基于 CAD、HZCAE 分析的钩型连杆消失模铸造模

本论文在其他论文栏目，由论文格式网整理,转载请注明来源www.lwgsw.com,更多论文,请点论文格式范文查看设计（论文）专用纸 Title： Based on the analysis of CAD, HZCAE hook type connecting rod epc mold design research School: Kunming University of Science and Technology Major: Class： Name: Mechanical Engineering and 1 Grade 2007 Li Jun Automation Class Advisor： Department: Kunming University of Science and Technology School of Materials engineering Name： Post： Ding Hengmin Associate professor 第 II 页、设计（论文）专用纸目录摘要 ............................................................................................................... VII Abstract ........................................................................................................ VIII 前言 ................................................................................................................... 1 第一章绪论 ................................................................................................... 2 1.1 选题背景及意义 .......................................................................... 2 1.2 铸造过程计算机模拟仿真的发展简介...................................... 3 1.2.1 铸造过程数值模拟的意义 ....................................................... 3 1.2.2 铸件充型过程数值模拟研究现状........................................... 4 1.3 华铸 CAE/InteCAST 系统 .......................................................... 4 1.4 Pro/Engineer4.0 三维建模软件................................................... 5 1.5 研究内容 ...................................................................................... 6 1.6 研究方法 ...................................................................................... 7 第二章铸造工艺方案设计 ........................................................................... 8 2.1 铸造工艺设计的介绍 .................................................................. 8 2.1.1 铸造工艺设计的概念 ............................................................... 8 2.1.2 设计依据 ................................................................................... 8 2.1.3 铸造工艺设计的内容 ............................................................... 8 2.1.4 铸造工艺设计的一般步骤 ....................................................... 9 第 III 页、设计（论文）专用纸 2.2 消失模铸造工艺的介绍 ............................................................ 10 2.2.1 原理 ......................................................................................... 10 2.2.2 优点 ......................................................................................... 10 2.3 模型材料—泡沫聚苯乙烯塑料................................................ 11 2.4 模型的制造 ................................................................................ 12 2.4.1 发泡成型 ................................................................................. 13 2.4.2 加工成型 ................................................................................. 13 2.4.3 手工加工 ................................................................................. 15 2.5 模型的结构与装配 .................................................................... 15 2.5.1 各种粘结剂性能介绍 ............................................................. 15 2.5.2 粘合方法 ................................................................................. 16 2.5.3 塑木结构 ................................................................................. 16 2.5.4 空心结构 ................................................................................. 17 2.6 铸件浇注位置的选择 ................................................................ 17 2.7 铸造工艺参数 ............................................................................ 18 2.7.1 铸件尺寸公差 ......................................................................... 18 2.7.2 铸件重量公差 ......................................................................... 19 2.7.3 铸造收缩率 ............................................................................. 19 2.7.4 机械加工余量 ......................................................................... 20 第 IV 页、设计（论文）专用纸 2.7.5 最小铸出孔及槽 ..................................................................... 20 2.7.6 其它铸造工艺参数 ................................................................. 20 2.8 浇冒口系统设计 ........................................................................ 22 2.8.1 浇注系统 ................................................................................. 22 2.8.2 冒口及冷铁 ............................................................................. 24 2.9 设计中的相关数据计算 ............................................................ 25 2.10 小结 .......................................................................................... 27 第三章 Pro/Engineer4.0 三维建模.............................................................. 27 3.1 引言 ............................................................................................ 27 3.2 Pro/Engineer 软件的特点和优势.............................................. 29 3.3 Pro/Engineer4.0 对计算机系统的要求 .................................... 31 3.4 Pro/Engineer4.0 模具设计的基本方法和步骤 ........................ 31 3.5 Pro/Engineer4.0 的用户界面..................................................... 33 3.6 设计中零件钩型杆的三维造型................................................ 35 3.7 小结 ............................................................................................ 