铸钢上冠铸件工艺设计与数值模拟仿真_毕业设计(编辑修改稿)

铸钢上冠铸件工艺设计与数值模拟仿真_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

流场和温度场。 铸造成型模拟包括计算熔体充型过程的流动分析和熔体凝固过程的传热 /凝固分析。 只有在两个分析都准确的前提下才能正确预测可能造成缺陷的区域。 anyPOST 作为 AnyCasting 的后处理器，可以通过读取 anySOLVER 中生成的网格数据和结果文件在屏幕上输出图形结果。 使用 anyPOST，你可以用 二维和三维观察充型时间，凝固时间，等高线 (温度，压力，速率 )和速度向量，也可以用传感器的计算结果来创建曲线图。 这个程序具备动画功能使用户把计算结果编辑成播放文件，通过结果合并功能来观察各种二维或三维的凝固缺陷。 图 AnyCasting 软件的组成部分 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 6－ 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 随着现代科学技术的发展，要求金属铸件具有高的力学性能、尺寸精度和低的表面粗糙度值，要求生产周期短、成本低。 因此，本上冠铸件在生产之前，首先应进行铸造工艺设计，使铸件的整个工艺过程都能实现科学操作 ，才能有效地控制铸件的形成过程，达到优质高产的效果。 上冠铸件的铸造工艺设计要根据其结构特点、技术要求、生产批量和生产条件等，确定铸造方案和工艺参数，绘制铸造工艺图等技术文件的过程。 其铸造工艺设计的好坏，对铸件品质、生产效率和成本起着重要作用。 上冠铸件的结构工艺性分析 该上冠铸件属于壁厚相差悬殊的回转体结构，由于材料的导热性差且铸造时钢水在型腔内的温度差较高，使上冠的冷却极不均匀，产生较大的温度梯度形成较大的热应力与组织应力，且易在中间壁厚处形成缩松缩孔等缺陷。 所以要在上冠件壁厚处安放暗冒口，进行 补缩，在外轮廓热节圆处安放冷铁， 这样可以很好地补松补缩，提高铸件的工艺出品率和经济效益，同时也可以提高铸件的致密度和铸件质量。 上冠铸件的主要技术要求 （ 1）铸件应作正回火处理； （ 2）铸件材料及机械性能应符合 JB/T1026420xx 的要求； （ 3）粗加工后按 GB723387 标准作超声波探伤检查，达 Ⅱ 级要求； 过流面加工后按 GB/T94441988 进行磁粉探伤，达 Ⅱ 级要求； （ 4）同炉浇铸试验棒，回厂做化学成分和机械性能复核试验； （ 5）过流面用样板检查。 上冠铸件的结构分析 本上冠的材质为 ZG06Cr13Ni4Mo，轮廓尺寸为 1510mm1510mm623mm， 毛量约为 1950kg。 结构上属于厚、薄相差悬殊的 大 型回转体结构。 铸件各面均需加工，其中外侧弧面为精加工。 上冠铸件 UG三维造型如图 21所示。 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 7－ 图 21 上冠铸件 UG 三维造型图 分型面位置的确定 分型面是指两半铸型相互接触的表面。 分型面的优劣，在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。 我们在选择分型面时遵循的原则如下所述： （ 1）应使铸件全部或大部分置于同一半型内。 为了保证铸件精度，如 果做不到这项要求，也应该尽可能把铸件的加工面和加工基准面放在同一半型内。 （ 2）应尽量减少分型面的数目。 分型面少，铸件精度容易保证，且砂箱数目少。 （ 3）分型面应尽量选用平面。 平直分型面可简化造型过程和模底板的制造，易于保证铸件的精度。 （ 4）分型面的设计要便于下芯、合箱和检查型腔尺寸。 （ 5）不使砂箱过高，因为高砂箱造型困难，填砂、紧实、起模、下芯都不方便。 分型面通常选在铸件最大截面上。 （ 6）受力件的分型面的选择不应消弱铸件结构强度。 （ 7）注意减轻铸件的清理和机械加工工作量。 根据该上冠铸件的结构特点 及选择分型面的一般原则，现提供选择分型面的三种方案如图 22所示。 方案一： 优点： 有利于顺序凝固和冲型； 有利于铸件的补缩。 缺点：钢液在铸型中的流动不稳定。 