座體鑄造工藝設計及其模擬優(yōu)化.doc

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鑄造過程計算機輔助分析模擬綜合實驗 題目：座體鑄造工藝設計及其模擬優(yōu)化 學 院：機械工程學院 專 業(yè)：材料成形及控制工程 班 級： 姓 名： 學 號： 指導教師： 2014年3月10日 目 錄 第一章.零件簡介 2 1.1 零件基本信息 2 1.2技術(shù)要求 2 第二章.基于UG零件的三維造型 3 2.1軟件簡介 3 2.2 零件的三維造型圖 3 第三章.鑄造工藝方案的擬定 4 3.1工藝方案的確定 4 3.2型（芯）砂配比 4 3.3混砂工藝 5 3.4 鑄造用涂料、分型劑及膠補劑 5 3.5熔煉設備及熔煉工藝 6 3.6分型面的選擇 6 3.7 砂箱大小及砂箱中鑄件數(shù)目的確定 7 3.8鑄造工藝參數(shù)的確定 7 第四章.砂芯設計及排氣 8 4.1芯頭的基本尺寸 8 4.2砂芯設計尺寸見下工藝圖 9 第五章.澆注系統(tǒng)設計 10 5.1澆注系統(tǒng)的類型及選擇 10 5.2澆注位置的選擇 10 5.3澆注系統(tǒng)各部分尺寸的計算 11 5.4合金鑄造性能分析 11 5.5 設計計算步驟 12 5.6出氣孔 14 5.7鑄件工藝出品率 14 第六章.模擬仿真部分 15 6.1充型模擬 15 6.2凝固模擬 15 第七章.結(jié)論及優(yōu)化方案 16 第八章.小結(jié) 16 主要參考文獻： 17  摘 要 本文通過對座體零件圖的深入分析，根據(jù)零件的形狀、尺寸、材料等特點，采用傳統(tǒng)設計方法與計算機輔助設計相結(jié)合的方式對零件的鑄造工藝進行設計。 分析并確定采用臥式造型合箱，底注式澆注的砂型鑄造工藝方案；確定了鑄鐵件的凝固原則、澆注位置和分型面等；確定了座體鑄鐵件的鑄造工藝參數(shù)并計算了其體積和重量；設計并計算了箱蓋砂型鑄造的澆注系統(tǒng)；繪制了座體砂型鑄造工藝圖、UG鑄件圖、合箱圖等；并采用華鑄CAE模擬軟件進行模擬分析。整體得到了一套生產(chǎn)該灰鑄鐵箱蓋的砂型鑄造工藝文件。 關(guān)鍵詞：座體;砂型鑄造；工藝設計；模擬分析。 箱蓋鑄造工藝設計及其模擬優(yōu)化 第一章.零件簡介 1.1 零件基本信息 零件名稱：座體鑄件。 零件材料：HT200。 產(chǎn)品生產(chǎn)綱領：單件小批量生產(chǎn)。 結(jié)構(gòu)：屬厚、薄均勻的小型座體。 根據(jù)相關(guān)資料查得HT200具體成分及其含量如表所示。 表1.1.1 HT200化學成分表（質(zhì)量分數(shù)，%） C Si Mn P S Cr 3.3~3.55 1.95~2.15 0.60~0.90 ≤0.08 ≤0.12 0.15~0.30 表1.1.1 HT200材料的力學性能 抗拉強度/MPa 硬度 /HB 延伸率/% ≥200 170~241 ≥10 座體零件圖： 圖1-1 座體零件圖 1.2技術(shù)要求 (1) 結(jié)構(gòu)特點及使用要求 該零件結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻為10mm，座體外形整體較大長約255mm，寬190mm，高172.5mm。材料為灰鐵，流動性較較好，收縮大，所以在澆注時容易產(chǎn)生澆不足、冷隔、縮孔和縮松、熱裂、內(nèi)應力以及變形和冷裂等缺陷。（鑄件體積V=1791168.0543mm3 ，質(zhì)量m=13.824kg。 (2) 鑄件技術(shù)要求 鑄造圓角R3～R5； 第二章.基于UG零件的三維造型 2.1軟件簡介 　 UG NX[2]是由Siemens PLM Software發(fā)布的集CAD/CAM/CAE一體化解決方案軟件，它涵蓋了產(chǎn)品設計、工程和制造中的全套開發(fā)流程。