鑄鋼上冠鑄件工藝設計與數值模擬仿真_畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 流場和溫度場。鑄造成型模擬包括計算熔體充型過程的流動分析和熔體凝固過程的傳熱 /凝固分析。只有在兩個分析都準確的前提下才能正確預測可能造成缺陷的區域。 anyPOST 作為 AnyCasting 的后處理器，可以通過讀取 anySOLVER 中生成的網格數據和結果文件在屏幕上輸出圖形結果。使用 anyPOST，你可以用 二維和三維觀察充型時間，凝固時間，等高線 (溫度，壓力，速率 )和速度向量，也可以用傳感器的計算結果來創建曲線圖。這個程序具備動畫功能使用戶把計算結果編輯成播放文件，通過結果合并功能來觀察各種二維或三維的凝固缺陷。 圖 AnyCasting 軟件的組成部分 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 6－ 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 隨著現代科學技術的發展，要求金屬鑄件具有高的力學性能、尺寸精度和低的表面粗糙度值，要求生產周期短、成本低。因此，本上冠鑄件在生產之前，首先應進行鑄造工藝設計，使鑄件的整個工藝過程都能實現科學操作 ，才能有效地控制鑄件的形成過程，達到優質高產的效果。 上冠鑄件的鑄造工藝設計要根據其結構特點、技術要求、生產批量和生產條件等，確定鑄造方案和工藝參數，繪制鑄造工藝圖等技術文件的過程。其鑄造工藝設計的好壞，對鑄件品質、生產效率和成本起著重要作用。 上冠鑄件的結構工藝性分析 該上冠鑄件屬于壁厚相差懸殊的回轉體結構，由于材料的導熱性差且鑄造時鋼水在型腔內的溫度差較高，使上冠的冷卻極不均勻，產生較大的溫度梯度形成較大的熱應力與組織應力，且易在中間壁厚處形成縮松縮孔等缺陷。所以要在上冠件壁厚處安放暗冒口，進行 補縮，在外輪廓熱節圓處安放冷鐵， 這樣可以很好地補松補縮，提高鑄件的工藝出品率和經濟效益，同時也可以提高鑄件的致密度和鑄件質量。 上冠鑄件的主要技術要求 （ 1）鑄件應作正回火處理； （ 2）鑄件材料及機械性能應符合 JB/T1026420xx 的要求； （ 3）粗加工后按 GB723387 標準作超聲波探傷檢查，達 Ⅱ 級要求； 過流面加工后按 GB/T94441988 進行磁粉探傷，達 Ⅱ 級要求； （ 4）同爐澆鑄試驗棒，回廠做化學成分和機械性能復核試驗； （ 5）過流面用樣板檢查。 上冠鑄件的結構分析 本上冠的材質為 ZG06Cr13Ni4Mo，輪廓尺寸為 1510mm1510mm623mm， 毛量約為 1950kg。 結構上屬于厚、薄相差懸殊的 大 型回轉體結構。 鑄件各面均需加工，其中外側弧面為精加工。 上冠鑄件 UG三維造型如圖 21所示。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 7－ 圖 21 上冠鑄件 UG 三維造型圖 分型面位置的確定 分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。分型面的優劣，在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、成本和生產率。我們在選擇分型面時遵循的原則如下所述： （ 1）應使鑄件全部或大部分置于同一半型內。為了保證鑄件精度，如 果做不到這項要求，也應該盡可能把鑄件的加工面和加工基準面放在同一半型內。 （ 2）應盡量減少分型面的數目。分型面少，鑄件精度容易保證，且砂箱數目少。 （ 3）分型面應盡量選用平面。平直分型面可簡化造型過程和模底板的制造，易于保證鑄件的精度。 （ 4）分型面的設計要便于下芯、合箱和檢查型腔尺寸。 （ 5）不使砂箱過高，因為高砂箱造型困難，填砂、緊實、起模、下芯都不方便。分型面通常選在鑄件最大截面上。 （ 6）受力件的分型面的選擇不應消弱鑄件結構強度。 （ 7）注意減輕鑄件的清理和機械加工工作量。 根據該上冠鑄件的結構特點 及選擇分型面的一般原則，現提供選擇分型面的三種方案如圖 22所示。 