座體鑄造工藝設(shè)計及其模擬優(yōu)化.doc

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鑄造過程計算機輔助分析模擬綜合實驗 題目：座體鑄造工藝設(shè)計及其模擬優(yōu)化 學(xué) 院：機械工程學(xué)院 專 業(yè)：材料成形及控制工程 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2014年3月10日 目 錄 第一章.零件簡介 2 1.1 零件基本信息 2 1.2技術(shù)要求 2 第二章.基于UG零件的三維造型 3 2.1軟件簡介 3 2.2 零件的三維造型圖 3 第三章.鑄造工藝方案的擬定 4 3.1工藝方案的確定 4 3.2型（芯）砂配比 4 3.3混砂工藝 5 3.4 鑄造用涂料、分型劑及膠補劑 5 3.5熔煉設(shè)備及熔煉工藝 6 3.6分型面的選擇 6 3.7 砂箱大小及砂箱中鑄件數(shù)目的確定 7 3.8鑄造工藝參數(shù)的確定 7 第四章.砂芯設(shè)計及排氣 8 4.1芯頭的基本尺寸 8 4.2砂芯設(shè)計尺寸見下工藝圖 9 第五章.澆注系統(tǒng)設(shè)計 10 5.1澆注系統(tǒng)的類型及選擇 10 5.2澆注位置的選擇 10 5.3澆注系統(tǒng)各部分尺寸的計算 11 5.4合金鑄造性能分析 11 5.5 設(shè)計計算步驟 12 5.6出氣孔 14 5.7鑄件工藝出品率 14 第六章.模擬仿真部分 15 6.1充型模擬 15 6.2凝固模擬 15 第七章.結(jié)論及優(yōu)化方案 16 第八章.小結(jié) 16 主要參考文獻(xiàn)： 17  摘 要 本文通過對座體零件圖的深入分析，根據(jù)零件的形狀、尺寸、材料等特點，采用傳統(tǒng)設(shè)計方法與計算機輔助設(shè)計相結(jié)合的方式對零件的鑄造工藝進(jìn)行設(shè)計。 分析并確定采用臥式造型合箱，底注式澆注的砂型鑄造工藝方案；確定了鑄鐵件的凝固原則、澆注位置和分型面等；確定了座體鑄鐵件的鑄造工藝參數(shù)并計算了其體積和重量；設(shè)計并計算了箱蓋砂型鑄造的澆注系統(tǒng)；繪制了座體砂型鑄造工藝圖、UG鑄件圖、合箱圖等；并采用華鑄CAE模擬軟件進(jìn)行模擬分析。整體得到了一套生產(chǎn)該灰鑄鐵箱蓋的砂型鑄造工藝文件。 關(guān)鍵詞：座體;砂型鑄造；工藝設(shè)計；模擬分析。 箱蓋鑄造工藝設(shè)計及其模擬優(yōu)化 第一章.零件簡介 1.1 零件基本信息 零件名稱：座體鑄件。 零件材料：HT200。 產(chǎn)品生產(chǎn)綱領(lǐng)：單件小批量生產(chǎn)。 結(jié)構(gòu)：屬厚、薄均勻的小型座體。 根據(jù)相關(guān)資料查得HT200具體成分及其含量如表所示。 表1.1.1 HT200化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%） C Si Mn P S Cr 3.3~3.55 1.95~2.15 0.60~0.90 ≤0.08 ≤0.12 0.15~0.30 表1.1.1 HT200材料的力學(xué)性能 抗拉強度/MPa 硬度 /HB 延伸率/% ≥200 170~241 ≥10 座體零件圖： 圖1-1 座體零件圖 1.2技術(shù)要求 (1) 結(jié)構(gòu)特點及使用要求 該零件結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻為10mm，座體外形整體較大長約255mm，寬190mm，高172.5mm。材料為灰鐵，流動性較較好，收縮大，所以在澆注時容易產(chǎn)生澆不足、冷隔、縮孔和縮松、熱裂、內(nèi)應(yīng)力以及變形和冷裂等缺陷。（鑄件體積V=1791168.0543mm3 ，質(zhì)量m=13.824kg。 (2) 鑄件技術(shù)要求 鑄造圓角R3～R5； 第二章.