NX 產(chǎn)品開發(fā)解決方案完全支持制造商所需的各種工具。 NX 與 UGS PLM 的其他解決方案的完整套件無縫結(jié)合，這些對于 CAD 、 CAM 和 CAE 在可控環(huán)境下的協(xié)同、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字化實體模型和可視化都是一個補充。 本件采用UG NX進行三維立體建模使工藝設計直觀形象，便于后續(xù)分析、模擬及加工等過程的管理與控制。 2.2 零件的三維造型圖 通過運用NX8.5對零件進行立體建模得到如圖2-1所示三維圖。 圖2-1零件的三維造型圖 第三章. 鑄造工藝方案的擬定 3.1工藝方案的確定[1] 　 座體材質(zhì)為灰鑄鐵HT200,該鑄件屬于薄壁小型件，無需開設冒口,成品率高。生產(chǎn)綱領為單件小批量生產(chǎn)可采用砂型鑄造，鑄型和型芯都采用呋喃樹脂自硬砂，每箱一件，乙醇涂料，造型時按模型材質(zhì)選擇合適的脫模劑。采用樹脂砂的優(yōu)點有：強度高，可自硬，精度高，鑄件易清理，生產(chǎn)效率高等特點。 3.2型（芯）砂配比 根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)要求，該鑄件采用呋喃樹脂自硬砂造型、造芯即可，具體數(shù)值參考型、芯砂配比如表3.1和表3.2所示。 表3.1 型砂配比（配比重量Wt%） 成 分 新砂 再生砂 F700呋喃樹脂 固化劑 附加物氧化鐵粉 百分比 10％ 90％ 1.6% ~2.0% 15％ 0 ~ 1.5% 表3.2芯砂配比（配比重量Wt%） 成 分 新砂 再生砂 F700呋喃樹脂 固化劑 附加物氧化鐵粉 百分比 60％ 40％ 2.3% ~2.5% ＞10％ 0 ~ 1.5% 表中催化劑含量為占樹脂砂的百分比?！? 3.3混砂工藝 合理地選用混砂機，采用正確的加料順序和恰當?shù)幕焐皶r間有助于得到高質(zhì)量的樹脂砂。樹脂砂各種原料稱量要準確，其混砂工藝如下： 砂+催化劑加樹脂出砂 上述順序不可顛倒，否則局部發(fā)生劇烈的硬化反應，縮短可使用時間，影響到樹脂砂的使用性能。砂和催化劑的混合時間應以催化劑能均勻的覆蓋住沙粒表面所需的時間為準。 3.4 鑄造用涂料、分型劑及膠補劑 鑄造涂料在鑄型和砂芯的表面上形成耐火的保護層，避免鑄件產(chǎn)生表面粗糙、機械粘砂、化學粘砂以及減少鑄件產(chǎn)生與砂子有關(guān)的其它鑄造缺陷，是改善鑄件表面質(zhì)量的重要手段之一。雖然采用涂料增加了工序和費用，但使用涂料之后，不僅鑄件表面光潔，也減少了缺陷降低了清理費用，增加了鑄件在市場上的競爭力，綜合效益得以提高。為滿足要求可選水溶性涂料，根據(jù)生產(chǎn)綱領選用手工刷涂的方式施涂。 鑄造用分型劑可在造型造芯過程中在模樣、芯盒工作表面覆蓋一薄層可以減少或者防止型砂、芯砂對模樣或芯盒的粘附，降低起模力，以便得到表面光潔、輪廓清晰的砂型或砂芯，可手工涂涂柴油。 　　如砂型或砂芯出現(xiàn)裂紋、孔洞、掉角以及不平整等缺陷可用膠補劑進行修補，以提升生產(chǎn)效率。對自硬樹脂砂可用同種自硬砂+修補膏+膠合劑進行修補。 3.5熔煉設備及熔煉工藝 　　熔煉設備：為保證獲得化學成分均勻、穩(wěn)定且溫度較高的鐵液，滿足生產(chǎn)需要這一前提，在大批量流水生產(chǎn)中，宜采用沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉工藝。它可以保證出爐鐵液溫度在1500℃以上，溫度波動范圍小于等于＋（-）10℃，化學成分（質(zhì)量分數(shù)）精度達到△C小于等于＋（-）0.05%，△Si小于等于＋（-）0.10%。 熔煉工藝：(1) 廢鋼 加廢鋼可明顯提高灰鑄鐵基體中D型石墨和初生奧氏體的數(shù)量；加廢鋼能促進初生奧氏體的形核及長大；可增加鑄件的強度和孕育。