【文章內(nèi)容簡介】 　　　　　　　　　　　　　　圖23 凝固區(qū)域結(jié)構(gòu)掛舵臂材質(zhì)為KSC49鋼，%~%，屬低碳鋼。低碳鋼結(jié)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(jìn)行凝固。凝固時，其前沿直接與液體金屬接觸，當(dāng)凝固發(fā)生體積收縮時，可以不斷地得到液體的補(bǔ)充，所以產(chǎn)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(rèn)為低碳鋼補(bǔ)縮性能好。167。 掛舵臂生產(chǎn)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(zhì)。這一性質(zhì)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(xiàn)，而對熱節(jié)進(jìn)行補(bǔ)縮是唯一的方法。所以準(zhǔn)確的預(yù)測縮孔的位置，采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┭a(bǔ)足鑄件外形收縮，補(bǔ)充鋼液體積減小，彌合縮孔缺陷，得到合乎質(zhì)量要求的鑄件。167。 掛舵臂鑄件中縮孔位置的確定一般認(rèn)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(jù)形狀可大致判斷縮孔出現(xiàn)的位置。形狀復(fù)雜的鑄鋼件必須根據(jù)鑄件各部分壁厚情況進(jìn)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(jié)構(gòu)恰好形成順序凝固，縮河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)10 孔位置則集中在最后凝固處。在生產(chǎn)實踐中，近似地求集中縮孔位置的常用方法是用“結(jié)晶等溫線法”和“內(nèi)切圓法” （如圖24） ?！敖Y(jié)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(yīng)于結(jié)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(dá)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(xiàn)。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(nèi)切圓法” 。所謂“內(nèi)切圓” ，即在鑄件上“熱節(jié)”處所能畫出的最大內(nèi)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(nèi)切圓即是熱節(jié)圓。此法應(yīng)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(nèi)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(bǔ)縮，就會在該處形成縮孔。接下來，結(jié)合“內(nèi)切圓法”的原理和掛舵臂鑄件的結(jié)構(gòu)來確定掛舵臂的熱節(jié)，進(jìn)而預(yù)測縮孔缺陷。由掛舵臂鑄件結(jié)構(gòu)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(cè)曲面的厚度均勻，無厚大熱節(jié)，可順序凝固，不易產(chǎn)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(cè)曲面為熱節(jié)部位，不易進(jìn)行順序凝固，熱節(jié)處不能得到補(bǔ)縮而形成縮松，影響掛舵臂質(zhì)量 [9]。在生產(chǎn)實際中，掛舵臂的熱節(jié)確實出現(xiàn)在厚大的壁、厚大的壁和舵軸孔的聯(lián)接處和筋板的根部。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(chǎn)中縮孔的防止凝固區(qū)域的存在是產(chǎn)生縮孔的根本原因，而凝固區(qū)域?qū)挾仁怯绊懣s孔分布的重要原因。掛舵臂鑄件的材質(zhì)為低碳鋼，低碳鋼結(jié)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(jìn)行凝固，易產(chǎn)生集中性縮孔。工藝上容易對集中縮孔缺陷進(jìn)行補(bǔ)縮。在實際的生產(chǎn)當(dāng)中防止鑄件中產(chǎn)生集中縮孔的工藝措施主要有以下兩種：1. 以直接補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)縮時才有可能實現(xiàn)。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)12 2. 用冒口補(bǔ)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(bǔ)充內(nèi)部收縮。顯然冒口是一附加的容積。補(bǔ)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(jié)晶的部分中去，一直到由該“冒口”補(bǔ)縮的部分完全凝固為止。用冒口補(bǔ)縮鑄件克服了直接補(bǔ)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(jìn)行補(bǔ)縮。但要注意的是，冒口中的鋼液也要結(jié)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(yuǎn)大于鑄件中被補(bǔ)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(chǎn)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(chǎn)中具有非常重要的意義。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)13 第三章 掛舵臂成形過程溫度場數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化167。 