基于UG零件的三維造型 2.1軟件簡介 　 UG NX[2]是由Siemens PLM Software發(fā)布的集CAD/CAM/CAE一體化解決方案軟件，它涵蓋了產(chǎn)品設(shè)計、工程和制造中的全套開發(fā)流程。NX 產(chǎn)品開發(fā)解決方案完全支持制造商所需的各種工具。 NX 與 UGS PLM 的其他解決方案的完整套件無縫結(jié)合，這些對于 CAD 、 CAM 和 CAE 在可控環(huán)境下的協(xié)同、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字化實體模型和可視化都是一個補充。 本件采用UG NX進(jìn)行三維立體建模使工藝設(shè)計直觀形象，便于后續(xù)分析、模擬及加工等過程的管理與控制。 2.2 零件的三維造型圖 通過運用NX8.5對零件進(jìn)行立體建模得到如圖2-1所示三維圖。 圖2-1零件的三維造型圖 第三章. 鑄造工藝方案的擬定 3.1工藝方案的確定[1] 　 座體材質(zhì)為灰鑄鐵HT200,該鑄件屬于薄壁小型件，無需開設(shè)冒口,成品率高。生產(chǎn)綱領(lǐng)為單件小批量生產(chǎn)可采用砂型鑄造，鑄型和型芯都采用呋喃樹脂自硬砂，每箱一件，乙醇涂料，造型時按模型材質(zhì)選擇合適的脫模劑。采用樹脂砂的優(yōu)點有：強度高，可自硬，精度高，鑄件易清理，生產(chǎn)效率高等特點。 3.2型（芯）砂配比 根據(jù)零件結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)要求，該鑄件采用呋喃樹脂自硬砂造型、造芯即可，具體數(shù)值參考型、芯砂配比如表3.1和表3.2所示。 表3.1 型砂配比（配比重量Wt%） 成 分 新砂 再生砂 F700呋喃樹脂 固化劑 附加物氧化鐵粉 百分比 10％ 90％ 1.6% ~2.0% 15％ 0 ~ 1.5% 表3.2芯砂配比（配比重量Wt%） 成 分 新砂 再生砂 F700呋喃樹脂 固化劑 附加物氧化鐵粉 百分比 60％ 40％ 2.3% ~2.5% ＞10％ 0 ~ 1.5% 表中催化劑含量為占樹脂砂的百分比。　 3.3混砂工藝 合理地選用混砂機，采用正確的加料順序和恰當(dāng)?shù)幕焐皶r間有助于得到高質(zhì)量的樹脂砂。樹脂砂各種原料稱量要準(zhǔn)確，其混砂工藝如下： 砂+催化劑加樹脂出砂 上述順序不可顛倒，否則局部發(fā)生劇烈的硬化反應(yīng)，縮短可使用時間，影響到樹脂砂的使用性能。砂和催化劑的混合時間應(yīng)以催化劑能均勻的覆蓋住沙粒表面所需的時間為準(zhǔn)。 3.4 鑄造用涂料、分型劑及膠補劑 鑄造涂料在鑄型和砂芯的表面上形成耐火的保護(hù)層，避免鑄件產(chǎn)生表面粗糙、機械粘砂、化學(xué)粘砂以及減少鑄件產(chǎn)生與砂子有關(guān)的其它鑄造缺陷，是改善鑄件表面質(zhì)量的重要手段之一。雖然采用涂料增加了工序和費用，但使用涂料之后，不僅鑄件表面光潔，也減少了缺陷降低了清理費用，增加了鑄件在市場上的競爭力，綜合效益得以提高。為滿足要求可選水溶性涂料，根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)選用手工刷涂的方式施涂。 鑄造用分型劑可在造型造芯過程中在模樣、芯盒工作表面覆蓋一薄層可以減少或者防止型砂、芯砂對模樣或芯盒的粘附，降低起模力，以便得到表面光潔、輪廓清晰的砂型或砂芯，可手工涂涂柴油。 　　如砂型或砂芯出現(xiàn)裂紋、孔洞、掉角以及不平整等缺陷可用膠補劑進(jìn)行修補，以提升生產(chǎn)效率。對自硬樹脂砂可用同種自硬砂+修補膏+膠合劑進(jìn)行修補。 3.5熔煉設(shè)備及熔煉工藝 　　熔煉設(shè)備：為保證獲得化學(xué)成分均勻、穩(wěn)定且溫度較高的鐵液，滿足生產(chǎn)需要這一前提，在大批量流水生產(chǎn)中，宜采用沖天爐-電爐雙聯(lián)熔煉工藝。它可以保證出爐鐵液溫度在1500℃以上，溫度波動范圍小于等于＋（-）10℃，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）精度達(dá)到△C小于等于＋（-）0.05%，△Si小于等于＋（-）0.10%。 