（2）出爐溫度和澆注溫度 出爐溫度一般都控制在1400~1450℃之內(nèi)，澆注溫度一般控制在1370~1440℃。（3）孕育處理 為改善石墨形態(tài)和材質(zhì)的均勻性，孕育處理是十分重要的。孕育的作用為消除白口、改善加工性能，細化共晶團、獲得A型石墨，使石墨細化及分布均勻，改善基體組織、提高力學性能，減小斷面敏感性。綜合孕育劑選擇的主要兩個因素：滿足工藝性及性能、金相組織的需要；避免鑄件產(chǎn)生氣孔、縮松、滲漏等缺陷。由于75SiFe瞬時孕育效果好，溶解性能優(yōu)良，故此鑄鐵熔煉采用此方法。 第四章 鑄造工藝設計 4.1、鑄件零件圖 圖4-1-1 鑄件零件圖 4.2、分型面與澆注方式的確定 4.2.1、分型面的選擇 該零件幾何結(jié)構(gòu)較為簡單，采用底澆注式的方式澆注，既滿足要求，又使得澆注系統(tǒng)的設計簡化，充型平穩(wěn)，減少夾渣、縮孔，有利于浮渣。不需要再設計冒口，同時可以提高工藝出品率，合箱簡單，非常適合單件、小批量的造型成型。 分型面選擇如圖4-2-1所示： 圖4-2-1 分型面的選擇位置 4.2.2、澆注位置的選擇 該零件大體輪廓屬于環(huán)形構(gòu)造，根據(jù)型芯情況，結(jié)合分型面的選擇，決定采用底注式的澆注方式，澆注位置如圖4-2-2所示。 圖4-2-2 鑄件澆注位置 4.2.3、主要的鑄造工藝參數(shù) （1） 鑄件尺寸公差和重量公差 該鑄件材質(zhì)為HT200，手工造型，經(jīng)查得，鑄件的尺寸公差等級為11級；重量公差等級為13級，該鑄件的重量公差為24％[3]。 （2） 機械加工余量 該鑄件為鑄鐵（HT200)件，砂型人工造型，經(jīng)查加工余量等級為H，經(jīng)查得，加工余量取7。 （3） 鑄造收縮率 由于鑄件的固態(tài)收縮(線收縮)將使鑄件各部分尺寸小于模樣原來的尺寸，因此，為了使鑄件冷卻后的尺寸與鑄件圖示尺寸一致，則需要在模樣或芯盒上加上其收縮的尺寸。加大的這部分尺寸為鑄件的收縮量，一般用鑄造收縮率表示。經(jīng)查可知該鑄件的線收縮率為1.0％。 （4） 不鑄出孔 因為采用的是單件小批量生產(chǎn)，零件圖中的螺紋孔太小，需鑄出孔要大于或等于30-50，所以該零件的孔都不能鑄出，鑄件圖如圖4-2-3所示： 圖4-2-3 鑄件圖三維圖 4.3、砂芯設計 對于該零件有中空結(jié)構(gòu)，因此需要在鑄造時使用砂芯成型。對于砂芯的要求，應具有足夠的強度和剛度。 型芯設計和澆注系統(tǒng)放置如圖4-3-1所示： 如圖4-3-1 型芯和澆注系統(tǒng)的位置 4.4澆注系統(tǒng)設計 4.4.1、 澆注系統(tǒng)的選擇原則 該鑄件為鑄鐵中小型鑄件，壁厚均勻，根據(jù)鑄鐵件生產(chǎn)要求及特點，根據(jù)鑄造工藝學表3-4-12選擇封閉式（Ⅱ）澆注系統(tǒng)。取∑S內(nèi)：∑S橫：∑S直=1:1.1:1.15 4.4.2 澆注系統(tǒng)的尺寸確定 每個鑄件質(zhì)量13.824kg，共布置1件。鑄件出品率按30%估計，則型腔內(nèi)金屬質(zhì)量為13.824/0.3=45.16kg。 (1)、確定澆注時間和澆注速度q =Bбpmn —澆注時間（S） m—鑄件質(zhì)量或澆注金屬質(zhì)量（kg） б—鑄件壁厚（mm） 查表計算可得澆注時間為15s (2)、計算內(nèi)澆道截面積 由公式： G—包括澆冒口在內(nèi)的鑄件總重量； 一充填一個型腔的時間； 一每個鑄件的平均計算壓力頭，查表得到取值為30cm。 根據(jù)鑄件情況，n取0.05 經(jīng)過上面公式計算和結(jié)合鑄造工藝手冊可得到內(nèi)澆道最小總截面積約為61.2,所以取內(nèi)澆道的截面積為60，一共兩個內(nèi)澆道，每個內(nèi)澆道為30。 采用梯形斷面內(nèi)澆口主要考慮到是從鑄件后凝固處引入，內(nèi)澆口可以很好的起到補縮的作用。