王歡的虛擬鑄造成型論文

1、虛擬鑄造成型王歡 何斌鋒西安文理學(xué)院，物理與機(jī)械電子工程學(xué)院，陜西西安 71006摘要：由于零件性能要求較高，因此在方案選用上，以達(dá)到技術(shù)要求且節(jié)約成本為前提，進(jìn)行工藝方案的設(shè)計(jì)。最初設(shè)計(jì)是選用樹脂砂，采用兩箱造型的方法；確定零件的加工余量和公差為HB6103-2004 CT10的航空標(biāo)準(zhǔn)，起模斜度為5°，鑄造收縮率為1%；零件中的孔的均不予鑄出，確定出鑄件和砂芯的結(jié)構(gòu)尺寸，因此可知此鑄件為薄壁件，壁厚分布非常不均，鑄造時(shí)很容易產(chǎn)生缺陷，因此采用加冒口和冷鐵的方法，使鑄件進(jìn)行順序凝固。由鑄件的工藝參數(shù)做出鑄造工藝圖，用Pro/E軟件畫出鑄件的三維實(shí)體圖，再用View Cast鑄造模擬

2、軟件對鑄件進(jìn)行凝固模擬，再分析模擬結(jié)果，對產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到鑄件無缺陷的結(jié)果。最后對優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行充型模擬，模擬結(jié)果表明充型過程平穩(wěn)，不產(chǎn)生飛濺，沖擊和紊流，鑄件無缺陷且充型過程平穩(wěn)。關(guān)鍵詞：鑄造工藝；工藝優(yōu)化；數(shù)值模擬；鋁合金；1 緒論鑄造在我國有著悠久的歷史，但至今仍是一門充滿活力的產(chǎn)業(yè)，在國民經(jīng)濟(jì)中占有重要的地位。近年來，我國鑄造業(yè)正向鑄造強(qiáng)國的方向發(fā)展，鑄造產(chǎn)業(yè)也將迎來一次新的變革，在鑄造工藝設(shè)計(jì)上趨向于對計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，在鑄造材料上也趨于高強(qiáng)度輕量化特點(diǎn)。其中鑄造鋁合金是我國鑄造業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的新型材料，同時(shí)它也將被廣泛用于其他行業(yè)，尤其在汽車，航空等行業(yè)，有很大的發(fā)展

3、前景。鋁合金為傳統(tǒng)的金屬材料，密度小，高強(qiáng)度，流動(dòng)性好，熔煉溫度低，特別適用于金屬型鑄造、壓鑄、擠壓鑄造。所以大多數(shù)論文以壓鑄為題，進(jìn)行鑄造工藝的設(shè)計(jì)，但對于單件小批生產(chǎn)，若采用金屬造型或壓鑄，會(huì)增加鑄造成本，使產(chǎn)品變得很不經(jīng)濟(jì)。而砂型鑄造因不受零件大小，形狀，復(fù)雜程度及合金種類的限制，造型材料來源廣，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，成本低而被廣泛應(yīng)用。本文以鋁硅合金砂型鑄造為例，設(shè)計(jì)了零件的鑄造工藝。2 鑄件要求及工藝設(shè)計(jì)2.1 鑄件要求此零件為ZL101的封閉開關(guān)外體，是用于航空業(yè)的壓力閥，在滿足正常使用的情況下，對鑄件要求在的煤油壓力下進(jìn)行滲漏試驗(yàn)，保持5分鐘不得有滲漏，鑄件如圖1所示。2.2 鑄造工藝