35 第四章华铸 CAE 数值模拟仿真 ............................................................... 37 4.1 引言 ............................................................................................ 37 4.2 CAD/CAE 的总体结构 ............................................................. 38 4.3 铸件的特点及工艺方案简介.................................................... 39 第V页、设计（论文）专用纸 4.4 钩型连杆的充型过程数值模拟................................................ 41 4.4.1 充型过程数值模拟的作用 ..................................................... 41 4.4.2 充型过程数值模拟的步骤 ..................................................... 41 4.5 铸件工艺分析及工艺方案的改进............................................ 50 4.5.1 铸件工艺分析 ......................................................................... 50 4.5.2 工艺改进后的数值模拟及结果............................................. 50 4.6 小结 ............................................................................................ 51 结论 ............................................................................................................... 52 总结与体会 ..................................................................................................... 53 谢辞 ............................................................................................................. 54 参考文献 ......................................................................................................... 55 附录 ............................................................................................................. 56 第 VI 页、设计（论文）专用纸摘要本文介绍了 Pro/Engineer 4.0 的三维建模方法和华铸 CAE 计算机数值模拟仿真的理论，并结合实例给出利用 Pro/Engineer 4.0 建模的过程和利用华铸 CAE 对充型过程进行数值模拟的程序做了讲解。铸造过程计算机模拟仿真是铸造学科的前沿领域。铸造过程的数值模拟可以帮助工程技术人员预测铸件缺陷，铸件材质的好坏直接影响产品的使用性能。而对其材质检测只能是破坏性检测，因此必须提高铸件生产工艺的可靠性，为此，在产品开发初期有必要对其生产工艺进行模拟仿真和缺陷预测，从而优化工艺设计方案，确保铸件质量。本文针对中国机械协会铸造工艺设计大赛所给零件钩型连杆进行了充型凝固过程的数值模拟，利用数值分析技术、数据库技术和可视化技术，根据传热理论、流体力学以及金属凝固理论等对铸造过程进行计算机模拟仿真，预测的铸件缩孔、缩松缺陷发生部位和实际情况相吻合，为工艺方案的优化提供了科学依据。关键词：关键词：铸造；Pro/Engineer 4.0; 华铸 CAE；钩型连杆；数值模拟仿真；钩型连杆；第 VII 页、设计（论文）专用纸 Abstract In this paper, Pro/Engineer 4.0 of the three-dimensional modelling and casting CAE, computer numerical simulation theory. And gives examples of the use of Pro/Engineer 4.0 modeling the process of casting and the use of CAE, the filling process to simulate the procedures done on. Casting process simulation computer subjects is casting the forefront of the field. Casting process numerical simulation can help engineering and technical personnel forecast casting defect, casting material will have a direct impact on product performance. And its destructive material testing can only be detected, it must improve the reliability of casting production process, to that end, early in the product development process is necessary to conduct simulation and defect forecast to optimize the design of the programme to ensure that the casting Quality. This paper aiming at the China machinery association casting process design contest has given parts on the hook type connecting rod during the filling solidification simulation, using numerical analysis, database technology and visualization technology, according to heat transfer theory, fluid dynamics and the solidification of metals such as The casting process computer simulation, predicted the casting Shrinkage, shrinkage defects location and circumstances in line for the optimization of the programme to provide a scientific basis. Key words: casting, Pro/Engineer 4.0; HZCAE; Hook type connecting rod; Numerical simulation 第 VIII 页、设计（论文）专用纸前言随着改革开放和经济建设的发展，以及竞争激烈的国际市场的需求，就要对铸件生产实现科学化控制，确保铸件质量，缩短试制周期，降低铸件成本，增强竞争能力，提高经济效益。例如本科题铸件复杂系数高，试制周期长，生产难度大，所花费的人力、物力较大，而且容易产生气孔、夹渣、冷隔、缩孔、缩松、应力变形、裂纹等铸造缺陷，在机加工过程中也容易因铸件内部缺陷而报废，造成极大的经济损失，铸件质量不易保证。仅仅依靠当前采用的传统的、依赖经验判断式的工艺设计方法和试生产手段是远远满足不了企业发展需求的。只有铸造 CAE 技术的发展应用才是改造传统铸造产业的必由之路。选定此课题的意义就在于全面提升铸造工艺水平、缩短产品开发周期、提高工艺出品率、提高铸件质量、降低生产费用、提升企业竞争力。铸件形成过程的数值模拟是近三十年来迅速发展起来的现代铸造工艺研究方法。这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析，能快速、深入地揭示出决定铸件质量的内在规律，可在工艺实施前优化或验证所采用的铸造工艺参数，这对于指导工艺设计和消化、发展国外先进工艺并达到技术领先具有重要意义。近年来，随着市场竟争的日趋激烈，对产品从设计到正式投产的开发周期的要求越来越短， CAD/CAE/CAM 技术、并行技术、快速成型技术等高新技术在铸造生产中不断地被采用和集成。铸件形成过程的数值模拟作为上述技术实施过程中的重要环节，能够在铸件设计周期并行完成工艺方案的优化，从而缩短新产品的工艺设计和试制周期，显著缩短新产品开发周期。就上述原因，本次设计选择了铸造工艺过程模拟研究作为设计课题。由于本人水平有限，疏漏与错误之处在所难免，敬请各位读者不吝赐教。第1页、设计（论文）专用纸第一章 1.1 选题背景及意义目前，随着产品需求的多样性、多变性、技术更新周期不断缩短等特点，多数效益好的厂家铸造工艺工装设计都实现了计算机化。铸造 CAE 技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造技术，对降低产品成本、提高铸造企业竞争力有着不可替代的作用，它的应用和推广必将为铸造行业带来很大的经济和社会效益。国内外许多通用的商品软件都能够有效地预测铸件缩孔类缺陷，其准确性基本上达到了定量的程度。充型过程的数值模拟其理论和算法也趋于完善，对充型过程类缺陷如浇不足、冷隔、卷气、夹渣等也能够进行有效地定性预报。应力场以及组织模拟也取得了一些可喜的进展。仅仅依靠当前采用的传统的、依赖经验判断式的工艺设计方法和试生产手段是远远满足不了企业发展需求的。只有铸造 CAE 技术的发展应用才是改造该公司传统铸造产业的必由之路。选定此课题的意义就在于全面提升该公司的铸造工艺水平、缩短产品开发周期、提高工艺出品率、提高铸件质量、降低生产费用、提升企业竞争力，在创造经济效益的同时，进一步优化企业形象。铸件形成过程的数值模拟是近三十年来迅速发展起来的现代铸造工艺研究方法。这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析，能快速、深入地揭示出决定铸件质量的内在规律，可在工艺实施前优化或验证所采用的铸造工艺参数，这对于指导工艺设计和消化、发展国外先进工艺并达到技术领先具有重要意义。近年来，随着市场竞争的日趋激烈，对产品从设计到正式投产的开发周期的要求越来越短， CAD/CAE/CAM 技术、并行技术、快速成型技术等高新技术在铸造生产中不断地被采用和集成。铸件形成过程的数值模拟作为上述技术实施过程中的重要环节，能够在铸件设计周期并行完成工艺方案的优化，从而缩短新产品的工艺设计和试制周期，显著缩短新产品开发周期。