QT400前轴承座上半铸造工艺设计

砂型铸造；铸造工艺设计；Procast模拟；

目录摘要 IAbstract II第1章绪论 1第2章设计方案 52.3第3章铸造工艺参数及砂芯设计 93.1浇注位置的确定3.2分型面的选择3.3.2铸件重量公差3.3.3机械加工余量3.3.4铸件收缩率3.3.5起模斜度3.3.6铸件最小壁厚和最小铸出孔3.3.7工艺补正量3.3.8分型负数3.4砂芯的设计3.4.1砂芯方案的确定3.4.2砂芯形状3.4.3芯骨设计3.4.5砂芯排气第4章浇注系统的设计 184.2.1浇注时间的确定4.2.2型内液面上升速度的校核4.3.1直浇道的尺寸4.3.2橫浇道的尺寸4.3.4浇口杯的尺寸第5章补缩系统设计 22第6章铸造工艺方案模拟与分析 246.2.1初始条件设定6.2.2网格划分6.2.3模拟结果--充型过程的分析6.2.4模拟结果--凝固的分析：6.2.4模拟结果--缺陷的分析6.3.1浇注系统的优化6.3.2冷铁的设计与计算6.3.3冷铁的尺寸计算6.3.4模拟结果--充型过程的分析6.3.5模拟结果--凝固的分析6.3.6模拟结果--缺陷的分析第7章铸造工艺装备 347.1.1模样结构7.1.2活块的结构及固定形式7.2砂箱的设计7.2.1砂箱设计和选用的基本原则7.2.2砂箱结构尺寸设计7.2.3砂箱的定位7.3芯盒设计致谢 38参考文献 39附录1 40铸造生产中，砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型生产的铸件占铸件总量的80%以上，这是因为砂型铸造生产率高，成本低，灵活性大，适应面广，相对来说技术也比较成熟，基于上述优点结合题目要求，本铸件采用砂型铸造的方法。砂芯的制造方法分为手工制芯和机器制芯，只有当批量生产时才考虑用机器制芯，本铸件不适合批量生产，故采用手工制芯的方法。手工制芯中芯盒制芯应用较广，且可制造各种形状的砂芯，故采用芯盒制芯的方法。整个砂型工艺的流程如图所示：图1-2砂型铸造工艺流程根据文献[2]，目前国内生产铸铁件自硬砂工艺主要有：碱性酚醛树脂自硬砂、水玻璃酯固化自硬砂、呋喃树脂自硬砂。通过对比，碱性酚醛树脂自硬砂中不含N、P、S元素，高温下有二次硬化现象，裂纹倾向小，发气量较小，生产环境好，落砂清理性能好质量可靠，碱性酚醛树脂自硬砂的应用最为经济实惠。图1-3零件应用示意通过本文的铸造方法制造的轴承座，出现缩孔的几率降低，满足了铸件的要求，增强了铸件的强度和整体的性能。根据零件特点结合铸造工艺参数，运用所学的专业知识，进行详细的工艺分析后。设计出完整的砂型铸造工艺方案。主要包括了对铸件砂型铸造的工艺参数选择和浇注系统的计算以及模拟分析等内容。应用软件设计铸件三维图并设计合理的浇冒口，并对铸造工艺方案进行模拟分析和优化，使得所设计的砂型铸造工艺方案具有一定的实用性和可行性。最后根据工艺图，设计出模板图、模样图和芯盒图，再绘制铸型装配图，最后编写设计说明书。主要内容有：（1）铸造工艺的分析；（2）铸造工艺方案的设计；（3）浇注系统的设计；（4）补缩系统的设计；（5）金属液充型及凝固过程数值模拟；（1）零件名称：前轴承座（2）材质：QT400-15（3）技术要求：1）铸件外表面要喷漆打磨光滑，力求美观。2）除特别说明外，铸件为左右对称。3）所有未注铸造圆角为R25。4）铸件的材料标准为EN-GJS-400-15U，铸件应进行热处理，必须由铸造厂或制造厂安排。5）铸件不允许有渣孔，疏松、气孔、砂眼等影响机械性能的外观缺陷。铸件应符合JB/T5000.6-1998《重型机械通用技术条件铸铁件》。（4）零件的形状：如图1.1所示为铸件的二维图。