普通灰铸铁，产品生产性质：大批量生产1.2 进气支管结构分析1）零件结构特点进气支管件是一个中小型的结构件，外形尺寸,主要壁厚基本均匀，在415mm左右，最大壁厚14,最小壁厚4mm，零件结构呈对称布置。零件整体结构呈“抽风箱”形式，外形由弯管和方形管组成，内腔较复杂。 2）主要技术条件要求进气支管零件的加工等级为CT10，抱手上面键槽对称，所有的小圆孔都不需要铸造出来，铸出弯管内腔和方形管内腔，造型时需要用活块造型。第二章 基于UG零件的三维造型2.1零件的三维造型图通过运用NX6.0对零件进行立体建模得到如图2-1、2-2、2-3所示三维图。2-1图进气支管俯视图2-2进气支管仰视图 2-3 进气支管正视图第三章铸造工艺参数3. 1 工艺设计参数确定及砂芯设计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。砂芯设计的总体原则：使造芯到下芯整个过程方便，铸件内腔尺寸精确，不致造成气孔等缺陷，使芯盒结构简单。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。支管为砂型铸造机器造型大批量生产，由铸造工艺设计查表1-10得：支管的尺寸公差为CT911级，取CT10级。支管的轮廓尺寸为，由铸造工艺设计查表1-9得：支管尺寸公差数值为4.0mm。3.1.2机械加工余量支管只铸出弯形管和方形管其加工余量均为5mm，其余小孔不铸出。3.1.3铸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：铸造收缩率L1模样长度L2铸件长度支管受阻收缩率由简明铸工手册查表1-10 铸造合金线收缩率得：受阻收缩率为0.9；自由收缩为 1.0%。3.1.4最小铸出孔零件上的孔、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。根据铸造实用手册查表1.4-30得：最小铸出孔约为50mm。支管的孔分别为方形孔74和弯形孔56考虑加工余量后直径为64mm和46mm，该孔直径较大，则应该铸出。其余孔尺寸均小于50mm，而考虑加工余量后尺寸更小，这些孔直径较小，高径比较大，不应该铸出，机械加工较为经济方便。3.1.5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。支管的冷却时间由铸造实用手册得：冷却时间10min30min。3.1.6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。但支管在大批量生产前的小批量试产过程中将进行调整， 且对于成批、大量生产的铸件或永久性产品，不采用工艺补正量，而应修改模具尺寸。3.1.7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。为了防止浇注时跑火，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。而支管是干型且是中小型铸件，采用机器造型，分型负数的大小和砂箱尺寸、铸件大小有关，一般采取在0.56mm之间。3.1.8反变形量铸造较大的平板类、床身类等铸件时，由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。支管没有较大平板故基本不会产生翘曲变形，因此可采用加工余量的方法补偿变形。不留反变形量。 3.1.9非加工壁厚负余量在手工粘土砂造型、制芯过程中，为了取出木模，要进行敲模，木模受潮时将发生膨胀，这些情况均会使型腔尺寸扩大，从而造成非加工壁厚的增加，使铸件尺寸和重量超过公差要求。为了保证铸件尺寸的准确性，凡形成非加工壁厚的木模或芯盒内的肋板厚度尺寸应该减少，即小于图样尺寸。为减少的厚度尺寸称为非加工壁厚的负余量。通过查铸造工艺学 表3-311非加工壁厚的负余量得-0.5mm。3.1.10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。 起模斜度应小于或等于产品图上所规定的起模斜度值，以防止零件在装配或工作中与其他零件相干涉，以此采用最大起模斜度2，最小为110。3.1.11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。