PAGEPAGEI摘要本文完成了HT-250行星架砂型鑄造工藝的數(shù)值模擬，并利用計算機對鑄造工藝進行數(shù)值模擬。根據(jù)鑄造零件的生產(chǎn)批量、生產(chǎn)條件、結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)要求等，以避免缺陷和提高經(jīng)濟效益兩方面、簡化鑄造工藝為目的，對其進行砂型鑄造工藝設(shè)計畫出三維圖；通過計算機數(shù)值模擬軟件AnycastingTM對初步鑄造工藝進行計算機數(shù)值模擬；通過分析模擬結(jié)果，從避免產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷的角度考慮，改進初步工藝，然后再對改進鑄造工藝進行反復(fù)模擬，反復(fù)多次模擬及分析模擬結(jié)果，直至設(shè)計出最優(yōu)化的鑄造工藝方案。關(guān)鍵詞：鑄造工藝；數(shù)值模擬；縮孔；縮松AbstractThisarticleintroducesthedesignandnumericalsimulationoftheHT250Planetary

gear.First,accordingtothestructurecharacteristics,thetechniquerequest,thebatchquantityandtheconditionetc.,technologycapability,themodelingmethodandthecraftparameterareanalyzedinordertoavoidflawandsimplifythecastingprocess.Thepreliminarycastingprocessisdesignedbasedonthecalculationdata.Second,thenumericalsimulationtothepreliminarycastingcraftusingnumericalsimulationsoftwareAnycastingTMisgiven.Craftisimprovedonavoidanceoftheflawsofshrinkagecavityandporosityandthengiventhenumericalsimulationofthebattercraft.Repeattheabovestepsuntilgettingthebestcastingprocess.Keywords：Castingprocess,Numericalsimulation,Shrinkagecavity;Shrinkageporosity目錄TOC\o"1-3"\h\u5774摘要 I28461Abstract II7639第1章緒論 1161201.1鑄造模擬類課題的研究背景 141391.1.1鑄造過程數(shù)值模擬概況 128171.1.2鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展史 1272941.1.3國內(nèi)（外）在該方向研究現(xiàn)狀及分析 2187131.2課題研究的內(nèi)容目的和意義 311430第2章鑄鐵鑄造性能及數(shù)值模擬基礎(chǔ) 4246312.1灰鑄鐵的鑄造工藝性 4228562.2澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則 4264852.3型砂配方 5293752.4數(shù)值模擬簡介 524622.4.1AnycastingTM軟件的介紹 5195142.4.2計算機數(shù)值模擬的操作過程 66767第3章鑄造工藝的設(shè)計及模擬 7109143.1砂型鑄造方法的選擇 748073.1.1造型制芯方法選擇 7134523.1.2造型制芯的設(shè)備選用 749423.1.3砂芯的設(shè)計及工藝設(shè)計參數(shù) 8123423.2初步鑄造工藝的設(shè)計及模擬 971823.2.1鑄造工藝方案的設(shè)計 9145233.2.2鑄造工藝參數(shù)的確定 1173033.2.3澆注系統(tǒng)的設(shè)計及計算 12282283.1.4鑄造模擬結(jié)果分析 15205813.3頂注式澆注系統(tǒng)工藝的設(shè)計及模擬 17198493.3.1澆注系統(tǒng)的設(shè)計 17265763.2.2鑄造模擬結(jié)果分析 18202963.4改進鑄造工藝的設(shè)計及模擬 2074253.4.1冒口的設(shè)計 20315083.4.2模擬結(jié)果分析 21315413.5本章小結(jié) 223643第4章優(yōu)化鑄造工藝的設(shè)計 23109514.1最終方案的確定 23262324.1.1最終方案 23176664.1.2鑄造工藝參數(shù)的確定 24225614.2工藝出品率的計算 29159254.3本章小結(jié) 2925393結(jié)論 3020102致謝 317641參考文獻 32PAGEPAGE2第1章緒論1.1鑄造模擬類課題的研究背景1.1.1鑄造過程數(shù)值模擬概況鑄造行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著重要作用[1]?。