安徽工程大学材料专业毕业设计

阀盖的铸造工艺设计及模拟摘要本文完成了对铸钢件阀盖的铸造工艺方案设计，包括浇注位置、分型面的选择，砂芯和各项铸造工艺参数确实定以及浇注系统、砂箱、芯盒、模板的设计。根据铸件小的特点，分为一箱四件，并采用封闭-开放式的浇注系统的方法。在利用华铸CAE模拟的根底上，通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改良，最后设计出合理的铸造工艺方案。铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地防止可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。关键词：模拟；铸造工艺设计；浇注系统ValveCoverCastingProcessDesignandSimulationAbstractThisarticlecompletesthecastvalvecovercastingtechnologydesign，includingthecastingchoiceoflocation，apartingsurface，sandcoresandthecastingpouringsystemfordeterminationofprocessparametersand，sandbox，box，templatedesign。Accordingtothecastingcharacteristicsofsmall，dividedintoaboxoffourpieces，andclosed-open-castmethodofthesystem。ChinacastingCAEsimulationonthebasisof，throughtheanalysisofsolidificationandtemperaturefieldofcastingdefects，analysisbasedonprocessimprovement，andfinallydeviseareasonablecastingtechnology。Computersimulationofcastingprocesstoreduceorcanceltheprocessofnewproduct，caneffectivelypreventpossiblecastingdefects，ensureprocessreliability，shortenthedevelopmentcycleofnewproducts。Keywords:valvecover;simulation;castingprocessdesign;pouringsystem目录第1章绪论……………….11.1概述…………………11.2铸造行业的现状……………………11.3国内铸造行业的现状及开展趋势………………….11.4兴旺国家铸造行业的现状及开展趋势…………….11.5本课题的研究内容………………….2第2章铸造工艺方案的设计……………...32.1零件结构的铸造工艺性…………….32.2造型和造芯方法的选择…………….42.3浇注位置确实定……………………42.4分型面的选择………………………52.5砂箱中铸件的数量及排列方式……………………..6第3章铸造工艺参数及砂芯的设计…………………….73.1铸造工艺参数确实定……………….73.2砂芯的设计…………10第4章浇注系统的设计…………………154.1浇注系统类型的选择………………154.2浇注时间……………154.2直浇道的设计............................................................................................................164.3横浇道的设计………………………164.4内浇道的设计………………………164.5浇口杯的设计………………………164.6冒口的设计…………174.7冷铁的设计…………17第5章铸造工艺装备设计………………185.1模样的设计………………………..185.2砂箱的设计………………………..185.3芯盒的设计………………………..215.4模板的设计………………………..23第6章铸造过程的凝固模拟…………...27结论与展望……………….28致谢……………………….29参考文献………………….30附录A:主要参考文献摘要……………31附录B:英文原文及翻译………………33附录C:铸造工艺卡……………………56插图清单图2-1浇注位置示意图……………………4图2-2分型面方案一………………………5图2-3分型面方案二………………………5图3-1铸件中砂芯的示意图……………...11图3-2垂直砂芯芯头典型结构示意图…………………..11图3-3垂直芯头各局部尺寸示意图……………………..11图3-4扩大下芯头的垂直芯头示意图…………………..12图3-5外砂芯示意图……………………..14图4-1铸件在砂箱中的排布示意图……………………..15图4-2各个浇道的截面图………………..16图5-1下模样示意图……………………..18图5-2砂箱箱壁形状、定位销以及销套示意图…………20图5-3砂箱手把示意图…………………..21图5-4芯盒示意图………………………..22图5-5定位销套结构尺寸示意图………..22图5-6定位销结构尺寸示意图…………..22图5-7芯盒紧固及定位装置图…………..23图5-8加强肋示意图……………………..24图5-9模板与砂箱的定位方式及定位销示意图………..24图5-10定位销耳示意图…………………25图5-11紧固耳示意图……………………25图6-1模拟结果图……………………….27表格清单表2-1砂型铸造时铸件最小允许壁厚…………………….3表2-2按铸件重量确定的吃沙量…………6表3-1铸件的尺寸公差值…………………7表3-2铸件质量公差数值…………………7表3-3用于成批或大量生产与铸件尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量等级……8表3-4与铸件尺寸公差配套使用的机械加工余量………8表3-5砂型铸造普通合金铸件的铸造收缩率……………9表3-6起模斜度……………9表3-7铸件的最小铸出孔………………...10表3-8垂直芯头的高度…………………..12表3-9垂直芯头斜度……………………..13表3-10垂直芯头与芯座之间的间隙……………………13表3-11压环、防压环和积砂槽…………13表4-1铸钢件内浇道截面积……………..15表4-2内浇道、横浇道截面积尺寸………16表4-3普通漏斗形浇口杯尺寸…………..16表5-1砂箱及其附件的材料……………..19表5-2最小吃砂量………………………..19表5-3普通砂箱的规格…………………..19表5-4简易砂箱转角局部结构及尺寸…………………..20表5-5普通小型砂箱箱把局部的尺寸…………………..21表5-6加强肋间距………………………..24表5-7模底板上定位销耳的尺寸………..25表5-8紧固耳的尺寸……………………..26引言随着科技的进步与铸造业的蓬勃开展，不同的铸造方法有不同的铸型准备内容。以应用最广泛的砂型铸造为例，铸型准备包括造型材料准备和造型、造芯两大项工作。砂型铸造中用来造型、造芯的各种原材料，如铸造原砂、型砂粘结剂和其他辅料，以及由它们配制成的型砂、芯砂、涂料等统称为造型材料，造型材料准备的任务是按照铸件的要求、金属的性质，选择适宜的原砂、粘结剂和辅料，然后按一定的比例把它们混合成具有一定性能的型砂和芯砂。