第1章緒論立柱是機床結(jié)構(gòu)組成的重要部分在生產(chǎn)工作中起支撐及導(dǎo)向作用,技術(shù)上對鑄件質(zhì)量要求很高,此件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。該零件用于裝配加工中心支撐主軸箱，滿足主軸的Z向運動，其工作性能的好壞直接影響到加工中心的工作性能和安全性能，因此，對立柱的力學(xué)性能有較高要求。因為要滿足主軸的Z向運動，所以導(dǎo)軌處要保證足夠的精度和質(zhì)量，鑄件時效處理后需進行整體超聲波無損檢測,因此在工藝設(shè)計上一個較大挑戰(zhàn)，：鑄造是機械領(lǐng)域重要的基礎(chǔ)工藝與技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、交通、國防、社會生活等各個方面。時至今日，作為傳統(tǒng)工藝的鑄造技術(shù)被人們在精密性、可靠性、經(jīng)濟、環(huán)保等方面提出了更高的要求。伴隨計算機技術(shù)、有限元理論、數(shù)值計算方法、圖像處理技術(shù)及計算流體力學(xué)等學(xué)科的不斷進步，鑄造過程的數(shù)值模擬技術(shù)也得到了快速發(fā)展，已成為一種能夠被應(yīng)用于科學(xué)研究并指導(dǎo)生產(chǎn)實踐的成熟計算機模擬技術(shù)。在鑄造過程數(shù)值模擬領(lǐng)域，絕大多數(shù)的研究都是將充型及凝固過程分開計算，并且大部分是通過專業(yè)鑄造數(shù)值模擬軟件實現(xiàn)。這使得模擬過程不能完整描述實際生產(chǎn)過程，從而降低了計算結(jié)果的精確性及可靠性，沒有工程實用價值。同時大部分專業(yè)鑄造軟件價格昂貴，不能被普遍應(yīng)用于各個高校及研究機構(gòu)，從而對鑄造數(shù)值模擬研究的廣泛開展帶來一定的限制。本文以有限元理論為基礎(chǔ)，利用大型通用數(shù)值模擬軟件ANSYS中的FLUNET模塊，對三維槽體模型在不同澆注速度下的鑄造充型過程中金屬液的流動狀態(tài)、溫度場的分布進行了數(shù)值模擬。觀察了在模擬充型過程中金屬液自由表面的波動情況，得到了充型結(jié)束時溫度的分布數(shù)據(jù)，為進一步的鑄造凝固過程數(shù)值模擬提供了準(zhǔn)確的初始條件?；谙嗤治龇椒?，借助FLUENT軟件對兩帶有曲面的復(fù)雜三維模型鑄造充型過程進行了驗證性模擬，觀察了自由表面及溫度的變化過程，證明了利用FLUENT進行三維鑄造模擬的可行性。本文以三維槽體模型的充型模擬為前提，基于“溫度均勻，瞬間充型”和充型結(jié)束狀態(tài)為凝固過程的初始條件這兩種不同的模擬方式，運用FLUENT軟件對該模型在冷卻凝固過程中溫度場的變化進行了模擬。觀察了溫度場的不同冷卻過程，及這兩種模擬方式對凝固過程數(shù)值模擬精確性的不同影響，驗證了FLUENT軟件對充型模擬結(jié)果在凝固模擬中的可調(diào)用性。鑄造技術(shù)的發(fā)展鑄造是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，更是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)。近十多年來，我國鑄件質(zhì)量已經(jīng)有了顯著提高。更多企業(yè)減少砂型鑄造工藝的使用，開始向智能化、數(shù)控化、機械化、自動化的方向發(fā)展[1]。傳統(tǒng)的手工砂型鑄造正在逐漸減少，先進設(shè)備，技術(shù)，工藝逐步應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，如自硬樹脂砂設(shè)備、智能機器感應(yīng)電爐和感應(yīng)電爐雙聯(lián)等[1]。我國目前能生產(chǎn)出最大球墨鑄鐵機床單間鑄件是145噸，中信重工成功澆鑄世界最大的鑄鋼件520噸，鋼水總量達到了892.5噸[1]。我國鑄造業(yè)發(fā)生了翻天覆地的變化，涌現(xiàn)出了大量的有關(guān)技術(shù)高，質(zhì)量好的鑄造企業(yè)[1]。為數(shù)眾多的軟件問世和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，為生產(chǎn)符合要求的鑄件提出確切可靠的信息成為可能[2]。研發(fā)精確成形技術(shù)、近精確成形技術(shù)，發(fā)展可視化鑄造技術(shù)，推動鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)，CAE正在向集成化、虛擬化、智能化、實用化等方向發(fā)展[3]。