同時，鑄造業(yè)又是產(chǎn)品質(zhì)量不易保證、廢品率較高的產(chǎn)業(yè)，因此，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，加速產(chǎn)品更新?lián)Q代，對于促進傳統(tǒng)工業(yè)的技術(shù)改造具有重要的現(xiàn)實意義[1]。近年來，鑄造工藝計算機輔助設(shè)計?CAD，鑄件凝固過程數(shù)值模擬?CAE?等多項技術(shù)已大量應(yīng)用于生產(chǎn)實際[1]。以工業(yè)發(fā)達國家為例，目前大部分的鑄造企業(yè)在生產(chǎn)采用凝固模擬分析技術(shù)，精確地預(yù)測缺陷以及改進鑄件的出品率[1]。在鑄造生產(chǎn)中，鑄件凝固過程是最重要的過程之一，大部分鑄造缺陷產(chǎn)生于這一過程[1]。凝固過程的數(shù)值模擬對優(yōu)化鑄造工藝，預(yù)測和控制鑄件質(zhì)量和各種鑄造缺陷以及提高生產(chǎn)效率都非常重要[1]。鑄造過程就是將高溫的液態(tài)金屬澆注到封閉的型腔中，通過充型和凝固過程最終獲得所需形狀鑄件的熱成形過程[1]。在整個過程中，速度場、應(yīng)力場和溫度場的相互耦合作用非常復(fù)雜，難以通過實時觀察和測量得出科學(xué)的結(jié)果，因此利用計算機對鑄造充型和凝固過程進行數(shù)值模擬顯得非常必要[1]。從20世紀(jì)60年代開始凝固過程數(shù)值模擬，80年代初開始充型過程數(shù)值模擬和鑄件應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬，到90年代興起鑄件微觀組織數(shù)值模擬的研究，數(shù)值模擬技術(shù)已深入到鑄件成形過程的各個方面，鑄造過程的模擬仿真研究也正在向微觀組織模擬、性能優(yōu)化及使用壽命預(yù)測的方向發(fā)展，成為多功能、高保真、高效率的多學(xué)科模擬與仿真技術(shù)[1]。1.1.2鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展史鑄件凝固過程數(shù)值模擬開始于?60?年代，丹麥?FORSUND?把有限差分法第一次用于鑄件凝固過程的傳熱計算，之后美國?HENZEL?和?KEUERIAN?應(yīng)用瞬態(tài)傳熱通用程序?qū)ζ啓C內(nèi)缸體鑄件進行數(shù)值計算，得出了溫度場，計算結(jié)果與實測結(jié)果相當(dāng)接近[2]。這些嘗試的成功，使研究者認(rèn)識到用計算數(shù)值模擬技術(shù)研究鑄件的凝固過程具有巨大的潛力和廣闊的前景[2]。進入?20?世紀(jì)?80?年代，凝固過程模擬已形成世界范圍內(nèi)的熱潮[2]。目前，國內(nèi)外已將凝固模擬技術(shù)從實驗室科學(xué)研究發(fā)展到工廠實用階段，可以做到以鑄造凝固理論為指導(dǎo)，以計算機數(shù)值模擬為手段，研究、控制凝固及預(yù)測鑄件縮孔、縮松及裂紋等缺陷，預(yù)測鑄件的微觀組織并推測鑄件的機械性能，從而達到優(yōu)化工藝方案，控制及確保鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，最終實現(xiàn)取得良好的經(jīng)濟效益[2]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)速發(fā)展，相繼成功開發(fā)一系列專用的鑄造凝固模擬軟件，比較出名的有：德國?Magma公司的MAGMASOFT軟件、英國的PHOENICS和英國Foseco?公司的?Solstar、法國AP公司的SIMULOR、日本小松制作所的Soldia?和日立制作所的S-?CAST、澳大利亞CISRO?公司的CASTHERM、美國流體科學(xué)公司的FLOW-3D?和美國?UES?公司的Procast、清華大學(xué)研究開發(fā)的“鑄造之星?FT-?STAR”三維鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬分析系統(tǒng)、華中科技大學(xué)的華鑄CAE等[2]。模擬技術(shù)已經(jīng)大量應(yīng)用于鑄件的日常生產(chǎn)之中，在分析鑄造缺陷、預(yù)測鑄件質(zhì)量、優(yōu)化鑄造工藝方面發(fā)揮著重要的作用[2]。1.1.3國內(nèi)（外）在該方向研究現(xiàn)狀及分析液態(tài)金屬充型過程是鑄造過程的中一個重要的階段，充型過程中的不平穩(wěn)和充填順序不合理以及充型時間過長會造成卷氣、冷隔和澆不足等缺陷[3]。但由于充型流動的模擬比起溫度場的模擬更加復(fù)雜[3]。與凝固過程計算機模擬相比，充型過程計算機模擬起步較晚，在液態(tài)金屬的充型過程中，金屬液的流動絕大多數(shù)是紊流，而且充型時間非常短，并伴有傳熱現(xiàn)象，流場和溫度場都在不斷變化、相互影響[3]。此外，型腔內(nèi)金屬液與鑄型間的熱阻、型壁狀況、入流條件、結(jié)晶潛熱及固相率等都影響充型過程，使充型過程的計算機模擬成為一個相當(dāng)復(fù)雜?