绪论第2页、设计（论文）专用纸铸造过程计算机模拟仿真的发展简介 1.2 铸造过程计算机模拟仿真的发展简介 1.2.1 1.2.1 铸造过程数值模拟的意义铸件形成过程的数值模拟是近三十年来迅速发展起来的现代铸造工艺研究方法。这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析，能快速、深入地揭示出决定铸件质量的内在规律，可在工艺实施前优化或验证所采用的铸造工艺参数，这对于指导工艺设计和消化、发展国外先进工艺并达到技术领先具有重要意义。近年来，随着市场竟争的日趋激烈，对产品从设计到正式投产的开发周期的要求越来越短， CAD/CAE/CAM 技术、并行技术、快速成型技术等高新技术在铸造生产中不断地被采用和集成。铸件形成过程的数值模拟作为上述技术实施过程中的重要环节，能够在铸件设计周期并行完成工艺方案的优化，从而缩短新产品的工艺设计和试制周期，显著缩短新产品开发周期。近年来，以铸件形成过程的数值模拟为核心的铸造 CAE 技术发展迅速，它是以铸件形成理论、凝固理论、传热学、流体力学、数理方程、工程力学等学科为基础，以数值计算技术、计算机技术为手段的现代铸造工艺研究方法，是目前国际上公认的采用高新技术改造传统铸造产业的必由之路，该技术被认为是今后十年提高铸造业竞争力的关键技术。它利用 “电脑试浇”的方法对铸件形成过程进行仿真模拟，模拟铸件的充型凝固、传热、应力场、微观组织分析、缩孔及缩松的形成、热裂等过程，可以帮助工程技术人员进行铸造工艺优化设计，在实际生产之前对铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生的时间予以有效地预测，在浇注前采取相应的对策以确保铸件质量。这将大大缩短工艺设计试制周期、降低生产成本、提高产品质量、提高生产效率和经济效益，对于铸造生产具有重要意义。目前国内外铸造 CAE 技术已经发展到全面分析、优化工艺设计阶段 (包括计算模拟、几何模拟及数据库，并有机结合起来，模拟结果以清晰、逼真的可视化动态图象显示仿真效果)，世界各国对此都投入了大量人力、物力，该项技术己进入工第3页、设计（论文）专用纸程实用化时期，因而铸造生产正由凭经验走向科学指导。 1.2 铸件充型过程充型过程数 1.2.2 铸件充型过程数值模拟研究现状充型过程对铸件的最终质量起着重要作用，许多铸造缺陷，如卷气、夹渣、缩孔、缩松、冷隔等都于充型过程有关。充型过程数值模拟的目的有两方面:一是预测充型不合理而引起的铸造缺陷，以优化浇注系统；二是为随后进行的凝固过程数值模拟提供较准确的温度场，进一步提高凝固模拟的精度。随着计算流体力学和计算机技术的进步，20 世纪 80 年代开始了充型过程数值模拟的研究。1983 年，W.S.Huang 在美国匹兹堡大学和 R.A.Stoehr 教授首先将计算流体力学的研究成果用于解决铸造充型问题，模拟了平板铸件的充型过程。1984 年，美国学者 P.V.Desai 首先将充型过程的流动与传热结合起来，研究了强制对流情况下内浇道中的温度分布。随后，世界各国纷纷开展了这方面的研究，经过短短十几年时间，充型过程数值模拟不仅实现了二维到三维的进展，而且在数学模型的选择、数值计算方法的改进及实际应用中都取得了很大进展，并出现了许多商品化软件，这些软件的功能也向低压铸造、压力铸造、熔模铸造、消失模铸造等特种铸造工艺扩展。国内在铸件充型过程数值模拟的研究基本上可以跟踪世界先进水平，但在软件开发和生产应用方面与发达国家相比还有较大差距，在某些方面，例如有限元计算三维充型凝固过程及物性参数、收缩缺陷判据、传热边界条件等方面，还缺乏相关的研究。 1.3 华铸 CAE/InteCAST 系统华铸 CAE 是一款对铸件充型过程进行计算机数值模拟仿真的软件。其包括前置处理模块、计算分析模块以及后置处理模块。前置处理模块包括对铸件、砂芯、铸型等的三维造型和网格剖分;计算分析模块是对铸件/铸型的各物理场进行求解;后第4页、设计（论文）专用纸置处理模块是把计算结果以曲线、图形、图像以及动画等表达方式直观有效地表达出来。最后根据模拟分析的结果判断工艺的优劣,如果工艺不可行,则改进工艺重新进行模拟分析直至获得一个比较满意的结果,这样就实现了在计算机虚拟环境下优化工艺的目的。图 1—1 是华铸 CAE/InteCAST 的基本模块和功能。前处理三维造型，网格剖分计算分析充型过程分析，耦合分析，凝固过程分析，铸件凝固与缩孔形成过程分析后处理图形，曲线，数值鼠标帧动画，实时动画数据库辅料库合金库（碳钢，低合金钢，高合金钢）五大专用模块 STL 处理，切片显示， MAT 旋转，温度曲线，缺陷判断图 1—1 华铸 CAE/InteCAST 的基本模块和功能华铸 CAE 软件系统采用了有限差分法,其流动场数值分析是基于 SOLA-VOF 方法, 该 CAE 软件系统是用体积函数来跟踪自由边表面的位置,另外该系统采用惯性原理和连续性原理相结合的方法比较合理地处理了自由表面的速度边界条件。 Pro/Engineer ngineer4.0 1.4 Pro/Engineer4.0 三维建模软件 Pro/Engineer是美国参数技术公司（Parametric Technology Corporation，简称PTC）的重要产品，是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标第5页、设计（论文）专用纸准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。 Pro/Engineer是3D产品设计的行业标准，作为业界领先的生产效率工具，它促进用户采用最佳设计做法，同时确保遵守业界和公司的标准。集成的参数化3D CAD/CAM/CAE解决方案可让您的设计速度比以前都要快，同时最大限度地增强创新力度并提高质量，最终创造出不同凡响的产品。经过10余年的发展，Pro/Engineer已经成为三维建模软件的领头羊。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/Engineer还提供了全面、集成紧密的产品开发环境，是一套由设计至生产的机械自动化软件，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能的综合性MCAD软件。基于Pro/Engineer具有以上强大的功能，我在本次设计当中选择了Pro/Engineer 4.0 作为三维建模工具。 1.5 1.5 研究内容在三维建模的过程当中，本论文研究解决以下问题： 1) 研究 Pro/Engineer4.0 的建模方法； 2) 根据铸造工艺手册，确定模型铸件的各项工艺参数，其中包括消失模的原理，模型材料的制备，模型的制造，设计等等； 3) 确定方案，画出铸件模型（其中包括浇注系统的位置选定，冒口的安放位置）。在铸造 CAE 技术的应用过程中，本论文研究解决以下问题： 1）研究华铸CAE的使用方法； 2）确定计算机仿真模拟计算的各项技术指标，把铸件模型导入华铸CAE系统进行计算模拟仿真； 3）通过对铸件充型过程、凝固过程的数值模拟、仿真和缺陷预测，优化工艺设计方案。第6页、设计（论文）专用纸 1.6 1.6 研究方法 1）根据铸造工艺要求(包括加工余量、工艺补正量、反变形量、收缩率、圆角、浇冒系统等工艺参数)进行三维铸件造型、浇冒口造型、生成铸造工艺数值模拟分析的实体造型； 2）把三维铸件造型利用STL文件格式导入华铸CAE系统进行数值模拟仿真计算； 3）根据仿真计算结果，分析形成缺陷的原因，进一步改进工艺方案，优化设计方案。其主要流程如图1—2所示：图1—2 华铸CAE流程图第7页、设计（论文）专用纸第二章铸造工艺方案设计铸造工艺方案设计 2.1 铸造工艺设计的介绍 2.1.1 铸造工艺设计的概念铸件的生产过程，从零件图开始，一直到铸件成品检验合格入库为止，要经过很多道工序。涉及到合金熔炼，造型、制芯材料的配置，工艺装配的准备，铸型的制造、合箱、浇注、落沙、和清理等许多方面。人们把一个铸件的生产过程称为铸造生产工艺工程。工艺设计就是根据零件的结构特点、技术要求、生产批量和本身的生产条件等，确定零件较合理而经济的成型工艺方案，绘制铸造工艺图以及编制有关的技术文件。其中，最主要的工作是确定铸造工艺方案和和绘制铸造工艺图。这些技术文件必须结合工厂的具体条件，是在总结先进经验的基础上，以图形、文字和表格的形式对铸件的生产工艺过程加以科学的规定。它是生产的直接指导性文件，也是技术准备和生产管理、制定进度计划的依据。 2.1.2 设计依据设计人员在动手设计前，必须做周密的调查研究，掌握工厂和车间的生产条件，了解生产任务和要求等详细情况。这些都是设计的原始条件，也是设计的依据。此外，设计人员应对国内外铸造工艺的先进科学技术有比较透明的了解，方能带到更高设计水平。 2.1.3 铸造工艺设计的内容（1）铸件结构的工艺性第8页、设计（论文）专用纸 a 铸造工艺对铸件结构的要求； b 铸造合金对铸件结构的要求； c 铸造方法对铸件结构的要求；（2）铸造工艺方案的确定 a 件浇注位置的选择； b 模型的制造 c 模型的结构与装配（3）铸造工艺参数的确定 a 铸件尺寸公差； b 造收缩率； c 机械加工余量； d 小铸出孔及槽；（4）浇冒口系统设计 a 注系统类型的选择； b 注系统各浇道（浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道）的尺寸设计； c 冒口及冷铁的选择；设计的一般步骤 2.1.4 铸造工艺设计的一般步骤 .1.4 铸造工艺设计（1）对零件图纸进行审查和进行铸造工艺性分析。（2）选择铸造方法。（3）确定铸造工艺方案。（4）绘制铸造工艺图。（5）绘制铸件图。在这阶段中，对铸造工艺方案、各种工艺参数以及浇冒系统设计等，用木模、木芯盒进行反复调试和修改，直到符合要求为止。在此基础上绘出正式铸造工艺图和铸件图，铸件图经设计、机加工和铸工等部门共同会签之后方为有效。第9页、设计（论文）专用纸消失模铸造工艺的介绍 2.2 消失模铸造工艺的介绍 2.2 2.2.1 原理消失模铸造，又称实型铸造，是用聚苯乙烯泡沫塑料模代替金属模和木模等来进行造型、浇注的（无空腔）铸造方法。在这种铸造法中，模型及浇冒口用聚苯乙烯泡沫塑料制成。模型是整体的或部分的（即塑-木结构）。如图 1 所示，将模型放在砂箱内用型砂充填舂实后，模型不取出，当金属液注入铸型时，模型气化而失去，金属液取代原来的泡沫塑料模型的位置，凝固而成铸件。这种方法又可称为“气化模铸造法”或“全模铸造法” 。消失模铸造与一般铸造法最大的不同点是铸造中没有型腔，没有分型面，可以不用型芯，省略了拔模、修型、烘型和合箱等工序。 2.2 2.2.2 优点消失模铸造与一般铸造法比较有下列独特的优点：节约木材。该法的应用可以节约大量的木材，这对落实伟大领袖毛主席关于“备战、备荒、为人民”的伟大战略方针有积极意义。减轻劳动强度。由于实型法制模材料—聚苯乙烯泡沫塑料比重很轻（约为 0.015—0.03 克/ 3 厘米），使制模操作轻巧灵活，而且造型时不需拔模、修型、合箱、烘型等工序，这都大大减轻了造型工的劳动强度。简化工序，缩短铸造周期。由于消失模铸造模型是整体的，基本上不用型芯，省略了型芯和芯骨的制备工序，又是采用了冷固性型砂，不需要烘型、烘芯以及一些铸型的准备工作，操作中又省略了拔模、修型、配箱等工序，因此大大地缩短了铸造周期，提高了劳动生产率。提高铸件的尺寸精度和质量。鉴于实型法的特点是在铸型中没有型腔、没有分型面和不需要拔模斜度，因而铸出的零件没有披缝和错箱，尺寸更接近于零件的最终尺寸，这样便提高了铸件的精度，甚至在某种程度上可以和精密铸造媲美。例如，1967 年某厂生产一批中猛钢履带板，数量 300 余件，毛坯接触面尺寸精度要求高，用一般铸造法不能达到要求，我们就采用消失模铸造，模型发泡成型，结果生产出符合图纸技术要求的铸件，其模型见后面图 4。再有，铸件在浇注过程中，由于泡沫塑料在高温金属液作用下气化而产生一般反压力，消除了金属液的飞溅现象同时使铸件凝固时受到一定的压力，借以得到致密的金相组织。