鑄鋼上冠鑄件工藝設計與數值模擬仿真_畢業設計-資料下載頁

【導讀】鑄造低碳馬氏體不銹鋼是20世紀60年代發展起來的鋼種。好的淬透性、優良的室溫和低溫力學性能、腐蝕疲勞強度和動靜態斷裂韌性,現已廣泛應用于水電、火電、核電等電力工業領域。上冠鑄件，要求具有高強度，良好的抗磨耐蝕性，不允許有砂眼、縮松。這樣可以大大提高鑄件出品率，提高了鑄件的質量。

　　

【正文】 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]。 采用以下精煉法：鋼包氬氣凈化、鋼包喂線凈化、感應電爐氬氣凈化（爐底吹氬和爐口氬氣保護）、氬氧脫碳 AOD精煉、鋼包 LF兩項和三項功能、真空氧脫碳VOD精煉、清潔廢鋼和爐料前處理等。 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（或網狀組織）和消除鑄造應力。熱處理的方法有退火、正火或正火加回火。 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。馬氏體不銹鋼中的主要合金元素是鉻，鐵的熔點因加入鉻而降低，其最低熔點為 1516℃ ， A4 點因鉻量的增加而降低； A3 鉻量的增加而降低，繼續增加鉻含量至 7%時又迅速升高，由于鉻含量對 A4 和 A3 點的影響形成了封閉的 γ_相， γ_相最大含鉻為 %。鉻在鋼中與碳形成碳化物，常見的碳化物 (CrFe)23C6。隨著鋼中含碳量的增加，它的強度、硬度、耐磨性、切削加工性能顯著提高，而耐蝕性下降。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。在馬氏體鋼中隨著淬火溫度的提高，碳化鉻 (CrFe)23C6 溶解度不斷增加，馬氏體進一步強化，因而淬火后的硬度也不斷增加。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。綜之，為了提高馬氏體不銹鋼的力學性能，應采用高溫回火并保持較長的回火保溫時間，使馬 氏體碳化物充分析出，才能在保證馬氏體不銹鋼具有較高的強度、硬度、耐磨性的同時，具有較好的延伸性。 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。但是過高的溫度又會浪費能源，并且對熔煉設備也有一定的損害，第四章 鑄鋼的熔煉 － 25－ 同時會使增加金屬液的氧化以及添加劑的燒損，因此融化鋼錠一般加熱至1610℃ ～ 1630℃ ，合金的澆注溫度一般為 1560℃ ～ 1600℃ 。 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。上冠鑄件的澆注溫度可控制在 1560℃ ～ 1600℃ ，本鑄件取 1580℃ 。 第五章 鑄件工藝數值模擬結果及分析 － 26－ 第五章 鑄件工藝數值模擬結果及分析 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。由于型腔的填充模式是影響壓鑄件質量的關鍵因素之一，因而充型過程的流場控制是鑄造過程的中心環節。通過充型過程速度場、溫度場及壓力場的數值模擬，能夠較準確地表達充型過程的流動和傳熱規律，并可預測可能產生的卷氣、冷隔等缺陷，進而優化鑄造工藝，實現理想的型腔充填狀態，對實際壓鑄生產具有重要的指導 意義 [9]。 鑄件澆注充型過程中，伴隨著熱量的散失、溫度的降低。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顯示。如圖 51 所示為充型順序及溫度場分布。 通過這次充型模擬，主要分析以下幾方面的內容： （ 1）液態金屬在鑄型中充填 10%,20%,45%,70%,85%,100%時的情況； （ 2）液態金屬在型腔中的流動狀況； （ 3）液態金屬在型腔中按時間順序充填的溫度分布。 鑄件充型過程與液態金屬的流動、傳熱及傳質過程密切相關，是一個伴隨著熱量散失以及凝固的 非恒溫流動過程，可用質量守恒和動量守恒方程描述，而充型過程中金屬液與鑄型之間的熱交換可用熱量平衡方程來描述，在這個過程中最基本又最重要的物理現象是傳熱和流動 [9]。 第五章 鑄件工藝數值模擬結果及分析 － 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象可歸納為以下幾種 [6]： （ 1）澆注時液態金屬在充填鑄型過程中的流動； （ 2）型腔內液態金屬由于溫度差引起密度差而產生的自然對流； （ 3）由于凝固收縮、液態收縮及重力等引起液體在枝晶間及其分枝的流動。 第五章 鑄件工藝數值模擬結果及分析 － 28－ 通過本次模擬結果，分析液態金屬在澆注充型過程中存在以下一些特點： 由于上冠結構為回轉 體，壁厚不均勻，從整個充型過程看，其充填形態表現出順序、簡單的特點。具體表現為，從整體上來說，金屬液表現為順序充填，較為平穩。由于充型速度較高，金屬液進入澆道直接沖向砂芯，由于砂芯阻力及慣性作用，金屬液被沖到一定高度。然后在重力、砂芯阻力的作用下回落。 從充型過程溫度分布來看，鑄件在整個充型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。初始澆注溫度為1580℃ ，充型剛結束時的最低溫度約為 1476℃ 。 凝固過程 鑄件的凝固過程也就是金屬由液態轉變為固態的結晶過程 ,液態金屬結晶過程乃是由形核和長大兩個基本過程所組成，并且這兩個過程是同時并進的。金屬凝固后的鑄件組織是由表層細晶區、柱狀晶區和中心等軸晶區組成。