的數(shù)值模擬問題[4]。由于離心鑄造復(fù)合軋輥的充型過程中液態(tài)金屬和鑄型溫度變化較大，因此充型模擬分析顯得尤為重要[4]。進行充型模擬不僅可以模擬分析充型過程中液態(tài)金屬的流動，預(yù)測缺陷，也為凝固模擬分析提供必要的初始溫度場[4]。?鑄造充型流動過程對鑄件的最終質(zhì)量有著重要的影響，平穩(wěn)的充型流動過程，合理的充型順序是獲得?優(yōu)質(zhì)鑄件的必要條件，是鑄件形成過程的重要環(huán)節(jié)[4]。一方面，充型過程的數(shù)值模擬不僅能分析冒口系統(tǒng)和型腔中金屬液的狀況，還能優(yōu)化冒口的設(shè)計消除流股分離和避免氧化，減輕金屬液對鑄型的侵蝕和沖擊；另一方面，分析充型過程中金屬液及鑄型溫度變化，預(yù)測冷隔和澆不足等鑄造缺陷[4]。以上結(jié)果可用于優(yōu)化澆冒系統(tǒng)設(shè)計，預(yù)測冷隔和澆不足等缺陷，同時為后續(xù)的凝固過程模擬分析提供初始?溫度場條件[4]。國內(nèi)外現(xiàn)已經(jīng)開發(fā)了以流場模擬的實用化為目標(biāo)相應(yīng)的商品軟件，如德國的MAGMASOFT、美國的PROCAST、FLOW-3D、清華大學(xué)的FT—STAR、華中科技大學(xué)的華鑄?CAE?等，不僅能夠有效地?預(yù)測鑄件縮孔類缺陷，其準(zhǔn)確性基本上達到了定量的程度，為鑄造工藝的設(shè)計提供可靠的理論基礎(chǔ)和實用參數(shù)，可實現(xiàn)鑄造工藝的設(shè)計從經(jīng)驗化走向科學(xué)化[4]。1.2課題研究的內(nèi)容目的和意義本次課題模擬了行星架的鑄造過程，對其進行缺陷分析。盡量矯正行星架所存在的缺陷。通過查閱文獻，對行星架進行砂型工藝的設(shè)計，確定相關(guān)的數(shù)據(jù)如：分型面，澆注位置以及鑄造參數(shù)等。按照設(shè)計的數(shù)據(jù)畫出三維圖并通過計算機進行模擬。通過Anycasting模擬后就能夠鑄件的充型與凝固過程進行透視觀察。從而可以得到工藝方案的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)并以此來分析方案的可靠程度，還能夠縮短工藝的周期節(jié)約時間，降低鑄造的生產(chǎn)成本。最后通過模擬的結(jié)果分析缺陷產(chǎn)生的位置與原因，進而對工藝方案進行改進，以此達到優(yōu)化工藝方案的目的。第2章鑄鐵鑄造性能及數(shù)值模擬基礎(chǔ)2.1灰鑄鐵的鑄造工藝性灰鑄鐵具有優(yōu)良的鑄造性能，在缺口敏感性、減震性和耐磨性方面有獨特的優(yōu)點[10]。由于灰鑄鐵的熔點低，成分接近于共晶點，灰鑄鐵件鑄造成形時，不僅其流動性好，而且還因為在凝固過程中析出比體積較大的石墨，減小凝固收縮，容易獲得優(yōu)良的鑄件，表現(xiàn)出良好的鑄造性能[10]。灰鑄鐵基體中的石墨對鑄鐵件承受震動起緩沖作用，減弱晶粒間振動能的傳遞，并將振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，所以灰鑄鐵具有良好的減震性[10]。石墨本身也是一種良好的潤滑劑，脫落在摩擦面上的石墨可起潤滑作用，由于石墨剝落后留下的孔隙具有儲存潤滑劑的作用，因而灰鑄鐵具有良好的耐磨性能[10]。牌號HT250的灰鑄鐵件，鑄件壁厚δ≥40mm，C：3.16～3.30%，Si：1.79～1.93%，Mn：0.89～1.04%，P:1.20~1.70%，S:0.094~0.125%。表2-1鑄鐵的凝固收縮率(%)碳含量2.02.53.03.54.0白口鑄鐵5.14.64.23.73.3灰口鑄鐵4.32.81.40.1-1.5由于HT250的化學(xué)成分為C：3.16～3.30%，所以鑄件的凝固收縮率取1.0%。2.2澆注系統(tǒng)的設(shè)計原則澆注系統(tǒng)的設(shè)計需要遵循以下原則：（1）具有良好的阻渣能力；（2）澆注系統(tǒng)設(shè)計時要保證適當(dāng)?shù)鼐彌_力，確保金屬液流入鑄型內(nèi)的線速度不能夠太快了，防止產(chǎn)生飛濺、沖刷型壁或砂芯的不良后果；（3）在澆注系統(tǒng)設(shè)計時要確保冷鐵和芯撐不被毀壞；（4）保證在澆注時最大限度減少對金屬液的消耗，并且在澆注完畢后方便行清理。（5）盡可能地縮大中型腔體積，使造型變得更加簡單，方便制出模樣。2.3型砂配方型砂配方：采用90％的再生砂和10％的芯砂。使用大約占原砂總質(zhì)量的1%呋喃Ⅱ型樹脂和原砂進行混合。并加入少量的對甲苯磺酸作為固化劑，對于甲苯磺酸的加入量隨著不同的季節(jié)需要適量的調(diào)整。在春季時，甲苯磺酸的加入量占樹脂的40%；夏季占樹脂的35％；秋季的加入量和冬季的差不多；冬季占樹脂的45％。還得加入低含量的KH550作為偶聯(lián)劑，占樹脂的0.2％左右；芯砂配方：全部采用新砂。主要成分使用呋喃Ⅱ型樹脂，大約1.2%的呋喃Ⅱ型樹脂和原砂進行混合。通過適量的甲苯磺酸作為固化劑，甲苯磺酸加入量要根據(jù)季節(jié)變化進行適度調(diào)整。春季甲苯磺酸的加入量大概占樹脂的40%;夏季占樹脂的35％;秋季的加入量和冬季的差不多；冬季占樹脂的45％。