图2-1零件图（5）应用软件根据二维图的尺寸进行三维绘制，最终得出零件的结构图，如图1.2所示。图2-2零件三维图（6）零件特点：零件的轮廓尺寸为长2242mm×1410mm×660mm，重量为1990.37kg。其中最厚部位约为66mm，最小壁厚为50mm，最大半圆的孔径为Φ568mm，方孔尺寸为350mm×140mm，铸件的弧形表面上有4-φ30螺纹孔。零件总体结构较复杂，其中有多个凸台无法直接起模，铸造难度系数大，其中主体部位为一个Φ568mm半孔对模具造型较难；方孔尺寸为350mm×140mm需要砂芯成形。底部为大的一个Φ1180mm大的半圆结构，同时有2个40mm厚的筋条薄壁结构。主要承受径向载荷，使用简单不需要安装轴承，且轴瓦内表面不承担载荷的部分有油槽，这样润滑油可以通过油孔和油沟进入间隙，起到润滑保养作用。由于其经常处于压应力和摩擦状态，故要求能抗压和耐磨损。零件材料为QT400-15，其中的Mn元素能降低铸铁的共析温度，细化珠光体组织，并增加珠光体的量，提高铸铁的强度和耐磨性，但同时也降低铸铁的塑性。QT400-15属铸造合金铸铁，该铸铁种材料含具有良好的力学性能，材料的焊接性能不好，但易于机械加工等。根据GB/T1348-2009球墨铸铁件和EN-GJS-400-15U，其化学成分及力学性能分别如表1-2和表1-3所示：表2-1QT400-15化学成分（质量分数%）CSiMnPSMn0.36-0.401.20-1.90.50-0.600.0700.0800.03-0.06表2-2QT400-15力学性能MPaQUOTEMPaQUOTE%≥400≥250≥15170~230铸件按铸型性质不同，可分为砂型铸造、特种铸造和快速成型等方法。而砂型铸造是以砂型作为造型材料，用人工或机械方法在沙箱内制造出型腔及浇注系统的铸造方法不受铸件质量、尺寸、材料种类及生产批量限制，原料来源广泛、价格低廉，应用最为普遍。砂型铸造中的湿型铸造比较适用于中小型铸件，对大批量机械化流水线上更为实用。滑动轴承座在工程中的应用是比较广泛常见的。滑动轴承支座内部结构简单，主要由内腔和小孔等组成，表面形状相对复杂，但无特殊表面质量要求:从尺寸上来讲，属于较小尺寸造型:由于选用了球墨铸铁材料且生产批量不大，技术要求不太高，综合分析考虑选用砂型铸造成型，铸型种类为干型，采用手工分模，这样在满足要求的同时，操作灵活工艺装备简单，成本低，生产率高，必要时易于采用机械自动化操作。（1）铸件构造及铸造工艺性分析轴承座是轴承传动中的支承零件，其构造如上图所示。从图纸上看，该铸件外形尺寸不大，形状也较简单。材料QT400，属厚实体零件，故应注意防止缩孔、气孔的产生。从其构造看，座底是一个不连续的平面，座上的两侧各有一个半圆形凸台须制作活块并注意活块位置准确。（2）造型方法整模;取活块、两箱造型。（3）铸型种类因铸件较小，宜采用面砂、背砂兼用的湿型。（4）分型面的确定座底面的加工精度比轴承部位低并且座底都在一个平面上，因此选择从座底分型;座底面为上型，使整个型腔处于下型。这样分型也便于安放浇冒口。（5）浇冒口位置确定该铸件材质体积收缩较大，且该铸件属于厚实体零件，所以仍要注意缩孔缺陷的发生。因此内浇道引入的位置和方向很重要。根据铸件构造特点，应采用定向凝固原则，内浇道应从座底一侧的两端引入。采用顶注压边缝隙浇口，既可减小浇口与铸件的接触热节，又可避开中间厚实部分的过热，并可缩短凝固时间，有利于得到合格铸件。另外，由于压边浇口补缩效果好，故该铸件不需设置补缩冒口。为防止气孔产生，可在顶部中间偏边的位置，设置出气冒口。（1）安放好模样，砂箱舂下型先填入适量面砂和背砂开展第一次舂实。