常用的混砂设备有碾轮式混砂机、逆流式混砂机和连续式混砂机。后者是专为混合化学自硬砂设计的，连续混合，混砂速度快。铸造工艺可分为三个根本局部，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。铸造金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并参加其他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。造型、造芯是根据铸造工艺要求，在确定好造型方法，准备好造型材料的根底上进行的。铸件的精度和全部生产过程的经济效果，主要取决于这道工序。在很多现代化的铸造车间里，造型、造芯都实现了机械化或自动化。常用的砂型造型造芯设备有高、中、低压造型机、气冲造型机、无箱射压造型机、冷芯盒制芯机和热芯盒制芯机、覆膜砂制芯机等。造型造芯是根据铸造工艺要求，在确定好造型方法，准备好造型材料的根底上进行的。铸件的精度和全部生产过程的经济效果，主要取决于这道工序。在很多现代化的铸造车间里，造型造芯都实现了机械化或自动化。常用的砂型造型造芯设备有高、中、低压造型机、抛砂机、无箱射压造型机、射芯机、冷和热芯盒机等。铸件自浇注冷却的铸型中取出后，有浇口、冒口及金属毛刺披缝，砂型铸造的铸件还粘附着砂子，因此必须经过清理工序。进行这种工作的设备有抛丸机、浇口冒口切割机等。有些铸件因特殊要求，还要经铸件后处理，如热处理、整形、防锈处理、粗加工等。铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金属成形方法如锻、轧、焊、冲等所做不到的。铸造产品开展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和更光洁的外表。此外，节能的要求和社会对恢复自然环境的呼声也越来越高。为适应这些要求，新的铸造合金将得到开发，冶炼新工艺和新设备将相应出现。铸造生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面开展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。节约能源和原材料的新技术将会得到优先开展，少产生或不产生污染的新工艺新设备将首先受到重视。质量控制技术在各道工序的检测和无损探伤、应力测定方面，将有新的开展。第1章绪论1.1概述铸造生产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。绝大多数铸件用作毛坯，需要经过机械加工后才能成为各种机器零件；少数铸件当到达使用的尺寸精度和外表粗糙度要求时，可作为成品或零件而直接应用。1.2铸造行业的现状铸造毛坯因近乎成形，而到达免机械加工或少量加工的目的降低了本钱并在一定程度上减少了制作时间．铸造是现代装置制造工业的根底工艺之一。铸造产品开展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的加工余量和更光洁的外表。此外，节能的要求和社会对恢复自然环境的呼声也越来越高。为适应这些要求，新的铸造合金将得到开发，冶炼新工艺和新设备将相应出现。1.3国内铸造行业的现状及开展趋势铸造工艺是机械制造工业的根底工艺之一，因此铸造业的开展标志着一个国家的生产实力。有资料说明[1]，我国铸造生产中。材料和能源的投人之比可占到产值的55％到70％。我国目前已经成为世界铸造机械大国之一，在铸造机械制造行业近年来取得了很大的成绩。我国是铸造大国，在十五期间，随着国民经济的高速开展．我国铸件年产量一直居世界铸件生产大国榜首。从数量上来看．整个形势是喜人的．但铸造生产的粗放特征没有得到根本改变。我国的铸件质量与国外先进水平相比有较大差距。铸件尺寸精度普遍低1～2级，外表粗糙度差1～2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61.9％(其中HT250以下牌号约占70％)，球墨铸铁占16.7％，比世界平均值20％低，远低于日本(30．8％)、美国(29．6％)。合金钢在铸钢件中的比例，中国为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％[2]。此外，材料成分、组织和性能的一致性、稳定性与兴旺国家相比也有差距[3]。1.4兴旺国家铸造业现状及开展趋势兴旺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化系列化供给，如在欧洲已建立跨国效劳系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化〔计算机控制、机器人操作〕。铸铁熔炼使用大型、高效、除尘、微机测控、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摇包脱硫使铁液中硫含量达0。01%以下；熔炼合金钢精炼多用AOD、VOD等设备，使钢液中H、O、N到达几个或几十个10-6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，铝镁合金经过滤，抗拉强度提高50%、伸长率提高100%以上[4]。广泛应用合金包芯线处理技术，使球铁、蠕铁和孕育铸铁工艺稳定、合金元素收得率高、处理过程无污染，实现了微机自动化控制。

铝基复合材料以其优越性能被广泛重视并日益转向工业规模应用，如汽车驱动杆、缸体、缸套、活塞、连杆等各种重要部件都可用铝基复合材料制作，并已在高级赛车上应用；在汽车向轻量化开展的进程中，用镁合金材料制作各种重要汽车部件的量已仅次于铝合金。

在大批量中小铸件的生产中[5]，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺，砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统，制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。

用自动化压铸机生产铸铝缸体[6]、缸盖；已经建成多条铁基合金低压铸造生产线。用差压铸造生产特种铸钢件。所生产的各种口径的离心球墨铸铁管占铸铁管总量95%以上，球铁管占球铁年产量30%-50%。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%-5%；标准更新快〔标龄4-5年〕；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。