采用a=h的體形尺寸，可得出內(nèi)澆道截面尺寸如下表： 表4-4-1 內(nèi)澆道截面尺寸 內(nèi)澆道截面積() h(mm) a(mm) b (mm) 30 8 24 28 圖4-4-1 內(nèi)澆道界面形狀 (3)直澆道及橫澆道尺寸 該鑄件屬于中小型鑄件，采用封閉式澆注系統(tǒng)，根據(jù)鑄造工藝手冊可得直、 橫、內(nèi)澆道截面積比為1.15:1.1:1。根據(jù)澆注質(zhì)量為45.16Kg可得直澆道總 截面積為50-60，所以取直澆道截面積為25。 直澆道的的截面積采用圓形截面，具體尺寸R=25 mm。直澆道高度可根據(jù)最小剩余壓力頭HM＞ Ltgб,取直澆道長度為200 mm。 圖4-4-2 直澆道截面形狀 橫澆道采用用梯形截面，橫澆道為分流形式，所以每一個分流最小截面積為34，所以根據(jù)鑄造工藝手冊和實際的計算尺寸比例，綜合考慮可得橫澆道具體尺寸選取為a= 16mm,b=20mm,h=20mm。 . 圖4-4-3 橫澆道截面形狀 4.5.鑄件工藝出品率 鑄件工藝出品率=100% 對該鑄件工藝出品率=13.824/15.531=89% 4.6.砂箱大小及砂箱中鑄件數(shù)目的確定 由于鑄件為座體件，結(jié)構(gòu)簡單，采用一箱一件生產(chǎn)方式。模樣高255mm，長200mm，寬為190m。 砂箱的尺寸計算： 砂箱寬=40+40+190=271mm, 取砂箱寬度為300mm。 砂箱長=40+40+200=380mm, 取砂箱長度為400mm。 下砂箱高＝40＋12＝52mm，下砂箱高取60mm。砂箱各部位的尺寸如表所列。 表4-6-1 砂箱外形尺寸表 砂箱長（mm） 砂箱寬（mm） 砂箱高（mm） 上箱 400 300 300 下箱 400 300 60 第五章.模擬仿真部分 5.1凝固模擬 如下圖所示： 圖5-1 凝固時間模擬圖 結(jié)果分析：由上圖可以看出，鑄件最后凝固為鑄件的最上部，沒有明顯的縮孔縮松，所以不必用冒口。 5.2充型模擬 如下圖示： 圖5-2 充型時間模擬圖 結(jié)果分析：由上圖可以看出，該鑄型在2.2s時充滿，符合快澆的原則，和理論計算出的澆注時間很接近，而且鑄件沒有澆不足的情況，金屬液能順利地充滿型腔。因此，符合生產(chǎn)實際，滿足生產(chǎn)要求. 第六章.結(jié)論及優(yōu)化方案 本鑄件體積不太大，結(jié)構(gòu)較簡單，材料為灰鑄鐵其材料是在凝固過程中易出現(xiàn)縮松縮孔等缺陷的灰鑄鐵，因此此工藝設計思想是在保證鑄件質(zhì)量前提下，盡量采取合理工藝及先進的分析方法來消除各種缺陷，最后才考慮工藝出品率的提高。 第七章.小結(jié) 在此次設計過程中，我們遇到了許多困難，但通過努力也解決了許多問題。這次綜合試驗，我們受益匪淺，不僅深層次的學習了鑄造知識，掌握了鑄造工藝設計流程，而且還提高了分析問題、解決問題的能力，使自己的專業(yè)素質(zhì)得到了進一步的鍛煉和提升。但同時也深刻發(fā)現(xiàn)了自身知識能力的不足，在日后的生活中，一定會更加積極努力學習，多積累經(jīng)驗。為即將進行的畢業(yè)設計做好充分的準備！ 主要參考文獻： [1] 申榮華編. 鑄造工藝課程設計指導書[Z]. 貴陽，自編參考書，2011。 [2] 矯津毅編著. UG NX8,5基礎設計與案例實踐[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008。 [3] 王文清，李魁盛. 鑄造工藝學 [M]. 北京，機械工業(yè)出版社，2002。 [4] 中國機械工程學會鑄造分會編. 鑄造手冊5（第2版）[M]. 北京，機械工業(yè)出版社，2004。 附圖 1、 鑄造工藝卡 1張 （A4） 2、 鑄件圖 1張 （A3） 3、 零件圖 1張 （A3） 4、 鑄造工藝圖 1張 （A3） 5、 合箱圖 1張 （A3）