【正文】 感謝同組的 王朋、郝占喜、唐新穎、葉小龍、張桂華 等同學在生活和學習中給我的關心和幫助，在此表示深深的謝意。在此，我向他表示最真摯的感謝。 在 本次設計 中，我 將 UG 的實體造型應用在了鑄造的工藝及工裝設計過程中，這樣大大提高設計效 率，縮短產(chǎn)品的設計與制造周期，而且能夠實現(xiàn)設計、分析與模具加工的統(tǒng)一，另外還將 AnyCasting 模擬軟件應用到工藝分析上，提前對工藝的設計合理性進行分析，減少實際生產(chǎn)中產(chǎn)生的廢品率，保證鑄件質(zhì)量，提高生產(chǎn)率。其中主要的設計內(nèi)容包括：鑄件澆注位置的確定、分型面的選擇、澆注系統(tǒng)的設計、工藝參數(shù)的設計、冒口和冷鐵的設計、出氣孔的設計、模樣材質(zhì)的選擇、砂箱的設計、模板的設計。 在設計工藝與工裝之前，最重要的一個前提步 驟是審核鑄件的結構工藝性，因為這是設計工藝與工裝的基礎，所有的工作都是圍繞著鑄件的結構和技術要求展開的。 本次設計主要進行的工作就是上冠的工藝與工裝設計及應用 AnyCasting 軟件模擬分 析。該工藝同時在節(jié)約原材料和能源等方面具有明顯的技術經(jīng)濟效益。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，提高了鑄件表 面精度。它的優(yōu)點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)而且補縮均勻。 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結果及分析 － 29－ (a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖 52 凝固順序及溫度場分布 (a)凝固 5% ； (b)凝固 15%； (c)凝固 30%； (d)凝固 50%； (e)凝固 85%； (f)凝固 100% 由圖可以看出，開始凝固時凝固速度較快，隨后凝固速度減小，到最后凝固速度越來越小，最后完全凝固并且無 缺陷出現(xiàn)，證明此工藝合理。 從鑄件整體上來看，鑄件在整個凝固過程中的溫度分布基本上是縱向下部溫度低、上部溫度高，橫向則是中心溫度高，邊緣溫度低。 對凝固模擬結果分析后認為，鑄件凝固過程中存在以下一 些特點： 整體上看，鑄件達到完全凝固時間相對較長，凝固速度比充型要慢的多。金屬凝固過程所產(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]。金屬凝固后的鑄件組織是由表層細晶區(qū)、柱狀晶區(qū)和中心等軸晶區(qū)組成。初始澆注溫度為1580℃ ，充型剛結束時的最低溫度約為 1476℃ 。然后在重力、砂芯阻力的作用下回落。具體表現(xiàn)為，從整體上來說，金屬液表現(xiàn)為順序充填，較為平穩(wěn)。 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結果及分析 － 27－ (a) (b) (c) (d) (e) (f) 圖 51 充型順序及溫度場分布 (a)充型 10 %； (b)充型 25%； (c)充型 45%； (d)充型 70%； (e)充型 85%； (f)充型 100% 該鑄件形成過程的流動現(xiàn)象可歸納為以下幾種 [6]： （ 1）澆注時液態(tài)金屬在充填鑄型過程中的流動； （ 2）型腔內(nèi)液態(tài)金屬由于溫度差引起密度差而產(chǎn)生的自然對流； （ 3）由于凝固收縮、液態(tài)收縮及重力等引起液體在枝晶間及其分枝的流動。 通過這次充型模擬，主要分析以下幾方面的內(nèi)容： （ 1）液態(tài)金屬在鑄型中充填 10%,20%,45%,70%,85%,100%時的情況； （ 2）液態(tài)金屬在型腔中的流動狀況； （ 3）液態(tài)金屬在型腔中按時間順序充填的溫度分布。顯示溫度場時，采用色溫映射的方式，即利用 OpenGL 技術對充型過程中的速度場、溫度場及壓力場的動態(tài)顯示。