重视开发使用互联网技术，纷纷建立自己的主页、站点。铸造业的电子商务、远程设计与制造、虚拟铸造工厂通过使用身临其境的虚拟环境系统，可以学习通过多媒体先进的产品技术和体验的技巧和诀窍通过虚拟技术实现，这些新元素都在飞速开展。很明显[7]，中国现有的资源和能源已无法满足传统经济模式下高速开展的要求，大力开展循环经济，使中国经济和社会可持续开展，是中国经济开展模式的必然选择。我们应加大铸造业中循环经济的新技术、新工艺、新材料、新设备的研究和应用，以科学的开展观来开展中国的铸造业。1.5本课题的研究内容本次毕业设计的题目是：阀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；最后，要对铸造工艺装备进行选择和设计。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。第2章铸造工艺方案的设计2.1零件结构的铸造工艺性砂型铸造工艺方案通常包括以下内容：造型、造芯方法和铸型种类的选择，浇注位置及分型面确实定等。要想定出最正确工艺方案，首先应对零件的结构有详细的铸造工艺性分析。零件结构的铸造工艺性指的是零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸造工艺过程，降低生产本钱。为了保证零件具有良好的铸造工艺性，在设计零件时应考虑以下几个方面的问题：铸件应有适宜的壁厚为了防止浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。本次设计的阀盖使用的材料是ZG230-450，为碳素钢。密度为7830kg/m3，屈服强度为230Mpa，抗拉强度为450Mpa。此类铸钢件壁厚的选择参考表2-1[8]。表2-1砂型铸造时铸件最小允许壁厚由于本次设计的零件整体最大轮廓尺寸小于200mm，而且为铸钢件。根据表1-1得，铸造允许最小壁厚为8mm。由零件图知，本次设计阀盖的最小壁厚为6mm。貌似不合理，其实还需要把加工余量计算在内，这样铸件的最小壁厚就大于8mm，所以是合理的。〔2〕铸造结构不应造成严重的收缩障碍，注意壁厚和圆角；〔3〕铸件内壁应薄于外壁；〔4〕壁厚力求均匀，减少肥厚局部，防止形成热节；〔5〕利于实现补缩和顺序凝固；〔6〕防止铸件翘曲变形；〔7〕防止浇注位置上有水平的大平面结构本次设计阀盖采用圆角过渡，防止了因应力集中导致的裂纹缺陷。2.2造型和造芯方法的选择造型和造芯方法的选择可参照以下原那么：优先采用湿型；造型和造芯方法与生产批量相适应；造型方法应适合工厂条件本次设计的铸钢件阀盖为小型铸件，大批量生产，铸件不高，无需长时间等待，也无需放置冷铁，应选用湿型砂。由于是小型、大批量生产，那么选用机器造型、造芯、金属模、砂箱造型。虽然本钱高，但由于是大批量生产，故合理。2.3浇注位置确实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。根据对合金凝固理论的研究和生产经验，确定浇注位置时，应考虑以下原那么：铸件的重要部位应尽量置于下部；重要加工面应朝下或呈直立状；铸件大平面朝下，防止夹砂结疤类缺陷；应保证铸件能充满；应有利于铸件的补缩；防止吊砂、吊芯或悬臂式砂；应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致综合考虑以上原那么，本次设计的阀盖的浇注位置应选在如图2-1所示法兰盘朝上的大平面位置上。图2-1浇注位置示意图2.4分型面的选择分型面是指两半铸型相互接触的外表。生产中，浇注位置和分型面有时是同时确定的。分型面的优劣，在很大程度上影响铸件的尺寸精度、本钱和生产率。分型面的选择应尽量与浇注位置一致，以防止合型后翻转砂箱。在选择时，应注意以下原那么：〔1〕尽量将铸件的全部或大局部放在同一箱内，以减少错型和不便验型造成的尺寸偏差；〔2〕尽量将加工定位面和主要加工面放在同一箱内，以减少加工定位的尺寸偏差；〔3〕尽量减少分型面数量，在机器造型中一般采用一个分型面；〔4〕尽量减少砂芯数量；〔5〕尽量使分型面为平面；〔6〕为了方便起模，分型面应在铸件的最大截面积处；〔7〕注意减轻铸件清理和机械加工；综合上述原那么，现有以下两种方案：图2-2分型面方案一图2-3分型面方案二方案一：如图1-2所示，分型面选在阀盖法兰盘的大平面上，这样就保证了铸件的大局部都在同一个半型内，而且是重要部位尽量置于下箱，这样的话，下部金属液就会在上部金属液的静压力下形成致密的组织，保证了重要部位的质量。这种分型方法，貌似起模不方便，而且大平面的精度不易保证。但是这都可以通过一些措施补救，大平面是要留有加工余量的，所以不用担忧精度问题。而且不易起模的局部，我们可以不铸出，用机加工把它加工出来。这样以上问题就解决了。这样分型很明显的一点优势就是可以保证圆柱外表的粗糙度和圆柱的垂直度。方案二：如图1-3，分型面选在对称的面上，起模相当方便。但圆柱内壁的精度不能保证，而且浇注位置也不易确定。圆柱必须垂直浇注，方能保证精度，假设水平放置，浇注时圆柱壁易遭冲刷，造成缺陷，圆柱的垂直度也不易保证。而圆柱内壁的加工又不方便，费工费时。综上两种方案，还是选择方案一，虽免不了有些不合理的地方，但总体来讲还是要优于方案二，应选择方案一。2.5砂箱中铸件的数量及排列方式铸件轮廓尺寸为75mm×75mm×48mm，单件质量约为0.74kg，属于小型铸件，由于是大批量生产，采用的是机器造型、造芯，因此选择一箱四件。查表2-2[9]得：铸件与箱壁的距离为c=40mm，铸件与砂箱底部的距离为b=40mm，浇注系统内浇道的长度为f=30mm。表2-2按铸件重量确定的吃沙量〔单位：mm〕但这些数据也要根据实际情况来具体修改，以上数据在选择砂箱的时候可能会有所变动。因为在选择砂箱时，砂箱的尺寸是有规格的，所以会有相应的调整。铸造工艺参数及砂芯的设计3.1铸造工艺参数确实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，它包括了铸造收缩率〔缩尺〕、机械加工余量、起模斜度、最小铸出孔的尺寸、工艺补正量、分型负数、反变形量、非加工壁厚的负裕量、砂芯负数〔砂芯减量〕及分芯负数。这些工艺数据一般都与模样和芯盒尺寸有关，即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。铸件尺寸公差铸件尺寸公差是指铸件各局部尺寸允许的极限偏差，它取决于铸造工艺方法等多种因素。在本次设计中，零件的铸造工艺为砂型铸造，大批量生产的铸钢件，查得[8]：铸件的尺寸公差等级为CT8-CT12，取CT10。零件根本尺寸为75mm，查表3-1[9]得，允许最大偏差为3.2mm。表3-1铸件的尺寸公差值〔单位：mm〕铸件重量公差铸件质量公差定义为以占铸件公称质量的百分率为单位的铸件质量变动的允许值。按照规定，质量公差应与尺寸公差同级，所以，铸件重量公差等级为MT10，查表3-2[10]得，本次设计的铸件的质量公差数值为18%。表3-2铸件质量公差数值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精度，应有加工余量，即在铸造工艺设计时预先增加的，而在机械加工时又被切除的金属层厚度。在本次设计中，尺寸公差等级为CT10，查表3-3[8]得，铸钢件成批大量生产的机器造型的加工余量等级为H级。表3-3用于成批或大量生产与铸件尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量等级但在实际零件当中，还有些特殊要求，由于本次设计零件尺寸为75mm，属于小于100mm的范畴，查表3-4[8]得，本次设计的单侧加工余量为4.0mm，双侧为3.0mm。表3-4与铸件尺寸公差配套使用的机械加工余量铸造收缩率查表3-5[8]可知：铸钢件的受阻收缩率选为2%。表3-5砂型铸造普通合金铸件的铸造收缩率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。查表3-6[10]得：对于外侧非加工外表，由于壁厚小于10mm因此选用增加铸件壁厚的方法，另外，同一铸件应尽量选用同一起模斜度，以免加工模样时频繁更换刀具，所以选用同一起模斜度α=1°10′，a=0.8mm；对于外侧的加工外表，起模斜度也选择α=1°10′，a=0.8mm；对于内外表的起模斜度，由于是加工外表。