零件的设计制造自由度大。由于模型无须从铸型中取出，没有起模、修模等工序，因而零件设计不受铸造工艺限制，能制造一般铸造法无法制造或制造困难的任何形状铸件。便于简化造型操作过程。局部使用泡沫塑料模型的铸造方法，即塑料与木模、塑料与金属模结合的方法，可达到简化造型操作过程，实现最佳工艺方案的目的。例如：活络快、法 1. 2. 3. 4. 5. 6. 第 10 页、设计（论文）专用纸兰、托架凸起部、圆角出气口、浇口和冒口等，均可用泡沫塑料制造，造型时附装在木模或金属模型上，起模后泡沫塑料模部分留在砂型内，这样便不用担心它们是否拔得出来，还可减少砂泥芯和工艺设施，简化工艺方法。同时，这种方法亦可用于工艺效果显著的球形冒口牛角式浇注等系统。 7. 减少车间设备的投资费用。由于模型的材料质地很轻，造型时又不必翻箱，制造特大重型铸件可减少起重等设备。 8. 便于实现铸造机械化和自动化。消失模铸造法若与流态自硬砂结合使用，可进一步省去舂砂等繁重体力劳动，有利于实现铸造生产机械化和自动化。 2.3 模型材料— 2.3 模型材料—泡沫聚苯乙烯塑料在消失模铸造中，常用热塑料性聚苯乙烯泡沫塑料作模型材料。聚苯乙烯是一种碳氢化合物，按重量来说含 92%的碳，8%的氢。聚苯乙烯由单体的苯乙烯聚合而成，其分子量在 200000 —800000 之间。目前国内生产的泡沫塑料用粘度法测定的分子量一般在 60000 左右，比国外的泡沫塑料分子量低很多。这主要是因为现在用的这种泡沫塑料不是为用于铸造而生产的，而是用在包装、建筑材料、冷冻绝热等方面。因此迅速生产出适合铸造用的泡沫塑料是摆在化工、塑料工作者面前的一项迫切任务。对于消失模铸造来讲，需要模型全部气化消失而被金属所代替，如果用密实聚苯乙烯塑料，则在气化时产生的气体量太多，来不及从铸型中全部逸出，而且，密实的聚苯乙烯不能充分气化，。如在 1000 C 下完全燃烧，则 1 克分子（约 104 克）的聚苯乙烯所生成的气体超过 1000 升。因此，用泡沫聚苯乙烯塑料是较理想的。它内部结构式蜂窝状的，有许多封闭的空泡，其净体积仅为致密固态聚苯乙烯的 2%左右，我们用的材料主要是在上海塑料七厂的可发性聚苯乙烯泡沫塑料。最初试验时曾少量用过上海塑料研究所的泡沫塑料。关于聚苯乙烯泡沫塑料的制备，其生产工艺流程如下： 1. 苯乙烯的制造。工业上，在无水三氯化铝存在下，乙烯与苯发生烃化反应而合成乙苯，乙苯经催化脱氢而得苯乙烯。 2. 苯乙烯的制得。聚苯乙烯由苯乙烯聚合而得。生产上一般采用 99.5%以上的苯乙烯单体，在密闭的带有搅拌的不锈钢反应釜中，加 2—3 倍于苯乙烯单体的软水，另将适量的 HPO 引发剂（过氧化苯甲酰溶解在苯乙烯内）和分散。剂 PVA（聚乙烯醇）等一起加入釜中，加热至 80—90 C 反应 8—10 小时，在聚苯乙烯珠粒。形成并硬化后，继续升温至 100 C 以上熟化 3 小时左右，即可得到直径为 0.5—3 毫米的稍透明的聚苯乙烯珠粒，作为泡沫聚苯乙烯的原料。 3. 泡沫聚苯乙烯的制得。一般有加温加压法和低温浸渍法两种方法，后者由于不适宜实际生产，故很少应用。加温加压法的基本原理是：使用低沸点发泡剂，在稍加热的条件下，依靠其本身对聚苯乙烯的溶胀和压力作用，渗入高聚物分子链之间而溶解在聚苯乙烯珠粒内。当进行预发泡加。热（80—110 C）时，聚苯乙烯达到软化状态，而发泡剂达到气态化，产生膨胀力，形成微孔泡沫。第 11 页、设计（论文）专用纸生产上用加温加压法的一把步骤如下（以 10—20 目可发性聚苯乙烯珠粒为例）：。（1）浸发泡剂：我们所用的发泡剂是低沸点的戊烷—石油醚，一般在 40 C 以下均可使用。另外辛烷、偶氮化合物及无机发泡剂也可采用，但效果及价格上均不及石油醚，故不大采用。其配方（重量百分比）为：聚苯乙烯珠粒 100 水 160—200 戊烷 6—10 肥皂粉 3—5 充氮 0.5 公斤/厘米 2（压力）。。聚苯乙烯珠粒在 100—120 C 反应釜内连续搅拌 0—5 小时，然后冷却至 35—38 C 左右出料，经洗涤、冷冻、吹干等工序即可得到可发性聚苯乙烯。（2）加热预发泡：一般生产是采用蒸气预发泡。据上塑七厂的经验，一般将预发温度控。，时间约 10—25 分钟（视制在 80—105 C（视可发性聚苯乙烯珠粒存放时间而定）发泡剂含量、分子量及制品的比重而定）。为了使聚苯乙烯泡沫珠球具有弹性以及获得致密的泡沫塑料，一般预发好的聚苯乙烯颗粒需经一定时间的熟化过程。 4. 成型。将已熟化好的预发聚苯乙烯珠球加入一定形状的模型内，注入蒸气或热空气，加热 5 —20 分钟，使泡沫颗粒进一步膨胀，在型内压力作用下填满了颗粒与颗粒之间空隙，并使聚苯乙烯熔融而粘结在一起，获得表面光洁良好的泡沫塑料。如图 2 所示，左面的泡沫塑料减速箱盖模型是用右而预发好的聚苯乙烯珠球成型的。以下是泡沫聚苯乙烯塑料（比重为 20 公斤/米 3）的物理（化学）性能指标：，每立方米重约 20 公斤。 [密度] 0.015—0.030 克/厘米 3（约为木材的 5%） [疏松度] 98%（每立方厘米含 5000—10000 孔，壁厚约 1 微米）。 2 [抗压强度] 1.22—1.81 公斤/厘米。 [抗弯强度] 3.02—3.8 公斤/厘米 2。 [冲击强度] 0.46—0.49 公斤/厘米 2。。 [热稳定性] 75 C。 [吸水性]2—3%（8 个月后）。 2 [透气性] 0.38 克/米小时。（其中抗压、抗弯、冲击、热稳定性数据来自上塑七厂可发性聚苯乙烯泡沫塑料性能表。）泡沫聚苯乙烯具有良好的绝缘性，它溶于酯、酮、苯、氯化烃（如二氯甲烷、四氯化碳、三氯甲烷），稍溶于乙醚和丙酮，不溶于酒精和水，低温时耐无机酸和碱。 2.4 2.4 模型的制造对于大量生产的成批铸造，其模型的制造经常是使用发泡装置进行发泡成型。对于单件或小批生产的模型，均可由不同规格的泡沫塑料板材加工成型；用机械加工（铣削、车削、电热第 12 页、设计（论文）专用纸丝切割以及手工加工等）制成模样的各个部分，然后按零件尺寸的要求，用不损害聚苯乙烯的专门粘结剂将其粘合起来而成所需的模型。 2.4.1 发泡成型大量生产或成批生产的模型往往是采用手工、机械或自动化的发泡装置。其生产方法是把经过预发泡并熟化好的聚苯乙烯珠球填充到密封的金属型内（一般是采用以铝合金为材料的金属型），注入蒸气或热空气，加热 5~20 分钟（依模型壁厚的不可而有所差异，一般模型愈大、愈厚，其时间就较长；反之，就较短）。泡沫珠球在金属型内膨胀，形成内压力，使半熔融中的泡沫球株相互粘合在一起，并填满了颗粒与颗粒之间的空隙，得到表面光洁良好的泡沫塑料。这种泡沫塑料内部呈蜂窝状的封闭结构。 2.4.2 加工成型加工泡沫塑料的机械设备主要有档、车床、外圆砂皮磨床、升降式内圆砂皮磨床、无齿铜盆机、平齿绕锯机、手推平刨车及电热切割等。圆锯机、手推平刨车、电热切割等是属粗加工成型，而铣削、车削、磨削、无齿铜盆机和平齿绕锯机切割等均属精加工。 1. 铣削加工铣削加工是泡沫塑料模型最常用的机械加工方法，主要用来铣平面。国外用 22000 转/分的高速铣床来加工。我们打破洋框框，改进了刀具，在原有的转速为 3500 转/分的木工铣床上进行加工。铣刀的形状对模型加工质量有很大的影响。因为泡沫塑料内部结构是一颗一颗的蜂窝状组织，在加工过程中若刀具选择不当，很容易发生泡沫珠球削落现象，使模型表面质量受损。我们用的是圆形薄片铣刀，用这种刀具来加工泡沫塑料的特点是塑料被一片一片地削下来，而不象用梅花形铣刀那样是把泡沫塑料刮下来。故用圆形薄片铣刀加工的模型质量好，平而光洁平整，且不会发生珠球剥落、表面粗糙和被刀具所损伤的现象。图 6 是铣刀结构图。刀具的材料可用工具钢或高速钢。我们在刀具上面开了三条或多条散热槽，因为泡沫塑料是一种良好的绝热材料，热量不易散失，而如果在切削过程中发生的热量散不出去，就很容易造成泡沫塑料的软化、熔融，使加工的表面粘结硬化，不利切削。开了三条槽之后，热量散失容易得多，加工表面的温度不致达到使模型熔吉块的地步，模型表面就光洁平整了。每次铣削的深度一般不宜超过 1 毫米。切志量过深会发生模型拾起的现象，不但铣不光洁，而且也铣不平整。铣削时，模型不需要用任何光具夹窄，因为切削力很小，只要用手扶住塑料即可铣削。另外，还有一个问题要注意的，在我们试验过程中发生铣好后的泡沫塑料平板有弯曲变形的现象，尤其是薄的平板更显著。发生这种现象的原因可能是：①比重轻，内部颗粒不均匀，强度不一致，颗粒大的松的地方空气多，强度低，颗粒小的致密的地方强度高，这种内部组织第 13 页、设计（论文）专用纸的不均匀就容易造成变形；②聚苯乙烯泡沫塑料在发泡成板材后，没有停放一个足够的时间，使板材里面的空气跑完，加工以后才逐步消失，因而发生变形。对于这种现象的处理，我们是将加工完了的平板，四面腾空放平，让它透空气，就不会有弯曲现象。另外，我们们希望塑料内部组织要均匀及多停放一些时间，使内部空气充分排除，可减少这种现象的发生。 2. 车削加工泡沫塑料的车削是加工过程中的一个难关，国外认为可发性聚苯乙烯泡沫塑料要车削加工是不现实的。这主要是因为材质软，加工的刀具和夹具都有问题。但我们没有被困难吓倒，试验成功了车削加工。试验的材料同样是上塑七厂比重为 0.03 克/厘米 3 的可发性泡沫塑料，设备是切削木模的车床，车头轴的转速为 150～750 转/分。泡沫塑料车削的特点也必须是一片一片车削下来，才车得光洁。操作方法是先把泡沫塑料模型用粘结剂粘在木盘上，将夹是夹牢木盘。若较长的模型须二端顶住加工的话，则顶针座不宜顶得过紧，否则模型会拱起变形，使车削发生困难。车刀应是平薄锋利的，不宜使用切削金属的车刀，车刀的材料也要用工具钢和高速钢。车削时，试样和车刀应以一个点接触，切削角约 15 度，后角约 45 度，车速控制在 500-750 转/分左右。我们认为车速不宜过高，一般在 1000 转/分以下较适宜，因车速愈高，工件的离心力愈大，发生晃动的现象愈严重，且在切削过程中，车下来的塑料片色不在工件上，易将工件刮毛。切削量以 1-2 毫米较好。切刀量过大，有切不进的现象；切刀量太少，反而刀子把工件刮毛。另外，用手握车刀切削不好，一方面切削量不能控制，另一方面切削速度也不能控制，走刀时快时慢，最好有自动进刀装置。目前，我们正在进一步改进刀具，在能车外圆的基础上，做到能车内圆、孔、键槽等。图 7 所示，为车削成型 1500 毫米直径、1500 毫米高的圆柱段件模型。 3. 磨削加工外圆砂皮磨床主要用来磨工件的平面、斜面和外圆孤。升降式内圆砂皮磨床用来磨工件的凹圆形和内圆弧。磨削操作的特点是加工简单，速度快。用来磨泡沫塑料模型的砂纸应是细号砂纸。操作时，用力不能过大，速度要慢一点，否则会产生严重的胶结现象。但经磨削加工后，在模型表面上的一层外壳是不可避免的，这是因为塑料被压实的缘故。 4. 无齿铜盆锯锯割无齿铜盆锯锯割能代替一部分平面铣削，节省时间；另外，能用来锯割端面及切边等工序。经无齿铜锯锯割后的模型也很光洁，不用再铣削。用来切割泡沫塑料的铜盆锯锯片必须是无齿的或很薄很锋利的，这样才能达到光洁平直的要求。 5. 绕锯机加工平齿绕锯凡能用来加工模型（板材）端面，切边以及外圆弧等。加工塑料用的绕锯机就是一般的木工绕锯机，但齿条应是平直或薄门无齿的。这种齿条加工的塑料表面很光洁，但由于切割时齿条嵌在塑料中，齿条和材料摩擦产生的热量一时不易散去，致使塑料表面有粘结现象，所以绕锯机的热量一时不易散去，致使塑料表面有粘结现象，所以绕锯机的转速不宜过快，我们一般控制在 1450 转/分，这样表面基本无粘结现象，较为光洁。电热丝切割用于粗加工取料，用直流低压操作，电压控制在 5~12 伏之间，电热丝直径在 0.5~1.0 毫米。其他如圆锯机、手推平刨机等都是用来切料和刨平面的，其表面都比较粗糙，所以都是粗加工用的。第 14 页、设计（论文）专用纸 2.4.3 手工加工从木模行业当前的生产水平来看，手工操作仍占有一定的重要的地位。对于做泡沫塑料模型来说，手工操作更占有重要的地位，一些形状复杂的模型都全靠手工加工。所以模型做得好坏，主要取决于模型工的操作技术和熟练程度，模型工常用的手工工具是锋利的刀子、薄凿、圆凿等，其他木工工具均可省去不用。