影響鑄件組織形成的主要因素有澆注溫度、鑄模冷卻能力、散熱條件、液體流動性以及合金的凝固溫度范圍等。金屬凝固過程所產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]。 圖 52 為鑄件的凝固順序以及溫度分布，其中圖 (a)(f)依次為凝固 5%， 15%，30%， 50%， 85%， 100%時的狀態圖。 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。因為在冒口位置設置為厚度為 40mm 的保溫套，所以最后在冒口必定是最后一部分凝固的，并且凝固時間也會延長。 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。鑄件的凝固順序表現為縱向下部先凝固、上部后凝固，橫向邊緣先凝固中心后凝固，即鑄件薄壁處先凝固，壁厚較大處后凝固，薄壁處凝固速度快，厚壁處凝固速度慢，鑄件厚度最大處最后凝固，如圖 52 所示。 第五章 鑄件工藝數值模擬結果及分析 － 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，證明此工藝合理。 結論 － 30－ 結 論 本次設計最明顯的特點是利用環形暗冒口代替分散冒口進行補縮，即只在中間放置一個環形冒口，而在外圓處不設置冒口，靠一個環形冒口來補縮整個鑄件，這樣集中補縮，在最大外圓處放置外冷鐵來降低該處的模數，既可使操作方便，有提高了冒口的利用率，從而節約了鋼液。它的優點是有利于排除型腔內的氣體及使砂（渣）等雜物順利的上浮到冒口內而且補縮均勻。它克服了分散冒口間的偏析問題，可以更好的保證鑄件的質量。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。澆注系統的設計也能使金屬液平穩流入，更好的充型，這樣顯著提高了鑄件的工藝出品率及鑄件質量，明顯地防止和消除鑄件縮孔、縮松、氣孔、夾渣、裂紋及滲漏等缺陷。該工藝同時在節約原材料和能源等方面具有明顯的技術經濟效益。另外，本課題造型方法是采用呋喃樹脂砂造型，不僅能夠提高鑄件的表面質量，還可大大改善勞動條件和工作環境，提高生產效率。 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。對于鑄件的造型方法來說，應用的是樹脂砂造型方法。 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。審核完鑄件結構的工藝性之后，就可以根據設計工藝和工裝方面的知識逐步展開設計了。其中主要的設計內容包括：鑄件澆注位置的確定、分型面的選擇、澆注系統的設計、工藝參數的設計、冒口和冷鐵的設計、出氣孔的設計、模樣材質的選擇、砂箱的設計、模板的設計。以上每個方面對鑄造出高質量鑄件都起到關鍵的作用，因此設計的時候要非常的仔細認真。 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，縮短產品的設計與制造周期，而且能夠實現設計、分析與模具加工的統一，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，減少實際生產中產生的廢品率，保證鑄件質量，提高生產率。 參考文獻 － 31－ 參考文獻 [1] 高尚書 . 計算機技術及在鑄造行業中的應用 .鑄造， 1995,(6):31～ 38 [2] 姜彬 . UG 壓鑄模具設計入門與提高 北京：電子工業出版社， ： 2～ 5 [3] 侯擊波 ， 程軍 . 鑄件充型過程的數值模擬技術 華北工學院學報 . 1997: 1～ 3 [4] 李弘英 ， 趙成志 鑄造工藝設計 北京：機械工業出版社， [5] 葉榮茂 ， 吳維岡 ， 高景艷 . 鑄造工藝課程設計手冊 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，： 74～ 134 [6] 陳琦 ， 彭兆弟 . 鑄造合金配料速查手冊 北京：機械工業出版社 ， ： 848～ 849 [7] 陸文華 ， 李隆盛 ， 黃良余 . 鑄造合金及其熔煉 北京：機械工業出版社， ： 299～339 [8] R. Stoehr. Simulation in the Design of Sand Casting Proceedings of Modelling Casting and Welding Proceses. Rindge, Nwe Hampshire, USA,1980: 3～ 18 [9] 于梅 . 金屬液在充型和凝固過程中夾雜物運動的數值模擬： [碩士學位論文 ]. 沈陽：沈陽工業大學 . 20xx [10] 柳白成，荊濤等 . 鑄造工程的模擬仿真與質量控制 [M]. 北京 :機械工業出 社 , ～170 致謝 － 32－ 致 謝 在畢業論文即將完成之際，我謹向曾經給我幫助和支持的人們表示衷心的感謝 ! 首先要感謝我的指導老師盛文斌副教授，他在學習和做人方面給予我悉心的指導，使我增長了知識，拓寬了眼界， 還學會了科學的思維方法，鍛煉了分析問題解決問題的能力。在此，我向他表示最真摯的感謝。 感謝 陳宗民等老師 ，在 CAD 制圖方面 給予 我 的幫助！我的每一次成功和進步都和他們的幫助分不開。 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。 附圖 － 33－ 附 圖 目錄 附圖 1：上冠鑄件零件圖 附圖 2：上冠鑄件工藝圖 附圖 3：上砂箱 附圖 4：下砂箱 附圖 5：模板裝配圖