【正文】 鋼件熱處理的目的是細(xì)化晶粒 ，消除魏氏體（或網(wǎng)狀組織）和消除鑄造應(yīng)力。馬氏體淬火后進(jìn)行回火，隨著回火溫度升高，組織逐漸變化，馬氏體逐漸分解，逐漸析出碳化物，在高溫回火后馬氏體分解成較細(xì)的回火索氏體。通過(guò)充型過(guò)程速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的數(shù)值模擬，能夠較準(zhǔn)確地表達(dá)充型過(guò)程的流動(dòng)和傳熱規(guī)律，并可預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的卷氣、冷隔等缺陷，進(jìn)而優(yōu)化鑄造工藝，實(shí)現(xiàn)理想的型腔充填狀態(tài)，對(duì)實(shí)際壓鑄生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo) 意義 [9]。具體表現(xiàn)為，從整體上來(lái)說(shuō)，金屬液表現(xiàn)為順序充填，較為平穩(wěn)。金屬凝固過(guò)程所產(chǎn)生的鑄造缺陷主要包括宏微觀偏析、縮孔、縮松、氣孔、夾雜物及熱裂等 [10]。它的優(yōu)點(diǎn)是有利于排除型腔內(nèi)的氣體及使砂（渣）等雜物順利的上浮到冒口內(nèi)而且補(bǔ)縮均勻。 在設(shè)計(jì)工藝與工裝之前，最重要的一個(gè)前提步 驟是審核鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性，因?yàn)檫@是設(shè)計(jì)工藝與工裝的基礎(chǔ)，所有的工作都是圍繞著鑄件的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求展開(kāi)的。 感謝同組的 王朋、郝占喜、唐新穎、葉小龍、張桂華 等同學(xué)在生活和學(xué)習(xí)中給我的關(guān)心和幫助，在此表示深深的謝意。其中主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：鑄件澆注位置的確定、分型面的選擇、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)、冒口和冷鐵的設(shè)計(jì)、出氣孔的設(shè)計(jì)、模樣材質(zhì)的選擇、砂箱的設(shè)計(jì)、模板的設(shè)計(jì)。并采用了圓形砂箱及模底板，使鑄件與砂箱配合更加緊密，減少了型砂的浪費(fèi)，提高了鑄件表 面精度。 對(duì)凝固模擬結(jié)果分析后認(rèn)為，鑄件凝固過(guò)程中存在以下一 些特點(diǎn)： 整體上看，鑄件達(dá)到完全凝固時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，凝固速度比充型要慢的多。然后在重力、砂芯阻力的作用下回落。顯示溫度場(chǎng)時(shí)，采用色溫映射的方式，即利用 OpenGL 技術(shù)對(duì)充型過(guò)程中的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及壓力場(chǎng)的動(dòng)態(tài)顯示。 出爐溫度和澆注溫度的確定 對(duì)于金屬液的溫度而言，溫度的提高有利于提高流到性、獲得健全的鑄件，降低廢品率。 隨著淬火溫度的提高，馬氏體的強(qiáng)度有所提高，延伸值稍有下降，而回火溫度提高則使其強(qiáng)度下降，延伸提高；回火時(shí)間的增加使強(qiáng)度下降較多，延伸顯著提高。通常，配碳在 %左右為宜，能保證去碳、沸騰排出氣體和夾雜，且有利于鉻的回收。該合金具有很高的力學(xué)性能和很好的鑄造性能相結(jié)合，即很高的強(qiáng)度、抗磨耐蝕性、好的韌度和很好的流動(dòng)性、氣密性和抗熱裂性，能鑄造復(fù)雜形狀的高強(qiáng) 度鑄件。定位銷(xiāo)選擇在模樣高度較低的位置，并盡量使兩定位銷(xiāo)的距離遠(yuǎn)一些。 圖 38 加強(qiáng)筋的布局及尺寸 (3) 確定模底板與砂箱的定位裝置：模底板與砂箱采用定位銷(xiāo)定位，定位銷(xiāo)尺寸、表面粗糙度及結(jié)構(gòu)如圖 39 所示。通常模底板的工作面形成鑄型的分型面，鑄件模樣、芯頭模樣和澆冒口模樣形成鑄件的外輪廓、芯頭座及澆冒口系統(tǒng)的型腔。根據(jù)砂箱尺寸和模樣輪廓，設(shè)計(jì)出砂箱箱帶的具體結(jié)構(gòu)及尺寸如圖 31，圖 33 所示。 (1) 根據(jù)模樣輪廓尺寸及選取的一定的吃砂量（側(cè)壁吃砂量取 100mm，底部吃砂量取 130mm），砂箱內(nèi)廓的尺寸確定為 Ф1710mm。因?yàn)殍T件和砂芯整體輪廓不復(fù)雜，可以將模樣做成整體模的結(jié)構(gòu)形式。 圖 27 保溫環(huán)形暗冒口及外 冷鐵位置和尺寸圖 28 保溫環(huán)形暗冒口及外冷鐵的 UG 三維圖 出氣孔的設(shè)置 出氣孔是型腔出氣冒口、砂型和砂芯排氣通道的總稱(chēng)，分明、暗兩種。所以可以使環(huán)形冒口晚于鑄件凝固，達(dá)到補(bǔ)縮鑄件的目的。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì) － 13－ 圖 26 模數(shù)計(jì)算 （ 1）冷鐵的設(shè)計(jì) 在這里，我們完全應(yīng)用模數(shù)法，按科學(xué)的設(shè)計(jì)公式使之形成一定的模數(shù)梯度，從而達(dá)到有效控制順序凝固的目的。；橫澆道 Ф80mm， A橫 =178。 確定了澆包孔的直徑和數(shù)量，便確定了控流截面積 ∑A控 。 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔的通道的總稱(chēng)。所謂鑄造收縮率是指鑄件從線收縮開(kāi)始溫度（從液相中析出枝晶搭成的骨架開(kāi)始具有固態(tài)性質(zhì)時(shí)的溫度）冷卻到室溫時(shí)的相對(duì)線收縮量。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì) － 9－ 圖 23 砂芯結(jié)構(gòu)、尺寸 上冠鑄件的工藝參數(shù) (1) 鑄件尺寸精度的確定。芯頭是指伸出鑄件以外不與金屬接觸的砂芯部分。 方案一： 優(yōu)點(diǎn)： 有利于順序凝固和沖型； 有利于鑄件的補(bǔ)縮。 （ 3）分型面應(yīng)盡量選用平面。 鑄件各面均需加工，其中外側(cè)弧面為精加工。因此，本上冠鑄件在生產(chǎn)之前，首先應(yīng)進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，使鑄件的整個(gè)工藝過(guò)程都能實(shí)現(xiàn)科學(xué)操作 ，才能有效地控制鑄件的形成過(guò)程，達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的效果。另外，它還提供每種材料的傳熱系數(shù)，提高了程序的方便性。 AnyPRE 作為 AnyCasting 的前處理程序， AnyPRE 可以實(shí)現(xiàn) CAD 模型的導(dǎo)入，有限差分網(wǎng)格的劃分，模擬條件的設(shè)置，并調(diào)用 AnySOLVER 進(jìn)行求解。 該軟件不僅具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配和生成工程圖等設(shè)計(jì)功能，而且在設(shè)計(jì)過(guò)程中可進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真模擬，從而提高了設(shè)計(jì)的可靠性。 CAD 模塊由許多獨(dú)立功能的子模塊構(gòu)成，建模模塊、制圖模塊、裝配模塊就是引入到機(jī)械制圖教學(xué)當(dāng)中的模塊。國(guó) 內(nèi)有關(guān)高等院校、科研院所和重點(diǎn)鑄造企業(yè)經(jīng)過(guò) 20 多年的努力，取得了積極的成果先后開(kāi)展了計(jì)算機(jī)工藝輔助設(shè)計(jì)、成分和力學(xué)性能輔助設(shè)計(jì)，鑄造合金凝固過(guò)程及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬、鑄件充型過(guò)程的數(shù)值模擬，鑄造過(guò)程、鑄造合金品質(zhì)和鑄件品質(zhì)以及鑄造設(shè)備的檢測(cè)與控制，鑄造數(shù)據(jù)庫(kù)、管理、計(jì)算機(jī)識(shí)圖、機(jī)械手和機(jī)器人的應(yīng)用等，并在生產(chǎn)中得到運(yùn)用，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)理論定量指導(dǎo)工藝過(guò)程的目標(biāo)。當(dāng)鋼中第一章 引言 － 2－ 含鉻量達(dá)到 12％左右時(shí)，鋼在氧化性介質(zhì)中的耐蝕性發(fā)生突變性的上升。 