现将手工操作中的划线取料和手工工具作此简单介绍： 1. 划线取料划线取料是模型加工的第一道工序泡沫塑料因内部组织疏松，用圆规直接钉在泡沫塑料上划线取料是很困难的，主要是圆心会移动而划不正确，我们用了一片小的 1 毫米厚的有机玻璃，在玻璃片上划好垂直中心线，划线取料时将有机玻璃片垫在泡沫塑料块上，圆规的一只脚钉在有机玻璃的中心线上，这样圆心就不会再移动了，解决了划线的困难。圆规的铅心应用软铅心，否则划线印子太深太粗，也会影响模型尺寸的正确。手坯取料可采用前面叙述的儿种机械设备进行，一般可用绕锯机和电热丝切割等。 2. 手工工具加工泡沫塑料的手工工具一般和加工木模的一样，有模凿、圆凿等，但刀刃要求更加锋利些，加工方法和机械加工的铣削原理一样，以技削为主，切削量要少，才能得到光滑的模型表面。 2.5 2.5 模型的结构与装配因为消失模铸造法具有不从铸型内取出模型的特点，故模型上的任何筋条、凹槽孔、活络块以及类似结构，在制模时都可以不必细加考虑，也不需要任何拔模斜度。只要考虑如何生产起来经济、合理，保证铸件质量，同时又能达到良好的表面光洁以及使造型时春砂方便。为了保证模型加工的方便，可将模型分做各种不同几何开关的元件，然后用快干的粘结剂将元件粘合起来。为了避免浇注时产生过多的气体以及过多的燃尽后的残留物，影响铸造件质量，故粘结剂应昼少用。 2.5.1 各种粘结剂性能介绍聚苯乙稀泡沫塑料溶解丁酯、酮、苯、氯化烃（如二氯甲烷、四氯化碳、三氯甲烷）以及乙醚和丙酮中，不溶于酒精和水。因此适用于粘合聚苯乙稀的粘结剂比较少。能满足快干（在 1 小野心催即干燥），粘强度好，挥发容易，残留物少，又损害聚苯乙烯泡沫塑料的粘结剂更感到不足。最理想的粘结剂应该是聚苯乙烯本身做的胶水。据资料介绍，能做聚苯乙烯泡沫塑料粘结剂的有环氧树脂、酚醛树脂、聚醋酸乙烯脂、脲-甲醛树脂聚乙烯醇缩丁醛等。这些树脂中有的因市场供应不足，有的因价格不贵，都未一一使用。我们曾有的粘结剂有 C、A、O 粘结剂（其主要成分系二氰二胺+甲醛缩合成的树脂）和上海振华造漆厂生产的聚醋酸乙乳液。 O、第 15 页、设计（论文）专用纸 A、O 粘结剂的配方是 100%O、A、O 树脂+6%草酸-100%填料，其中草酸的浓度是 5%，填料是石膏粉和水泥混合料。这种粘结剂干燥快，粘结强度高；其缺点是要随用随配，使用不方便，而且要当天用完，不能存放。在这种粘结剂中要加石膏水泥填料来固化，这对浇注带来不。鉴于聚醋酸乙稀乳液粘结剂货源广，使用简便，以及粘结强度、快干性基本符合使用要求，所以为我们目前普遍应用，但就它的快干性，我们认为还不够理想。为此，今后还有待继续符合上述要求的粘结剂。聚醋酸乙烯乳液是由乙炔与醋酸合成醋酸乙稀酯，再经过乳化聚合而得到的一种乳白色均匀的稠厚液体，属于聚醋酸乙稀树脂水分散系的一种高分子乳化聚合物。它应满足下列技术条件： [外观]乳白色稠厚液体 [干燥剩余物]50±2% [PEI 值]4~6 [颗粒]0.5~5 [粘度]用涂料 4 号粘度计在 25±0.5℃下测定为 50~100 秒。 [稳定性]乳液 100+蒸馏水 15，静置 1 小时后无分层现象。 2.5.2 粘合方法模型的粘合就是把模型元件按设计图纸的尺寸粘合起来。粘结剂要求涂得薄而均匀。对于一些壁薄而高大的模型，在粘合时应用角尽板填在后而保证其垂直度， 8 所示泵用支座的胶合，图其轮廓尺寸为 1060 ×880×795 毫米，比较高大，壁薄仅 60 毫米，而且是空心的，由于泡沫塑料模的强度较差，而且模型的垂直度要求很高，所以我们在胶合时用角尺板填在后面，以保证模型的垂直度。若粘合后的部件需进行车、铣等加工，必须待粘结剂干燥，粘合部分粘牢之后方可加工，否则会影响模型的尺寸精度。 2.5.3 塑木结构为了节约木材，减少型芯和造型方便，对于一些生产数量较多，形状较复杂的铸件，诸如多活络块、搭子、法兰、拉筋、齿轮的齿，以及易钩砂、无法起模或起模后修型困难的部分，均可用泡沫塑料来代替。如图 9 所示的缓冲器前后座，铸件的三个圆筒上下有二条筋联结，原来要做大型芯两只方能取模，现在下部的筋条用泡沫塑料做成，可省去二只型芯。上部木模在造型完了，浇注前从铸型中取出，表面可以修饰，下部塑料就留在砂型内。又如图 10 所示的箱体，铸体轮廓尺寸 2700×3300×850 毫米，铸件毛重 12.5 吨。若按原木模工艺，必须打 6 付泥芯壳。改用塑木结构后，可以省去外圈六付泥芯壳，这样，不仅节约了大量的木材，还节省了不少制模和造型的准备工时，同时还减轻了劳动强度，提高了生产效率。这种结构对于某些大第 16 页、设计（论文）专用纸型铸件，关键性的的或批量较大以及难以起模需打泥芯或造型困难的铸件是一种很好的结构形式，同时也是一种具有普遍推广应用价值的较佳造型工艺。 2.5.4 空心结构对于一些形状简单但又很大的厚实铸件，如闷头、联轴节钻子等，采用空心结构是很好的方法。如图 11 所示的闷头，零件尺寸厚大宜采用这种空心结构。一般上、下面用厚度 30 毫米左右的板覆盖即够了，四周板层厚度应根据春砂强度而定，圆周用数层厚 40~60 毫米的塑料块迭起来，强度也足够了。象这种闷头及后面图 18 之类的铸件，若泡沫塑料模型成实心的话，不仅浪费材料，而且浇注时会产生大量的气体，对铸件产生不利的影响。因此对一些形状简单的铸件用空心结构是很好的结构形式。 2.6 铸件浇注位置的选择铸件的浇注位置是指在浇注时铸件的主要表面在型内所处的状态和位置。铸件的浇注位置对铸件的质量、尺寸精度和造型工艺过程的难易有很大的影响，因而是铸造工艺设计中的重要内容，通常按下面的基本原则进行选择。（1）铸件上质量要求高的部分及重要加工面、加工基准面应尽量朝下或处于侧面。因为下部及侧面出现缺陷的可能性小，组织较致密。当有多个重要加工面时，应将较大的重要加工面朝下，而对朝上的加工面则采取加大加工余量的办法，以保证朝上的表面在加工后无气孔、夹砂、砂眼等缺陷。（2）铸件的大平面应朝下或倾斜浇注。铸件的大平面朝上时，最易产生气孔、夹砂结疤类缺陷，因而应尽量使大平面朝下或倾斜浇注。（3）铸件的薄壁部分应朝下、侧立或倾斜。铸型的下部有较大的金属液静压头，有利于薄壁部分的充填，减少冷隔和浇不足缺陷。（4）铸件的厚大部分应放在顶部或在分型面的侧面。收缩大的合金，铸件厚大处易产生缩孔、缩松缺陷。将这些部分放在顶部或分型面附近，便于安放冒口对其进行补缩。（5）便于砂芯的安放、固定和排气。许多铸件都有砂芯，在考虑其浇注位置时，第 17 页、设计（论文）专用纸尽量不采用吊芯、悬臂砂芯，否则下芯和检查不方便，固定不稳固，浇注时易偏移。此外，浇注时砂芯所产生的气体要经芯头排出，因此，除砂芯的芯头有适当的尺寸外，还应有适当的位置，通常向上排气比向下排气通畅些。本设计中铸件浇注位置的选择： 2.7 2.7 铸造工艺参数 2.7 2.7.1 铸件尺寸公差铸件的尺寸公差与铸件的基本尺寸、生产规模、合金种类和铸造方法等有关。我国铸件尺寸公差标准参见 GB6414—86。其数值见下表 1。表 1 铸件尺寸公差数值（ GB6414 — 86 ）（mm））铸件基本尺寸大于 — 10 16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 至 10 16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 10000 1 — — — — — — — — — — — — — — — — 2 — — — — — — — — — — — — — — — — 3 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.34 0.40 — — — — — — — 4 0.26 0.28 0.30 0.32 0.36 0.40 0.44 0.50 0.56 0.64 — — — — — — 5 0.36 0.38 0.42 0.46 0.50 0.56 0.62 0.70 0.78 0.90 1.0 — — — — — 公 6 0.52 0.54 0.58 0.64 0.70 0.78 0.88 1.0 1.1 1.2 1.4 1.6 — — — — 差 7 0.74 0.78 0.82 0.90 1.0 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.6 — — — 等 8 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.6 2.8 3.2 3.8 4.4 — — 级 9 1.5 1.6 1.7 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.2 3.6 4.0 4.6 5.4 6.2 7.0 — 10 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 5 6 7 8 9 10 11 CT 11 2.8 3.0 3.2 3.6 4.0 4.4 5.0 5.6 6.2 7 8 9 10 12 14 16 12 4.2 4.4 4.6 5.0 5.6 6 7 8 9 10 11 13 15 17 20 23 13 — — 6 7 8 9 10 11 12 14 16 18 21 24 28 32 14 — — 8 9 10 11 12 14 16 18 20 23 26 30 35 40 15 — — 10 11 12 14 16 18 20 22 25 29 33 38 44 50 16 — — 12 14 16 18 20 22 25 28 32 37 43 49 56 64 第 18 页、设计（论文）专用纸注：1.CT1 和 CT2 没有规定公差值，是为将来可能要求更精密的公差保留的。 2.CT13 至 CT16 小于或等于 16mm 的铸件基本尺寸，其公差需单独标注，可提高 2—3 级。 3.如无其他规定，厚壁公差可比其他尺寸的公差降低一级选用。基于设计中铸件的特点，基本尺寸是 132*222，公差等级选择 CT9。 2.7 2.7.2 铸件重量公差铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分率为单位的铸件重量变动的允许值，用代号 MT 表示。重量公差等级共分为 16 级，本设计选择 MT9，公称重量是>1— 4kg，然后查表《铸件重量公差数值（GB/T 11351—89）》得重量公差数值为 14%。 2.7 2.7.3 铸造收缩率铸件在冷却时，因收缩而使尺寸减小，因此，在制造模样时，其尺寸应比铸件实际尺寸放大一个数值，所以放大数值的百分数称为铸造收缩率。以下式表示： K= Lm L j Lj × 100% 式中 K——铸造收缩率； Lm——模样尺寸； Lj——铸件尺寸。依据公式，阻碍收缩率 0.9%，自由收缩率 1.0%。第 19 页、设计（论文）专用纸 2.7 2.7.4 机械加工余量铸件待加工面上为进行机械加工而预留的切除厚度称为机械加工余量。其大小应根据生产规模和方式、加工面的大小、铸造合金的种类和该铸造方法所能达到的铸件尺寸公差等级来选择。机械加工余量的代号为 MA。机械加工余量等级由精到粗共分为 A、B、C、D、E、F、G、H 和 J 共 9 个等级。基于本设计中的钩型连杆铸件，选择 MA G 等级，加工余量数值查表《与铸件尺寸公差配套使用的铸件机械加工余量（B/T11350—89）（mm）》得，本铸件的机械加工余量为 5mm。 2.7.5 2.7.5 最小铸出孔及槽铸件上的孔、槽、台阶等原则上应尽量铸出，以便节约金属，减少加工费用，同时可避免铸件局部过厚，减少缩孔、缩松缺陷。但是，当孔、槽的尺寸太小时，铸出的难度增大，还不如用机械加工方法合算。表 2 为铸件最小铸出孔、槽的尺寸。表中数值为铸件毛坯直径，即若为加工孔，应是加上加工余量后的尺寸。