熔煉工藝：(1) 廢鋼 加廢鋼可明顯提高灰鑄鐵基體中D型石墨和初生奧氏體的數(shù)量；加廢鋼能促進(jìn)初生奧氏體的形核及長大；可增加鑄件的強度和孕育。（2）出爐溫度和澆注溫度 出爐溫度一般都控制在1400~1450℃之內(nèi)，澆注溫度一般控制在1370~1440℃。（3）孕育處理 為改善石墨形態(tài)和材質(zhì)的均勻性，孕育處理是十分重要的。孕育的作用為消除白口、改善加工性能，細(xì)化共晶團(tuán)、獲得A型石墨，使石墨細(xì)化及分布均勻，改善基體組織、提高力學(xué)性能，減小斷面敏感性。綜合孕育劑選擇的主要兩個因素：滿足工藝性及性能、金相組織的需要；避免鑄件產(chǎn)生氣孔、縮松、滲漏等缺陷。由于75SiFe瞬時孕育效果好，溶解性能優(yōu)良，故此鑄鐵熔煉采用此方法。 第四章 鑄造工藝設(shè)計 4.1、鑄件零件圖 圖4-1-1 鑄件零件圖 4.2、分型面與澆注方式的確定 4.2.1、分型面的選擇 該零件幾何結(jié)構(gòu)較為簡單，采用底澆注式的方式澆注，既滿足要求，又使得澆注系統(tǒng)的設(shè)計簡化，充型平穩(wěn)，減少夾渣、縮孔，有利于浮渣。不需要再設(shè)計冒口，同時可以提高工藝出品率，合箱簡單，非常適合單件、小批量的造型成型。 分型面選擇如圖4-2-1所示： 圖4-2-1 分型面的選擇位置 4.2.2、澆注位置的選擇 該零件大體輪廓屬于環(huán)形構(gòu)造，根據(jù)型芯情況，結(jié)合分型面的選擇，決定采用底注式的澆注方式，澆注位置如圖4-2-2所示。 圖4-2-2 鑄件澆注位置 4.2.3、主要的鑄造工藝參數(shù) （1） 鑄件尺寸公差和重量公差 該鑄件材質(zhì)為HT200，手工造型，經(jīng)查得，鑄件的尺寸公差等級為11級；重量公差等級為13級，該鑄件的重量公差為24％[3]。 （2） 機械加工余量 該鑄件為鑄鐵（HT200)件，砂型人工造型，經(jīng)查加工余量等級為H，經(jīng)查得，加工余量取7。 （3） 鑄造收縮率 由于鑄件的固態(tài)收縮(線收縮)將使鑄件各部分尺寸小于模樣原來的尺寸，因此，為了使鑄件冷卻后的尺寸與鑄件圖示尺寸一致，則需要在模樣或芯盒上加上其收縮的尺寸。加大的這部分尺寸為鑄件的收縮量，一般用鑄造收縮率表示。經(jīng)查可知該鑄件的線收縮率為1.0％。 （4） 不鑄出孔 因為采用的是單件小批量生產(chǎn)，零件圖中的螺紋孔太小，需鑄出孔要大于或等于30-50，所以該零件的孔都不能鑄出，鑄件圖如圖4-2-3所示： 圖4-2-3 鑄件圖三維圖 4.3、砂芯設(shè)計 對于該零件有中空結(jié)構(gòu)，因此需要在鑄造時使用砂芯成型。對于砂芯的要求，應(yīng)具有足夠的強度和剛度。 型芯設(shè)計和澆注系統(tǒng)放置如圖4-3-1所示： 如圖4-3-1 型芯和澆注系統(tǒng)的位置 4.4澆注系統(tǒng)設(shè)計 4.4.1、 澆注系統(tǒng)的選擇原則 該鑄件為鑄鐵中小型鑄件，壁厚均勻，根據(jù)鑄鐵件生產(chǎn)要求及特點，根據(jù)鑄造工藝學(xué)表3-4-12選擇封閉式（Ⅱ）澆注系統(tǒng)。取∑S內(nèi)：∑S橫：∑S直=1:1.1:1.15 4.4.2 澆注系統(tǒng)的尺寸確定 每個鑄件質(zhì)量13.824kg，共布置1件。鑄件出品率按30%估計，則型腔內(nèi)金屬質(zhì)量為13.824/0.3=45.16kg。 (1)、確定澆注時間和澆注速度q =Bбpmn —澆注時間（S） m—鑄件質(zhì)量或澆注金屬質(zhì)量（kg） б—鑄件壁厚（mm） 查表計算可得澆注時間為15s (2)、計算內(nèi)澆道截面積 由公式： G—包括澆冒口在內(nèi)的鑄件總重量； 一充填一個型腔的時間； 一每個鑄件的平均計算壓力頭，查表得到取值為30cm。 根據(jù)鑄件情況，n取0.05 經(jīng)過上面公式計算和結(jié)合鑄造工藝手冊可得到內(nèi)澆道最小總截面積約為61.2,所以取內(nèi)澆道的截面積為60，一共兩個內(nèi)澆道，每個內(nèi)澆道為30。 