方案一： 優點： 有利于順序凝固和沖型； 有利于鑄件的補縮。 缺點：鋼液在鑄型中的流動不穩定。 方案二： 優點： 重要面放在側面和下面，有利于重要面得到致密的組織； 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 8－ 避免了吊芯。 缺點：不利于順序凝固和補縮。 方案三 : 優點： 減小了砂箱尺寸； 有利于下芯。 缺點： 對上下箱的合箱、造型精度要求很高； 鋼液在鑄型中的流動不平穩。 （ a） （ b） （ c） 圖 22 分型面的選擇方案（ a）方案一 （ b）方案二 （ c）方案三 綜合考慮各個分型面選擇方案的優缺點，根據本鑄件的實際結構及技術要求等因素，本上冠鑄件采用方案一，使用兩箱造型，鑄件放在下砂箱。 砂芯的設計及安放 砂芯的功用是形成鑄件的內腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位。芯頭是指伸出鑄件以外不與金屬接觸的砂芯部分。芯頭長度是指砂芯伸入鑄型部分的長度。為了合箱方便，避免上、下芯頭和鑄型相碰，對垂直芯頭，上、下芯頭都要設有斜度。 根據鑄件結構、分型面的選擇，本鑄件的 內部空腔采用一個砂芯來形成 。該砂芯設計的總的原則是：使造芯到下芯的整個過程方便，鑄件內腔尺寸精確，不致造成氣孔等缺陷，使芯盒結構簡單。為了方便下芯，還要在芯頭和芯座之間留有一定的間隙。 該砂芯的制芯方法選擇自硬冷芯盒（原砂：鋯砂；粘結劑：堿性酚醛樹脂；催化劑：甘油醋酸酯），其形狀和尺寸如圖 23所示。 為了保證該砂芯在制造、運輸、裝配和澆注過程中不變形、不開裂或折斷，生產中在砂芯中埋置了芯骨，以提高其強度和剛度。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 9－ 圖 23 砂芯結構、尺寸 上冠鑄件的工藝參數 (1) 鑄件尺寸精度的確定。 鑄件尺寸公差是指鑄件各部分尺寸允 許的極限偏差，它取決于鑄造工藝方法等多種因素。通過查閱資料，確定該上冠鑄件的尺寸精度為 CT12。 (2) 機械加工余量的確定。 上冠鑄件表面需要進行加工，因此要預留加工余量。所謂加工余量，是指在鑄件工藝設計時預先增加的，而后在機械加工時又被切去的金屬厚度。各面所留機械加工余量如表 11所示： 表 11 鑄件各部分的機械加工余量 序號 基本尺寸／ mm 加工余量等級 加工余量數值／ mm 公差等級 公差數值／mm 1 2 3 4 5 6 7 8 Φ1510 Φ1380 Φ300 Φ500 369 244 Φ190 G H H H H H G H 8 5 6 5 5 4 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 CT12 13 13 9 10 9 9 8 8 (3) ZG06Cr13Ni4Mo 的鑄造收縮率的確定。 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。所謂鑄造收縮率是指鑄件從線收縮開始溫度（從液相中析出枝晶搭成的骨架開始具有固態性質時的溫度）冷卻到室溫時的相對線收縮量。 如表 22 所示。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 10－ 表 22 ZG06Cr13Ni4Mo 體收縮率的計算 成分 影響系數 體收縮率（﹪） 元素 質量分數（﹪） C Mn Si Cr Ni W 13 4 ＋ ＋ ＋ ＋ － － ＋ ＋ ＋ ＋ － － 合計 ⅰ 澆注溫度為 1580℃ 。 ⅱ 為安全起見，取體收縮率＝ 6℅。 (4) 起模斜度的確定。該上冠鑄件的最大外輪廓處需確定其起模斜度。 因為該上冠鑄件是自硬砂造型，采用木摸樣，并且測得鑄件測量面高度為 116 ㎜，所以查《鑄造工藝設計》 [4] 得 a=0176。40′， α= 。 澆注系統的設計 澆注系統是鑄型中液態金屬流入型腔的通道的總稱。本次上冠鑄件的澆注系統設計，應根據其結構特點、技術條件、合金種類，選擇澆注系統結構類型、確定引入位置、計算截面尺寸等 [5 ]。 