舂实后，挖砂并准确地安放好两个活块，再填入少量面砂舂实活块周围，然后填砂舂实。（2）刮去下箱多余的型砂并翻箱；（3）挖去下分型面上阻碍起模的型砂，修整分型砂；（4）放置好上砂箱（要有定位装置），按工艺要求的位置安放好直浇口和冒口；（5）舂上型。填入适量的面砂、背砂，固定好浇冒口并舂几下加固，然后先轻后重地舂好上型；（6）刮平上箱多余的型砂，起出直浇口和冒口，扎出通气孔；（7）开箱；（8）起模。注意应先松模并取出模样、活块；（9）按工艺要求开出横浇道和内浇道；（10）修型。修理型腔及浇口和冒口。

铸造工艺参数是指在铸造工艺设计时需要确定的工艺数据。准确、恰当地选择铸造工艺参数，可以保证铸件尺寸及形状准确，提高生产效率，降低生产成本。一般来说，铸造工艺参数的选取与铸件尺寸、质量、验收条件有关。在常见的铸件工艺参数中，除机械加工余量、铸造收缩率和起模斜度外，其他铸造工艺参数只用于特定条件。3.1浇注位置的确定铸件的浇注位置是指铸件在铸型中浇注时的位置。QT400-15在冷却凝固过程中因收缩大，易产生缩松、缩孔。在选择浇注位置时要有利于铸件实现顺序凝固，有利于减少砂芯数量和加强冒口的补缩作用。表3-1浇注位置分析编号分析（a）浇注静压头相对较高，采用中间注入式对铸件容易产生大的冲刷，出现砂眼等缺陷。铸件需要较多的砂芯成型且浇注系统安放不便利。（b）砂箱相对较低，底注式的浇注系统充型相对较平稳，但此浇注位置对冒口的设计不利，冒口不好放置。（c）在铸件的大平面容易产生气孔渣孔等缺陷，需要加大加工余量。冒口设计难度小。结合铸件的结构和材质特性，减少缩孔缩松等缺陷的产生，力求金属液流平稳，故本次采用底注式浇注系统。综上，选择c所示位置作为浇注位置。3.2分型面的选择分型面是指两半铸型相互接触的表面，一般在浇注位置确定之后进行选择。表3-2分型面分析编号分析（a）优点：模具上下两半基本对称，制作相对难度较低。缺点：铸件分布在两箱中容易错箱，砂箱高度太高，成型铸件的砂芯数量多且不易安装定位。浇注系统不容易布置。（b）优点：方便清理，铸件在一个箱内可以保证尺寸精度。缺点：上箱的砂型复杂，冒口的位置不方便设计，砂芯数量多且不易安置，脱模难。（c）

优点：铸件整体在同一箱内能保证尺寸精度，便于铸件脱模。缺点：铸件的主要加工面在下面，铸件上表面可能会有铸造气孔类缺陷。综上所分析，选择c为最终分型面且浇注位置c。3.3铸造工艺参数的确定3.3.1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。按照铸造手册第5卷铸造工艺，因铸件为砂型铸且批量生产，铸件的尺寸2242mm×1410mm×660mm，所以按CT14进行尺寸控制在±13mm。3.3.2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重量变动的允许范围。铸件重量公差等级与铸件尺寸的公差等级应对应选取，铸件重量为1990.37kg，故此铸件的重量公差等级应选MT13。铸件的重量公差数值为10kg。3.3.3机械加工余量据标准GB/T5000.6-2007的规定，铸铁件的加工余量应按最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸选取，属于此铸件的所有较小尺寸的加工余量与最大轮廓尺寸的加工余量相同。本次铸造体机械加工的最大轮廓尺寸为1430mm，故选取的机械加工余量应符合表3-3的规定：表3-3铸件机械加工余量数值最大外形尺寸>1000~1600加工余量一个面18顶面加量6铸件为保证其加工面尺寸和零件精度，应有加工余量，根据图纸，本铸件的加工余量的设置如图3-1所示。