对于一些特殊形状的方孔、弯孔，或不能用机加工方法形成的小孔，原则上必须铸出表 2 铸铁件最小铸出孔尺寸（mm）生产批量大量生产成批生产单件和小批生产铸出孔最小直径 12~15 15~30 30~50 2.7 2.7.6 其它铸造工艺参数 1．铸造圆角第 20 页、设计（论文）专用纸铸件毛坯在表面的相交处，都有铸造圆角，如图所示，这样既能方便起模，又能防止浇铸铁水时将砂型转角处冲坏，还可以避免铸件在冷却时产生裂缝或缩孔。铸造圆角在图上一般不标注，常集中注写在技术要求中。图示铸件毛坯的底面（作为安装底面），需要经过切削加工。这时，铸造圆角被削平。图 2—5 铸造圆角设计中铸件钩型连杆的铸造圆角为 4mm。 2．铸件壁厚在浇注零件时，为了避免个部分因冷却速度的不同而产生缩孔或裂缝，铸件壁厚应均匀变化、逐渐过渡，如图所示。图 2—6 铸件壁厚第 21 页、设计（论文）专用纸 2.8 2.8 浇冒口系统设计铸件的浇注系统和冒口往往统称为浇冒口系统。它直接影响金属液的充填过程、凝固方式、补缩效果和金属的消耗等，与铸件的质量、成本关系重大。据粗略统计，铸件废品中约有 30%是由于浇冒口系统设计不当而引起的。因此，在设计工艺当中，浇冒口系统的设计是个重要环节。 2.8 2.8.1 浇注系统浇注系统是引导金属液进入型腔的一系列通道的总称。其基本要求是：能使金属液有足够的压头，平稳地、均匀地在规定时间内充满型腔；防止冲坏铸型和砂芯；防止熔渣进入型腔；使铸件按预期的方式凝固，以便获得致密的、无表面缺陷的铸件。典型的几种浇注系统如图 10 所示，主要包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等四部分。第 22 页、设计（论文）专用纸图 2—8 几种典型的浇注系统 1）浇口杯第 23 页、设计（论文）专用纸浇口杯又称外浇口，其作用是承接来自浇包的金属液，减轻金属液对铸型的冲击，阻止溶渣、杂物、气泡等进入等进入直浇道，增加金属液的充型压力等。 2）直浇道直浇道是一条垂直通道，将来自浇口杯的金属液引入横浇道，通过调整其高度获得足够的压头以保证金属液能克服沿程的阻力损失，在规定时间内以适当的速度充满铸型型腔。 3）横浇道横浇道是连接直浇道和内浇道的中间组元，主要作用是撇渣，故又称之为撇渣。已进入浇注系统的渣滓最后要靠横浇道滞留。 4）内浇道内浇道将来自横浇道的金属液导入型腔，可控制金属金属液进入型腔的速度和方向，调节铸件各部分的温度分布和控制铸件的凝固顺序。在某种情况下，也有一定的补缩作用。因此，内浇道的位置、数量、尺寸大小等对铸件质量有很大影响。 2.8 2.8.2 冒口及冷铁 1）冒口各种铸造合金在凝固冷却时，都有不同程度的体积收缩，如果不能从其他渠道得到补偿，则在铸件最后凝固处很可能形成缩孔、缩松缺陷。这类缺陷减少了铸件的有效受力面积，使铸件的强度下降。特别是对那些要承受大载荷或需要进行耐压（液压或气压）试验的铸件，有可能因此而报废。冒口是作为一种金属补给器，向铸件最后凝固部分提供补充金属液，以便获得无缩孔、缩松的致密铸件。冒口的安放原则：第 24 页、设计（论文）专用纸 1．冒口应放在铸件最后凝固的厚壁（热节）的上方或侧旁。 2．冒口应尽量放在铸件的最高、最厚处，以利于补缩。如果不能放在被补缩部位的顶部，则冒口顶部应高于热节一定高度。 3．冒口不应设在铸件重要的、受力大的部位，以防止该部位组织大而降低强度。 4．冒口不应设在铸件应力集中处，尽量减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹缺陷。 5．尽可能将冒口设在容易清除冒口的部位，或设在不重要的加工面上，以节约精整工时，降低成本。 6．不同高度上的冒口应采用冷铁将各个冒口的补缩范围隔开。 2）冷铁用来增强铸件局部冷却速度的激冷物称为冷铁。它通常用于需要补缩而又难以设置冒口之处，以便增加该处的冷却速度，获得致密铸件。当冷铁与冒口配合使用时，可增加冒口的补缩距离或补缩范围，减少冒口的数目和体积。此外，冷铁可用于加快铸件某些热节或壁厚交叉处的冷却，防止铸件变形或裂纹；某些要求高硬度、高耐磨性的部位，可通过应用冷铁加速该处冷却的办法获得。 2.9 2.9 设计中的相关数据计算铸件材料为 HT15-33，质量估算为 1.745kg，该铸件需要成批大量生产，因此需采用机器造型，可使生产率保持在较高状态，且铸件质量比较稳定，湿型可用于成批和大量生产的中小件，机械化，自动化的流水线生产中，本铸件即可采用该种铸型。根据铸件壁厚和铸件结构选取铸造圆角为 4mm。铸件采用砂型机器造型，公差等级可选取 8~10 级，择中选取 9 级；重量公差数值为 14%，重量公差等级为 8~10 级，选取 9 级；加工余量等级为 G，加工余量为 5.0mm；测量面高度在 10~40mm 之间，起模斜度为 1.5°～2.0°，选取起模斜度为 1.5°，铸造收缩率根据公式：第 25 页、设计（论文）专用纸该铸件材料为 HT15-33，是灰铸铁的一种，且属于中小型铸件，因此阻碍收缩率为 0.8~1.0%，选取 0.9%，自由收缩率为 0.9~1.1%。选取 1.0%。该铸件采用水平芯头可减少铸件缺陷，保证铸件质量，根据铸件尺寸查表可知水平型芯头长度为 45~55mm，芯头顶面和芯座配合间隙 δ 为 1.5mm，上芯头斜度为 6°，下芯头斜度为 1°。机床类灰铸铁内浇道总截面积根据铸件质量可选取 1.5 cm 2 ，根据以下公式可计算横浇道及直浇道总截面积： F直：F横 : F内 = 1: 1.2:1.5 式中: F直为直浇道总横截面积 F横为横浇道总横截面积 F内为内浇道总横截面积计算可得： F横 =2.50 cm 2 ， F直 =3.00 cm 2 F内 =3.75 cm 2 浇注过程中采用普通漏斗形交口杯，直浇口下部直径在 20~22mm 之间，因此选取浇口杯尺寸： D1 = 66mm D2 = 62mm D3 = 50mm 根据铸件外形尺寸查表可知冒口尺寸如下：冒口直径：D=38mm 冒口高度：H=250mm 质量：m=3.2Kg 第 26 页、设计（论文）专用纸 2.1 2.10 小结 1．本章首先介绍了铸造工艺设计的概念、内容及步骤，为后续部分作为一个引子。 2．研究了产生铸件缩孔缩松缺陷的铸造工艺影响因素，认为铸件的浇注系统和浇注位置是产生铸件缩孔缩松缺陷的重要原因，同时冒口和冷铁的补缩功能也是重要的影响因素; 3．结合设计中钩型连杆零件的实际特点，参阅大量铸造工艺设计方面的书籍，确定本次设计中钩型连杆的各项工艺参数。第三章 3.1 引言 Pro/Engineer4.0 三维建模计算机辅助设计（Computer Aied Design）,简称 CAD 技术，产生于 20 世纪 50 年代后期，至今已有 50 多年的历史。作为先进制造技术的重要组成部分，它是计算机技术在工程设计、机械制造等领域中最有影响的一项高新应用技术。 CAD 技术的使用，可以大幅度地缩短设计周期，提高设计效率和设计质量，降低成本，充分发挥设计人员的创造性。 CAD 造型技术也称建模技术，它是 CAD 的技术核心，建模技术的研究、发展和应用，代表了 CAD 技术的研究、发展和应用。从 20 世纪 60 年代至今，三维建模技术的发展经历了线框建模、曲面建模、实体建模、特征建模、参数化建模、变量化建模，以及当今正在研究的产品集成建模、行为建模等的发展过程。目前，三维 CAD 技术已日趋成熟，现阶段有代表性、应用广泛的三维 CAD 软第 27 页、设计（论文）专用纸件有：美国 PTC 公司的 Pre/E、美国 SDRC 公司的 I-DEAS、美国 EDS 公司的 UG、美国 SolidWorks 公司的 SolidWorks、美国 EDS 公司的 Solid Edge、美国 AutoCAD 及 MDT。另外，还有美国洛克希德公司研制的 CADAM、原 CV 公司的 CADDS、法国 Dassault System 公司研制的 CATIA 等。其中多数软件为 CAD/CAM/CAE 集成软件，除了可以完成三维造型设计以外，还有较强的 CAM 和 CAE 功能。国产三维 CAD 软件有以北航海尔研制的 CAXA 制造工程师系统为代表的一些软件。 Pro/Engineer 是软件包，并非模块，它是该系统的基本部分，其中功能包括参数化功能定义、实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型棚完整工程图产生及不同视图（三维造型还可移动，放大或缩小和旋转）。Pro/Engineer 是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对于工程师来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。这系统的参数比功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其也相关的特征也会自动修正。这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。造型不单可以在屏幕上显示，还可传送到绘图机上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印机。Pro/Engineer 还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这都是通过标准数据交换格式来实现，用户更可配上 Pro/Engineer 软件的其它模块或自行利用 C 语言编程，以增强软件的功能。它在单用户环境下(没有任何附加模块)具有大部分的设计能力，组装能力(人工)和工程制图能力(不包括 ANSI，ISO，DIN 或 JIS 标准)，并且支持符合工业标准的绘图仪(HP， HPGL)和黑白及彩色打印机的二维和三维图形输出。 Pro/Engineer 功能如下： 1．特征驱动（例如：凸台、槽、倒角、腔、壳等）； 2．参数化（参数=尺寸、图样中的特征、载荷、边界条件等）； 3．通过零件的特征值之间，载荷/边界条件与特征参数之间（如表面积等）的第 28 页、设计（论文）专用纸关系来进行设计。 4．支持大型、复杂组合件的设计(规则排列的系列组件，交替排列， Pro/PROGRAM 的各种能用零件设计的程序化方法等)。 5．贯穿所有应用的完全相关性(任何一个地方的变动都将引起与之有关的每个地方变动)。其它辅助模块将进一步提高扩展 Pro/ENGINEER 的基本功能。软件的特点和优势 3.2 Pro/Engineer 软件的特点和优势经过 20 多年不断的创新和完善，pore 现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势： 1．参数化设计和特征功能。 Pro/Engineer 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。 2．单一数据库。 Pro/Engineer 是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。第 29 页、设计（论文）专用纸 3．全相关性。 Pro/Engineer 的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。 4．基于特征的参数化造型。 Pro/Engineer 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征，通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。 5．数据管理。加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。 6．装配管理。 Pro/Engineer 的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如 “啮合” 、 “插入” 、 “对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。 