澆注系統的確定 在這次澆注系統設計中，充分考慮了澆注系統對液態金屬充型方式、鑄型溫度分布、鑄件質量的影響， 根據上冠的結構，以及分型面的位置，決定采用樹脂砂鑄造，澆注系統 采用頂注式工藝。由于鑄件屬厚、薄相差懸殊的大型回轉體結構，為保證鑄件的充型能力，澆注系統設置為一個的截面為圓柱形的直澆道 ,然后對應一個截面為圓柱形的橫澆道，適當增加平均靜壓頭高度，澆注系統設置位置如圖 24所示，澆注系統 UG三維造型圖如圖 25所示。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 11－ 圖 24 澆注系統位置 圖 25 澆注系統三維圖 綜之，澆注系統設計為開放式頂注澆注系統，使用這種澆注系統金屬液進入型腔時流速小，充型平穩，為了更好的撇渣， 在澆口杯處安放陶瓷制成的厚為 20mm的過濾網片，網孔 直徑為 6mm，提高了金屬液的質量。 直澆道的設計 我們確定好澆注系統的安放位置及設計思路確定后，緊接著確定了澆注系統各組元的截面積。確定澆注系統各組元截面積的目的，在于保證該上冠鑄件型腔在預定的時間內充滿，控制金屬液通過澆注系統各組元時的流速、流量、及充滿狀態，達到大流量、低流速、平穩地充填。 本次澆注系統采用底注包澆注，以包孔截面積作為控流面積，澆注時間按下式計算： t=NnqG 式中 t—— 澆注時間， s； G—— 型內鋼液重量， kg，含漲箱和冒口重量； N—— 同時澆注的澆包數，個； n—— 每個漏包的漏孔數，個； q—— 平均澆注速度， kg/s； 澆注時間是否合適，可用鋼液在型內的上升速度驗算，其式如下： v= tC 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 12－ 式中 v—— 鋼液在型內的上升速度， mm/s； C—— 鑄件在型內的高度， mm； t—— 澆注時間， s。 確定了澆包孔的直徑和數量，便確定了控流截面積 ∑A控 。以它為 1,按如下比例關系可計算出澆注系統的各組元的截面積： ΣA控 ： ΣA直 ： ΣA橫 =： ： 各組元的截面積計算出來以后，可依據工藝對澆注系統的要求，查表求出各組元的截面積尺寸。 此上冠鑄件澆注系統中，鑄件重量 ，澆注重量 。采用單包雙注孔澆注，注孔直徑 50mm， A控 =178。， ΣA控 =178。查表得，流量速度 q=55kg/s，則澆注時間為： t=G/Nnq=4300/(1255)=39s。 鋼液在型內的上升速度： ν=C/t=625/39=16(mm/s),去掉填充澆注系統的時間，鋼液在型內的上升速度約為 20mm/s。 根據鑄造手冊，澆注系統的尺寸與橫截面積設計 為：直澆道 Ф80mm， A直 =178。；橫澆道 Ф80mm， A橫 =178。 冷鐵與冒口的設計 這次冒口設計為環形冒口，冒口位置選擇在鑄件熱節的上方。在鑄件形成時可有效補給金屬，起到防止縮孔、縮松、排氣和集渣的作用。在鑄件最大外輪廓處設計有 8塊外冷鐵。這些外冷鐵不僅可以防止鑄件產生縮孔和縮松，裂紋和變形，而且可以細化組織，提高鑄件表面硬度和耐磨性。冒口與冷鐵的具體設計如下所述： 如圖 26，經計算，鑄件的平均模數 Mc=， 鑄件 ① 結構處的模數Mc1=， ② 結構處的模數 Mc2=， ③ 結構處的模數 Mc3=， ④ 結構處的模數 Mc4=。 該上冠的主要熱節就分布在 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，來加強鑄件的順序凝固，擴大冒口的補縮距離，減少冒口的數目和體積，因此，在鑄件上方安放一個保溫環形暗冒口， ① 處外圍安放外冷鐵，這樣在冒口和冷鐵的共同作用下，使鑄件 能順序凝固，厚大處也不會產生縮孔和縮松。保溫套的厚度取 40mm。 第二章 上冠鑄件的鑄造工藝設計 － 13－ 圖 26 模數計算 （ 1）冷鐵的設計 在這里，我們完全應用模數法，按科學的設計公式使之形成一定的模數梯度，從而達到有效控制順序凝固的目的。 Mc1 處的外冷鐵可按下式進行計算： G=0r0MMM 式中， G—— 外冷鐵的重量， kg； V—— 欲