通過充型過程速度場、溫度場及壓力場的數(shù)值模擬，能夠較準確地表達充型過程的流動和傳熱規(guī)律，并可預測可能產(chǎn)生的卷氣、冷隔等缺陷，進而優(yōu)化鑄造工藝，實現(xiàn)理想的型腔充填狀態(tài)，對實際壓鑄生產(chǎn)具有重要的指導 意義 [9]。 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結果及分析 － 26－ 第五章 鑄件工藝數(shù)值模擬結果及分析 充型過程 鑄造過程的充型過程，是高溫液態(tài)金屬在高壓下高速充填結構復雜、斷面狹窄的金屬型腔的過程。 在不影響充型、保證上冠充型完整的前提下，澆注溫度要盡量低。 出爐溫度和澆注溫度的確定 對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。馬氏體淬火后進行回火，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的回火索氏體。這類鋼的最終熱處理一般是淬火加回火，使鋼具有較高的強度和硬度，同時又有一定的韌性。鉻在鋼中與碳形成碳化物，常見的碳化物 (CrFe)23C6。 隨著淬火溫度的提高，馬氏體的強度有所提高，延伸值稍有下降，而回火溫度提高則使其強度下降，延伸提高；回火時間的增加使強度下降較多，延伸顯著提高。 鑄鋼 的熱處理 該鑄鋼件熱處理的目的是細化晶粒 ，消除魏氏體（或網(wǎng)狀組織）和消除鑄造應力。金屬爐料的實際使用情況如下表： 使用時間 金屬爐料名稱 碳含量（ %） 1Cr14Ni5Mo 返回鋼 本鋼和類似本鋼返回料 高碳鉻鐵 鎳板 鉬板 純鐵 硅鐵 ≤ ＜ 8 ＜ ＜ ＜ 金屬鉻 金屬鉬 鎳球 硅鉻合金 ＜ 注： 采用堿性電弧爐返回法冶煉； 成分含量和配料比例皆指質(zhì)量分數(shù) 第四章 鑄鋼的熔煉 － 24－ 鑄鋼的精煉 由于爐料和合金鑄鋼液在镕煉、轉送 、澆注過程中吸收了氣體，產(chǎn)生了夾雜物，使合金液的純度降低，流動性變差，澆注后會使鑄件 (鑄錠 )產(chǎn)生多種鑄造缺陷，影響其力學和加工工藝性能．以及抗腐蝕件能、氣密性能、陽極氧化性能及外觀質(zhì)量，故必須在澆注前，對其作精煉、凈化處理，目的是排除這些氣體和夾雜物，提高鑄鋼液的純凈度 [8]。吹氧結束時，加入金屬爐內(nèi)的金屬鉻應烘烤 至熾熱狀態(tài)。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。 為合理利用原料，節(jié)約成本，鑄件配料采用 1Cr18Ni9Mo 返回鋼、本鋼和類似本鋼返回料、低碳低磷碳素 返回鋼、中碳低磷碳素返回鋼、純鐵、硅鐵、高碳鉻鐵、鉬板、鎳板等融化后 ，在還原期補加金屬鉻、金屬鉬、電解錳、鎳球、 低碳鉬鐵、硅鉻合金、鎳板等。 在本次設計中熔煉采用堿性電弧爐返回法冶煉。 材料的配比 鑄件配料目的是多種金屬爐料進行合理搭配，并通過熔煉爐熔煉來獲得鑄件合金牌號性能所要求的化學成分范圍。該合金具有很高的力學性能和很好的鑄造性能相結合，即很高的強度、抗磨耐蝕性、好的韌度和很好的流動性、氣密性和抗熱裂性，能鑄造復雜形狀的高強 度鑄件。另外，此件采用樹脂砂造型。在圖中， 9是定位銷， 10是定位銷套， 11是墊圈， 12是六角螺母。 模樣在模底板上采用螺栓緊固。定位銷選擇在模樣高度較低的位置，并盡量使兩定位銷的距離遠一些。模樣在模底板上的放置形式我們采用平方式，即將模樣平放在模底板上，模底板不必挖槽，比較方便。 圖 39 定位銷結構 圖 310 導向銷結構 （ 4） 確定模底板的翻轉及搬運結構：模底板翻轉軸的材料為 45鋼，采用整鑄的方式與模底板連接 在一起，其詳細結構及尺寸如圖 3圖 311所示。模底板耳孔即定位銷孔與砂箱要一致，以便使砂箱和模底板能夠順利定位。 圖 38 加強筋的布局及尺寸 (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定位，定位銷尺寸、表面粗糙度及結構如圖 39 所示。 圖 37 模板三維圖 （ 2）確定模底板的壁厚和加強筋的厚度、形狀及布局：模底板厚度為 20mm，加強筋厚度為 20mm，加強筋邊緣厚度為 18mm。 