還必須要加入低;含量的KH550作為偶聯(lián)劑，加入量占樹脂的0.2％左右。表2-2型砂成分要求型砂SiO2含量耗酸值微粉含量含泥量原砂>97％>5>0.5％<0.2％再生砂>97％>5>0.5％>0.2％2.4數(shù)值模擬簡介2.4.1AnycastingTM軟件的介紹AnycastingTM是新一代基于Windows操作平臺的高級鑄造模擬軟件系統(tǒng)[7]。同時更是一套專門針對各種鑄造工藝過程開發(fā)的仿真模擬系統(tǒng)，可以進行鑄造的充型、熱傳導(dǎo)和凝固過程的模擬分析[6]。它專注于鑄造成型過程，既可以模擬鑄件的充填、傳熱和凝固過程，也可以模擬鑄型的傳熱過程[6]。它借助于現(xiàn)代計算機技術(shù)，再現(xiàn)鑄造工程師的工作成果，輔助他們高效快捷地完成工作任務(wù)，實現(xiàn)鑄造成型工藝的完美化[6]。它能優(yōu)化鑄造企業(yè)的生產(chǎn)過程，最大程度地減少鑄造生產(chǎn)過程中的試模次數(shù)，提高鑄造生產(chǎn)效率和鑄件質(zhì)量，降低鑄造生產(chǎn)成本[6]。2.4.2計算機數(shù)值模擬的操作過程1.利用ProE軟件完成對鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口等部件的三維實體造型并組裝，最后以*.stl格式分別將各部分保存副本[7]。2.將保存的*.stl文件全部導(dǎo)入anyPRE中，設(shè)置各部分組件屬性，設(shè)置鑄型，并對其劃分網(wǎng)格[7]。3.設(shè)置材料屬性、澆口條件、重力條件、收縮模塊等參數(shù)，并設(shè)定輸出條件[7]。4.利用Anycasting中的求解模塊anySOLVER來模擬鑄造充型以及凝固過程[7]。5.利用Anycasting中的后處理模塊anyPOST讀取anySOLVER生成的圖形數(shù)據(jù)和結(jié)果文件，轉(zhuǎn)化并分析三維圖形模擬結(jié)果[7]。6.結(jié)合模擬三維圖形分析改進鑄造工藝設(shè)計方案，反復(fù)進行模擬，直至獲得最優(yōu)鑄造工藝方案[7]。第3章鑄造工藝的設(shè)計及模擬3.1砂型鑄造方法的選擇3.1.1造型制芯方法選擇由于行星架的行星架廓尺寸適中，屬于大中型灰鑄鐵件，所以屬于單件大批量生產(chǎn)。根據(jù)現(xiàn)如今生產(chǎn)條件和成本等綜合因素的綜合考慮一般選擇使用樹脂自硬砂造型制芯。1、樹脂砂在造型過程中具有以下優(yōu)點：(1)型、芯砂可以在芯盒中在正常環(huán)境下逐漸硬化成型，可以極大地節(jié)約材料和人工成本，改善工人的作業(yè)環(huán)境；(2)型、芯砂在正常工作中還具有良好的流動性，只需要給與非常小的緊實力，就可以在造型中進行較好地填充型腔、芯腔各個部位，操作方便、高效，可以有效地減少工人的工作量；(3)樹脂砂還具有良好的潰散性，鑄件沖型完后，可以方便落砂、便與清理；(4)相對于傳統(tǒng)的濕型砂等，可以改善車間工作環(huán)境，極大減少車間的粉塵，有利于工人的健康，并且可以明顯提高車間的單位面積產(chǎn)；2、對于可以制芯采用自硬樹脂砂，具有以下幾點好處：(1)造型和制芯都采用樹脂砂造型，因為都采用樹脂砂，可以防止不同種砂的造型而造成混砂，導(dǎo)致難以清理。(2）制芯與造型都采用樹脂砂造型，可用可以使用同一種新砂，可以方便進行組織生產(chǎn)，能夠極大增強生產(chǎn)效率，從而縮減生產(chǎn)成本；3.1.2造型制芯的設(shè)備選用此次對型芯制造采用因為行星架是一大中型灰鑄鐵件，結(jié)構(gòu)相對簡單，可以成批量生產(chǎn)，所以采用機器造型的方法。機器造型有以下優(yōu)點：（1）鑄件的尺寸精度相對較高；（2)其加工表面光潔，而且生產(chǎn)效率高；（3）勞動條件好，易實現(xiàn)自動化，可以節(jié)約生產(chǎn)成本。表3-1制芯設(shè)備設(shè)備名稱備注混砂設(shè)備雙臂連續(xù)混砂機型號為S2530，生產(chǎn)率為25-30t∕h制芯設(shè)備單臂連續(xù)混砂機型號TYHD-05，生產(chǎn)率3-6t∕h緊實設(shè)備振動緊實臺二維振動，頻率20-50HZ3.1.3砂芯的設(shè)計及工藝設(shè)計參數(shù)1.砂芯的形狀對于本次設(shè)計的零件為行星架，采用樹脂自硬砂制芯，涉及不到砂芯的烘干。砂芯可以幫助鑄件成型、確保鑄件精度的關(guān)鍵因素。分析鑄件的結(jié)構(gòu)，因為該鑄件為對稱結(jié)構(gòu)，鑄件的尺寸較適中，只需要做一個整體砂芯如圖3-1。圖3-1砂芯2.砂芯的固定由于行星架的砂芯使用樹脂自硬砂，所以制出的砂芯會有很高的強度，不容易發(fā)生損壞。砂芯在沙箱中發(fā)生偏移或者浮動，鑄件將會容易產(chǎn)生一些損壞、缺失甚至發(fā)生較嚴(yán)重的變形從而導(dǎo)致鑄件作廢，因此，必須保證鑄件的砂芯在砂型之中的位置足夠的牢固。砂芯有兩個垂直芯頭和一個水平芯頭可以確保砂芯在型砂中牢牢固定，不發(fā)生移動。因為鑄件的內(nèi)腔較簡單，在整個砂芯的固定中無需采用芯撐等結(jié)構(gòu)。3.