【文章內容簡介】 　　　　　　　　　　　　　　圖23 凝固區(qū)域結構掛舵臂材質為KSC49鋼，%~%，屬低碳鋼。低碳鋼結晶溫度范圍窄，在凝固過程中鑄件斷面上的凝固區(qū)域很窄，以與純金屬相似的逐層凝固方式進行凝固。凝固時，其前沿直接與液體金屬接觸，當凝固發(fā)生體積收縮時，可以不斷地得到液體的補充，所以產生分散性縮松的傾向小，而是在鑄件最后凝固的區(qū)域留下集中縮孔。因此，通常認為低碳鋼補縮性能好。167。 掛舵臂生產中縮孔、縮松缺陷的防止鋼液隨著溫度的降低，將要發(fā)生液態(tài)收縮和凝固收縮，這是鋼固有的性質。這一性質是客觀存在不能改變的?？s孔總是在鑄鋼件熱節(jié)的部位出現，而對熱節(jié)進行補縮是唯一的方法。所以準確的預測縮孔的位置，采取適當的工藝措施補足鑄件外形收縮，補充鋼液體積減小，彌合縮孔缺陷，得到合乎質量要求的鑄件。167。 掛舵臂鑄件中縮孔位置的確定一般認為縮孔形成在金屬長期處于液體狀態(tài)的地方，即在被稱為“熱節(jié)”處。形狀簡單的鑄鋼件，如球形、圓柱形，根據形狀可大致判斷縮孔出現的位置。形狀復雜的鑄鋼件必須根據鑄件各部分壁厚情況進行分析。有時一個鑄件分成幾個區(qū)域同時凝固，縮孔位置呈分散狀態(tài)；有時一個鑄件結構恰好形成順序凝固，縮河南科技大學畢業(yè)設計(論文)10 孔位置則集中在最后凝固處。在生產實踐中，近似地求集中縮孔位置的常用方法是用“結晶等溫線法”和“內切圓法” （如圖24） 。“結晶等溫線法”一般用于形狀較為簡單的鑄鋼件。在鑄件斷面上自冷卻表面開始，相應于結晶溫度的狀況畫出與鑄件傳熱方向相垂直的等溫線。在同一等溫線上各點同時達到碳鋼的固相線溫度，劃分到在最狹小的斷面上相接觸為止 [8]。此時，等溫線不相毗連的地方就會有縮孔出現。圖24 縮孔位置的確定近似地求集中縮孔位置的另一種方法是“內切圓法” 。所謂“內切圓” ，即在鑄件上“熱節(jié)”處所能畫出的最大內切球體，通常稱為“熱節(jié)圓” 。計算熱節(jié)圓有兩種方法。第一種方法需先在圖紙上用1∶1比例畫出鑄件熱節(jié)處的形狀，然后再畫出的內切圓即是熱節(jié)圓。此法應用較普遍。第二種方法是公式法，用于計算形狀規(guī)則的熱節(jié)處，例如鑄件中的“T”字形筋， “+”字形筋的熱節(jié)圓。內切圓直徑大于鑄件壁厚的部位凝固較晚，叫做鑄件的“熱節(jié)點” 。 “熱節(jié)點”由于較厚大，冷卻速度小于相鄰的鑄件壁。 “熱節(jié)點”凝固時如果得不到鋼液的補縮，就會在該處形成縮孔。接下來，結合“內切圓法”的原理和掛舵臂鑄件的結構來確定掛舵臂的熱節(jié)，進而預測縮孔缺陷。由掛舵臂鑄件結構可知，大舵軸孔（圖25 a)） 、小舵軸孔（圖25 b)）與脊梁處（圖25 c)）存在較大熱節(jié)。流線型側曲面的厚度均勻，無厚大熱節(jié)，可順序凝固，不易產生縮孔、縮松缺陷。而筋板的根部（圖25 d)）相對于厚度均勻的側曲面為熱節(jié)部位，不易進行順序凝固，熱節(jié)處不能得到補縮而形成縮松，影響掛舵臂質量 [9]。