模板的設計步驟如下所述： (1) 確 定 模 板的 尺寸 ： 根據(jù) 砂箱 輪 廓尺 寸確 定 模板 外輪 廓 尺寸 為18701870140mm。模底板常用的材料有鋁合金（ ZL10 ZL10 ZL10 ZL104 等）；鑄鐵（ ）及球墨鑄鐵等；鑄鋼、塑料和木材 [6 ]。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。砂箱定位耳的結構及尺寸如圖 3圖 36所示。 圖 34 砂箱壁排氣孔的布置 (5) 確定砂箱的翻箱及搬運結構：砂箱翻轉軸的材料為 45鋼，采用整鑄的方式與砂箱連接在一起，其詳細結構及尺寸如圖 31 和圖 35 所示。 圖 33 箱帶結構及尺寸 第三章 鑄造工藝裝備設計 － 18－ (4) 確定砂箱壁的排氣 孔：為了排除在烘干和澆注時鑄型內(nèi)產(chǎn)生的氣體，要在砂箱壁上設計出均勻布置的排氣孔。根據(jù)砂箱尺寸和模樣輪廓，設計出砂箱箱帶的具體結構及尺寸如圖 31，圖 33 所示。設計砂箱外壁加強筋是為了減小砂箱壁的厚度而不影響砂箱的強度和剛度，砂箱壁的結構及尺寸如 圖 32所示。由于砂箱尺寸較大，砂箱壁要設計出內(nèi)凸緣，以防止造型完后搬運砂箱及翻箱時發(fā)生砂型塌落。砂箱的三維 UG造型圖如圖 31所示。 (1) 根據(jù)模樣輪廓尺寸及選取的一定的吃砂量（側壁吃砂量取 100mm，底部吃砂量取 130mm），砂箱內(nèi)廓的尺寸確定為 Ф1710mm。設計砂箱時必須使砂箱符合鑄型工藝的要求，又能符合車間的造型、運輸?shù)囊?。考慮到該鑄件較高的尺寸精度和表面質(zhì)量，木模選用一級模。這是因為紅松具有紋理平直、易加工、吸水性低、變形小等優(yōu)點。因為鑄件和砂芯整體輪廓不復雜，可以將模樣做成整體模的結構形式。根據(jù)本鑄件和砂芯整體的輪廓尺寸，初步確定砂箱和模板在鑄件分型面的大致輪廓尺寸為：17501750mm。 第三章 鑄造工藝裝備設計 － 16－ 第三章 鑄造工藝裝備設計 鑄造工藝裝備是造型、造芯及合箱過程中所使用的模具和裝置的總稱。出氣孔具有下述作用： （ 1）排出砂型中型腔、砂芯以及由金屬液析出的各種氣體； （ 2）減小充型時型腔內(nèi)氣體壓力，改善金屬液充型能力； 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 15－ （ 3）便于觀察金屬充填型腔的狀態(tài)及充滿程度； （ 4）排出先行充填型腔的低溫金屬液和浮渣。 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 出氣孔的設置 出氣孔是型腔出氣冒口、砂型和砂芯排氣通道的總稱，分明、暗兩種。在 節(jié) 已 求出 ε=6%，則代入上式，得 G 件 max= 則 G 件 max＞ G 件 = 說明冒口有足夠的金屬液補縮整個鑄件。 我們采用的是保溫冒口，保溫套厚度在 40mm左右，其補縮率在 25%~45%。 （ 3） 冒口補縮的驗算 用模數(shù)法計算出來的冒口，只能說明冒口晚于鑄件凝固，而不能說明冒口是否能夠足以補縮整個鑄件，所以還須用鑄件所需補給量來驗算冒口的尺寸。所以可以使環(huán)形冒口晚于鑄件凝固，達到補縮鑄件的目的。 冒口尺寸如圖 27 所示，所設 計的冒口經(jīng)計算， M 冒 =S/L=。通過查工藝手冊，確定外冷鐵的尺寸為： 300mm80mm50mm，共 8 塊均勻的臥置在外圓的側壁上。 Mr 的 確 定 ， 總 的 原 則 應使 Mr ＜ M0 ， 一 般 取 M0= ，則Mr=Mc2/=。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 13－ 圖 26 模數(shù)計算 （ 1）冷鐵的設計 在這里，我們完全應用模數(shù)法，按科學的設計公式使之形成一定的模數(shù)梯度，從而達到有效控制順序凝固的目的。 該上冠的主要熱節(jié)就分布在 ① 、 ③ 這兩個位置，本鑄鋼鑄件選用暗頂冒口，但由于分型面選擇和補縮距離 L=2T的限制，決定采用冒口與冷鐵相配合使用，來加