图3-1加工余量位置3.3.4铸件收缩率铸件线收缩率是铸件从线收缩开始温度（从液相中析出的枝晶所搭成的骨架开始具有固态性质时的温度）冷却到室温时的相对线收缩量，该铸件的孔结构，由于受到砂芯的阻碍，铸件十分难于收缩，按照文献[3]中表1-2中砂型铸造普通合金铸件的铸造收缩率的数据选择该铸件的铸造收缩率为1.3%。表3-4铸造收缩率铸件种类铸造收缩率（%）受阻收缩自由收缩碳铸铁及低合金铸铁1.6~2.01.3~1.73.3.5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，以免损坏砂型和砂芯。起模斜度的设置方法有“增加厚度法”、“减小厚度法”和“加减厚度法”。本设计采用“增加厚度法”设置起模斜度。自硬砂造型时的起模斜度如表3-5所示。表3-5铸件的起模斜度测量面高度h/mm起模斜度QUOTE起模斜度a/mm>40~1000°55′1.6>100~1600°40′2.0>160~2500°35′2.6>250~4000°35′4.2>400~6300°30′5.6本体铸件在造型时，选用模样拔模斜度，原则上不应超过铸件的壁厚公差要求即可，根据自硬树脂砂造型，最终确定α=0°30′，a=5.6mm。3.3.6铸件最小壁厚和最小铸出孔砂型铸铁件的最小允许壁厚如表3-6所示，根据体的轮廓尺寸2242mm×1410mm×660mm，由表3-6可得铸件最小壁厚为50mm，满足铸铁在砂型铸造下的最小壁厚要求。表3-7铸铁件在砂型铸造中的最小壁厚铸件尺寸/mm最小壁厚/mm约200×2006~8200×200~500×50010~12>500×50015铸件上的孔和槽，从经济角度及铸件品质要求等方面考虑直接铸出或由机械加工而出，根据铸件的材质、轮廓尺寸参照表3-7可知：表3-7铸件的最小铸出孔生产批量最小铸出孔直径d/mm单件、小批生产50因此按铸件的结构，最终铸件的4个螺纹孔采用填平铸出进行机加工，保证孔的精度。方孔则直接采用砂芯铸出。凸起的结构增加拔模角度的工艺，避免过多的砂芯。并同时在铸件上设计拉筋，避免铸件浇注冷却时变形，超成尺寸超差，左右两边相同各一根共2根。图3-2不铸出孔和槽示意图3.3.7工艺补正量由于铸件产生了变形以及其他工艺上的原因（错箱、偏芯等）造成铸件某些部位局部尺寸与图纸不一致，常常出现局部不够加工或厚度偏小的情况，为此需要在工艺设计时在这些位置事先加厚或加大一些尺寸。通过对本铸件的结构分析，中部通孔位置同心度要求较高，为避免在造型及制芯过程中易造成同心度的偏差，因此在此位置设置工艺补正量，其大小为3.5mm。3.3.8分型负数在采用干型生产时，由于起模、修型、烘干的过程中会使铸型出现一些变形，使上下两箱分型面的接触面凹凸不平，造成合箱不严，为了防止炮火，常用黄泥条或石棉绳垫在分型面之间，这样就增加了铸型的高度，使铸件垂直于分型面方向的尺寸与图纸不符，为了保证铸件尺寸，需要在模样上减去相应的高度；分型负数主要依据砂箱的轮廓尺寸确定。干型分型负数如表3-8所示：表3-8砂型分型负数模型高度/mm分型负数/mm<100021001~200032001~350043501~50005>50006根据体的轮廓尺寸2242mm×1410mm×660mm，由上表可得分型负数为4mm，由于两箱造型时，模样分模接触面的尺寸一致，选择上半模样留出分型负数。3.4砂芯的设计砂芯的功用是形成铸件内腔、孔和铸件外形不能铸出砂的部位，砂芯的要求主要是：（1）砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置应保证铸件的形状和尺寸符合要求。