因此，选择增加壁厚的方法，起模斜度仍选α=1°10′，a=0.8mm。表3-6起模斜度最小铸出孔及槽在本次设计中，铸件的法兰盘上有四个直径为14mm的通孔，中心处也有一个直径为20mm的通孔。大批量生产的铸钢件，其最小铸出孔直径查表3-7[9]得[30，50]。于是法兰盘上的四个直径为14mm的通孔可以不铸出。中心通孔虽然也可以不铸出，但是考虑到机械加工不易，故铸出。表3-7铸件的最小铸出孔工艺补正量工艺补正量可按照以下公式进行计算：(1)在本次的设计中，由于铸件的尺寸较小，可不考虑工艺补正量的影响。分型负数本次设计属于尺寸较小的湿型，分型负数较小，可不考虑。其它工艺参数的设计在本次设计中可不考虑其它如“反变形量〞、“砂芯负数〞、“非加工壁厚的负余量〞、“分芯负数〞的影响。3.2砂芯的设计砂芯的功能是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的局部，有时也用砂芯。选用砂芯的总原那么是：使制芯到下芯的整个过程方便，铸件内腔尺寸精确，不致造成气孔等缺陷，使芯盒结构简单。具体原那么如下：保证铸件内腔尺寸精度；保证操作方便；保证壁厚均匀；应尽量减少砂芯数目；填砂面应宽敞，烘干支撑面是平面；砂芯形状适应造型、制芯方法本次设计要铸出一个孔，故需一个砂芯。综合考虑，选用垂直砂芯，为了制芯和下芯的方便，零件的一些局部改成机械加工。根据本次设计中所选取的分型面及浇注位置，为了能够顺利取出模样，应该在铸件无法取出的部位设置一个外芯。最终的砂芯在零件中的模样就如图2-1所示。图3-1铸件中砂芯的示意图芯头的设计芯头：伸出铸件以外不与金属接触的砂芯局部。对芯头的要求：〔1〕定位和固定砂芯，使砂芯在铸造中有准确的位置，并能承受砂芯重力及浇〔2〕注时液体金属对砂芯的浮力，使之不被破坏；〔3〕芯头应能及时排出浇注后砂芯所产生的气体至铸型外；〔4〕上下芯头及芯号容易识别，不致下错方向或芯号；〔5〕下芯、合型方便，芯头应有适当斜度和间隙。第一种砂芯：本次设计的第一个是垂直砂芯，其芯头典型的结构见图3-2。图3-2垂直砂芯芯头典型结构示意图包括：芯头长度、斜度、间隙、压环、防压环和积砂槽等结构。芯头长度砂芯伸入铸型局部的长度〔露出铸件外部的长度〕，垂直芯头的长度称为芯头高度。如图3-3〔a〕中的h〔下芯头高度〕、h1〔上芯头高度〕。图3-3垂直芯头各局部尺寸示意图垂直芯头的高度查表3-8[11]，得芯头高度为20~25mm，具体是上芯头高度h1为20mm，下芯头高度为25mm。表3-8垂直芯头的高度〔单位：mm〕对于垂直芯头，由于L:D2大于2.5，所以下芯头要加大直径。取D1=1.5D2，D2=14mm，那么D1=21mm。如图3-4所示。图3-4扩大下芯头的垂直芯头示意图芯头斜度对垂直芯头，上、下芯头都应设有斜度。查表3-9[11]知，上芯头斜度10o，下芯头斜度5o。表3-9垂直芯头斜度〔单位：mm〕芯头间隙查表3-10[11]得，垂直芯头间隙s=0.5mm。表3-10垂直芯头与芯座之间的间隙〔单位：mm〕压环、防压环和集砂槽压环的作用：合箱后它能把砂芯压紧，防止金属液沿间隙钻入芯头防压环的作用：下芯、合箱时，它可防止此处砂型被压塌，因而可以防止掉砂。集砂槽的作用：用来存放个别的散落砂粒，这样就可以加快下芯速度。查表3-11[11]知，垂直芯头e=1.5mm，f=3mm，r=1.5mm。表3-11压环、防压环和积砂槽〔单位：mm〕第二种砂芯：为方便起模，增设的外芯。如图3-5所示。图3-5外砂芯示意图芯骨的设计为了保证砂芯的制造、搬运、配型和浇注中不开裂、不变形、不被金属液冲击折断，生产中常在砂芯中埋置芯骨，以提高其强度和刚度。在本次设计中，由于砂芯尺寸较小，而且采用树脂砂，砂芯强度较好，因此砂芯内不用放置芯骨。第4章浇注系统的设计4.1浇注系统类型的选择浇注系统分为开放式、封闭式、半封闭式和封闭-开放式。本次设计的阀盖为小型铸钢件，宜选用封闭-开放式浇注系统。而且铸件高度不高，结构比拟简单，因此采用顶注式浇注。又根据铸件形状，采用顶注式浇注系统中的搭边式浇注系统。封闭-开放式浇注系统：以转包浇注的小铸件，其内浇道面积可查表3-1，表中d的计算式：d=GL/V〔kg/dm3〕，GL是铸件浇注重量，V是铸件轮廓体积，是铸件三维最大尺寸的乘积。可以从表3-2选取Ag和Aru的截面尺寸。浇注系统各组元的截面积比为内浇道：横浇道：直浇道=1：〔0.8~0.9〕：〔1.1~1.2〕，取为1：0.9：1.1。铸件浇注重量GL为0.74kg，计算得d=2.74kg/dm3。查表4-1[9]得内浇道〔Ag〕截面积尺寸为1.8cm2，那么横浇道截面积为1.6cm2，直浇道截面积为2.0cm2。表4-1铸钢件内浇道截面积本次设计采用一箱四件，排布如图4-1所示，因此要设计4个内浇道，1个横浇道和1个直浇道。图4-1铸件在砂箱中的排布示意图4.2浇注时间铸钢件的浇注时间，可用经验数据决定浇注时间，本次设计的铸钢件由于太小，所以浇注时间暂取t=3s。4.3直浇道的设计本次设计采用最普通的圆柱形直浇道，如图4-2所示。前面已经得出直浇道截面积为2.0cm2。那么通过计算得直径d=16mm，长度视砂箱尺寸而定，取100mm。直浇道窝长度取5mm。图4-2各个浇道的截面图〔mm〕4.4横浇道的设计本次设计采用截面是梯形的横浇道，如图4-2所示。截面积为1.6cm2。查表4-2知，取a=13.5mm，b=10.5mm，h=13.5，长度视砂箱尺寸而定，取220mm。4.5内浇道的设计本次设计的内浇道截面同样采用梯形，如图4-2所示。截面积为1.8cm2。查表4-2[9]知，取a=31mm，b=28mm，h=6.0mm，长度视砂箱尺寸而定，取92mm。表4-2内浇道、横浇道截面积尺寸〔单位：mm〕4.6浇口杯的设计本次设计选用普通漏斗形浇口杯，直浇道下端直径d=16mm。查表4-3[9]知，D1=58mm，D2=54mm，h=42mm。由于是一箱四件，所以要加大浇口杯尺寸，其体积要乘以4，最终尺寸得出D1=89mm，D2=82mm，h=63mm。表4-3普通漏斗形浇口杯尺寸4.7冒口的设计冒口是铸型内用以储存金属液的空腔，在逐渐形成时补给金属，有防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。本次设计的铸钢件为小型铸钢件，尺寸为75mmX75mmX48mm，由于铸件太小，无需补缩，所以不设置冒口。4.8冷铁的设计为了增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作外表安放的金属块称为冷铁。本次设计铸钢件，结构简单，壁厚很小，无需设置冷铁。第5章铸造工艺装备设计5.1模样的设计金属模样的材料本次设计的模样为大批量生产的铸钢件，为小铸件，故宜选用铝合金模样。机器造型使用寿命达90000~130000次。它质轻，易加工，加工后外表光滑，具有良好的耐蚀外表。模样类型本次设计选用分开模样，造型简便，沿分型面分为上下模样。模样尺寸的计算A模=〔A件+A艺〕〔1+K〕(2)式中A模—模样的工作尺寸；A件—产品零件尺寸；A艺—零件铸造工艺附加尺寸〔加工余量+起模斜度+其它工艺与量〕；K—铸造的收缩率壁厚及加强肋本次设计为小型铸钢件，上下模样尺寸很小，可制成实心模样，故不必选择壁厚和加强肋。模样的形状由于外芯的存在，遂将外芯与下模样本体造成一个整体，如图5-1所示。图4-1下模样示意图5.2砂箱的设计设计和选用砂箱的根本原那么：满足铸造工艺要求。