采用梯形斷面內(nèi)澆口主要考慮到是從鑄件后凝固處引入，內(nèi)澆口可以很好的起到補縮的作用。采用a=h的體形尺寸，可得出內(nèi)澆道截面尺寸如下表： 表4-4-1 內(nèi)澆道截面尺寸 內(nèi)澆道截面積() h(mm) a(mm) b (mm) 30 8 24 28 圖4-4-1 內(nèi)澆道界面形狀 (3)直澆道及橫澆道尺寸 該鑄件屬于中小型鑄件，采用封閉式澆注系統(tǒng)，根據(jù)鑄造工藝手冊可得直、 橫、內(nèi)澆道截面積比為1.15:1.1:1。根據(jù)澆注質(zhì)量為45.16Kg可得直澆道總 截面積為50-60，所以取直澆道截面積為25。 直澆道的的截面積采用圓形截面，具體尺寸R=25 mm。直澆道高度可根據(jù)最小剩余壓力頭HM＞ Ltgб,取直澆道長度為200 mm。 圖4-4-2 直澆道截面形狀 橫澆道采用用梯形截面，橫澆道為分流形式，所以每一個分流最小截面積為34，所以根據(jù)鑄造工藝手冊和實際的計算尺寸比例，綜合考慮可得橫澆道具體尺寸選取為a= 16mm,b=20mm,h=20mm。 . 圖4-4-3 橫澆道截面形狀 4.5.鑄件工藝出品率 鑄件工藝出品率=100% 對該鑄件工藝出品率=13.824/15.531=89% 4.6.砂箱大小及砂箱中鑄件數(shù)目的確定 由于鑄件為座體件，結(jié)構(gòu)簡單，采用一箱一件生產(chǎn)方式。模樣高255mm，長200mm，寬為190m。 砂箱的尺寸計算： 砂箱寬=40+40+190=271mm, 取砂箱寬度為300mm。 砂箱長=40+40+200=380mm, 取砂箱長度為400mm。 下砂箱高＝40＋12＝52mm，下砂箱高取60mm。砂箱各部位的尺寸如表所列。 表4-6-1 砂箱外形尺寸表 砂箱長（mm） 砂箱寬（mm） 砂箱高（mm） 上箱 400 300 300 下箱 400 300 60 第五章.模擬仿真部分 5.1凝固模擬 如下圖所示： 圖5-1 凝固時間模擬圖 結(jié)果分析：由上圖可以看出，鑄件最后凝固為鑄件的最上部，沒有明顯的縮孔縮松，所以不必用冒口。 5.2充型模擬 如下圖示： 圖5-2 充型時間模擬圖 結(jié)果分析：由上圖可以看出，該鑄型在2.2s時充滿，符合快澆的原則，和理論計算出的澆注時間很接近，而且鑄件沒有澆不足的情況，金屬液能順利地充滿型腔。因此，符合生產(chǎn)實際，滿足生產(chǎn)要求. 第六章.結(jié)論及優(yōu)化方案 本鑄件體積不太大，結(jié)構(gòu)較簡單，材料為灰鑄鐵其材料是在凝固過程中易出現(xiàn)縮松縮孔等缺陷的灰鑄鐵，因此此工藝設(shè)計思想是在保證鑄件質(zhì)量前提下，盡量采取合理工藝及先進(jìn)的分析方法來消除各種缺陷，最后才考慮工藝出品率的提高。 第七章.小結(jié) 在此次設(shè)計過程中，我們遇到了許多困難，但通過努力也解決了許多問題。這次綜合試驗，我們受益匪淺，不僅深層次的學(xué)習(xí)了鑄造知識，掌握了鑄造工藝設(shè)計流程，而且還提高了分析問題、解決問題的能力，使自己的專業(yè)素質(zhì)得到了進(jìn)一步的鍛煉和提升。但同時也深刻發(fā)現(xiàn)了自身知識能力的不足，在日后的生活中，一定會更加積極努力學(xué)習(xí)，多積累經(jīng)驗。為即將進(jìn)行的畢業(yè)設(shè)計做好充分的準(zhǔn)備！ 主要參考文獻(xiàn)： [1] 申榮華編. 鑄造工藝課程設(shè)計指導(dǎo)書[Z]. 貴陽，自編參考書，2011。 [2] 矯津毅編著. UG NX8,5基礎(chǔ)設(shè)計與案例實踐[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008。 [3] 王文清，李魁盛. 鑄造工藝學(xué) [M]. 北京，機械工業(yè)出版社，2002。 [4] 中國機械工程學(xué)會鑄造分會編. 鑄造手冊5（第2版）[M]. 北京，機械工業(yè)出版社，2004。 附圖 1、 鑄造工藝卡 1張 （A4） 2、 鑄件圖 1張 （A3） 3、 零件圖 1張 （A3） 4、 鑄造工藝圖 1張 （A3） 5、 合箱圖 1張 （A3）