（2）具有足够的强度和刚度。（3）在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外。（4）铸件收缩时的阻力小，容易清砂。3.4.1砂芯方案的确定对于铸件，采用的2个树脂自硬砂制芯，需保证铸件的成型和铸件的精度，根据该铸件的结构来确定所需要的砂芯如图3-3所示：图3-3砂芯摆放位置示意图3.4.2砂芯形状1号砂芯根据以上对本铸件的分析，设置的砂芯形状如图3-4所示。图3-4砂芯形状砂芯主要依靠芯头固定在砂型上。对于垂直砂芯，为了保证其轴线垂直，牢固的固定在砂型上，必须有足够的芯头尺寸。2号砂芯根据以上对本铸件的分析，设置的砂芯形状如图3-5所示。图3-5砂芯形状3号砂芯根据以上对本铸件的分析，设置的砂芯形状如图3-6所示。图3-6砂芯形状砂芯根据以上对本铸件的分析，设置的砂芯形状如图3-7所示。图3-7砂芯形状对于4砂芯，必须有足够的芯头长度，以承受砂芯的重力，同时使用砂芯胶水粘在上砂型中。芯头与芯头座之间有适宜的间隙，以使砂型与砂型的装配，但又能确保铸件的尺寸精度[1]。图3-8芯头结构和砂芯下芯示意图3.4.3芯骨设计为了保证砂芯在制造、运输、装配和浇注过程中不变形、开裂或折断，砂芯应具有足够的刚度与强度。生产中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其强度和刚度，本铸件芯骨材料采用钢管，在砂芯模具上定位，工人直接下插到位，使用回收都方便，芯骨形状如表3-10所示：图3-9芯骨形状表3-10芯骨尺寸（单位：mm）砂芯插齿直径钢管壁厚框架横截面尺寸砂芯10525×203.4.5砂芯排气本铸件采用树脂自硬砂，在浇注过程中短时间内产生大量气体，这些气体一旦进入金属液中，就可能使铸件产生气孔。为保证砂芯排气，制芯时在砂芯中开设排气道，并在铸型中与芯头出气孔对应的位置应开设排气通道，以便将砂芯中的气体引出型外。本铸件排气通过钢管上开出排气孔进行排气。第4章浇注系统的设计浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道，它由浇口杯（外浇口）、直浇道、横浇道和内浇道等部分组成。铸铁件在浇注系统设计时应满足以下要求：（1）保证铸铁水在型腔内有适宜的上升速度；（2）合理地选择铸铁水进入铸型的位置和方向，有利于铸件的顺序凝固，避免铸件产生局部过热；（3）保证铸铁水连续均匀而平稳地充满型腔，为排除气体和非金属夹杂物创造良好条件；（4）避免铸铁水直接冲击型腔和型芯；（5）不妨碍铸件的收缩。铸铁的特点是熔点高，流动性差，收缩大，易氧化，有夹杂物，要求浇注系统结构简单、截面积大，使充型快而平稳，流股不宜分散，有利于铸件的顺序凝固和冒口的补缩，不应阻碍铸件的收缩，此铸件的浇注系统的位置应该是选择中间注入式浇注系统为封闭式。4.2.1浇注时间的确定在浇注系统计算时，首先确定适当的浇注时间，铸件的重量为2090kg。因此由表4-1查出注孔直径和铸铁液流量，结合相关文献[1][2]，选注孔直径45mm，平均浇注速度42kg/s。浇注时间按式4-1计算：QUOTE（4-1）式中τ——浇注时间；m——型内铸铁液质量；QUOTEN——同时浇注的浇包数；QUOTEn——一个浇包内的包孔数。表4-1平均浇注速度和包孔、浇包容量的关系包孔直径Ф/mm4045505560平均浇注速度q/(kg/s)2742557290浇包容量m/t5858381012m为包括浇冒口和胀箱增重质量的型内铸铁液质量，胀箱的增重应根据生产的实际情况参考表4-1决定。