如砂箱和模样间应有足够的吃砂量，箱带不阻碍浇冒口的安放、不严重阻碍铸件收缩等；尺寸和结构应符合造型机、起重设备、烘干设备的要求；有足够的强度和刚度，使用中保证不断裂或发生大变形；对砂型有足够的附着力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂。为此，只有在大的砂箱中才设置箱带；经久耐用，便于制造；应尽可能的标准化，系列化和通用化本次设计选用通用砂箱—整铸式—机器造型用砂箱。砂箱材质和名义尺寸查表5-1[12]知：砂箱的材料选择HT200，进行自然实效或退火处理。表5-1砂箱及其附件的材料砂箱名义尺寸是指分型面上砂箱内框尺寸〔长度X宽度〕乘以砂箱高度。确定砂箱尺寸时要考虑一箱内放置铸件的个数和吃砂量。吃砂量的选择参照表5-2[8]，得出最小吃砂量为35mm。表5-2最小吃砂量〔单位：mm〕初步估算砂箱长度为270mm，宽度为270mm，高度为86mm。由于所设计的砂箱长度和宽度应是50或100mm的倍数，高度应是20或50mm的倍数。所以根据表5-3[13]得出，砂箱的长度为350mm，宽度为300mm，高度为100mm。最终砂箱的尺寸确定为350mmX300mmX100mm。表5-3普通砂箱的规格〔单位：mm〕箱壁本次设计选用机器造型沙箱。如图5-1〔a〕所示，底部设置突缘，防止塌箱，保证刚性，便于落砂。本次设计箱壁壁厚取10mm。圆角尺寸简易砂箱的转角一般不作圆弧过渡，而是做成直角或内壁转角加厚，以增加转角的强度。查表5-4[13]知，b=20mm~25mm，取b＝22mm。表5-4简易砂箱转角局部结构及尺寸〔单位：mm〕〔a〕〔b〕〔c〕图5-1砂箱箱壁形状、定位销以及销套示意图〔mm〕砂箱定位本次设计采用机器造型，采用定位销定位，需要销套。本次设计选用插销定位砂箱。如图5-1〔b〕所示，选用M20的定位销。销套如图5-1〔c〕所示。新砂箱用标准套〔外径D〕；第一次更换采用销套I，外径为D+0.2mm；第二次更换用销套II，外径为D+0.4mm。箱带箱带用于中、大型砂箱内，平均内框小于500mm的可不设箱带。本次设计砂箱内框尺寸为350mmX300mmX100mm，故无需设置箱带。砂箱外壁加强肋的布置和尺寸对于内框尺寸小于750mm的铸铁件，可以不设计加强肋。砂箱壁排气孔的形式和尺寸由于砂箱的尺寸较小，仅靠插砂排气即可满足要求，因此砂箱壁不需设排气孔。搬运、翻箱结构本次设计为小型砂箱，采用手把作为搬运、翻箱结构。一般采用铸接法同砂箱相连。手把如图5-2所示，查表5-5[13]可知各局部尺寸。图5-2砂箱手把示意图d=40mm，D=60mm，D1=75mm，L=110mm，H=10mm，r=16mm，r1=5mm表5-5普通小型砂箱箱把局部的尺寸〔单位：mm〕砂箱的紧固为防止胀箱、跑火等缺陷，上下砂箱应紧固。本次设计为小型铸件，采用压铁法紧固即可。5.3芯盒的设计芯盒是制芯工艺过程中所必需的工艺设备，为了提高砂芯精度和芯盒的耐用性，采用金属芯盒。铝质，ZL104。分盒面的设计由于砂芯是圆柱回转体，所以采用水平分盒面。芯盒内腔尺寸确实定芯盒内腔尺寸=〔零件尺寸+/-工艺尺寸〕X〔1+零件的铸造收缩率〕，通过计算得砂芯直径为14.24mm，取14.3mm；砂芯长度57.12mm，取芯盒主体结构的设计芯盒主体结构如图5-3所示。图5-3芯盒示意图根据芯盒的平均轮廓尺寸〔A+B〕/2及芯盒材质来确定壁厚。本次设计的芯壁较小，小于200，铝质，所以取壁厚7mm。定位采用定位销和定位销套，在芯盒的两端各设置一个。定位销套的尺寸如图5-4[13]所示。定位销的结构尺寸如图5-5[13]所示，与定位销套的装配示意图如图5-6〔c〕[13]所示。图5-4定位销套结构尺寸示意图图5-5定位销结构尺寸示意图芯盒的夹紧装置采用快速螺杆。其下螺母用来调整松紧程度，上螺母用来併紧下螺母。此装置结构简单，紧凑，夹紧效果好，磨损后便于调节、操作方便。常用于小芯盒上，是工厂中使用较多的一种。其结构尺寸如图5-6〔a〕所示，与其配合的垫片如图5-6〔b〕所示。〔a〕〔b〕〔c〕图5-6芯盒紧固及定位装置图芯盒与耐磨护板确实定为了增加芯盒边缘的强度和刚度，芯盒边缘要加宽加厚，并且为了增加芯盒刮砂面的耐磨性，特在刮砂面上设置防磨片芯盒边缘及耐磨片。耐磨片用30钢制成，用沉头螺钉固定在盒体边缘上，耐磨片的厚度为3mm。5.4模板的设计模板的类型本次设计的模板采用装配式单面模板。单面模板采取的是顶杆式，模底板材料决定为灰铸铁〔HT150〕。造型机的选用本次设计选用的Z145A造型机为可调节顶杆式起模的镇压式造型机，顶杆起模行程为150mm。Z145A造型机砂箱最大内形尺寸为500X400mm。砂箱最大尺寸适合，且其内放四个模样，造型选用的砂箱尺寸350X300X100mm。材料为铸铁。确定模板尺寸模板尺寸A0=A+2b(3)B0=B+2b(4)式中A0—模板的长度；B0—模板的宽度；砂箱内框长度；砂箱内框宽度；砂箱平均尺寸<500mm，高度<200mm，查表得b=18mm。其配合的模底板尺寸：A0=A+2b=386mm，B0=B+2b=336mm。模底板的材料为铸铁，高度在80~150mm，取80mm，小于顶杆的起模行程。模底板定位销孔中心距应根据所配用砂箱销套的中心距C来确定，用同一钻模钻出。砂箱销套的中心距为430mm，故C=430mm。加强肋壁厚与间距本次设计的模板，加强肋如图5-7所示，其中t=12mm，t2=10mm。加强肋间距参考表5-6[13]。图5-7加强肋示意图表5-6加强肋间距〔单位：mm〕由于模底板尺寸，现将K，K1适当调整。其中K=163mm；K1=138mm。模板与砂箱的定位本次设计中，模板与砂箱的定位采用直接定位法，如图5-8〔a〕。模底板与砂箱之间常常用定位销和销套定位，此处只设计定位销。在造型过程中为使砂箱不被卡死常将两个定位销分别做成圆形的和带有平面的，分别为定位销和导向销。本设计中选用M20的定位销，其配套螺母选用M16。模底板上的定位销安放在销耳上，设在沿中心线长度方向的两端，样式如图5-8〔b〕所示。〔a〕(b)图5-8模板与砂箱的定位方式及定位销示意图定位销耳的结构如图5-9所示，其尺寸参考表5-7[13]。图5-9定位销耳示意图表5-7模底板上定位销耳的尺寸〔单位：mm〕模板的紧固装置模板用螺栓固定在造型机工作台上，这时应设置紧固耳。其位置要和造型机工作台上台面上的T型槽相对应，紧固耳数为4。其结构如图5-10所示。模底板平均轮廓尺寸小于500mm。尺寸参考表5-8[13]，紧固螺钉的规格为M12。图5-10紧固耳示意图表5-8紧固耳的尺寸〔单位：mm〕模样在底面上的装配(1)模样在模底板上的放置形式以简单方便节约本钱考虑，采取平放式将模板平放在模底板上，模底板不必挖槽。(2)模样在模底板上的定位和紧固模样在模底板上常用定位销来定位，定位销采取的是圆柱销，定位销将模样装配在模底板上的形式如图5-11所示。定位销类型选择不淬硬钢圆柱销。a、直浇道模样在模底板的装配本次设计直浇道上下大小一致，可在起模时直接从铸型顶部拔出。因此这类模样并不用紧固，只用销子定位。b、横浇道、内浇道和直浇道窝模样在模底板上的装配这类模样高度都不大，选用螺钉和铆钉直接紧固在模底板上。c、装配式芯头模样的定位和紧固为了加工制造模样方便，芯头往往单独加工制作，然后再与铸件模样装配成一体。本次设计为垂直芯头，尺寸较小，选用螺纹直接拧入模样本体。