【正文】 、計算機輔助分析（ CAE）、計算機輔助制造（ 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。中國是鑄造古國，有著幾千年的輝煌歷史。 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。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。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(jié)晶的部分中去，一直到由該“冒口”補縮的部分完全凝固為止。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(nèi)部收縮。此法常用于鋼錠的鑄造中，而在成形鑄造時很少使用。工藝上容易對集中縮孔缺陷進(jìn)行補縮。 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。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。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。 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。“熱節(jié)點”由于較厚大，冷卻速度小于相鄰的鑄件壁。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 。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。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”。此時，等溫線不相毗連的地方就會有縮孔出現(xiàn)。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）。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。 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。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(zhì)量要求的鑄件。這一性質(zhì)是客觀存在不能改變的。 167。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。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 圖 23 凝固區(qū)域結(jié)構(gòu) 掛舵臂材質(zhì)為 KSC49鋼，其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 %~%，屬低碳鋼。這種情況下，鑄件容易形成縮松（分散性縮孔）。碳鋼結(jié)晶過程有一定結(jié)晶間隔，所以結(jié)晶過程不可避免存在固相和液相同時并 存區(qū)域，這一區(qū)域稱為“凝固區(qū)域”。 鑄件在凝固過程中，除純金屬和共晶成分合金外，斷面上一般存在三個區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)（如圖 23）。 掛舵臂生產(chǎn)中縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生 掛舵臂用于大型遠(yuǎn)洋船舶使得 掛舵臂 鑄鋼件 內(nèi)若存在微量的縮松、縮孔、裂紋、夾雜等缺陷都可能對船舶的運行帶來巨大的危險，所以掛舵臂鑄件不但 重量大，內(nèi)部質(zhì)量要求還很高?？s松大多分布在鑄件中心軸線處、熱節(jié)處、冒口根部、內(nèi)澆口附近或縮孔下方。在糊狀凝固方式的合金中或斷面較大的、以糊狀凝固的鑄件壁中， 枝晶長到一定程度使熔融金屬被分離成彼此孤立的狀態(tài)，它們繼續(xù)凝固時也將產(chǎn)生收縮，這時鑄件中心雖有液體存在，但由于樹枝晶的阻礙使之無法補縮 。但是形成縮松的基本條件的結(jié)晶溫度范圍較寬。如圖 21為圓柱體鑄件縮孔形成過程。 縮孔的形成主要出現(xiàn)在恒溫或溫度范圍很窄的結(jié)晶金屬，鑄件壁呈逐層凝固方式的條件下。集中在鑄件上部或最后凝固部位、容積較大的孔洞稱為縮孔，縮孔多呈倒圓錐形，內(nèi)表面粗糙 [6]。 167。所以掛舵臂的生產(chǎn)過程中很可能會產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋 、 應(yīng)力和變形缺陷。 金屬凝固完畢之后，在固態(tài)繼續(xù)冷卻時，原子間距還要縮短，產(chǎn)生固態(tài)收縮。 液態(tài)金屬澆入鑄型后，鑄型的吸熱，金屬溫度下降，空穴數(shù)量減小，原子間距縮短，液態(tài)金屬的體積減小產(chǎn)生液態(tài)收縮 [5]。利用 三維造型軟件 Solidworks 將初始工藝圖轉(zhuǎn)化為三維圖，形成工藝模型如圖 16 所示 。 φ 900mm 的明冒口用厚度為 110mm 的保溫冒口套， φ 400mm和 φ 500mm 的 暗 冒口保溫套厚度分別為 65mm 和 70mm。 熱節(jié)圓能反映出鑄件冷卻快慢， 熱節(jié)圓愈大，冷卻愈慢，熱節(jié)圓愈小，冷卻愈快。如圖 14所示，其具體尺寸如下：采用 4道 φ 140mm直澆口，分別布置在大、小端頭的兩端；橫澆口采用 φ 120~φ 140mm過渡，長向上將直澆口接通，橫向上僅需將底層直澆口接通，內(nèi)澆口三層，每側(cè)均布 6道 φ100mm，上層在分型面下 300mm處，下 層平行于底部輪廓高出約 100mm。利用多內(nèi)澆道，還 可減輕內(nèi)澆道附近的局部過熱現(xiàn)象。而結(jié)構(gòu)正確 的 階梯式澆注系統(tǒng)，金屬液首先由底 層內(nèi)澆道充型，液面自下而上地、順序地流經(jīng)各層內(nèi)澆道，充型平穩(wěn)，型腔內(nèi)氣體排出順利 [4]。