表4-2铸铁铸件的工艺出品率名称铸件重量m/kg大部分壁厚T/mm工艺出品率（%）明冒口半球形暗冒口一般重要的重型件1000~2000~5050~100>10058~6656~6454~6262~7060~6858~66特别重要的重型件1000~2000~5050~100>10057~6555~6353~6161~6959~6757~65工艺出品率参考文献[3]中表4-2中数据取70%，铸件的浇注重量为2986kg，采用双包浇注，则浇注时间为QUOTE=（2986/42）/2=35.54s，取整数为36秒。4.2.2型内液面上升速度的校核由上式计算出浇注时间，还应用铸铁液在铸型中上升速度进行验证，比较合适的铸铁液在铸型中的上升速度参照表4.4。型内金属液面上升速度QUOTEv型用下式表示：式中C——铸件（或某段）的高度；QUOTE——浇注时间（或浇注某段铸件时间）。根据铸件尺寸铸件高度为686mm，利用公式计算得V型=19.3mm/s，计算得结果符合最小升速度要求。表4-3型内铸铁液面最小上升速度QUOTE特点铸件质量m/t复杂一般实体≤5201510>5~15201510>35~5514106以包孔截面积为阻流面积，参照下述浇口比确定浇注系统各组元截面积：ΣS包孔:ΣS直:ΣS横:ΣS内=1:（1.8~2）:（1.8~2）:（2.0~2.5）。本铸件浇注系统方案选择开放式的浇注系统比例设计为1：1.8：1.8：2.0，共设计为2根直浇道，2根横浇道，4根内浇道。4.3.1直浇道的尺寸直浇道采用圆形截面，有QUOTE2º-4º的上大下小的斜度，直浇道的截面指下端最小断面。根据浇口比确定直浇道的直径为60mm，ΣS直=2861mm2。4.3.2橫浇道的尺寸橫浇道主要是向内浇道分配金属液，直浇道进入橫浇道的铸铁液，由垂直方向下落急剧地转为水平流动，需要在橫浇道中流一段距离后才能平稳，所以直浇道中心到第一个内浇道的距离最好大于橫浇道高度的5倍。橫浇道上最后一个内浇道距其末端应加长一段距离，取100mm。综上，确定橫浇道截面形状为长方形，长×宽分别为55mm×52mm，ΣS横=2861mm2QUOTE。4.3.3内浇道的尺寸内浇道是引导金属液平稳地流入型腔，控制充型速度和方向，调节铸件各部位的温差和凝固顺序，对铸件质量有较大影响。大型铸铁件的内浇道多用圆形，选择内浇道长×宽分别为57mm×55mm，在铸件两侧每侧布置4个共8个，ΣS横=3179mm2。如下图所示为浇注系统截面积示意图。图4-1浇注系统截面积4.3.4浇口杯的尺寸球墨铸铁件浇口杯多用漏斗形和池形两大类。铸铁件的浇口杯常用池形浇口杯，结合文献[2]，浇口杯小端直径取65mm，大端直径为小端的2倍130mm，高度为128mm。图4-2浇口杯示意图

铸铁水浇入铸型后，在冷却凝固过程中体收缩较大，在铸件最后凝固部位放置冒口充分地补缩铸件，同时冒口还有排气、集渣和观察孔的作用。按照冒口在铸件上的位置，普通冒口可以分为顶冒口和边冒口两类，暗冒口补缩效率好，同时可设置通气孔与大气相通，也便于观察浇注情况，从铸件厚大截面来看以及便于计算，初步选用圆柱形暗冒口。铸件的模数就是铸件的体积与表面积之比，利用UGNX测量铸件的体积和面积由模数法公式计算：式中M——铸件（或热节、冒口）的模数（cm）；V——铸件（或热节、冒口）的体积（cm3）；A——铸件（或热节、冒口）的表面积（cm2）。根据公式计算出铸件模数M=138162/82732=1.67cm。铸件的孔与底部连接部分属于铸件的厚大部分，铸件的厚度已经超过分段比例法的应用范围，如图5-1所示，铸件的结构特征可简化为图5-1所示的结构，则铸件厚大部位的模数为图5-1简化后结构示意图将数据代入得到：Mc=1.67cm根据简化模数法计算冒口模数：式中MR——冒口模数；MC——被补缩部分铸件模数；fQUOTE——模数扩大系数，明冒口的扩大系数为1.5。根据公式计算出MR=1.67×1.5=2.5。圆柱形明冒口f1=1.0或1.5，选取QUOTEf1=1.5，根据公式计算出D=150mm，结合下图的冒口模数与铸件模数曲线进行修正[1]，选择标准圆柱形明冒口Ⅰ型，则h=1.5D=225mm，经UGNX绘制的单个冒口重量为28kg，共8个冒口，则冒口的总重量为224kg。图5-2