第6章铸造过程的凝固模拟“华铸CAE〞铸造工艺分析软件是分析和优化铸造工艺的重要工具，是华中科技大学〔原华中理工大学〕经20多年研究开发，并在长期的生产实践中不断改良，完善起来的集成软件系统，目前发行的版本是V10.0。它以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件的成型过程进行工艺分析和质量预测，从而协助工艺人员完成铸件的工艺优化工作。多年来在提高产品质量，降低废品，减少消耗，缩短试制周期，赢得外商订单等方面为众多的厂家创造了显著的经济效益，在行业内享有广泛的声誉和信誉。随着计算机硬件条件的改善,铸造过程数值模拟技术有了长足的进步和开展,国内外此类商品化软件不断完善并对实际生产起着越来越重要的作用。本次华铸CAE软件在实际生产中的一些应用,应用说明该软件能够很好地预测充型。华铸CAE凝固过程模拟包括前置处理、后置处理等内容。在设计完以上内容后，我们进行了铸造工艺的计算机模拟。我们用华铸CAE模拟了铸件的充型和凝固过程，发现了一些问题，缩孔和缩松现象比拟明显。所以修改了一些参数，最终模拟的结果如图6-1所示。图6-1模拟结果图由图6-1可以看出缩孔缩松现象主要出现在浇口杯处，铸件上的缩孔与缩松现象微乎其微，符合铸造精度的要求，故设计的方案比拟合理。结论与展望本次设计主要是研究铸造中的砂型铸造，其主要内容是铸造工艺性分析、分型面的选择、浇注位置的选择、铸造工艺参数选择；砂芯的设计、浇注系统的设计以及砂箱、芯盒和模板的设计。完成这些内容需要翻阅打了资料，这个过程使我的知识更加系统化，收获颇多。在设计过程中，我们要画出相关的图纸，包括手绘砂箱图，利用UG画出铸件的三维图以及使用AutoCAD画出合箱图、模板图，芯盒图、铸造工艺图等。这使得我熟悉并会使用这些计算机做图软件。在使用华铸CAE模拟的过程中，我们也进一步验证了铸造的充型理论和纯凝固理论，以及了解了缩孔缩松现象易发生的部位。通过本次设计，我对砂型铸造有了进一步的认识。砂型铸造是一种以砂作为主要造型材料，制作铸型的传统铸造工艺。砂型铸造的适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大批量都可采用。砂型铸造用的模具，以前多用木材制作，通称木模。为改变木模易变形、易损坏等弊病，除单件生产的砂型铸件外，全部改为尺寸精度较高，并且使用寿命较长的铝合金模具或树脂模具。但是，砂型铸造也有一些缺乏之处：因为每个砂质铸型只能浇注一次，获得铸件后铸型即损坏，必须重新造型，所以砂型铸造的生产效率较低；又因为砂的整体性质软而多孔，所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，外表也较粗糙。进入21世纪以来，我国的铸件总产量在全球稳坐第一把交椅。可是从环保、节能减排及搞“低碳经济〞的现状来说，这个“第一〞并非好事[14]。长期以来，我国铸造业存在着严重的环境污染和资源消耗，显然，在这样条件下生产的铸件越多，那么对环境的污染损害越大，对国家自然资源的消耗越多，所欠下的“环境债〞也就越多。我国铸造业要获得科学、可持续开展，必须正视行业严峻的环境问题之现实，审时度势，摒弃那种求一时的“繁荣〞却以牺牲环境和大量资源为代价、盲目求“开展〞的落后观念，而应当以冷静、科学、积极、对环境负责的态度求开展。假设把妥善实施低碳经济与铸造业协调开展定义为“绿色铸造〞，那么，我国绿色铸造技术开展的根本战略目标应当是――从铸造生产的所有环节抓起，全面研究和开发那些符合清洁生产和低碳经济要求的铸造技术，以提升产品技术附加值，提高生产率，降低资源和能源消耗[15]。除需强化法制和管理之外，从科技创新及科研成果转化方面来说，当着力从铸造技术本身出发，加紧研发和采用一系列有益于环境保护和低碳经济的铸造新材料、新工艺、新设备。为实现真正意义上的绿色铸造战略目标，不能等到污染产生和资源浪费到无法继续进行再生产时才去被动地治理，而应明智地采用符合低碳经济的铸造先进、适用技术，防止和减少环境问题，以获得生产与环保、低碳经济的双赢。致谢首先，我要感谢我的导师朱先琦副教授，她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的典范，给了起到了指明灯的作用；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪，让我很快就感受到了设计的快乐并融入其中。其次我要感谢同组同学对我的帮助和指点，没有他们的帮助和提供资料，没有他们的鼓励和加油，这次毕业设计就不会如此的顺利进行。此次毕业设计历时三个月，是我大学学习中遇到过的时段最长、涉及内容最广、工作量最大的一次设计。用老师的一句话概括就是这次毕业设计相当如是把以前的小课程设计综合在一起的过程，只要把握住每个小课设的精华、环环紧扣、增强逻辑，那么这次的任务也就不难了。在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完本钱篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意!最后我还要感谢机械与汽车工程学院和我的母校安徽工程大学四年来对我的栽培。由于我的学术水平有限，所写论文难免有缺乏之处，恳请各位老师和学友批评和指正！张海超2012年6月13日参考文献[1]中国铸造协会．中国金属铸件年度产量[J]．北京：中国铸铸造协会.2004[2]张立波，葛晨光，田世江．关于我国铸造业走自主创新道路的思考[J].铸造．2006，5(55)：429—432．[3]鲁永杰．铸造行业绿色铸造技术开展战略[J]．铸造，1999(S1)：70～76．[4]田世江，杨丽君，王玉杰．我国开展节约型铸造业的思考[J]．特种铸造及有色合金．2005，25(12)：727—728．[5]颜爱民．中国铸造行业现状及开展对策[J]．铸造技术．2003，24(2)：77-79．[6]柳百成．21世纪铸造技术的开展趋势[J]．铸造世界报．2001，(6)：15—16．[7]李新亚，等铸造行业国内外生产技术现状及开展方向[J].铸造，1999：3-11[8]王文清，李魁盛.铸造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2023[9]李弘英，赵成志.铸造工艺设计[M].北京：机械工业出版社，2005[10]中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册〔第五卷—铸造工艺〕[M].北京：机械工业出版社，1994[11叶荣茂.铸造工艺课程设计手册[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995[12]中国铸造协会，铸造工程师手册编写组编.铸造工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1997[13]吴光峰，钱绍富，张秉华.铸造工艺装备设计手册[M].北京：机械工业出版社，1989[14]RohallahTavakoliandParvizDavami.Automaticoptimalfeederdesigninsteelcastingprocess[J].197(2023)921–932[15]R.W.Lewis,M.T.Manzari,R.S.Ransing,D.T.Gethin.Castingshapeoptimisationviaprocessmodelling,Mater[J].Des.21(4)(2000)381–386.附录A:主要参考文献摘要[1]中国铸造协会．