方案二： 优点： 重要面放在侧面和下面，有利于重要面得到致密的组织； 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 8－ 避免了吊芯。 缺点：不利于顺序凝固和补缩。 方案三 : 优点： 减小了砂箱尺寸； 有利于下芯。 缺点： 对上下箱的合箱、造型精度要求很高； 钢液在铸型中的流动不平稳。 （ a） （ b） （ c） 图 22 分型面的选择方案（ a）方案一 （ b）方案二 （ c）方案三 综合考虑各个分型面选择方案的优缺点，根据本铸件的实际结构及技术要求等因素，本上冠铸件采用方案一，使用两箱造型，铸件放在下砂箱。 砂芯的设计及安放 砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。 芯头是指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分。 芯头长度是指砂芯伸入铸型部分的长度。 为了合箱方便，避免上、下芯头和铸型相碰，对垂直芯头，上、下芯头都要设有斜度。 根据铸件结构、分型面的选择，本铸件的 内部空腔采用一个砂芯来形成。 该砂芯设计的总的原则是：使造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。 为了方便下芯，还要在芯头和芯座之间留有一定的间隙。 该砂芯的制芯方法选择自硬冷芯盒（原砂：锆砂；粘结剂：碱性酚醛树脂；催化剂：甘油醋酸酯），其形状和尺寸如图 23所示。 为了保证该砂芯在制造、运输、装配和浇注过程中不变形、不开裂或折断，生产中在砂芯中埋置了芯骨，以提高其强度和刚度。 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 9－ 图 23 砂芯结构、尺寸 上冠铸件的工艺参数 (1) 铸件尺寸精度的确定。 铸件尺寸公差是指铸件各部分尺寸允 许的极限偏差，它取决于铸造工艺方法等多种因素。 通过查阅资料，确定该上冠铸件的尺寸精度为 CT12。 (2) 机械加工余量的确定。 上冠铸件表面需要进行加工，因此要预留加工余量。 所谓加工余量，是指在铸件工艺设计时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属厚度。 各面所留机械加工余量如表 11所示： 表 11 铸件各部分的机械加工余量 序号 基本尺寸／ mm 加工余量等级 加工余量数值／ mm 公差等级 公差数值／mm 1 2 3 4 5 6 7 8 Φ1510 Φ1380 Φ300 Φ500 369 244 Φ190 G H H H H H G H 8 5 6 5 5 4 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 13 13 9 10 9 9 8 8 (3) ZG06Cr13Ni4Mo 的铸造收缩率的确定。 为了确定模样和芯盒的工作尺寸，需要确定该上冠铸件的铸造收缩率。 所谓铸造收缩率是指铸件从线收缩开始温度（从液相中析出枝晶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。 如表 22 所示。 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 10－ 表 22 ZG06Cr13Ni4Mo 体收缩率的计算 成分 影响系数 体收缩率（﹪） 元素 质量分数（﹪） C Mn Si Cr Ni W 13 4 ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － 合计 ⅰ 浇注温度为 1580℃。 ⅱ 为安全起见，取体收缩率＝ 6℅。 (4) 起模斜度的确定。 该上冠铸件的最大外轮廓处需确定其起模斜度。 因为该上冠铸件是自硬砂造型，采用木摸样，并且测得铸件测量面高度为 116 ㎜，所以查《铸造工艺设计》 [4] 得 a=0176。 40′， α=。 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的总称。 本次上冠铸件的浇注系统设计，应根据其结构特点、技术条件、合金种类，选择浇注系统结构类型、确定引入位置、计算截面尺寸等 [5 ]。 