芯頭的設(shè)計芯頭是伸出鑄件型腔以外的砂芯一部分，它可以起到定位砂芯的作用[27]。根據(jù)行星架的型腔結(jié)構(gòu)，設(shè)置兩個垂直芯頭。垂直芯頭：根據(jù)《鑄造工藝手冊5》表（3-83）因為L=790mm,D=290mm，取間隙S=0.5，H垂直=60mm。單邊斜度為15度。3.2初步鑄造工藝的設(shè)計及模擬3.2.1鑄造工藝方案的設(shè)計1.審查鑄件結(jié)構(gòu)所要生產(chǎn)的鑄件的結(jié)構(gòu)合理與否直接影響鑄件的質(zhì)量，結(jié)構(gòu)合理的鑄件在鑄造過程中能夠有效地避免許多鑄造缺陷。行星架的三視圖如圖3-2所示，通過所給零件圖可知行星架的外行星架廓尺寸為880×880×790mm，其左右結(jié)構(gòu)對稱，上下結(jié)構(gòu)和前后結(jié)構(gòu)也比較對稱，行星架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對簡單，壁厚均勻，主要壁厚為60mm，最大壁厚處是80mm，最大孔徑為Φ290mm,最小孔徑為Φ120mm。圖3-2零件三視圖由于行星架是大中型灰鑄鐵件，而且鑄件的壁厚均勻，材料為HT250，屬于灰鑄鐵，澆注溫度比較低，但流動性好，所以在澆注和凝固的過程中不容易產(chǎn)生澆不足、縮孔、縮松以及變形等缺陷。2.分型面的選擇選好分型面可以極大的簡化鑄造工藝、節(jié)約勞動成本，增強生產(chǎn)的效率，在提升鑄件質(zhì)量方面起到關(guān)鍵作用。根據(jù)行星架的結(jié)構(gòu)特點確定以下兩種分型面分型方法:圖3-3分型面方案一：如圖a所示，行星架從圖中可以看到鑄件均布在上下箱，而且上下模樣過高，這將會極大地增加造型過程的工作量和工作難度；方案二：如圖b所示，有以下幾個優(yōu)點：分型面位于行星架厚度的中間，且在鑄件最大斷面處，造型時相比第一種方案更加的簡單方便。綜合上述二種方案的優(yōu)缺點比較，可以確定分型面依據(jù)上述方案b。3.澆注位置的確定由于行星架是大中型灰鑄鐵件，質(zhì)量較輕。充型金屬液為HT250，澆注溫度較低冷卻較快，金屬凝固時沒有實現(xiàn)順序凝固的可能，所以設(shè)置澆注位置時盡量使金屬液同時凝固，而且澆注位置要設(shè)置到零件的加工面上，易于清理，保證鑄件的表面質(zhì)量與美觀。選定的澆注位置如圖3-4所示：圖3-4澆注位置3.2.2鑄造工藝參數(shù)的確定表3-2鑄造工藝參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)鑄件尺寸公差查閱GB/T6414-1999《鑄件尺寸公差與機械加工余量》選取機械加工余量CT10，尺寸公差數(shù)值為4mm。機械加工余量《鑄造工藝手冊5》表3-60，行星架為GB/T6414-1999-CT9-RMA6.3(G)。分型負(fù)數(shù)上箱和下箱分模造型，上下箱對稱分布，分型負(fù)數(shù)選定為2mm起模斜度為了方便起模，在模樣、芯盒的出模方向留有一定的出模斜度。鑄件技術(shù)要求起模斜度為5O。最小鑄出孔所有孔徑均大于最小鑄出孔直徑，故均需鑄出。6.砂箱的選擇砂箱是鑄件生產(chǎn)的主要工藝裝備正確設(shè)計和選擇砂箱對更好滿足生產(chǎn)要求，提高勞動生產(chǎn)率有著重要的作用。砂箱的設(shè)計應(yīng)根據(jù)零件的具體鑄造工藝、生產(chǎn)條件和成型設(shè)備而定；應(yīng)滿足鑄造工藝要求，如保證砂箱與模具之間有足夠的吸砂量，不妨礙鑄件收縮等；與砂模有一定的粘合性，不掉砂，易掉砂；應(yīng)有足夠的強度和剛度條件，保證使用中不發(fā)生斷裂和變形；結(jié)構(gòu)簡單單一，易于制造，價格低廉。同時，最好規(guī)范化，降低成本。鑄件機械造型用砂箱選擇灰鑄鐵作為砂箱材料。根據(jù)《鑄造手冊》表4-99通用砂箱，選擇砂箱的尺寸：上箱為1300×1500×500mm下箱為1300×1500×900mm。3.2.3澆注系統(tǒng)的設(shè)計及計算1.澆注系統(tǒng)的類型由于行星架是灰鑄鐵件，根據(jù)《鑄造工藝手冊》表3-132各類型澆注系統(tǒng)的特點和應(yīng)用，可以知道開放式澆注系統(tǒng)適用于非鐵合金等易氧化金屬件，行星架屬于灰鑄鐵件，選擇封閉式澆注系統(tǒng)[27]。澆注位置如圖3-5所示，之所以這樣選擇是因為不僅能使金屬液平穩(wěn)的充滿型腔，還能夠使鑄件組織變得更好，對鑄件的凝固補縮與清理有好處。圖3-5澆注系統(tǒng)示意圖2.決定直澆道的位置和高度將澆口高度設(shè)置為砂箱高500mm。但是，應(yīng)檢查高度是否足夠。圖3-6壓力角直澆道的剩余壓力角應(yīng)滿足壓力角的要求。本鑄件的寬為880mm，所以L=1300mm，鑄件的平均壁厚為60mm，根據(jù)鑄造工藝學(xué)課本[28]最小壓力角選取表格，角度選定6°～7°之間。根據(jù)公式Hm/L≥tgα對砂箱高度進行驗算。經(jīng)核算驗證了所選砂箱符合本鑄件，能夠保證金屬液體充滿型腔。3.計算澆注時間由經(jīng)驗公式t=Amn并通過τ≤C/V型min。進而確定澆注時間。t=Amn(3-1)t--為澆注時間(s);A--與壁厚相關(guān)的系數(shù)；m--鑄件質(zhì)量。