4、系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖1 鋁合金鑄件的三維實(shí)體圖 圖2 澆注位置和鑄件的分型面該封閉開關(guān)外體零件質(zhì)量為0.81，屬于小型壁厚不均的薄壁件，鑄造難度較大。在此擬定為用樹脂砂手工造型的鑄造方法，其型芯為干砂，冷鐵為45鋼，鑄造材料為ZL101，澆注溫度為720，生產(chǎn)類型為單件小批生產(chǎn)。根據(jù)鑄件的厚大部分應(yīng)放在上部或側(cè)面的分型原則，確定出分型面。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定澆鑄位置。澆注位置及分型面的位置如圖2所示。鑄造材料為鋁合金極易氧化吸氣，凝固體積收縮率大，易產(chǎn)生縮孔縮松，且混入鋁液中的氧化物很難浮起，使鋁液中存有夾雜。因此對澆注系統(tǒng)的要求有：快速；平穩(wěn)充型；不產(chǎn)生飛濺、沖擊和渦流；有強(qiáng)的擋渣能力；并使鑄件進(jìn)行

5、順序凝固。故此選擇開放式澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)各部分比例為：。根據(jù)公式計(jì)算出澆注系統(tǒng)的阻流截面。因此直澆道的最小直徑為=1.5957，取整得=16。根據(jù)比例分別求出其他部分的截面面積，,面積為，則，規(guī)格如圖3所示。 (a) 內(nèi)澆道 (b) 橫澆道 圖4澆注系統(tǒng)及補(bǔ)縮系統(tǒng) 圖3 澆注系統(tǒng)各部分截面及尺寸2.3冷鐵和冒口的設(shè)計(jì)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對于下箱的厚大部位采用增加冷鐵方法（如圖2所示），而上箱（如圖2所示）則采用加冒口的方法，進(jìn)行順序凝固。根據(jù)圓柱體模數(shù)的計(jì)算公式5所以公式計(jì)算對采用冷，則冷鐵激冷面積計(jì)算公式為：所以，則冷鐵的厚度為10；由于激冷面積過大，則選用仿形冷鐵，以提高激冷面積。同理可

6、得，對于上箱的厚大部位采用暗冒口，則選用標(biāo)準(zhǔn)圓冒口，取冒口頸長度取5。計(jì)算如下：則對于有，對于，則有： 對于處，根據(jù)以上方法可得； ，此處仍采用仿形冷鐵，根據(jù)要求冷鐵的厚度取10。根據(jù)以上參數(shù)可，確定鑄件澆注系統(tǒng)及補(bǔ)縮系統(tǒng)，如圖4所示3 鑄件充型及凝固過程的數(shù)值模擬3.1 鑄件的凝固過程模擬如圖5為凝固過程模擬結(jié)果，圖中透明的部分表明此部位的金屬已經(jīng)凝固。從模擬結(jié)果可以看出，冒口先于鑄件凝固，因此基本沒有起到補(bǔ)縮作用，那么在這些區(qū)域肯定會(huì)產(chǎn)生鑄造其缺陷。圖6為缺陷預(yù)測圖，從預(yù)測結(jié)果可以看出，在鑄件在安放冒口位置出現(xiàn)了鑄造缺陷。圖5凝固過程 圖6凝固缺陷 圖7砂芯的裝配 圖8鑄件的整體裝配3.2

7、 工藝優(yōu)化根據(jù)圖6的預(yù)測結(jié)果，進(jìn)行以下優(yōu)化：1）將扁平狀截面的內(nèi)澆道改為高梯形截面，但不改變截面積；2)將進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑龃笕缦拢?；將增大如?; 將出改為冒口規(guī)格為：，如圖8所示3）在砂芯上添加冷鐵，如圖7所示對優(yōu)化后的工藝進(jìn)行凝固過程，模擬結(jié)果凝固過程如圖9所示，缺陷預(yù)測凝固結(jié)果如圖10所示。9圖9鑄件的凝固過程 圖10優(yōu)化的結(jié)果 3.3 對第一次優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析并優(yōu)化根據(jù)圖10的預(yù)測結(jié)果，進(jìn)行如下優(yōu)化：1）處冒口高度過于短小，則改為；2）將內(nèi)澆道模數(shù)增大，規(guī)格如圖12所示；3）將在砂芯上加冷鐵改為在鑄件外部加冷鐵的方法，如圖11所示；圖11 砂芯的裝配 圖12 整個(gè)鑄件的裝配根據(jù)此次改動(dòng)，凝