7．易于使用。菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。第 30 页、设计（论文）专用纸 Pro/Engineer4.0 3.3 Pro/Engineer4.0 对计算机系统的要求 Pro/Engineer4.0 虽然是三维的 CAD 软件，由于它采用了特殊技术，所以对计算机的要求并不高，目前的大多数计算机系统都满足它的要求。其系统要求如下： CPU：Intel Pentium 系列或 AMD Athlon 系列。内存：128MB 以上。所需硬盘安装空间：600MB 以上。显示器分辨率：1024*768 像素，具有 64K 颜色的 OpenGL 图形加速卡。操作系统：Windows 98、Windows 2000、Windows Me、Windows NT 4.0 SP6 或者更高。模具设计的基本方法和步骤 3.4 Pro/Engineer4.0 模具设计的基本方法和步骤在 Pro/Engineer4.0 零件环境中，对零件进行三维实体造型设计的基本方法和步骤为： proe 单型腔模具设计步骤（1）建立文件夹，设置工作目录。（2）新建一个模具设计文件，选取新建参照模型，并装配到模具设计环境中模具模型/装配/参照模型/选择零件/打开。（3）创建工件，建立模具模型。创建/工件/手动/输入工件名称-确定/选择“定位缺省基准和对其坐标系--确定”/选择坐标系/草绘/加材料-实体/完成返回。（4）设置注塑零件的收缩率。收缩/输入比率 0.006&0.005，按回车键确认/√/完成返回。（5）创建模具的分型面。方法一：单击分型面图标/编辑--阴影曲面-确定；方法二：下文“% %”之间的内容。第 31 页、设计（论文）专用纸（6）通过分型面蒋工件分割为数个体积块。单击分模图标--完成/选择分型面--（单击着色查看）确定（3 次）。（7）抽取模具体积块，生成模具零件。模具原件/抽取。（8）设计浇注系统，流道，水线等特征。浇注系统：方法 1：手动方式，特征—型腔组件—实体—拉伸/旋转等方式创建；方法 2：自动方式，特征—型腔组件—流道—倒圆角—输入主流道直径“6”确定 —绘制主流道路径—确定—设置相交等级为“零件级”（即主流道特征在零件级也可以看见，否则只在装配模式下可以看见）；分流道设计同上主流道的设计。水线设置：特征—型腔组件—水线—输入水线直径，确定—选择基准平面，绘制水线路径，确定—设置相交元件，相交等级为“零件级”/定义水线对话框中的“末端条件”/按住 “ctrl”选择水线末端（始端）——通过沉孔/输入沉孔直径和深度/选择水线末端（终端）/同上面设置水线末端沉孔/完成设置。（9）检验设计的模具零件。（10）模具组件分析 1）分型面破孔分析：分析/分型面检查/分别进行“自交检测”和“轮廓检测”。 2）干涉分析：分析/模型/全局干涉/单击计算按钮。（11）铸模，模拟注塑成型的成品件。（12）移动凹模，成品件等零件，模拟开模等操作。（13）根据需要装配模具的基础零件。（14）保存模具零件。第 32 页、设计（论文）专用纸 Pro/Engineer4.0 3.5 Pro/Engineer4.0 的用户界面 Pro/Engineer4.0 是基于 Microsoft Windows 操作系统开发而成的软件，其界面与 Windows 软件相似，并且专门针对 Windows 进行了优化，这使得一般的初学者不会感到陌生，能够轻易上手。如图所示 3-1，首先进入 Pro/Engineer 环境当中。图 3-1 进入 Pro/Engineer 环境 Pro/Engineer4.0 的用户界面如图 3-3 所示，包含有标题栏、主菜单、主工具条、特征命令条工具条、动态工具条、工作区、提示区和资源管理器。第 33 页、设计（论文）专用纸图 3-3 零件环境中的特征工具条第 34 页、设计（论文）专用纸设计中零件钩型钩型杆 3.6 设计中零件钩型杆的三维造型图 3-5 设计当中零件的三维造型 3.7 小结（1）本章首先概述了 Pro/Engineer4.0 软件的功能特点、建模方法、建模步骤等内容。（2）基于 Pro/Engineer4.0 的强大建模功能，以及操作方便，新手易于上手的特点，另外，我们对 Pro/Engineer4.0 软件也进行过学习，所以我在本次设计当中首选了 Pro/Engineer4.0 作为建模工具。（3）结合设计中的零件钩型连杆结构复杂，多处不对称，难于建模造型的实际特点，第 35 页、设计（论文）专用纸查阅了大量的三维建模书籍，学习了多种 CAD 三维建模软件，最终选择了 Pro/Engineer4.0，在此也感谢一位同学在软件学习当中对我的帮助。第 36 页、设计（论文）专用纸第四章 4.1 引言铸造工艺计算机凝固模拟技术为提高传统铸造行业的产品质量、企业竞争力提供了强而有力的工具,国内采用铸造 CAE 技术的铸造厂家为数不多,而国外发达国家采用这一技术的企业比较普遍。随着世界经济的一体化以及我国加入 WTO,铸造 CAE 技术将显得日益重要；近几年华铸 CAE 软件的应用情况也表明了越来越多的国内铸造企业越来越重视铸 CAE 技术,在铸钢件中已有很多成功应用的案例,这将进一步推动铸造 CAE 技术的发展,从而最终为铸造企业创造更大的经济和社会效益。铸造工艺计算机凝固模拟技术是铸造技术领域依托于计算机技术的一项高科技技术，计算机技术的飞速发展，以水涨船高之势，有力地推动了凝固模拟技术的发展，强烈地刺激了其实际应用的欲望，并为之提供了一个广阔的发展空间。国内的凝固模拟实用技术经过短短十多年的发展，目前，在凝固过程温度场和流动场的数值模拟方面已经达到相当实用的水平，其准确性基本上达到了定量的程度。在生产应用中，在克服铸件充型过程类缺陷如缩孔、缩松、夹渣、卷气、冷隔、浇不足等缺陷，降低废品、提高工艺出品率，提高工艺设计水平，缩短试制周期、节省试制费用等方面取得了非常广泛的成功。应力场以及组织模拟也取得了一些可喜的进展。铸造工艺计算机凝固模拟技术作为高科技与传统铸造产业的结合点，可以改变传统铸造生产的管理模式，减少工艺设计过程中对经验的依赖，保持工艺设计水平的稳定性和先进性，创造良好的经济效益和社会效益。而在国内做得比较成功的就是华铸 CAE 软件。华铸 CAE”铸造工艺分析软件是分析和优化铸造工艺的重要工具，是华中科技大学经十七年研究开发，并在长期的生产实践中不断改进，完善起来的集成软件系统，目前发行的版本是 V8.0。它以铸件充型、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件的成型过程进行工艺分析和质量预华铸 CAE 数值模拟仿真第 37 页、设计（论文）专用纸测，从而协助工艺人员完成铸件的工艺优化工作。多年来在提高产品质量，降低废品，减少消耗，缩短试制周期，为众多的厂家创造了显著的经济效益，在行业内享有广泛的声誉和信誉。 4.2 CAD/CAE 的总体结构要完成铸造工艺的计算机辅助设计、辅助分析，首先本系统的第一步是进行铸造工艺的计算机 CAD 造型。我们采用的 CAD 软件是具有三维造型功能的 Pro/Engineer 软件。然后，按照如下步骤进行铸造工艺的计算机辅助分析工作。 (1) 完成铸件的 CAD 三维造型，并将文件转换为 STL 文件格式; (2) 再将文件传给华铸 CAE/InteCAST 铸造工艺分析软件系统,前处理部分的有限差分网格剖分程序进行自动网格剖分; (3) 模拟计算分析:对铸件的充型过程的流场、凝固过程的温度场、流动与传热祸合进行计算; (4) 后处理阶段:华铸 CAE 肛 nteCAST 系统经过前两大模块处理后，得到了铸件凝固过程温度场等物理过程详尽、完整的大量数据。后处理模块的功能就是将这些基于时空四维空间场的物理数据构织成可视的三维图形，以直观的视觉效果揭示铸件充型、凝固过程的真实面貌，并进一步合成动画，实现充型凝固过程任意位置、任意角度的旋转、剖视功能，查看铸件缺陷的生成及分布情况; (5) 如发现工艺不合理，可返回 CAD 三维造型部分，修改工艺，再次进行铸造工艺过程的数值模拟分析。其主要流程如图 4-1 所示. 在以上过程中，各 CAD 与各 CAE 间的数据接口关系复杂，在版本一致性、数据传输可靠性方面难以保证；来回多次的数据交换费时、繁杂而易出错，事实上，在理想的现代设计过程当中，CAE 应该融入产品设计的各个阶段和环节，实现设计分析一体化。很显然，要达到这样的一体化目标，CAE 系统需要适应设计的各个环节，第 38 页、设计（论文）专用纸它必须具有以下特征: (1) 与主要设计工具 CAD 软件具有良好的亲和性（CAD 模型的双向参数相关）； (2) 界面简洁、操作流程简单、复杂技术（网格划分、求解等）能智能化处理； (3) 良好的计算精度和效率； (4) 具有强大的分析能力以支持后期分析中经常涉及的复杂问题（非线性、多物理场等）； (5) 各阶段的分析数据能流畅地传递。铸造工艺 CAD 三维造型文件格式转换铸造工艺 CAE 物性参数网格剖分型程模模程图 N 工艺 Y 理铸造工艺图 4-1 系统设计流程图 4.3 铸件的特点及工艺方案简介钩型连杆铸件毛坯材质为 HT15—33，铸件最大尺寸长度 660mm，宽度 665 mm，第 39 页、设计（论文）专用纸厚度 293 mm，最小壁厚 23mm，重量（），铸件上分布有多处热节。该铸件要求内在组织致密，不得有任何缩孔、缩松、气孔、夹渣等铸造缺陷。铸件本身不允许有裂纹、粘砂，加工表面不许有缩松和外来夹杂物。该铸件结构见图 4-2。图 4-2 钩型连杆铸件图该铸件采用砂型铸造，我们采用机器造型。开始两套方案为一处浇注，浇注系统设置一个内浇道，并在两套方案中各设置一个冒口，但是模拟结果都在热节处出现多处缩孔和缩松缺陷。后来进行了工艺改进，采用了第三套方案。该方案调整了浇注系统的结构和尺寸，设置了两个内浇口，从铸件的两个位置同时浇注，并且设置了两个出气冒口，又在上两套方案中铸件容易出现缺陷的位置安放了两块冷铁，模拟结果显示缩孔、缩松缺陷明显得到了改善，成功解决了热节出现的缩孔、缩松第 40 页、设计（论文）专用纸缺陷问题。为了进一步认识这三种工艺对铸件质量的影响，本文对这三种工艺的凝固过程进行了模拟计算，并对模拟结果进行了分析。令我出奇的是，指导老师告诉我模拟结果和实际铸造生产当中出现的缺陷几乎一模一样。钩型连杆的充型过程数值模拟 4.4 钩型连杆的充型过程数值模拟 4.4 4.4.1 充型过程数值模拟的作用模拟分析铸件充型时的金属流动过程及充型过程中的传热现象是计算机辅助铸造工艺设计和分析（CAD/CAE）的重要内容。首先，通过模拟分析液态金属在浇冒口系统和铸型中的流动状态，可以优化浇冒口系统设计，防止液态金属在浇道中的吸气，消除流股分离现象以避免铸件氧化，减轻紊流以降低空气进入液态金属中的可能性，利用浇注系统挡渣，在浇道内达到金属液流的均匀分配，减轻液态金属对铸型的侵蚀和冲击；另一方面，通过模拟分析充型过程中液态金属及铸型的温度变化，可以预测冷隔和浇不足等问题。同时为后续的凝固过程模拟分析提供初始温度场条件。这一模拟计算过程对薄壁铸件模拟分析显得更为重要。 4.4.2 4.4.2 充型过程数值模拟的步骤（1）CAD 造型及 Autodesk 3ds Max8 的导入关于 CAD 的三维造型，已经在第三章中做过介绍，但需要说明的是， Pro/Engineer4.0 建好的三维造型不能直接导入华铸 CAE 系统，这就需要一个桥梁工具来过渡。这个工具就是 Autodesk 3ds Max8 软件。 Autodesk 3ds Max8 软件是 Discreet 公司开发的（后被 Autodesk 公司合并）基于 PC 系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于 DOS 操作系统的 3D Studio 系列软件。