使用ProE測量鑄件的三維實體圖形質(zhì)量，設(shè)置鑄件密度7.2×103kg/dm3，可知鑄件質(zhì)量為m=700kg。澆注時間為t=Amn=（1.63～2.2）×7000.5=43～58.2s查表鑄鐵件壁厚35mm，所以取液面最小上升速度V型min=17.5mm/s，t≤880/17.5=50.28s。為了減少鑄件夾砂類缺陷的可能性，因此選擇快澆，這種澆注方式還易于充滿型腔，最終決定澆注時間t=50.28s。4.各澆道口截面積計算由鑄造工藝學(xué)課本[28]鑄鐵件的流量系數(shù)μ值表，選取流量系數(shù)μ=0.35。充型時平均壓力頭：Hp=Ho=500mm（3-2）根據(jù)奧贊公式，封閉式澆注系統(tǒng)的阻流截面積：（3-3）公式中：m--充填鑄型所需金屬液;t--為充填時間;μ--為流量系數(shù);Hg--為充型平均靜壓頭。鑄造工藝學(xué)課本[28]選擇封閉式澆注系統(tǒng)澆口比∑S內(nèi)：∑S橫：∑S直=1:1.2:1.4。確定直澆道的個數(shù)為1，橫澆道個數(shù)為2，內(nèi)澆道數(shù)為2，則各組元的單個截面積分別為：S直=34.79cm2，S橫=14.91cm2，S內(nèi)=12.43cm2。本次設(shè)計選取圓錐形直澆道，因為圓錐形直澆道模制造容易、造型方便，所以適用于中、大中型鑄件。大中型灰鑄鐵件一般選擇截面為扁平平面的內(nèi)澆道。因為扁平內(nèi)澆道可以有效地防止金屬液吸渣而進入型腔內(nèi)，扁平內(nèi)澆道還能夠通過分散分布、增減其數(shù)目的少來有效地調(diào)節(jié)溫差和凝固順序，內(nèi)澆道的入口處需要進行適當(dāng)?shù)牡箞A，向型腔口型腔方向逐漸加寬的擴張式引入方法[28]。根據(jù)鑄造手冊，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，并得到各部分組元尺寸如圖3-7所示：圖3-7澆注系統(tǒng)橫截面3.1.4鑄造模擬結(jié)果分析從圖3-8模擬充型的截圖中分析可得：金屬液充型較快且液面上升較為平穩(wěn)。充型開始時，橫澆道、內(nèi)澆道均處于充滿狀態(tài)，避免了金屬液的激濺。當(dāng)充型達100%時，整個型腔呈充滿狀態(tài)，不存在澆不足現(xiàn)象。圖3-8充型時間從圖3-9分析可知，鑄件的縮孔位于圖中的鑄件頂部平面處，頂部由于最后凝固，金屬液凝固收縮，造成頂面部位產(chǎn)生縮孔?？s孔主要位于鑄件的最高處。圖3-9凝固缺陷3.3頂注式澆注系統(tǒng)工藝的設(shè)計及模擬3.3.1澆注系統(tǒng)的設(shè)計1.核算直澆道高度根據(jù)鑄件的尺寸、質(zhì)量來定義砂箱的尺寸，鑄件尺寸為：L=880mm，B=880mm，H=790mm，根據(jù)軟件測量鑄件質(zhì)量為799kg，鑄件機械造型用砂箱選擇灰鑄鐵作為砂箱材料。根據(jù)《鑄造手冊》表4-99通用砂箱，選擇砂箱的尺寸：上箱為1300×1500×500mm下箱為1300×1500×500mm本鑄件的寬為880mm，所以L=1300mm，鑄件的平均壁厚為60mm，根據(jù)鑄造工藝學(xué)課本[28]最小壓力角選取表格，角度選定6°～7°之間。根據(jù)公式Hm/L≥tgα對砂箱高度進行驗算。經(jīng)核算驗證了所選砂箱符合本鑄件，能夠保證金屬液體充滿型腔。2.澆注時間的確定澆注時間為t=Amn=（1.63～2.2）×7000.5=43～58.2s,查表鑄鐵件壁厚35mm，所以取液面最小上升速度V型min=17.5mm/s，t≤790/17.5=45.14s。確定澆口比并計算各組元截面積由鑄造工藝學(xué)課本[28]鑄鐵件的流量系數(shù)μ值表，選取流量系數(shù)μ=0.35。充型時平均壓力頭：Hp=Ho=500mm(3-4)根據(jù)奧贊公式，封閉式澆注系統(tǒng)的阻流截面積：(3-5)鑄造工藝學(xué)課本[28]選擇封閉式澆注系統(tǒng)澆口比∑S內(nèi)：∑S橫：∑S直=1:1.2:1.4。直澆道數(shù)量為1，橫澆道數(shù)量為2，內(nèi)澆道數(shù)量為2，則各組元的單個截面積分別為：則各組元的單個截面積分別為：S直=38.64cm2，S橫=16.44cm2，S內(nèi)=13.7cm2。查鑄造手冊[27]，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，并得到各部分組元尺寸。如圖3-10所示。圖3-10澆注系統(tǒng)橫截面3.3.2鑄造模擬結(jié)果分析從圖3-11模擬充型過程圖中分析可得：金屬液充型較快，金屬液進入型腔時，對中間豎直大砂芯沖擊較大，由于鑄件較高，金屬液有激濺發(fā)生，有可能會產(chǎn)生偏芯現(xiàn)象，鑄件容易產(chǎn)生氧化和鐵豆缺陷。圖3-11充型時間從圖3-12分析可知，鑄件的縮孔位于圖中的鑄件頂部平面處，頂部由于最后凝固，金屬液凝固收縮，造成頂面大平板部位產(chǎn)生縮孔。縮孔主要位于鑄件的最高處。圖3-12凝固缺陷3.4改進鑄造工藝的設(shè)計及模擬比較上述兩個不同方案，第一個方案充型平穩(wěn)，對砂芯沖刷很??