計算機(jī)技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)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(jié)構(gòu)（形狀）的產(chǎn)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(nèi)，鑄造是一種技藝，憑借的是經(jīng)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(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及在材料加工中的廣泛應(yīng)用，計算機(jī)也完全變革了有著悠久歷史的鑄造領(lǐng)域，計算機(jī)輔助設(shè)計造型（CAD） 、計算機(jī)輔助分析（CAE） 、計算機(jī)輔助制造（CAM）與其他先進(jìn)技術(shù)在鑄造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并已成為鑄造學(xué)科的技術(shù)前沿和最為活躍的研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)的液態(tài)成型工藝的設(shè)計都是基于人工的、經(jīng)驗的，利用紅藍(lán)鉛筆直接在圖紙上畫出鑄造工藝。而利用 CAD 進(jìn)行工藝設(shè)計不僅甩掉紅藍(lán)鉛筆，而且能夠完成工藝基本要素的設(shè)計與繪制（造型）任務(wù)。隨著三維造型理論和實用技術(shù)的日趨成熟，基于三維的鑄造工藝 CAD 系統(tǒng)具有幾何信息的完整，易于與鑄造工藝 CAE 系統(tǒng)、鑄造工裝 CAD/CAM 系統(tǒng)銜接，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，設(shè)計結(jié)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(shù)主要包括充型流動過程模擬、結(jié)晶凝固過程模擬、應(yīng)力/應(yīng)變分析、微觀組織模擬等。眾所周知，鑄造是一個過程復(fù)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(shù)（CAE）與 CAD 技術(shù)相結(jié)合完全改變了傳統(tǒng)模式。設(shè)計者先在三維 CAD 平臺上設(shè)計出一個鑄造工藝方案，然后利用 CAE 進(jìn)行模擬分析，預(yù)測缺陷，發(fā)現(xiàn)問題，再根據(jù) CAE 的模擬結(jié)果在 CAD上對方案進(jìn)行修改，再進(jìn)行 CAE 分析，如此往復(fù)直到得到滿意的工藝設(shè)計方案，根據(jù)優(yōu)化后的方案組織實際生產(chǎn)。國內(nèi)外商品化數(shù)值模擬軟件 [10]的簡介見表 31所示。計算機(jī)輔助制造技術(shù)（CAM）在鑄造上的應(yīng)用主要是在工裝領(lǐng)域，包括鑄造模具、模板等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前絕大部分鑄造模具、模板的制造都采用了CAM 技術(shù)，由數(shù)控機(jī)床完成，并且大都實現(xiàn)了 CAD/CAM 一體化。這些先進(jìn)設(shè)河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)14 計、技術(shù)大大推動了鑄造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，縮短了新產(chǎn)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(nèi)外商品化數(shù)值模擬軟件的簡介（T 為砂型鑄造，F(xiàn) 為低壓鑄造，S 為金屬型鑄造）系統(tǒng)名稱 國別 模擬方法 功能模塊 應(yīng)用范圍MAGMA 德國 FDM造型，流動，應(yīng)力，凝固，微觀，CAD 接口各種鑄造，T，F(xiàn)，SProCast 美國 FEM造型，凝固，流動，應(yīng)力，微觀，CAD 接口各種鑄造，T，F(xiàn)，SNovacast 瑞典 FDM 流動，凝固各種鑄造，T，F(xiàn)CastTech 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(yīng)力，凝固，微觀，CAD 接口多種鑄造，T，F(xiàn)SIMULOR 法國 FDM 流動，凝固，CAD 接口多種鑄造，T，F(xiàn)167。 華鑄 CAE 的概述華鑄CAE/InteCAST鑄造工藝分析系統(tǒng)以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對鑄件進(jìn)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(wǎng)格剖分，計算分析模塊是對鑄件、鑄型的各物理場進(jìn)行求解，后置處理模塊是把計算結(jié)果以曲線、圖形、圖像以及動畫等表達(dá)方式直觀有效地表達(dá)出來。最后根據(jù)模擬分析的結(jié)果判斷工藝的優(yōu)劣，如果工藝不可行，則改進(jìn)工藝重新進(jìn)行模擬分析直至獲得一個比較滿意的結(jié)果，這樣就實現(xiàn)了在計算機(jī)虛擬環(huán)境下優(yōu)化工藝的目的。河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(論文)15 前處理模塊包含造型及網(wǎng)格剖分兩大部分?，F(xiàn)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(jìn)行三維造型，然后采用通用的STL文件格式接口進(jìn)行銜接，然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分。網(wǎng)格自動剖分是基于有限差分均勻正交網(wǎng)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(fù)雜程度和小立方體的數(shù)量有關(guān)。計算分析模塊是對前處理模塊剖分所得的離散模型進(jìn)行各物理場模擬分析。計算分析模塊一般包括