低碳合金不銹鋼鑄造技術(shù)分析 低碳合金不銹鋼鑄造 是在鑄鋼的基礎(chǔ)上加入其他金屬或非金屬元素 , 不僅能保持鑄鋼的基本性能 , 而且由于合金化及熱處理的作用 , 使低碳合金不銹鋼具有良好的綜合性能。 上冠鑄件，要求具有高強(qiáng)度，良好的抗磨耐蝕性，不允許有砂眼、縮松。 本文主 要是對(duì)材質(zhì)為 ZG06Cr13Ni4Mo(馬氏體鑄造不銹鋼 )的上冠鑄件進(jìn)行工藝工裝設(shè)計(jì)，應(yīng)用 UG 軟件畫(huà)出三維造型，最后應(yīng)用 AnyCasting 軟件進(jìn)行工藝模擬，針對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，修改工藝，得出最合理的工藝設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期研 究和實(shí)踐，現(xiàn)有的鑄造技術(shù)已能保證 134 水輪機(jī)鑄件的力學(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)要求相比有較大的裕度。鉻是不銹 鋼獲得耐蝕性的基本元素。計(jì)算機(jī)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用導(dǎo)致了鑄造技術(shù)的發(fā)展和根本變革。 UGNX含有 4 大功能模塊： 基礎(chǔ)模塊、 CAD 模塊、 CAM 加工模塊以及 CAE 模塊。 UG 面向過(guò)程驅(qū)動(dòng)的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，在面向過(guò)程驅(qū)動(dòng)技術(shù)的環(huán)境中，用戶的全部產(chǎn)品及其精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)保持相關(guān)，從而有效地實(shí)現(xiàn)了并行工程。早在 1985 年，我們就研制出了 AnyCasting 軟件核心求解 器， 1990 年開(kāi)始推廣為商業(yè)化軟件，通過(guò)多年來(lái)為大量不同領(lǐng)域如汽車(chē)、電子、重工、連續(xù)鑄造行業(yè)的客戶提供鑄造工程咨詢(xún)服務(wù)， AnyCasting 積累了豐富的鑄造工程經(jīng)驗(yàn)，并不斷地將實(shí)際的工藝經(jīng)驗(yàn)在軟件功能中得以實(shí)現(xiàn)，使得AnyCasting 日益成為當(dāng)今世界上技術(shù)最先進(jìn)，包含豐富實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的鑄造模擬分析軟件系統(tǒng) [3]。用 戶能簡(jiǎn)單的選擇感興趣的材料而不需要輸入幾百種不同的材料性能。 圖 AnyCasting 軟件的組成部分 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì) － 6－ 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì) 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要求金屬鑄件具有高的力學(xué)性能、尺寸精度和低的表面粗糙度值，要求生產(chǎn)周期短、成本低。 結(jié)構(gòu)上屬于厚、薄相差懸殊的 大 型回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)。分型面少，鑄件精度容易保證，且砂箱數(shù)目少。 根據(jù)該上冠鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 及選擇分型面的一般原則，現(xiàn)提供選擇分型面的三種方案如圖 22所示。 砂芯的設(shè)計(jì)及安放 砂芯的功用是形成鑄件的內(nèi)腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位。 為了保證該砂芯在制造、運(yùn)輸、裝配和澆注過(guò)程中不變形、不開(kāi)裂或折斷，生產(chǎn)中在砂芯中埋置了芯骨，以提高其強(qiáng)度和剛度。 為了確定模樣和芯盒的工作尺寸，需要確定該上冠鑄件的鑄造收縮率。40′， α= 。 