采用底注式，充型后金屬的溫度分布不利于順序凝固和冒口補縮，高大薄壁鑄件易形成澆不到、冷隔。 3. 澆注系統(tǒng)的選擇 側(cè)立狀態(tài)的掛舵臂高度較大（ 5639mm）、曲面型側(cè)面壁厚較?。ㄗ钚√?100mm）而且曲面型側(cè)面圍成的 “筒形 ”中還有兩個大肋板。 從掛舵臂鑄件的體積、結(jié)構(gòu)考慮采用了立澆工藝，再綜合考慮順序凝固 原則、分型面選擇原則以及掛舵臂側(cè)立形態(tài)，最終選擇四個分型面，五箱造型。成為側(cè)立狀態(tài)，并以此狀態(tài)進(jìn)行澆注 。 傳統(tǒng)鑄造工藝 掛舵臂鑄鋼件是船舶的必備部件，隨著船舶工業(yè)的發(fā)展，各工礦企業(yè)在掛舵臂的長期生產(chǎn)過程中不斷探索，制定了傳統(tǒng)的制作工藝。 各船級社船都要求在船用鑄鋼件重要部位進(jìn)行超聲波探傷和磁粉探傷，所以鑄造工藝設(shè)計中必 須采用針對性的技術(shù)措施有效地預(yù)防各種鑄造缺陷。而中間型腔芯子易漂浮，使鑄件壁厚不均勻。 2. 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀特殊，幾乎所有面均為曲面，形狀均為流線型，每個斷面尺寸均不相同，其特殊的結(jié)構(gòu)特點為工藝編制、造型、清理等工序均帶來不便。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 4 表 11 KSC49的化學(xué)成分（ Wt%） 材質(zhì) C Si Mn P S 殘余元素（總量不大于 1） Cr Ni Mo Cu KSC49 ~ ~ ~ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ 167。 本設(shè)計掛舵臂鑄件材質(zhì)為 KSC49,化學(xué)成分見表 11，其中 殘余元 素 Cr、 Ni、Mo、 Cu 總含量≤ 1%， 外型輪廓尺寸為 762918605639mm,重量為 82t， 結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜 ， 鑄件尺寸公差要求較嚴(yán)格 ， 鑄造難度大 ， 澆冒口處、圓角處、機加工表面和特殊表面均要求超聲探傷和著色探傷。生產(chǎn)中不但要保證鑄件的形體尺寸完美地符合圖紙規(guī)定的流線型外表 ，以 減小輪船在大海中行駛的阻力。 167。 掛舵臂鑄鋼件大都為小批量生產(chǎn)，鑄件重量大（單件重量 80~157t）耗用鋼水材料多，進(jìn)行反復(fù)試澆顯 然是不合理的，而傳統(tǒng)的鑄造工藝往往只是憑借鑄造工藝人員的實際經(jīng)驗進(jìn)行，常常需要反復(fù)試澆，進(jìn)行超聲波探傷和 磁粉探傷等鑒定和分析之后，才能得到一個合理、優(yōu)化的鑄造工藝方案。另外，掛舵臂幾乎所有面均設(shè)計為曲面，以使船舶在航行中所受阻力小。 作為本研究對象的掛舵臂為船舶上重要部件之一 (如圖 12)，其用途是來承受舵轉(zhuǎn)動時所使與的拉應(yīng)力與壓應(yīng)力。 散貨船 20 萬噸油輪 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 2 集裝箱船 圖 11 三大主力船型 眾所周知， 船舶的航行除了前進(jìn)的動力，還需要方向的確定和轉(zhuǎn)變，而舵就是船舶轉(zhuǎn)變方向的設(shè)備，所以舵系是船舶航行最主要的設(shè)備之一，直接關(guān)系到船舶航行的安全性能。據(jù)計算，每百萬噸載重 船需要船廠外協(xié)的鑄鍛件 1萬 ~2萬噸。 按照船舶系統(tǒng)“十一五”規(guī)劃，加強船舶自主設(shè)計能力、船用裝備配套能力和大型造船設(shè)施建設(shè)，優(yōu)化散貨船、油輪、集裝箱船三大主力船型，如圖 11所示，重點發(fā)展高技術(shù)、高附加值的新型船舶和海洋工程裝備。 從世界造船競爭格局的演變看，進(jìn)入新世紀(jì)，世界造船業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移步伐加快 ，中國造船業(yè)正在迅速崛起，在世界造船業(yè)中的地位日益突出。 2020年中國造船產(chǎn)量達(dá)到 1400萬載重噸，占世界造船總產(chǎn)量的 20%份額，造船總量位居世界第三 [1]。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 1 第一章 緒 論 167。 模擬結(jié)果顯示與分析 ........................ 19 167。 STL 文件的前置處理 ........................ 16 167。 華鑄 CAE 的概述 .................................. 14 167。 掛舵臂鑄件生產(chǎn)中縮孔的防止 ................ 11 第三章 掛舵臂成形過程溫度場數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化 ............ 13 167。 掛舵臂生產(chǎn)中縮孔、縮松缺陷的防止 ................. 9 167。 縮孔、縮松產(chǎn)生的原因和過程 ....................... 7 167。 掛舵臂成型特點 ............................. 4 167。 造船業(yè)的發(fā)展與掛舵臂鑄件的介紹 ................... 1 167。 將模擬優(yōu)化后的工藝用于 華正機械 公司 的 鑄鐵平板 實際生產(chǎn)中，結(jié)果表明：通過合理設(shè)置冒口、冷鐵的位置和大小，合理選擇澆注系統(tǒng)及分型面，可以控制冶煉和熱處理工藝，保證鑄件符合順序凝固的原則，生產(chǎn)出組織致密、性能優(yōu)良、各項指標(biāo)達(dá)到用戶要求的優(yōu)質(zhì)掛舵臂鑄件。通過對凝固過程溫度場的模擬分析，優(yōu)化了原始工藝。 選用了 Solidworks 三維造型軟件生成鑄件以