中国金属铸件年度产量[J]．北京：中国铸铸造协会.2004摘要：中国铸造协会自1989年以来，在有关部门和地方协会(学会)的支持下，逐年统计我国金属铸件的产量，并每年通过《现代铸造》(MODERNCASTING)向全世界公布。[2]张立波，葛晨光，田世江．关于我国铸造业走自主创新道路的思考[J].铸造．2006，5(55)：429—432．摘要：宏观分析了我国铸造业自主创新的必要性和紧迫性,指出了影响自主创新的主要障碍、危害和形成原因,提出了有关铸造行业走自主创新道路的一些宏观性建议。[3]鲁永杰．铸造行业绿色铸造技术开展战略[J]．铸造，1999(S1)：70～76．摘要：人们正以新的观念、新的技术面向21世纪。人口、资源、环境将成为新世纪的三大主题,未来经济与社会的开展,将给以消耗资源、能源为代价,承受巨大环境压力的铸造技术提出更高的要求。在第63届世界铸造会议上,权威人士指出:“铸造工作者必须满足社会生态要求,纯粹的守势是不行的,应主动正视环境问题,合理地使用能源并减少污染〞。因此制订适应新世纪开展方向的铸造技术开展战略,对于我国铸造业意义十分重大。[4]田世江，杨丽君，王玉杰．我国开展节约型铸造业的思考[J]．特种铸造及有色合金．2005，25(12)：727—728．摘要：阐述了节约对于我国铸造业实现可持续开展目标的至关重要性,分析了我国铸造业开展节约、循环经济的历程、面临的挑战和存在的主要问题;提出了建立法制保障、应采用的节能技术措施等在我国铸造业开展节约、循环经济的假设干建议。[7]李新亚，等铸造行业国内外生产技术现状及开展方向[J].铸造，1999：3-11摘要：论述了国内外铸造行业在铸件的内外质量、节能节材环保及计算机应用等的生产技术现状;分析了我国铸造行业在上述诸方面存在的问题及与兴旺国家的差距;为了缩小与兴旺国家的技术差距和适应当前科技的快速开展形势及我国现代化建设的需要,指出了我国铸造生产技术的开展方向,所要开展的研制工作,必须开发、采用和推广的先进生产技术。[8]王文清，李魁盛编.铸造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2023摘要：本书主要讲述了铸造的各种造型、造芯方法，以及浇注系统的分类，铸造工艺装备设计等内容。[9]李弘英，赵成志.铸造工艺设计[M].北京：机械工业出版社，2005摘要：本书包含铸铁件、铸钢件和非铁合金铸件和铸造工艺设计内容及工艺参数、浇注系统设计、补缩系统设计、出气孔设计、激冷系统设计、特种铸造工艺及铸造工艺新技术等内容。全书理论联系实际，书中的工艺举例均采用经过生产验证的实例，图文并茂，为工艺设计提供了理论依据和实用手段。本书在介绍传统铸造工艺设计方法的根底上，又介绍了较先进、较成熟的凝固模数法铸造工艺设计。在模数法上有所开展，在铸造工艺CAD上有所前进。[10]中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册〔第五卷—铸造工艺〕[M].北京：机械工业出版社，1994摘要：本书分别介绍了铸造工艺的开展简史、前景与展望；液态金属的充型能力，凝固、结晶、收缩的控制和铸件中的气体、非金属夹杂物；砂型造型、制芯工艺方案设计，工艺参数选择，浇注系统、冒口、冷铁和出气孔设计及砂型〔芯〕的烘干与装配，并给出了应用实例；模样、模板、芯盒和砂箱的设计；铸件的落砂除芯，浇冒口、飞翅和毛刺的去除，铸件的外表清理，铸件缺陷的产生原因和防止方法，铸件的矫形和挽救，内应力消除和防锈涂装；铸件质量检验；计算机技术在铸造中的应用和快速成形、无模化铸型、适流浇注系统设计等新技术。[11叶荣茂.铸造工艺课程设计手册[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1995摘要：本书是为适应高等院校铸造专业学生进行砂型铸造工艺设计的需要而编写的教学参考书。编写过程中，参考了国内主要的铸造工艺设计经验材料和各高等院校的铸造工艺设计手册。[12]中国铸造协会，铸造工程师手册编写组编.铸造工程师手册[M].北京：机械工业出版社，1997摘要：本书是综合性铸造专业技术手册，除提供大量信息和数据外，也简略地提到一些根本的理论知识和技术观点，具有较强的实用性和可读性。内容包括：各种铸造合金〔铸钢、铸铁和铸造有色合金〕的特性和熔炼工艺要点；造型材料；铸造工艺和铸造工艺装备的设计；各种特种铸造工艺的特点以及铸件的品质〔质量〕指标和主要检测方法等。附录B:英文原文及翻译铸钢过程中最正确冒口的自动化设计

DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,SharifUniversityofTechnology,P.O.Box11365-9466,Availableonline6October2007摘要：

铸钢过程中最正确冒口的自动化设计方法。最初的设计是铸造的一局部〔无冒口〕,它被放在一个适宜的模具中。每个支线的设计包含以下步骤：冒口颈部的测定,铸件外表的连接点的设计,初始冒口设计,冒口形状优化和冒口拓扑优化。完成该方法设计的首架支线后,再设计下一个,如果需要,将重复同样的工作。根据此方法设计的冒口按它们根据大小呈降序排列。

关键词：拓扑优化冒口设计铸造工艺优化,形状优化；介绍由于熔融金属凝固过程中在模具型腔中的体积收缩，新鲜熔化的金属局部应使之充型收缩。然而，由于新鲜的熔融金属不能被送入隔离的金属周围使之完全凝固，就会形成一个空腔和其他的空白地区，如其中的孔隙度缺陷就是作为熔融金属的收缩而形成。从而形成了的腔被称为缩孔，这是一个严重的铸造缺陷。馈线追加到为了补偿凝固收缩铸造和提供〔铸造的定向凝固冒口〕进行最后的凝固点，以使出线。因此冒口要设计在在最后凝固点附近。冒口被切断后完成完整的回收凝固。因此，适当的设计〔冒口的数量，位置，大小和形状〕是一个健全的铸件生产的关键。此外，它需要通过减少冒口来降低生产量本钱。

近年来，铸造业中缩孔被广泛用于铸造模拟设计评估和预测。现在铸造模拟系统是为代工用户提供软件程序，由用户设计，然后分析设计的可能性作出预测缺陷。一旦分析已经完成，用户查看分析结果，如果铸件内一个潜在领域发现了缺陷，那么用户需要做一些逻辑设计修改和重复仿真，直到得到所需的结果。因此，传统的试验和错误铸造的设计周期已被计算机取代。但仿真软件包往往用在过于棘手的和需要在CAD以及实体建模冒口的设计原那么上。此外，引导设计是没有本质的优化它的质量，所以功能用户需要很有耐心。