本次澆注系統(tǒng)采用底注包澆注，以包孔截面積作為控流面積，澆注時(shí)間按下式計(jì)算： t=NnqG 式中 t—— 澆注時(shí)間， s； G—— 型內(nèi)鋼液重量， kg，含漲箱和冒口重量； N—— 同時(shí)澆注的澆包數(shù)，個(gè)； n—— 每個(gè)漏包的漏孔數(shù)，個(gè)； q—— 平均澆注速度， kg/s； 澆注時(shí)間是否合適，可用鋼液在型內(nèi)的上升速度驗(yàn)算，其式如下： v= tC 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì) － 12－ 式中 v—— 鋼液在型內(nèi)的上升速度， mm/s； C—— 鑄件在型內(nèi)的高度， mm； t—— 澆注時(shí)間， s。 根據(jù)鑄造手冊(cè)，澆注系統(tǒng)的尺寸與橫截面積設(shè)計(jì) 為：直澆道 Ф80mm， A直 =178。保溫套的厚度取 40mm。 一般情況下， M 冒 =kM 件 式中， k 為系數(shù)，取 k=，則 M 冒 =kM 件 =kMc3= 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設(shè)計(jì) － 14－ 而實(shí)際環(huán)形冒口的模數(shù) M 冒 =＞ 。 通過(guò)上面分析得出冒口和冷鐵的尺寸及安放位置，如圖 2圖 28 所示。 模樣材質(zhì)的選擇 該上冠模樣選用木模。因此，為了保證鑄件質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、降低成本以及保證安全生產(chǎn)，我們的砂箱設(shè)計(jì)為圓形砂箱，上、下砂箱的材料均選擇 HT200。 （ a） （ b） 圖 32 箱壁斷面結(jié)構(gòu)圖 （ a）上砂箱壁（ b）下砂箱壁 (3) 確定砂箱箱帶的布置形式和尺寸：砂箱箱帶不但能增加砂箱的強(qiáng)度和剛度，還可以增加對(duì)型砂的承托力和黏附力，防止砂型的塌箱。 (a) (b) 圖 36 砂箱的定位結(jié)構(gòu) (a) 砂箱定位耳截面圖 (b) 砂箱定位耳尺寸 第三章 鑄造工藝裝備設(shè)計(jì) － 19－ 模底板的設(shè)計(jì) 模板一般由鑄件模樣、芯頭模樣和澆冒口系統(tǒng)模樣與模底板通過(guò)螺釘、螺栓、定位銷(xiāo)等裝配而成。加強(qiáng)筋形狀及布局如圖 3圖 38所示。模樣在模底板上采用定位銷(xiāo)來(lái)定位，以便將模樣定位在模底板上，防止模樣因螺釘松動(dòng)而錯(cuò)位。上冠的材質(zhì)選擇為 ZG06Cr13Ni4Mo(馬氏體鑄造不銹鋼 )。參考《鑄造合金配料速查手冊(cè)》， 本 上冠鑄件的配料單如表 41 所示 [7 ]： 第四章 鑄鋼的熔煉 － 23－ 表 上冠鑄件配料單 [7] 成分 成分要求： C≤， Si≤， Mn≤， S≤， P≤， Cr： ～ ， Ni：～ ， Mo： ～ 配料 Ni、 Mo 二元素按產(chǎn)量配至要求成分中限，其余成分按下表要求配入 元素 C Cr Si P 配入量 ～ ～ ? 配料時(shí)，爐料中配碳過(guò)高，氧化期時(shí)間長(zhǎng)，鉻燒損量比較大，不利于延長(zhǎng)爐底使用壽命；配碳過(guò)低，則鋼液達(dá)不到良好的沸騰，不利于排出氣體和夾雜。熱處理的方法有退火、正火或正火加回火。綜之，為了提高馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能，應(yīng)采用高溫回火并保持較長(zhǎng)的回火保溫時(shí)間，使馬 氏體碳化物充分析出，才能在保證馬氏體不銹鋼具有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性的同時(shí)，具有較好的延伸性。 鑄件澆注充型過(guò)程中，伴隨著熱量的散失、溫度的降低。由于充型速度較高，金屬液進(jìn)入澆道直接沖向砂芯，由于砂芯阻力及慣性作用，金屬液被沖到一定高度。 圖 52 為鑄件的凝固順序以及溫度分布，其中圖 (a)(f)依次為凝固 5%， 15%，30%， 50%， 85%， 100%時(shí)的狀態(tài)圖。它克服了分散冒口間的偏析問(wèn)題，可以更好的保證鑄件的質(zhì)量。審核完鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性之后，就可以根據(jù)設(shè)計(jì)工藝和工裝方面的知識(shí)逐步展開(kāi)設(shè)計(jì)了。 附圖 － 33－ 附 圖 目錄 附圖 1：上冠鑄件零件圖 附圖 2：上冠鑄件工藝圖 附圖 3：上砂箱 附圖 4：下砂箱 附圖 5：模板裝配圖