在生產實際中，掛舵臂的熱節(jié)確實出現在厚大的壁、厚大的壁和舵軸孔的聯接處和筋板的根部。河南科技大學畢業(yè)設計(論文)11 a) 大舵軸孔處 b) 小舵軸孔處 c) 脊梁處 d) 肋板處圖25 掛舵臂熱節(jié)處167。 掛舵臂鑄件生產中縮孔的防止凝固區(qū)域的存在是產生縮孔的根本原因，而凝固區(qū)域寬度是影響縮孔分布的重要原因。掛舵臂鑄件的材質為低碳鋼，低碳鋼結晶溫度范圍窄，在凝固過程中鑄件斷面上的凝固區(qū)域很窄，以逐層凝固方式進行凝固，易產生集中性縮孔。工藝上容易對集中縮孔缺陷進行補縮。在實際的生產當中防止鑄件中產生集中縮孔的工藝措施主要有以下兩種：1. 以直接補注法消除縮孔消除縮孔的理想情況是在澆注過程中邊澆邊凝固，使所有的液態(tài)的和凝固期的體積收縮全部在澆注過程中得到補償。此法常用于鋼錠的鑄造中，而在成形鑄造時很少使用。只有在鑄件形狀簡單、具有敞露的、不凝固的表面，通過這表面可以進行補縮時才有可能實現。河南科技大學畢業(yè)設計(論文)12 2. 用冒口補縮鑄鋼件所謂“冒口”是鑄件上附加的突出部分，它裝置在鑄件上，以使鋼液能有此流入鑄件補充內部收縮。顯然冒口是一附加的容積。補縮過程是鋼液由自身的重量或由附加的壓力不斷流到正在結晶的部分中去，一直到由該“冒口”補縮的部分完全凝固為止。用冒口補縮鑄件克服了直接補注法的缺點，幾乎不論鑄件的形狀如何，都可以在需要的地方裝置冒口對鑄件進行補縮。但要注意的是，冒口中的鋼液也要結晶，因此使其中一部分金屬不能利用，所以冒口的實際尺寸遠大于鑄件中被補縮的縮孔尺寸，此外冒口中不能利用的凝固金屬還要從鑄鋼件上割除。所有這些均造成非生產性消耗，從兩方面來看，正確地裝置冒口及確定其實際需要的尺寸在生產中具有非常重要的意義。河南科技大學畢業(yè)設計(論文)13 第三章 掛舵臂成形過程溫度場數值模擬及工藝優(yōu)化167。 計算機技術在鑄造生產中的應用眾所周知材料液態(tài)成形—鑄造，就是將熔融的液態(tài)金屬注入模型，在模型中凝固、冷卻、成形，從而得到特定結構（形狀）的產品。中國是鑄造古國，有著幾千年的輝煌歷史。但在這幾千年歷史的絕大部分時間內，鑄造是一種技藝，憑借的是經驗，方式是手工， “睜眼造型，閉眼澆注”就是這一狀況的生動寫照。隨著計算機技術的飛速發(fā)展及在材料加工中的廣泛應用，計算機也完全變革了有著悠久歷史的鑄造領域，計算機輔助設計造型（CAD） 、計算機輔助分析（CAE） 、計算機輔助制造（CAM）與其他先進技術在鑄造領域得到了廣泛的應用，并已成為鑄造學科的技術前沿和最為活躍的研究領域。傳統的液態(tài)成型工藝的設計都是基于人工的、經驗的，利用紅藍鉛筆直接在圖紙上畫出鑄造工藝。而利用 CAD 進行工藝設計不僅甩掉紅藍鉛筆，而且能夠完成工藝基本要素的設計與繪制（造型）任務。隨著三維造型理論和實用技術的日趨成熟，基于三維的鑄造工藝 CAD 系統具有幾何信息的完整，易于與鑄造工藝 CAE 系統、鑄造工裝 CAD/CAM 系統銜接，可實現數據共享，設計結果直觀，可方便地生成二維工程圖樣等。目前常見的、成熟的、商品化的三維 CAD 造型平臺有 Pro/E、UG、Solidworks、Solidedge 等。