支座的公称重量约为3kg，尺寸公差为CT10级。由铸造工艺设计查表3-3-2得：支管的重量公差为MT16级。第四章 浇注系统及冒口、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。4.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向凝固支管结构较为复杂且是中小型件，铸造时采取一箱一件，故铸件上只用一个内浇道。为了方便造型，内浇道开设在分型面上。因为铸件大部分位于下箱的方式进行铸造，这样铸件凝固顺序为由下至上凝固，这样有利于支座的重要部分先并得到补缩，如此内浇道则设置在底部侧面引入金属液，如图4.1所示。图4.1 內浇道位置和数量4.1.3决定直浇道的位置和高度实践证明，直浇道过低使充型及液态补缩压力不足，容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到上表面缩凹等缺陷。初步设计直浇道高度等于上砂箱高度200mm。但应检验该高度是否足够。检验依据为，剩余压力头应满足压力角的要求，如下式所列：式中 HM最小剩余压力头 L直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离压力角由铸造工艺学查表3-4-11得：为1314 取14因为铸件大部位于下箱，所以剩余压力头HM等于上箱高度200mm经过验证剩余压力头满足压力角的要求。4.1.4计算浇注时间并核算金属上升速度根据铸件图计算单个铸件的体积V=419489.84 mm ；灰铸铁密度由铸造实用手册查表1.1-90得：7.257.35 g/ cm 取密度为7.3 g/ cm一箱一件质量为m=3.06kg支管大批量生产的工艺出品率约为71%，可估计铸型中铁水总重量G初步计算浇注时间由铸造实用手册查表1.4-61得：计算铁水液面上升速度 校核铁水上升速度，一般允许铁水的最小上升速度范围由铸造实用手册查表1.4-62得：上升速度v=1020s通过比对19mm/s的上升速度符合实际，不必调整经验系数。4.1.5铸件工艺出品率铸件工艺出品率=100%对该铸件工艺出品率=71%4.1.6计算阻流截面积根据水力学近似计算公式：式中 m流经阻流的金属质量 kgt充满行腔总时间 s金属液密度 kg/cm 浇注系统阻流截面的流量系数Hp充填型腔时的平均计算压力头 cm4.1.7确定浇口比浇口比由铸造实用手册查表1.4-58得：S直：S横：S内=1：1.5：24.1.8计算内浇道截面积内浇道是控制充型速度和方向，分配金属液，调节铸件各部位的温度和凝固顺序，浇注系统的金属液通过内浇道对铸件有一定补缩作用。由于设计内浇口有四个，因此S内=3/40.75cm内浇道形状取梯形断面形状如图4.2图4.2 内浇道截面示意图 梯形断面大小由铸造实用手册查表1.4-75得：a=9mm b=7mm c=8mm4.1.9计算横浇道截面积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。由于设计横浇口有两个，因此横浇道形状取梯形断面形状如图4.3图4.3 横浇道截面示意图 梯形断面大小由铸造实用手册查表1.4-75得：A=16mm B=11mm C=18mm4.1.10计算直浇道截面积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=3/2=1.5cm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实用手册查表1.4-75得：D=15mm 为了方便取模直浇道做成上小下大的倒圆锥形，（通常锥度取1/50）。因此直浇道上端是直径约为：4.1.11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，因此浇口窝高度为横浇道高度两倍，因此 4.1.12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 浇口杯断面大小由铸造实用手册查表1.4-89得：D1=56mm, D2=52mm, H=40mm4.2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。支管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。