为了检验铸造工艺设计的是否合理，运用ProCAST软件进行网格剖分和对铸造设计的工艺进行充型和凝固过程的数值模拟。根据上述计算的结果，我们选择并设计了较合理的浇注系统方案，如图6-1采用上雨淋式的内浇道布置方式，在铸件底部布置了8个内浇口。图6-1方案浇注系统布置方式6.2.1初始条件设定采用ProCAST软件进行充型及凝固过程数值模拟来优化铸造工艺[9]，浇注时主要参数有：浇注温度、浇注时间、各部分材料以及换热系数。结合参考文献[4][5][6][7]初始条件设定为：浇注温度为1450℃、冷铁、型砂、芯砂初始温度为30℃，砂型为树脂自硬砂，冷铁为石墨冷铁，换热系数参照下表：表6-1换热系数接触面类型换热系数[W/(QUOTEm2·K)]金属-金属1000~1500金属-砂300~1000砂-砂200~300固体-空气5~10固体-冷空气100~1000固体-水3000~5000故砂型和铸件之间热交换系数取500W/(QUOTEm2·K)，砂型和冷铁之间取500W/(QUOTEm2·K)铸件与冷铁之间取2000W/(QUOTEm2·K)。6.2.2网格划分首先导出UG软件绘制的三维模型Parasolid的X_T格式，然后导入到ProCAST的mesh模块，进行铸件和砂型等模型的表面网格和体网格的划分，最终划分结果：体网格划分数量为83万个，如图6-2所示。图6-2网格划分6.2.3模拟结果--充型过程的分析图6-4方案模拟结果充型结论：充型和浇注过程在初始阶段不太平稳，对底部有一定的冲刷，在40%之后才趋于平稳上升，充型过程可能会存在紊流卷气等缺陷，浇注系统需要进一步优化。6.2.4模拟结果--凝固的分析：凝固过程是一个复杂的过程，牵涉到模具的温度、冷却系统等因素，决定铸件的缩孔、缩松及裂纹等铸造缺陷，影响铸件的温度场分布和模具的冷却时间，也直接决定着大批量制造的时间周期。因此合理地设计冷却系统，控制模具温度，需要有效控制凝固、冷却的温度场。图6-5温度凝固时间液相百分比分析：从凝固过程模拟结果可以看出，从金属液从充满到凝固过程中的整体热节的变化情况，在凝固到90%的时候，虽然铸件内部存在孤立的液相组织，如上图6-5所示。终上所述，凝固结论：结果能接受。6.2.4模拟结果--缺陷的分析铸造收缩缺陷模拟结果可以知道：在液态收缩过程中，铸件的厚大处处于保压阶段时才凝固，但处于铸件的最后凝固时期，金属液可以适当补充此处的收缩，产生缩孔、缩松。如图6-6所示，为铸件在整个收缩过程中，内部显示没有存在特别明显大的缺陷问题，因此认为本工艺方案不可行。因此方案一需要进一步优化凝固过程。第一种浇注工艺方案存在明显的收缩缺陷，需要进一步进行工艺上的优化。分别从浇注系统和冷铁上进行工艺优化。6.3.1浇注系统的优化为了进一步优化浇注过程，保证充型过程均匀地流动，设计为从两边分别进铁的方案。6.3.2冷铁的设计与计算为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部及工作表面安放的金属块称冷铁。本铸件的材料为QT400-15，浇注温度大约在1580℃，若采用低碳铸铁为材料，易造成低碳铸铁与铸件相熔，影响铸件质量。