鑄造CAD系統(tǒng)采用模塊化與統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且與CAM／CAPP／ERP／RPM等技術(shù)無縫結(jié)合[3]；促使鑄造工裝的現(xiàn)代化水平進一步提升，全面開展CAD／CAM／CAE／RPM、反求工程、并行工程、遠程設(shè)計與制造、計算機檢測與控制系統(tǒng)的集成化、智能化與在線運行，催發(fā)傳統(tǒng)鑄造業(yè)的革命性進步[3]。上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王嘉誠，曲元哲，沈楚倫，楊弋濤[7]對ZL114A上傾倒框鑄件的鑄造工藝設(shè)計進行改進和優(yōu)化。對鑄造方案進行模擬，分析充型、凝固過程及缺陷，調(diào)整澆注系統(tǒng)的位置與比例，對冷鐵和冒口的作用進行分析，確定冷鐵和冒口的類型及其安放的位置，并計算出數(shù)量和尺寸，最后運用CAD設(shè)計出鑄造工藝圖，獲得理想的充型及凝固順序，有望基本消除鑄造缺陷[7]。數(shù)值模擬可鑄造工藝設(shè)計提供指導(dǎo)，為減少鑄造缺陷，保證鑄件質(zhì)量和工藝性奠定技術(shù)基礎(chǔ)[7]。數(shù)值模擬的發(fā)展國外，開始研發(fā)鑄造過程數(shù)值模擬可追溯到20世紀(jì)60年代，先后有丹麥、美國、日本、德國、英國等國家的鑄造工作者開展了這方面的研發(fā)，而大量的系統(tǒng)研究工作是80年代以來進行的，商品化軟件的研究與開發(fā)主要集中在凝固過程分析模擬等部分，90年代以來，德國的Magma、法國的Simulor、美國的ProCast及日本的Soldia等軟件增加了三維流場分析功能，大大提高了模擬分析的精度[8]。這些軟件在優(yōu)化鑄造工藝，保證鑄件質(zhì)量，縮短生產(chǎn)試制周期，降低生產(chǎn)成本等方面發(fā)揮了重要作用[8]?，F(xiàn)在，世界上著名的汽車制造商，如奔馳、福特、菲亞特、雪鐵龍等都采用了鑄造凝固過程模擬軟件，在芬蘭，90%以上的鑄造廠應(yīng)用造模擬軟件輔助鑄造工藝設(shè)計[8]。同時在航天、船舶等領(lǐng)域鑄造CAE技術(shù)也被廣泛應(yīng)用，在鑄造CAE技術(shù)的應(yīng)用中，凝固過程溫度場和應(yīng)力應(yīng)變場的模擬應(yīng)用較多，更先進者可以將整個過程的流場、溫度場、應(yīng)力場統(tǒng)一起來進行模擬，預(yù)測鑄造缺陷和材料性能，帶來了巨大的經(jīng)濟效益[8]。近些年來，國外鑄件的價格一降再降，已接近我們國內(nèi)市場價格，這與鑄造工藝設(shè)計CAE技術(shù)的采用有密切關(guān)系[8]。國內(nèi)鑄造數(shù)值模擬開始于20世紀(jì)70年代末，而取得重要成果是從80年代中期開始，基本上都集中在少數(shù)高等院校及科研單位，如華中科技大的InterCAST、清華FT-STAR、北方恒利CASTsoft/CAE、華鑄CAE軟件等，這些商品化軟件可以進行鑄件三維溫度場和應(yīng)力場模擬，應(yīng)力變形以及裂紋預(yù)測的模擬也取得相當(dāng)進展[8]?，F(xiàn)在，也已著手對凝固過程中溫度場、流場、溶質(zhì)場與組織場多場耦合下對鑄件宏觀組織以及夾雜偏析等鑄造缺陷的影響開展研究[8]。在應(yīng)用方面，國內(nèi)大型鑄造企業(yè)均引入了國內(nèi)外鑄造CAE軟件，目前鑄件澆注充型流動，凝固過程溫度場模擬，件的縮孔、縮松等缺陷預(yù)測已經(jīng)在大型鑄造企業(yè)中普及，在新產(chǎn)品試制中發(fā)揮了重要作用，應(yīng)力變形分析也逐漸開始應(yīng)用[8]。鄒樹梁等利用ProCAST分析了新型Fe-W合金應(yīng)力框件在3種不同澆注溫度、澆注速度和砂型預(yù)熱溫度下的應(yīng)力場[11]。研究表明：砂型預(yù)熱溫度對鑄件變形與殘余應(yīng)力影響較大，并且成反比關(guān)系；澆注溫度對鑄件變形的影響最小，澆注溫度與鑄件變形和殘余應(yīng)力成正比[11]。同時，該研究計算出最佳澆注速度、澆注溫度、砂型預(yù)熱溫度，并指導(dǎo)實際生產(chǎn)。趙永美在分析鋁合金氣缸蓋凝固過程溫度場的基礎(chǔ)上，采用間接法，將溫度場計算結(jié)果作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)分析中，分析凝固過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，并采用改進的冷卻工藝與適當(dāng)延遲清理落砂時間的方式相結(jié)合，有效地防止鑄件裂紋的產(chǎn)生[12]。