故灰铸铁补缩时需要的铁水量少，而且支管壁厚均匀无厚大壁，所以可利用浇注系统进行补缩不设置冒口。4.3出气孔的设计防止出气孔过小导致型内气压过份增大，出气孔根部总截面接应大于内浇口总截面积3cm。因此设计出气孔根部直径为10mm，一箱1件共1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=110出气孔总截面积为第五章 砂箱决定及铸件完整图5.1浇铸系统的三维图为使该工艺工艺方案更加直观的呈现，做出基于NX6.0的浇铸系统三维图，如图5-15-3所示。 图5-1 带浇口系统俯视图 图5-2 带浇口系统正视图 图5-3 带浇口系统仰视图5.2砂箱大小及砂箱中铸件数目的确定由于铸件为中小型简单件，支管轮廓尺寸为，单件质量约为3kg，因此铸件为中小型复杂件。由于零件方形管和弯形管连接位置占用空间大，零件虽轻若采用一箱两件注出，则会增加填砂量、劳动强度加大。因此采用一箱一件铸出。这样可以控制成本，保证出品率。砂箱长200mm，取砂箱长度为200mm。砂箱宽200mm,取砂箱宽度为200mm。砂箱高度的计算：上砂箱高52mm，故取上箱80mm下砂箱高158+50=208mm，下砂箱取250mm。砂箱各部位的尺寸如表3-4所列。表3-4 砂箱外形尺寸砂箱长（mm）砂箱宽（mm）砂箱高（mm）上箱20020080下箱200200250 如工厂有尺寸相近砂箱也可选用。第六章 Anycasting模拟分析6.1进气支管模拟分析将浇注所需三维实体导出为STL模型，分别有铸件，直浇道，横浇道，内浇道。利用AnyCasting软件，根据已有的计算，在完成浇注系统的基础上，通过设置相应的工艺参数和充型条件进行工艺仿真。仿真后的结果及分析内容如下图6.16.14显示。然后进行相应的参数设置，浇注温度为1420，浇注速度定为0.085m/s，浇注时间初步算出为3s，然后运行求解，得出的充型时间和凝固时间及分布，如图所示图6.1 充型时间6.2充型顺序模拟结果显示充型时间在3.4s多一点，而且没有浇不足的情况，而且金属液能顺利地进入各个内浇道，充满型腔，不过在铸件最上方部位，最后充型，为防止产生缺陷可采用冒口进行补缩，但铸件是薄壁件又是铸铁件，因此，这次设计没采用冒口。6.3凝固时间 6.4 凝固顺序由凝固时间图可以看出铸件底部最先凝固，浇道最后凝固，符合顺序凝固的原则，凸台凝固时间较浇道晚，不过凸台铸出还需打孔，因此认为能够满足生产。 6.4温度梯度温度梯度主要1270.62秒之前就已经变化很少了，而且变化大的部位主要在浇口，因此，符合生产要求。 6.5界面移动速度倒数界面移动速度倒数比较均匀，因此，符合浇注条件。 6.6局部凝固时间铸件局部凝固主要在浇口部位，对铸件几乎不影响。满足浇注条件。 6.7固相分数等值线曲率以上是铸件简单收缩分析，工艺基本上还满足浇注条件；下面进行铸件的高级铸件分析。 6.8 组合缺陷参数在高级缺陷分析里面，铸件主要在冷却率、温度梯度等表现出来，而且这对铸件浇注条件影响不是很大，符合生产要求。 6.9概率缺陷参数高级铸件分析时，在概率缺陷参数里面主要分析的有充型时间、凝固时间、温度梯度、界面移动速度倒数、冷却率、残余熔体模数、组合缺陷参数、局部凝固时间、二次枝晶臂间距、残余熔体体积、残余熔体表面积、最终体积分数、固相分数等值线曲率。 6.10概率缺陷参数-最终体积分数6.11概率缺陷参数-残余熔体模数残余熔体模数是分析铸件的主要参数。对概率缺陷参数-残余熔体模数进行如下几个方向进行刨面进行观察。 6.12对XZ方向进行刨面观察 6.13对YZ方向进行剖面观察铸件是薄壁件，在进行模拟仿真的过程中，进行了几次的模拟仿真，前几次模拟过程中产生了很多的缺陷，对生产有很大的影响，不满足浇注条件、容易产生缩孔缩松等等，因此，在以后的模拟过程当中进行了铸件的设计改进，有必要时可采用冒口进行补缩，可把加工余量加大点，以把缺陷转移到表面。当然生产出来的还是有一定的缺陷，可通过后续的加工进行清理，若缺陷产生在内部，要是加工出来的内孔存在表面缺陷，在进行焊补表面处理，以达到铸件要求。对铸件微观的结构预测，铸件在浇注过程中，其实是在形核与长大两个过程不断进行。组织决定性能这是我们才要注意的，在浇注过程中要注意控制铸件晶体的长大与成长速率。对铸件的浇注温度和浇注时间要很好的掌握，加快冷却速率，尽量使晶粒细化，提高铸