近年来已发表大量的论文报告，数值优化成功地运用在最正确冒口设计领域的方法上。[29,19]。这些作品在最正确冒口设计制定的形状优化问题上，直接运用灵敏度分析解决梯度的最小化方法。目标函数被定义为冒口量和约束定义，使沿线的一些先验的定向凝固来定义冒口路径。[11,10,13]作者不用同样的方法，而是用一种特殊的〔计算廉价〕有限差分法。[22]内侧基于轴的插补方法〔见[21]〕为加快凝固分析优化过程。铸造工艺优化相关的其他作品通常处理的边界优化条件或热界面传热系数，是为了满足理想的目标温度轨迹[33,25]和预期目标凝固路径[12,17]。虽然上述作品成功展示确定应用为最正确优化过程冒口设计，但没有实现自动上料机设计，因为他们依靠近可行的初步设计〔冒口的数量，位置和形状〕，在不容易的三维几何的情况下，他们也需要一些先验来定义冒口路径。本研究提出铸钢工艺最正确冒口自动化设计的新方法。这方法作为输入铸造〔不含支线〕其冒口，使最终的设计是收缩缺陷的几何设计〔或保持缺陷免费比定义的阈值较小〕。冒口设计的概念可以很容易地包含在用户的奉献原那么所提出的方法。所提出的另一个特点方法是有效的数值实现，这使得它成为一个现实世界的情况下可行的设计工具。铸造的数学和数值模拟凝固从宏观的角度来看，如果在凝固过程中无视效果熔体的流动，那么凝固管辖与相由非线性热传导方程改变。为解决这有几种方法方程〔见良好的调查[8,14]〕。其中选择这些方法所需的精度和可用功能计算资源。作为数值优化一个反复的过程，合理有效的数值方法精度是更为可取的。[28]稳定明确传导的有限差分法为主提出了相变问题。这计算方法与一个明确的方法的本钱相同〔每时间步长〕，由于稳定性标准，它是不受时间步长的限制。[27]相变求解延长模拟真实世界铸件的凝固方法，其效率的提高，包括域分解法。为了演示简洁，我们有兴趣的读者请参考文献。[27,28]的详细信息关于数学和数值模拟铸造在本研究中使用的凝固方法。3.凝固诱导缺陷预测正如在第1条，支线的主要目的设计无缺陷的铸件生产〔尤其是宏观收缩〕。因此，在这项研究中，预测凝固合理精度的缺陷是一个重要的阶段。3.1.宏观收缩预测由于金属的凝固收缩，数值模型可以预测大孔隙的形成。通常有三种类型，第一个[18]涉及流体力学方程的完整的系统解决方案〔Navier-Stokes方程与能量方程耦合〕。虽然这种模式用一个正确的工具来研究孔隙形成的现象，这可能是计算比拟昂贵，因为每次加强数值算法完整的解决方案涉及的势头和能量方程。在第二个模型[1,2]，在自由外表全流体力学方程系统一并解决以ALE为液态金属的直接跟踪方法。糊状的热机械行为区域和固体区域还包括准确预测的缩孔。前一种方法计算本钱高，因此，它不适合我们的要求。第三种模式，简化收缩模型[9]，是基于解决方案的能量流体流动方程。在铸造区在每一个时间步，孔隙度预测评价是在每个孤立的液体凝固收缩量上。此卷是按照上方的液体地区液态金属量减去从细胞流体被删除的量。液体地区的“顶级〞定义重力的方向和自由外表在每个隔离区域的液体被认为是水平的。这种方法的相关性支持，在许多情况下，金属液体流动忽略。因此，孔隙的形成是由金属冷却和重力的影响。透气性限制液态金属之间的糊状区可以很容易地纳入在这个模型。这种模式的实施基于对价。[9]在本研究中使用。因为在这模型，大局部的CPU时间局部被消耗，标志着孤立液体区域。一个基于新的孤立液体快速行进的区域标记算法[24]中介绍了目前的研究〔见附录A〕3.2.微观收缩预测微收缩缺陷是另一个问题，应考虑冒口设计，尤其是与合金大的凝固时间间隔。丹山，[20]一个简单的预测钢中的微收缩措施的铸造工艺。丹山标准被定义为，G/√R其中G为温度梯度，R是在凝固冷却速率〔固相线温度〕。基于的丹山结果，任何铸造点丹山标准是低于一个临界值的微收缩缺陷发生。临界值的G/√R级是合金成分的功〔775K-1/2S-1/2M-1丹山报告某些类型的钢合金〕。用解决方案来评价这个标准是足够的能量方程，因此它不施加相当大的额外费用。因此它是适合我们的目的的。如今Niyama的标准被广泛应用于商业软件包预测微收缩。4.最正确冒口自动化设计在本节中，我们提出我们的方法，那就是自动铸钢过程中的最优冒口设计。在这项研究中所提出的的方法包括以下主要步骤：〔1〕初始化，〔2〕缺陷预测，〔3〕缺陷分布并寻找适宜的位置接驳颈部连接，〔4〕冒口和冒口颈部设计，〔5〕形状添加冒口的优化，〔6〕拓扑优化添加冒口〔如果需要的话〕，〔7〕要加强2，重复相同的步骤，直到在铸造过程中残存的缺陷成为低于定义的阈值〔或其他定义阻止条件得到满足〕。如果只有一个主要的热点内的铸造，应把冒口连接到最接近的铸造面热点。据位于两个或多个孤立的热点除了需要多个冒口。如果有几个热点，不同的凝固，倍，可接最初设计为最热的一个，通过分析，以验证是否遵循相同的冒口。也可以在任何其他的热点上设置冒口。冒口设计是未来最大的热点，等等[23]。目前的研究说明冒口颈部连接位置是缺陷分布的第一步。当我们有多个不同的凝固时间的热点，这一步是必不可少的。自动考虑到上述原那么提出的算法，即首架支线。这是最重要的单个最大收缩缺陷的铸件的局部设计。在同一的方式下，设计的第二接点是排名最大的接点，最后的设计冒口是最小的那个。在此方法中，假定的小冒口没有凝固相当大的区域，其相应的为更大的冒口条件〔冒口设计前〕。这是一个可行假设，原来的铸造需要一些各种尺寸的冒口，或多个大致相同大小的冒口，需要在这些冒口有不凝固的相当大的影响对方的条件〔例如，有一些光节铸件之间的沉重局部〕。如果这个假设是不可行的，最终的设计不是最正确的冒口〔见第5节〕，它可能是次优的〔不是最终设计生产的铸造〕。该方法的整体流程图所示图1。在以下小节中讨论上述步骤的细节。图1.最正确冒口自动化设计过程的流程图4.1.初始化在这一步铸造几何〔不含支线〕，表示用户属性和边界条件。然后输入几何体被嵌入在一个适宜的模具离散框和模具盒〔包括铸造〕。根据定义网用户一个统一的笛卡尔网格大小。每个笛卡尔网格称为像素。目前研究的OpenSource网格发电CartGen[26]为此目的而使用。我们有一个三维数组，F存储类型像素〔而非CAD几何〕。在本研究中我们有两个像素类型：铸铁体素，F=1和模具像素F=0。从模具外表使铸造模具盒维数被选中，具有至少一个最小距离。vqmin值，是一个用户定义的参数是根据铸件重量/正式选定最大铸件厚度。像素大小应该根据铸件的几何形状的复杂性来确定〔和选择通常的用户体验〕。小像素尺寸导致计算本钱高，大像素程序大小导致误差。请注意，在优化过程模框大小〔由于另外的冒口〕等总像素的数量正在逐步增加。在初始化步骤的另一个任务是外表设计空间的定义。外表设计空间，Cdesign，定义作为一个子集铸件的外表，Ccast，这是可行的连接冒口脖颈。作为一般规那么，连接冒口颈部小于绝对的铸铁外表曲率值是可取的。特别是连接冒口颈部凹面〔外表带有负应防止尽可能曲率〕〔考虑去毛刺，切割和加工程序，通常需要铸造后〕。可以是曲面的曲率从CAD模型中提取以下关系：其中，k是局部曲率，n是本地向外铸件外表的法线向量。请注意，在实际应用更复杂的外表几何推理适合Cdesign定义至关重要。因此，使用智能几何推理模块来根本一致的定义Cdesign。要生成一个切实可行的设计，用户定义的奉献有可能从中受益Cdesign。用户可以通过这种方式排除一些不可行外表形成Cdesign。Cdesign在voxelized几何，外表名单像素，与Cdesign有非空订阅。“外表体素是那些至少有一个模具在其附近的像素。在本研究中存在相邻像素时，他们两个像素被称为一个共享的面孔。4.2.缺陷预测在这个阶段，是由能量方程解与宏观或微观缺陷预测方法来确定铸造场〔原铸造缺陷+添加冒口，如果在以前添加一些冒口周期〕。4.3.缺陷分布冒口设计过程中主要的重要步骤之一是选择适宜的铸件外表上冒口颈部的连接点。如果只有一个主要内热点铸造，选择温度最高的点〔或与最高点局部凝固时间〕铸件外表成员的Cdesign是一个可行的选择。但是，当我们有孤立的两个或两个以上不同的凝固热点时，自动选择冒口颈部的连接点是非常困难的。为此，我们顺利和分发中投量的缺馅领域，使他们的影响以适宜的方式传送到铸铁外表。“这一步的应用在缺陷领域是预测的缺陷的方法之一：宏观或微观〔类型是用户选定的参数〕。以下Helmhotlz类方程用于分发缺陷在目前的研究领域〔2〕：其中d是预测的缺陷领域，是分布式〔平滑〕的缺陷磁场，>0是一个缩放控制扩散尺度〔在这项研究中=1〕，是空间变量的缺陷扩散系和的是空间域的局部，仅包含原始铸造〔不接驳〕。请注意，我们不喜欢的各向同性分布的缺陷，但我们更愿意有更多温暖的局部缺陷扩