；第二個方案由于鑄件高度較大，充型時對地面砂型以及中心砂芯沖擊較大，產(chǎn)生了激濺現(xiàn)象，液面上升時有紊流現(xiàn)象。綜上所述，選擇較優(yōu)的第一套方案來進行優(yōu)化和改進工藝的設(shè)計。3.4.1冒口的設(shè)計因為改進鑄造工藝的鑄造工藝方案以及參數(shù)并沒有改變。澆注時間仍然為t=50.28s，在原來的基礎(chǔ)上加上冒口和冷鐵。由于本鑄件的縮孔和縮松都位于鑄件的上表面以及頂上突出部分，所以本件不需要加冷鐵。根據(jù)模數(shù)法，Mr=fMc。為了使冒口不比鑄件早凝固，使冒口達到補縮的目的，通常取f=1.0～1.2，本次設(shè)計取f=1.2。鑄件模數(shù)Mc=V/A，鑄件體積V=8.37×104cm3，鑄件表面散熱面積A=3.8×104cm2，則：Mc=8.37×104/3.8×104=2.3cm，Mr=1.2Mc=1.2×2.3=2.8cm則冒口的模數(shù)為Mr=2.8cm，查鑄造手冊[27]表3-244，采用如圖3-13所示的冒口，尺寸為d=150mm，h=200mm，D=180mm。圖3-13冒口及裝配圖為使冒口能夠起到補縮的作用，因此要對冒口進行補縮校核。其共式中—鑄件體積、冒口體積和因型壁移動而擴大的體積。的值對舂砂緊實的型近似為零。對受熱后易軟化的鑄型或松軟的濕型，應(yīng)根據(jù)實際情況確定；（3-6）—金屬從澆完到凝固完畢的體收縮率為3%；—冒口補縮效率15%。得：2511cm32632.4cm3所以冒口可以提供足夠的金屬液。3.4.2模擬結(jié)果分析根據(jù)鑄造工藝方案加上冒口進行模擬，其他參數(shù)不變。通過圖3-14可以看出，加入冒口后，原本圈中處于鑄件頂部平面部位的縮孔已經(jīng)完全補縮，縮孔全在冒口處。本鑄件的改進方案取得成功。圖3-14凝固缺陷3.5本章小結(jié)本章設(shè)計了HT250行星架零件的初始工藝方案以及改進后的工藝方案，并運用Anycasting進行了數(shù)值模擬，結(jié)合3.1與3.3小節(jié)進行分析，在設(shè)計冒口后鑄件上的縮孔消失，進而工藝方案得到優(yōu)化。第4章優(yōu)化鑄造工藝的設(shè)計通過以上各種鑄造工藝的計算機數(shù)值模擬分析結(jié)果，可以確定改進后的鑄造工藝方案為最為優(yōu)化的鑄造工藝。從它的模擬結(jié)果來看，它已經(jīng)成功解決了鑄件的縮孔?，F(xiàn)在對整個鑄造工藝設(shè)計進行總結(jié)。4.1最終方案的確定4.1.1最終方案1.分型面分型面選擇如圖4-1所示：圖4-1分型面分型面位于行星架厚度的中間，且在鑄件最大斷面處，造型時相比第一種方案更加的簡單方便。2澆注位置選定的澆注位置如圖4-2所示：這樣選取能使金屬液同時凝固，而且澆注位置要設(shè)置到零件的加工面上，易于清理，保證鑄件的表面質(zhì)量與美觀。圖4-2澆注位置示意圖4.1.2鑄造工藝參數(shù)的確定鑄造工藝參數(shù)同表3-2所確定一致，在此額外補充詳細(xì)數(shù)據(jù)。1.機械加工余量行星架為大中型灰鑄鐵件，因為采用機器造型。根據(jù)《鑄造工藝手冊5》表3-60，行星架為GB/T6414-1999-CT9-RMA6.3(G)。圖4-2各加工面示意圖表4-1各加工面的機械加工余量序號基本尺寸mm加工余量等級(MA)加工余量數(shù)值mm說明1370G10重要加工面，降一級，單側(cè)加工2350G10重要加工面，降一級，單側(cè)加工3R100G3孔降一級4R60G3孔降一級5R170G5孔降一級2.最小鑄出孔行星架零件為大批量、中型鑄件，根據(jù)鑄件要求，孔都鑄出，對照手冊最小鑄出孔表，得所有孔徑均大于最小鑄出孔直徑，故均需鑄出。表4-2鑄鐵件的最小鑄出孔的尺寸鑄件厚度＜5050～100100～200＞200應(yīng)鑄出的最小孔徑灰鑄鐵303540另行規(guī)定球墨鑄鐵354045另行規(guī)定4.1.3澆注系統(tǒng)1.澆注系統(tǒng)的類型本次設(shè)計結(jié)合行星架得結(jié)構(gòu)特點與分型面最終確定澆注系統(tǒng)為中注式澆注系統(tǒng)。其特點為：同時具備底注式與頂注式的特點，而且能夠便于排氣與集渣。如圖4-3所示。圖4-3澆注系統(tǒng)示意圖2.決定直澆道的位置和高度為了能夠讓直澆道的剩余壓力角應(yīng)滿足壓力角的要求，將直澆道高度設(shè)置為沙箱的高度為500mm。行星架鑄件的寬為880mm，所以L=1300mm，鑄件的平均壁厚為60mm，根據(jù)鑄造工藝學(xué)課本[28]最小壓力角選取表格，角度選定6°～7°之間。根據(jù)公式Hm/L≥tgα對砂箱高度進行驗算。經(jīng)核算驗證了所選砂箱符合本鑄件，能夠保證金屬液體充滿型腔。圖4-4壓力角3.計算澆注時間使用ProE測量鑄件的三維實體圖形質(zhì)量，設(shè)置鑄件密度7.2×103kg/dm3，可知鑄件質(zhì)量為m=700kg。澆注時間為t=Amn=（1.63～2.2）×7000.5=43～58.2s查表鑄鐵件壁厚35mm，所以取液面最小上升速度V型min=17.5mm/s，t≤880/17.5=50.28s。