故采用密度小、熔点高、耐火度好的石墨材料的外冷铁。6.3.3冷铁的尺寸计算根据热平衡计算，冷铁重量QUOTE应按下式计算：式中Gch——冷铁重量（kg）；QUOTEV0——设置冷铁部位的铸件体积（dm3）；VrQUOTE——与设置冷铁部位相邻的铸件体积（dm3）；L——凝固潜热（J/kg）；QUOTE∆H——金属液过热热量（J/kg）；QUOTE——金属液密度（kg/dm3）；tch——凝固结束时冷铁的平均温升（℃）；QUOTEc——冷铁的比热容[J/（kg•K）]。为了计算上的方便，对QUOTEV-V0做换算后，上式可改写成：式中QUOTEM0——设置冷铁部位的铸件体积（dm3）；QUOTEMr——与设置冷铁部位相邻的铸件体积（dm3）。对于铸铁件，假设铸铁液的充型温度为1550℃，设置冷铁部位铸件凝固结束时的冷铁平均温度为600℃，则经换算后得：图6-7是根据上式所得关系图，使用该图，可直接由QUOTEM0和QUOTEMr查得在设置冷铁部位的每单位体积铸铁件所需要的冷铁质量（kg/dm3），该值乘以体积便得所需的冷铁重量Gch（kg）。图6-7铸铁件GchQUOTE与QUOTEM0和QUOTEMr的关系图以如图6-8所示位置冷铁尺寸计算为例：该处铸件的模数为：Mo=10562/3190=3.31cm；与其相邻铸件模数为：Mr=8445/2694=3.13cm；按公式计算可得冷铁重量为：GchQUOTE=7.4×30×(3.31-3.13)/3.31=12kg；QUOTE冷铁边长分别为：123mm×114mm×85mm。QUOTE图6-8冷铁位置示意图根据上述工艺方案的设计，完成了第二种工艺方案的设计，如下图6-9所示。图6-9第二种工艺方案6.3.4模拟结果--充型过程的分析同理，按方案1的方法，分别导出三维并划分好网格，设置好相关参数，运行模拟分析软件，得到如下的相关结果。图6-10方案二网格充型分析：从充型时间模拟结果可以看出，从金属液进入型腔直至充满共需31s，与计算结果大体一致。可以看出阻流截面在浇道，整个充填过程平稳，金属液进入型腔的速度如图所示，最大值为0.8，金属液接触型腔壁，由于流速较慢，没有发现金属液的飞溅、卷气现象，最后气体从排气孔排除。每百分比的充填如下图6-11所示，总体充型效果较好。充型结论：充型过程没有紊流卷气等缺陷，新增加的冒口和冷铁在充型的最后，不干涉原浇注系统的设计，因此浇注系统可接受。6.3.5模拟结果--凝固的分析凝固过程是一个复杂的过程，牵涉到模具的温度、冷却系统等因素，决定铸件的缩孔、缩松及裂纹等铸造缺陷，影响铸件的温度场分布和模具的冷却时间，也直接决定着大批量制造的时间周期。因此合理地设计冷却系统，控制模具温度，有效控制凝固、冷却的温度场，对生产合格的产品，意义重大。液相百分比分析：从凝固过程模拟结果可以看出，从金属液从充满到凝固过程中的整体热节的变化情况，在凝固到90%的时候，铸件内部的液相组织没有被冒口有效地补缩。因此可判断铸件内部有缺陷的，如上图6-12所示。结论：结果不可以接受。6.3.6模拟结果--缺陷的分析铸造收缩缺陷模拟结果可以知道：在液态收缩过程中，铸件的厚大处处于保压阶段时才凝固，但处于铸件的最后凝固时期，金属液可以适当补充此处的收缩，产生缩孔、缩松。如图6-13所示，为铸件在整个收缩过程中，内部显示没有存在缺陷问题，因此认为本工艺方案可行。铸造工艺方案的模拟结果总结（1）模拟结果显示，工艺方案的优点浇注系统充型平稳，可接受。（2）铸件的整体凝固收缩过程较合理，符合顺序凝固原则。（3）铸件的缺陷结果显示铸件内部没有缩孔缺陷风险。铸造工艺方案二可行。从二