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒第 41 页、设计（论文）专用纸体制作、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。具备建模、动画、渲染等强大功能。当今运行在 PC 上最畅销的三维动画和建模软件。具备以下突出优点： 1.基于 PC 系统的低配置要求； 2.3DS MAX 运行于 WINDOWS98，WINDOWS NT WINDOWS 2000 平台。一个完全多线程，可充分发挥对称多处理器和任意网络渲染能力的一个强大软件。 3.安装外挂(plugins)可提供 3D Autodesk Max 所没有的功能（比如说 3D Studio Max 6 版本以前不提供毛发功能）以及增强原本的功能； 4.强大的角色(Character)动画制作能力； 5.可堆叠的建模步骤，使制作模型有非常大的弹性。 6.上手容易。易于上手是它的最大特点，你要深入钻研下去，许多高级功能可以满足你大多数情况下的创作需要。更何况 MAX 的插件如洪水一般，是任何其他 3D 软件都比不了的。 7.使用者多，便于交流。了解该软件后，就把 Pro/Engineer4.0 建好的模型导入 3D Autodesk Max 中，进行旋转、移动零件进行装配。装配好后设计砂箱（砂箱可以在 3D Autodesk Max 中自动生成），其界面如下图所示：第 42 页、设计（论文）专用纸图 4-3 钩型连杆铸件在 3D Autodesk Max 中的模型（方案一）第 43 页、设计（论文）专用纸图 4-4 钩型连杆铸件件在 3D Autodesk Max 中的模型（方案三）（2）导入华铸 CAE/InteCAST 系统上述模型导入成功后，保存好文件（格式为.MAX）然后打开华铸 CAE/InteCAST 。软件其界面如下图：第 44 页、设计（论文）专用纸图 4-5 华铸 CAE/InteCAST 软件（3）前置处理部分前置处理模块是模拟过程的准备工作，它实现了 CAD 模型的导入，利用 STL 预览检查三维造型是否正确，有限差分网格的划分。另外，还可以通过 HZCAE 提供的 CAD 功能对实体造型进行简单修改。包括铸件、砂型、铸型等模型文件的导入，导入的文件格式就是 STL 文件。然后进行进行剖分任务。其中包括两个重要的因数：优先级别的设定和参数的设定。如图优先级别由高到低设定为铸件—冷铁—铸型，参数输入中网格大小输入 2mm,网格数 1776250 个（网格大小按照铸件的大小、结构等设定，具体的铸件具体灵活设定）。图 4-6 前处理模块中优先级别的设定第 45 页、设计（论文）专用纸按照步骤提示设定好后，最终系统会提示“祝贺你剖分成功！，然后显示剖 ” 分好的铸件。如图：图 4-7 剖分好的铸件（4）计算分析部分计算分析模块是对铸件/铸型的各物理场进行求解。主要设定合金属性参数，铸件、铸型、砂芯等材料的物性参数，各种材质间的界面导热系数，用于铸件的充型过程、凝固过程以及流动与传热的耦合计算。具有以下突出优点： 1. 能够进行低压铸造、压铸、金属型铸造的多周期、多阶段全过程的分析； 2. 可以对包括水、油、气等不同冷却介质的各种复杂冷却工艺进行优化分析； 3. 能够模拟多个不同规格的浇包同时浇注的的复杂浇注过程；第 46 页、设计（论文）专用纸 4. 能够模拟补浇工艺、点冒口过程； 5. 应用了重力补缩技术，可以直接准确模拟缩孔缩松的形成过程，实现了缩孔缩松的位置、形状和大小的定量的模拟；钩型连杆铸件所用的铸件材料为灰铸铁 HT15-33。采用的一般浇注参数包括：导热系数、密度、比热容、固相线温度，液相线温度、凝固潜热、界面换热系数等。铸造条件下这些物性参数值的正确选取，将直接影响数值模拟的精度。这个过程主要包括流动场和温度场的计算。模拟过程中部分参数的设定见附录。（5）后置处理部分后置处理模块是把计算结果以曲线、图形、图像以及动画等表达方式直观有效地表达出来。后处理采用最新可视化技术、多媒体技术，丰富、直观、生动，任意实时缩放、任意实时旋转、任意实时剖切。可自动生成 X 射线透视图、凝固色温图、温度梯度图、铸件结构图、铸型系统装配图、流动向量图、填充体积图、压强分布图、充型温度分布图等。分析结果三维动画自动合成，动画演示直观准确，透彻明了。动态过程完整细腻；在各种函数三维分布图形画面上，伴随鼠标移动，在鼠标光标的延伸空间，以数字方式即时刷新显示鼠标所指单元相应的几何、物理函数值，或区域极值，或区域统计值，包括： 1、鼠标所指单元的温度、压力、速度、凝固时间、Niyama 函数、缩松孔隙率等函数值； 2、鼠标所指点所在的每个液相连通区域，每个缩孔连通孔腔，每个缩松连续区域等的体积，以及相关函数值在相应区域的极值等； 3、鼠标所指点的尺寸坐标、单元坐标位置、单元尺寸大小，也包括 STL 图形上任第 47 页、设计（论文）专用纸意点的三维尺寸坐标位置。下图即为钩型连杆铸件的体积填充图和充型压力图：图 4-8 钩型连杆铸件的体积填充图第 48 页、设计（论文）专用纸图 4-9 钩型连杆铸件的充型压力图（6）数值模拟及结果分析钩型连杆铸件的充型过程，从模拟结果看，整个充型过程大约持续 10 秒左右，流速适中，充型比较平稳，没有明显的卷气、夹渣现象，说明整个浇注系统的流场性能比较良好。铸件整体散热效果良好，散热量大、速度快。从凝固过程的液相分布来看，最后凝固的部位是内浇口根部和铸件内部的两处，因为这些部位是整个凝固的热节，这些部位最后凝固时得不到有效金属液的补充，极容易出现缩孔、缩松缺陷。第 49 页、设计（论文）专用纸 4.5 铸件工艺分析及工艺方案的改进 4.5.1 铸件工艺分析分析该铸件在内浇口根部和铸件内部两处产生缩孔、缩松缺陷的原因，我认为：由铸件本身几何形状造成的热节，在同样凝固条件下，将晚于其它部分凝固，且这些部位散热条件差，在凝固过程中发生的液态收缩、凝固收缩没有铁液补缩而出现缩孔缩松。针对目前的工艺情况，我认为改进措施主要是： 1. 缩小浇注系统的内浇口尺寸，将 30mm*30mm 的内浇口缩小为 20mm*20mm，避免内浇口根部产生新的几何热节。 2. 在铸件内部一处和外部一处各加设一个与铸件材质相同的内冷铁和外冷铁，以加强该部位的凝固速度。 4.5.2 工艺改进后的数值模拟及结果工艺改进后该铸件的凝固过程产生的缺陷明显得到改善。从模拟结果来看，该铸件不再出现缩孔缩松等铸造缺陷。经指导老师指点，与实际生产中验证，与模拟结果完全一致。方案改进后铸件缺陷对比如下图所示：（还未出图，之后改进） 4—10 未改进工艺方案前的铸件缺陷图（还未出图，之后改进） 4—11 改进工艺方案后的铸件缺陷图第 50 页、设计（论文）专用纸 4.6 小结 1.用 Pro/Engineer4.0 软件完成了铸件钩型连杆的 CAD 三维实体造型。 2.对该铸件的三维实体进行网格剖分，并对该铸件及其砂型进行了热物性参数的设置。 3.用华铸 CAE/InteCAST-Steel7.0 软件对铸件钩型连杆进行了充型过程和凝固过程的数值模拟，模拟结果和实际生产的铸件情况相一致。第 51 页、设计（论文）专用纸结论 Pro/Engineer4.0 建立的 CAD 三维模型通过 Autodesk 3ds Max8 数据转换并且进行零件装配和砂箱的设计，格式转换成为 STL 格式。上述步骤成功后，把 STL 文件格式的零件、砂箱、冷铁、浇注系统、冒口导入华铸 CAE 系统软件，进行浇注数值模拟仿真。分析模拟结果，不断的改进铸造工艺方案，优化设计工艺。最终起到避免铸件缺陷、选出最佳方案的目的。在这次毕业设计中我研究的课题是《铸造工艺过程模拟研究》。在本次设计中涉及三维实体的绘制和程序的编制，并在设计过程中针对性地提出创新设计铸造工艺思想。设计过程中我充分调研、收集和学习三维软件和铸造方面的相关资料，与同组同学共同分析已有技术资料，熟悉和了解该课题的具体内容，并进行了具体的实践，在收集资料中还要结合课题进行必要的外文资料阅读并翻译了一篇与课题相关的外文资料。掌握了相关的三维建模软件的使用和华铸 CAE 数值模拟仿真系统的使用。第 52 页、设计（论文）专用纸总结与体会经过几个月的努力，毕业设计基本完成了。在毕业设计的实践中，学到很多有，用的知识，也积累了不少宝贵的经验。IBM 有句著名的宣传词叫“The future is OPEN” 我认为这句话有两层意思，第一层意思是技术的进步需要所有的人共同的努力，开源的世界里面所有的人都可以贡献自己的力量去让技术进步，像 Pro/Engineer，我们可以感觉到它正在改变我们的世界；第二层的意思是，每一个都贡献自己的力量去帮助别人，在帮助别人的同时，也帮助了我们自己。现在，我再次向所有帮助过我的人表示衷心的感谢。在没有做这次毕业设计以前觉得毕业设计应该是对大学四年里所学知识的总结与巩固，但经过这几个月的学习与工作，我发现做毕业设计其实并不是我想象的那样简单，毕业设计不仅是对前面所学知识的总结与巩固，也是对自己能力的一种提升和锻炼。这次毕业设计开始的时候感觉很迷茫，有点无从下手的感觉。不过在丁教授的鼓励和指导下，我还是克服了困难顺利完成了本次毕业设计。开始要三维建模、铸造工艺方案设计、华铸 CAE 系统的学习，这么多以前很少接触的东西，感觉难度挺大的。我建模多次未成，在即将放弃的时刻，后来在导师见面的时候丁教授鼓励我 “叫我向大家学习，不要气馁，抓紧时间做” ，正如老师所言，我最终还是顺利完成了本次毕业设计。真正意义上体会到“世上无难事，只怕有心人” 。这次做的毕业设计对铸造行业飞速发展的今天来说是有着重大的意义的，因为我们的制造业正在向自动化方向发展，这些东西都是需要在计算机上完成设计和模拟仿真的。而我们做的“铸造工艺设计大赛”是很有挑战的，将来我希望自己能做个对社会有用的人。这种思想将在今后将成为我人生的启明星。坚持科学发展，把科学发展观运用到实际中来，坚持以人为本，树立全面、协调、可持续的发展观，统筹兼顾，促进学习和生活全的面发展，知识和能力协调，这对我将来的工作和人生发展将起到积极的作用。第 53 页、设计（论文）专用纸谢辞春暖花开，大学生活在这个季节即将划上一个句号。但是对于我的人生来说，这只是一个逗号，我将面对的是又一次征程。回首我在昆明理工大学这所坐落于春城的大学四年，有快乐也有艰辛，有收获也有失落。我首先要感谢我的指导老师丁恒敏教授，本文是在丁恒敏教授的精心指导下完成的。丁教授严谨的治学态度、细致的工作作风、勤恳的敬业精神及诲人不倦的育人风范,使本人终身受益。丁老师不仅是我学业上的老师，也是我生活上的老师，他教会了我踏踏实实的工作态度和乐观向上的生活态度，在毕业设计上给予我教导，对丁教授半年来给予的辛勤指导和培养表示最诚挚的感谢！也感谢材料工程学院和机电学院所有在各个方面默默无闻地支持着我的老师，谢谢你们多年来的关心和爱护。从各位老师身上，自己不仅学到了专业知识，而且学会了研究问题的方法和刻苦钻研的精神，将使我在今后的学习和工作中永远受益。感谢老师在几年的学习和生活上的帮助。同窗的友情同样难忘。我们共同走过人生中这四年不平凡的道路，给我留下了值得珍藏的美好记忆。父母的爱，始终是我无法回报的。在我近十八年的读书生涯中，他们用自己微薄的力量保护着我，用自己辛勤地劳动支持着我。他们的爱是无私的，我深深爱着他们。其次，我还要特别感谢我的舍友们。我们携手走过了这四年的大学学习，是他们在学习和生活上给了我更多的帮助和照顾。同时衷心感谢各位精心评审本论文的导师！第 54 页、设计（论文）专用纸参考文献 [1] 李魁盛.铸造工艺设计基础，机械工业出版社，1980 [2] 柳百成.铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展.中国工程科学， 2000，（9） 29-37 2 ： [3] 和青芳周四新著， Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 基础设计实例精讲，机械工业出版社， 2008 [4] 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