浇注系统的确定 在这次浇注系统设计中，充分考虑了浇注系统对液态金属充型方式、铸型温度分布、铸件质量的影响， 根据上冠的结构，以及分型面的位置，决定采用树脂砂铸造，浇注系统 采用顶注式工艺。 由于铸件属厚、薄相差悬殊的大型回转体结构，为保证铸件的充型能力，浇注系统设置为一个的截面为圆柱形的直浇道 ,然后对应一个截面为圆柱形的横浇道，适当增加平均静压头高度，浇注系统设置位置如图 24所示，浇注系统 UG三维造型图如图 25所示。 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 11－ 图 24 浇注系统位置 图 25 浇注系统三维图 综之，浇注系统设计为开放式顶注浇注系统，使用这种浇注系统金属液进入型腔时流速小，充型平稳，为了更好的撇渣， 在浇口杯处安放陶瓷制成的厚为 20mm的过滤网片，网孔 直径为 6mm，提高了金属液的质量。 直浇道的设计 我们确定好浇注系统的安放位置及设计思路确定后，紧接着确定了浇注系统各组元的截面积。 确定浇注系统各组元截面积的目的，在于保证该上冠铸件型腔在预定的时间内充满，控制金属液通过浇注系统各组元时的流速、流量、及充满状态，达到大流量、低流速、平稳地充填。 本次浇注系统采用底注包浇注，以包孔截面积作为控流面积，浇注时间按下式计算： t=NnqG 式中 t—— 浇注时间， s； G—— 型内钢液重量， kg，含涨箱和冒口重量； N—— 同时浇注的浇包数，个； n—— 每个漏包的漏孔数，个； q—— 平均浇注速度， kg/s； 浇注时间是否合适，可用钢液在型内的上升速度验算，其式如下： v= tC 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 12－ 式中 v—— 钢液在型内的上升速度， mm/s； C—— 铸件在型内的高度， mm； t—— 浇注时间， s。 确定了浇包孔的直径和数量，便确定了控流截面积 ∑A控。 以它为 1,按如下比例关系可计算出浇注系统的各组元的截面积： ΣA控 ： ΣA直 ： ΣA横 =： ： 各组元的截面积计算出来以后，可依据工艺对浇注系统的要求，查表求出各组元的截面积尺寸。 此上冠铸件浇注系统中，铸件重量 ，浇注重量。 采用单包双注孔浇注，注孔直径 50mm， A控 =178。 ， ΣA控 =178。 查表得，流量速度 q=55kg/s，则浇注时间为： t=G/Nnq=4300/(1255)=39s。 钢液在型内的上升速度： ν=C/t=625/39=16(mm/s),去掉填充浇注系统的时间，钢液在型内的上升速度约为 20mm/s。 根据铸造手册，浇注系统的尺寸与横截面积设计 为：直浇道 Ф80mm， A直 =178。 ；横浇道 Ф80mm， A横 =178。 冷铁与冒口的设计 这次冒口设计为环形冒口，冒口位置选择在铸件热节的上方。 在铸件形成时可有效补给金属，起到防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。 在铸件最大外轮廓处设计有 8块外冷铁。 这些外冷铁不仅可以防止铸件产生缩孔和缩松，裂纹和变形，而且可以细化组织，提高铸件表面硬度和耐磨性。 冒口与冷铁的具体设计如下所述： 如图 26，经计算，铸件的平均模数 Mc=， 铸件 ① 结构处的模数Mc1=， ② 结构处的模数 Mc2=， ③ 结构处的模数 Mc3=， ④ 结构处的模数 Mc4=。 该上冠的主要热节就分布在 ① 、 ③ 这两个位置，本铸钢铸件选用暗顶冒口，但由于分型面选择和补缩距离 L=2T的限制，决定采用冒口与冷铁相配合使用，来加强铸件的顺序凝固，扩大冒口的补缩距离，减少冒口的数目和体积，因此，在铸件上方安放一个保温环形暗冒口， ① 处外围安放外冷铁，这样在冒口和冷铁的共同作用下，使铸件 能顺序凝固，厚大处也不会产生缩孔和缩松。 保温套的厚度取 40mm。 第二章 上冠铸件的铸造工艺设计 － 13－ 图 26 模数计算 （ 1）冷铁的设计 在这里，我们完全应用模数法，按科学的设计公式使之形成一定的模数梯度，从而达到有效控制顺序凝固的目的。 Mc1 处的外冷铁可按下式进行计算： G=0r0MMM 式中， G—— 外冷铁的重量， kg； V—— 欲。