液態(tài)成型 CAE 技術主要包括充型流動過程模擬、結晶凝固過程模擬、應力/應變分析、微觀組織模擬等。眾所周知，鑄造是一個過程復雜、影響因素多、廢品率高的成形方式。但是鑄造過程模擬技術（CAE）與 CAD 技術相結合完全改變了傳統模式。設計者先在三維 CAD 平臺上設計出一個鑄造工藝方案，然后利用 CAE 進行模擬分析，預測缺陷，發(fā)現問題，再根據 CAE 的模擬結果在 CAD上對方案進行修改，再進行 CAE 分析，如此往復直到得到滿意的工藝設計方案，根據優(yōu)化后的方案組織實際生產。國內外商品化數值模擬軟件 [10]的簡介見表 31所示。計算機輔助制造技術（CAM）在鑄造上的應用主要是在工裝領域，包括鑄造模具、模板等。隨著技術的進步，目前絕大部分鑄造模具、模板的制造都采用了CAM 技術，由數控機床完成，并且大都實現了 CAD/CAM 一體化。這些先進設河南科技大學畢業(yè)設計(論文)14 計、技術大大推動了鑄造行業(yè)的技術進步，縮短了新產品的開發(fā)周期，大幅度降低了廢品率，提高了鑄造企業(yè)的競爭力。表 31 國內外商品化數值模擬軟件的簡介（T 為砂型鑄造，F 為低壓鑄造，S 為金屬型鑄造）系統名稱 國別 模擬方法 功能模塊 應用范圍MAGMA 德國 FDM造型，流動，應力，凝固，微觀，CAD 接口各種鑄造，T，F，SProCast 美國 FEM造型，凝固，流動，應力，微觀，CAD 接口各種鑄造，T，F，SNovacast 瑞典 FDM 流動，凝固各種鑄造，T，FCastTech 芬蘭 FDM造型，凝固，流動，微觀，CAD 接口各種鑄造，TCASTEM 日本 FDM 流動，凝固，CAD 接口各種鑄造，T，S華鑄 CAE 中國 FDM流動，應力，凝固，微觀，CAD 接口多種鑄造，T，FSIMULOR 法國 FDM 流動，凝固，CAD 接口多種鑄造，T，F167。 華鑄 CAE 的概述華鑄CAE/InteCAST鑄造工藝分析系統以鑄件充型過程、凝固過程數值模擬技術為核心對鑄件進行鑄造工藝分析，一般包括前置處理模塊、計算分析模塊以及后置處理模塊。前置處理模塊包括對鑄件、砂芯、鑄型等的三維造型和網格剖分，計算分析模塊是對鑄件、鑄型的各物理場進行求解，后置處理模塊是把計算結果以曲線、圖形、圖像以及動畫等表達方式直觀有效地表達出來。最后根據模擬分析的結果判斷工藝的優(yōu)劣，如果工藝不可行，則改進工藝重新進行模擬分析直至獲得一個比較滿意的結果，這樣就實現了在計算機虛擬環(huán)境下優(yōu)化工藝的目的。河南科技大學畢業(yè)設計(論文)15 前處理模塊包含造型及網格剖分兩大部分?，F階段鑄造CAE軟件的前處理模塊一般先借助于通用的三維造型軟件如Pro/E、UG 、Solidworks、CAD等進行三維造型，然后采用通用的STL文件格式接口進行銜接，然后進行網格剖分。網格自動剖分是基于有限差分均勻正交網格的剖分，實際上使用尺寸相同的小立方體去近似被剖分的實體，近似程度與實體的復雜程度和小立方體的數量有關。計算分析模塊是對前處理模塊剖分所得的離散模型進行各物理場模擬分析。計算分析模塊一般包括