張潔等為了驗證導(dǎo)流葉輪熔模鑄工藝改進方案的合理性，模擬分析了鑄造過程中力學(xué)性能與溫度變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)提高型殼預(yù)熱溫度可明顯降低葉片兩端在冷卻末期的有效應(yīng)力[13]，并將結(jié)果應(yīng)用于生產(chǎn)，取得良好效果。1.3課題內(nèi)容本文以軸承座為設(shè)計對象，在以下方面開展設(shè)計內(nèi)容：（1）使用AutoCAD2014軟件繪制軸承座二維圖和使用UG10.0軟件繪制三維實體圖；（2）工藝設(shè)計：確定鑄造方案和工藝參數(shù)、設(shè)計砂芯結(jié)構(gòu)尺寸、澆注系統(tǒng)類型、補縮系統(tǒng)及工藝裝備；（3）使用AnyCasting軟件模擬設(shè)計好的方案，分析模擬結(jié)果并優(yōu)化工；（4）繪制零件圖、鑄件圖、鑄造工藝圖、合箱圖及工藝卡，撰寫論文。

零件的特點及工藝性分析

鑄造方案的設(shè)計造型（芯）材料方案的分析與選擇砂+固化劑混拌[14]型砂（芯）相關(guān)性能要求涂料的選用舊砂再生砂芯設(shè)計砂芯形狀及尺寸芯頭結(jié)構(gòu)尺寸2類芯骨1類芯骨蠟線通道2類芯骨1類芯骨蠟線通道鑄造工藝參數(shù)的確定在鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計或鑄造工藝設(shè)計時，給出鑄件的起模斜度，以方便模樣的取出。由于鑄件的各面需要與其他面配合，故采用增加壁厚的辦法設(shè)計起模斜度。造型方法選用自硬砂造型，模樣為木模。鑄件模樣起模斜度如圖5澆注系統(tǒng)設(shè)計澆注系統(tǒng)時間的確定t澆=fGf阻流面積的計算Ag=GτρμHP=H0?P2HpHHM=LtgαHMαHM10?3cm3A內(nèi)A橫A直澆口杯的設(shè)計φφφφ直澆道面積的確定A直AS×1.2H直≥HM+PH直≥上吃砂量+P=120+135=255H直A直ASD1AADD橫澆道面積的確定A橫1.4×ASAAA內(nèi)澆道面積的確定A內(nèi)=18.65cmA內(nèi)表6.4內(nèi)澆道尺寸A內(nèi)A直澆道窩、澆注系統(tǒng)的校核V?ττV型=19.05澆注系統(tǒng)形狀及搭接方式過濾網(wǎng)鑄造工藝的模擬與分析ww/(m2?k)w/(eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)(59.7%)(96.4%)(59.7%)(96.4%)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)(17.5%)(40.4%)eq\o\ac(○,eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)(17.5%)(40.4%)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)baba鑄造工藝的優(yōu)化冷鐵的位置圖8-2冷鐵形狀及放置位置圖8-2冷鐵形狀及放置位置冷鐵的形狀與尺寸Ⅱ型冷鐵Ⅰ型冷鐵T?30（0.6~0.7）Ⅱ型冷鐵Ⅰ型冷鐵鑄造工藝的裝備圖9-1模板圖9-1模板b下模板a上模板b下模板a上模板滿足鑄件在生產(chǎn)中的各項工藝需求，有足夠的強度和剛度，其定位裝置應(yīng)保證鑄件精度的要求，砂箱應(yīng)該在保證造型質(zhì)量的同時也兼顧排氣功能。砂箱尺寸設(shè)計××××圖9-2砂箱砂箱定位與結(jié)構(gòu)圖9-2砂箱翻箱杠桿夾緊機構(gòu)加強筋翻箱杠桿夾緊機構(gòu)加強筋定位機構(gòu)箱壁排氣孔箱帶吊軸芯盒材料和結(jié)構(gòu)應(yīng)與生產(chǎn)批量相適應(yīng)[15]；芯盒應(yīng)具有一定的強度和剛度以及耐磨性[15]；應(yīng)保證砂芯的幾何形狀和尺寸精度[15]；有利于安放芯骨、開設(shè)氣到等并盡可能減輕芯盒重量[15]；保證砂芯質(zhì)量的同時盡量簡化芯盒的制造[15]；3號芯盒2號芯盒3號芯盒2號芯盒6號芯盒5號芯盒4號芯盒7號芯盒6號芯盒5號芯盒4號芯盒7號芯盒313313圖9-6本次鑄造工藝全過程圖解圖9-6本次鑄造工藝全過程圖解金屬熔煉與后處理h

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