表4-3型內(nèi)鑄鐵液最小上升速度鑄件壁厚δ/mmV型min/(mm/s)＜40，水平澆注大平板8～10＞40，上箱有大平面20～3010～4010～204～1020～301.5～430～1005.確定澆口比并計算各組元截面積由鑄造工藝學(xué)課本[28]鑄鐵件的流量系數(shù)μ值表，選取流量系數(shù)μ=0.35。充型時平均壓力頭：Hp=Ho=500mm（4-1）根據(jù)奧贊公式，封閉式澆注系統(tǒng)的阻流截面積：（4-2）公式中：m--充填鑄型所需金屬液;t--為充填時間;μ--為流量系數(shù);Hg--為充型平均靜壓頭。鑄造工藝學(xué)課本[28]選擇封閉式澆注系統(tǒng)澆口比∑S內(nèi)：∑S橫：∑S直=1:1.2:1.4。直澆道數(shù)量為1，橫澆道數(shù)量為2，內(nèi)澆道數(shù)量為2，則各組元的單個截面積分別為：S直=34.79cm2，S橫=14.91cm2，S內(nèi)=12.43cm2。本次設(shè)計選取圓錐形直澆道，因為圓錐形直澆道模制造容易、造型方便，所以適用于中、大中型鑄件。大中型灰鑄鐵件一般選擇截面為扁平平面的內(nèi)澆道。因為扁平內(nèi)澆道可以有效地防止金屬液吸渣而進入型腔內(nèi)，扁平內(nèi)澆道還能夠通過分散分布、增減其數(shù)目的少來有效地調(diào)節(jié)溫差和凝固順序，內(nèi)澆道的入口處需要進行適當(dāng)?shù)牡箞A，向型腔口型腔方向逐漸加寬的擴張式引入方法。根據(jù)鑄造手冊[27]，選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)值，并得到各部分組元尺寸如圖4-5所示：圖4-5澆注系統(tǒng)橫截面得到的最優(yōu)方案實體圖，如圖4-6所示。圖4-6最優(yōu)方案實體圖4.2工藝出品率的計算根據(jù)ProE軟件測出原始鑄件質(zhì)量m1=700kg，澆注系統(tǒng)總質(zhì)量m2=17kg，冒口總質(zhì)量m3=93kg，最后算得鑄件工藝出品率=m1/(m1+m2+m3)=86.4%。4.3本章小結(jié)本章設(shè)計了HT250行星架零件的最優(yōu)鑄造工藝方案，根據(jù)第3章的模擬及驗證，詳細(xì)地給出了較優(yōu)鑄造工藝的設(shè)計過程和計算過程，同時給出了最優(yōu)鑄造工藝的工藝出品率。為鑄件的實際生產(chǎn)提供了參考。結(jié)論本文對HT250行星架零件進行了砂型鑄造工藝設(shè)計，并利用計算機對鑄造工藝進行數(shù)值模擬，得到如下結(jié)論：1.選用的澆注位置使大平面處于垂直位置，從而避免了夾砂結(jié)疤缺陷，同時也避免了大平面向上而引起的澆不足現(xiàn)象。2.通過中間注入式澆注系統(tǒng)一箱一件的設(shè)計，有利于金屬液平穩(wěn)流動，便于集渣、排氣，并根據(jù)模擬結(jié)果，針對頂部縮孔缺陷設(shè)計了圓柱形冒口，達到了補縮的目的，成功避免了鑄件頂部的縮孔缺陷的產(chǎn)生。。致謝本論文是在指導(dǎo)教師安勇良老師的精心指導(dǎo)下完成的。安老師在繁忙的教學(xué)與科研工作中仍不懈地花費大量心血和寶貴時間來指導(dǎo)我們，幫助我把握課題的方向、確定課題研究的內(nèi)容以及論文撰寫工作等，在此，謹(jǐn)向安老師致以崇高的敬意和衷心的感謝！此外，在論文寫作期間，同班以及同寢室的同學(xué)給予了關(guān)心、支持與幫助，在此向他們表示誠摯的謝意！最后，向所有在大學(xué)四年中給予過我關(guān)心、支持和幫助的老師和同學(xué)們表示誠摯的感謝，并祝愿大家有一個美好的明天。參考文獻趙恒濤,米國發(fā),王狂飛.鑄造充型及凝固過程模擬研究概況[J].航天制造技術(shù),2007,1:28-33曹洪吉,宋延沛,王文炎.鑄造過程計算機模擬研究應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展[J].河南科技大學(xué)學(xué)報,2006,27(1):5-8孫遜,安閣英,蘇仕方等.鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬發(fā)展現(xiàn)狀[J].鑄造,2000,49(2):84-88廖敦明,林漢同等.鑄造熱應(yīng)力數(shù)值模擬研究的最新進展[J].現(xiàn)代鑄鐵,2000,4:4-7牛曉峰,梁偉,趙宇宏等.VTK顯示技術(shù)在鑄造模擬軟件中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù).2010,9:1241柳百成,荊濤等.鑄造過程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M].北京機械工程出版社,2001楊亞杰.鑄造模擬軟件ProCast.軟件世界.2003,7:109-111劉瑞祥,陳立亮,魏華勝等.鑄件凝固過程數(shù)值模擬的生產(chǎn)應(yīng)用[J].現(xiàn)代鑄鐵.2003,4:34-36劉瑞祥,周建興,魏華勝,林漢同.開發(fā)中國自主版權(quán)的鑄造CAE實用軟件[J].鑄造,2001,50(11):692-695柳百成.面向21世紀(jì)的鑄造技術(shù)[J].