8、固過程如圖13 所示，凝固結(jié)果如圖14所示：由圖14 可知經(jīng)過兩次優(yōu)化設(shè)計(jì)，鑄件最終達(dá)到無缺陷的結(jié)果。圖13 凝固結(jié)果圖 圖14 凝固過程3.4 充型過程模擬其充型過程模擬結(jié)果如圖14所示。圖15 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的充型模擬整個(gè)充型過程歷時(shí)4.9秒，充型時(shí)間不會(huì)過長，符合此鑄件生產(chǎn)要求。充型過程中，金屬液由分型面處開始填充，液面上升平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)金屬液間的碰撞和紊流現(xiàn)象。結(jié) 論(1) 根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，確定了造型方法、分型面、澆注位置和鑄造工藝參數(shù)等，設(shè)計(jì)了砂芯的結(jié)構(gòu)和澆注系統(tǒng)，并根據(jù)鑄件的特點(diǎn)計(jì)算出冒口的大小和冷鐵的激冷面積，但未計(jì)入薄壁處的補(bǔ)縮和冷鐵的加入使冒口的補(bǔ)縮能力增強(qiáng)等因素，

9、使冒口體積過小，冒口補(bǔ)縮效果不佳。在用冷鐵方面，雖然計(jì)算出冷鐵的激冷面積，但是由于鑄件的結(jié)構(gòu)限制，使能用于安放冷鐵的面積大受限制。所以產(chǎn)生很多的缺陷。(2) 針對第一次的模擬結(jié)果，在處的有效激冷范圍內(nèi)再添加冷鐵，在圓角處也使用冷鐵，將處改用冒口補(bǔ)縮，和的冒口適當(dāng)?shù)脑龃?，將?nèi)澆道改為高梯形。最終結(jié)果表明，由于冷鐵的增加，加大了冒口補(bǔ)縮范圍，使缺陷的移動(dòng)有了明確的方向，但其結(jié)果還是有缺陷。(3) 針對第二次模擬結(jié)果，將內(nèi)澆道的截面改為模數(shù)適量增大，將處冒口進(jìn)行了優(yōu)化，在處也做了一些調(diào)整。最總結(jié)果表明，由于內(nèi)澆道和處冒口的共同補(bǔ)縮，使鑄件最終達(dá)到無缺陷的結(jié)果。(4) 對優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行充型模擬，

10、模擬的結(jié)果顯示，充型平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生飛濺，沖擊和渦流，驗(yàn)證了優(yōu)化工藝的合理性。參考文獻(xiàn)1李傳栻. 鑄造工程師手冊. 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社（第二版）. 2002.12. 第四章鑄造有色金屬和合金及其熔煉（339352）與第六章鑄造工藝。2劉喜俊. 鑄造工藝學(xué). 北京. 機(jī)械工業(yè)出版社. 1999.10. 第六章第五節(jié)其他合金鑄件澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)。3 中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)鑄造手冊：第五卷 鑄造工藝（第二版）M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003。4 葉榮茂鑄造工藝設(shè)計(jì)簡明手冊M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997。5 王文清，李魁盛鑄造工藝學(xué)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002。6 李弘英，趙成志鑄造工藝設(shè)計(jì)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005。7 李魁盛，侯福生鑄造工藝學(xué)M北京：中國水利水電出版社2005。8 HB 6103-2004鑄件尺寸公差和機(jī)械加工余量。9 荊濤凝固過程數(shù)值模擬M北京：電子工業(yè)出版社，2002。10 李依依，李殿中，朱苗勇等金屬材料制備工藝的計(jì)算機(jī)模擬M北京：科學(xué)出版社，2006。11 柳百成，荊濤鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002。12