前軸承座鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

PAGE\*Arabic1PAGE\*Arabic1設(shè)計(jì)說(shuō)明書題目：飛輪的鑄造工藝設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)院：學(xué)院班級(jí)：指導(dǎo)教師：2023年4月22日飛輪的鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬摘要：綜合分析了該飛輪的形狀尺寸，合理的選擇了鑄造工藝方法，確定了相關(guān)鑄造工藝參數(shù)?；谄髽I(yè)實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)澆注系統(tǒng)、冒口冷鐵設(shè)計(jì)、工裝等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用UG三維軟件進(jìn)行實(shí)體建模，并通過(guò)procast數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，分析了軟件充型過(guò)程、凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)了鑄件縮松位置進(jìn)行，最終確定鑄造工藝設(shè)計(jì)方案的可行性。關(guān)鍵詞：飛輪；球墨鑄鐵；鑄造工藝；procast模擬；Abstract:Theshapeandsizeoftheupperboxofthegearboxwerecomprehensivelyanalyzed,thecastingprocesswasreasonablyselected,andtherelevantcastingprocessparametersweredetermined.Basedontheactualproductionoftheenterprise,thegatingsystem,risercoldirondesign,toolingandsoonaredesigned.UGthree-dimensionalsoftwarewasusedforsolidmodeling,andprocastnumericalsimulationsoftwarewasusedforsimulation.Thefillingprocessandsolidificationprocessofthesoftwarewereanalyzed,andtheshrinkagepositionofthecastingwaspredicted.Finally,thefeasibilityofthecastingprocessdesignschemewasdetermined.KeyWord：Gearboxupperhousing;Ductileiron;FoundryTechnology;procastsimulation;PAGE\*Arabic3PAGE\*Arabic3目錄TOC\o第二章機(jī)用飛輪工藝分析 32.1零件圖與技術(shù)要求 32.2飛輪結(jié)構(gòu)分析 32.3飛輪的工藝分析 4第三章鑄造工藝方案設(shè)計(jì) 63.1造型及砂芯制造方法選擇 63.2鑄型類型的選擇 63.3澆注位置的選擇 63.4分型面的確定 83.5砂箱中鑄件數(shù)量和吃砂量的確定 93.6鑄造工藝參數(shù)的確定 103.6.1鑄件機(jī)械加工余量公差 103.6.2機(jī)械加工余量的選擇 113.6.3鑄件收縮率 113.6.4起模斜度 113.6.5最小孔鑄出及槽 123.7砂芯的設(shè)計(jì) 12第四章澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 164.1澆注系統(tǒng)類型的選擇 164.2澆注時(shí)間的的計(jì)算 164.3澆注系統(tǒng)尺寸的確定 174.4冒口的設(shè)計(jì) 194.5澆口杯的設(shè)計(jì) 194.6冷鐵的設(shè)計(jì) 204.7出氣孔的設(shè)計(jì) 20第五章鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì) 215.1模板的設(shè)計(jì) 215.1.1模樣材料的選擇 215.1.2模樣結(jié)構(gòu) 215.2砂箱的設(shè)計(jì) 225.2.1模底板的壁厚和加強(qiáng)肋設(shè)計(jì)與確定 225.2.2砂箱 225.3芯盒的設(shè)計(jì) 23結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 27全套設(shè)計(jì)加QQ11970985或197216396PAGE\*Arabic4·PAGE\*Arabic4第二章飛輪工藝分析2.1零件圖與技術(shù)要求飛輪零件圖如圖2.1所示。圖2.1飛輪零件圖零件技術(shù)要求1.材質(zhì)：ZG270-500;2.未注圓角R5;3.螺紋孔倒角均為C5;4.鑄件應(yīng)人工時(shí)被處理;5.造型材料：樹脂砂此次分析的飛輪鑄件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壁厚較均勻，且生產(chǎn)批量小。這里為保證生產(chǎn)效率，降低制造成本，在這里使用了砂型鑄造工藝。使用樹脂砂的造型的好處：(1)樹脂砂與粘土砂相比尺寸精度更高，表面粗糙度較低，可以降低廢品率。(2)能夠常溫自硬成型，價(jià)格比較低廉。2.2飛輪結(jié)構(gòu)分析飛輪是一種筋板的主要部分，如圖2.2所示，材料為ZG270-500，成批生產(chǎn)。鑄件底部會(huì)承受一定載荷，因此要求鑄件內(nèi)部不能有縮孔、裂紋等缺陷。圖2.2飛輪鑄件三維圖通過(guò)對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)的分析，功能的質(zhì)量要求，應(yīng)用范圍以及材料研究，作出鑄造方案和工藝設(shè)計(jì)。一般情況下，鑄件可能存在的缺陷涉及到縮孔、縮松、夾渣、氣孔、砂眼等,這其中80%的缺陷都是可以通過(guò)改善鑄造工藝來(lái)避免的，也可以通過(guò)后期的處理來(lái)消除。2.3飛輪的工藝分析砂型鑄造工藝的方案包括有造型與制芯方法的抉擇，鑄造工藝的參數(shù)，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)等一些內(nèi)容。如果想要指定最佳的方案，一開始應(yīng)該對(duì)零件的結(jié)構(gòu)能夠詳細(xì)的進(jìn)行鑄造工藝性分析[1]。零件最大輪廓尺寸為?1260*250mm，整體結(jié)構(gòu)對(duì)稱，壁厚整體均勻(最小壁厚參考表2.1），屬于小型鑄件。對(duì)于ZG270-500材質(zhì)來(lái)說(shuō)，這種結(jié)構(gòu)與壁厚可以滿足鑄造工藝對(duì)材料流動(dòng)性的要求，鑄件壁厚均勻，也不會(huì)有大熱節(jié)造成鑄件縮孔縮松。表2.1鑄鐵鑄件最小壁厚參考（mm）鑄鋼種類鑄件的最大輪廓尺寸＜200200～400400～800800～12001250～3000ZZG270-5008.07～99.09～1011.012141616～1820ZG270-500材料性能及參數(shù)如下：牌號(hào)：ZG270-500標(biāo)準(zhǔn)：GB/T9439-2010ZG270-500有六個(gè)牌號(hào)，其中ZG270-500是合金的縮寫，500指最小抗拉強(qiáng)度。其性能優(yōu)點(diǎn)在于：鑄造與緩震性能，具有一定的抗拉特點(diǎn)，主要作為生產(chǎn)受較大壓力和振動(dòng)零件的材料。第三章鑄造工藝方案設(shè)計(jì)3.1造型及砂芯制造方法選擇砂型在鑄造過(guò)程中，最初要進(jìn)行的程序是造型（芯），這個(gè)是最基礎(chǔ)的。一般情況下分為手工和機(jī)器兩種造型。手工的工藝裝備比較基礎(chǔ)，操作比較靈活且很好適應(yīng)；機(jī)器對(duì)人力的使用較少，能達(dá)到很好的品質(zhì)要求和尺寸的精度，但是需要最先做好準(zhǔn)備工作，一般對(duì)于生產(chǎn)量大的零件適合。此零件生產(chǎn)的批次是批量生產(chǎn)，因此是機(jī)器造型最常用的方法。3.2鑄型類型的選擇不論從費(fèi)用、生產(chǎn)時(shí)間、操作水平程度等考慮都需要優(yōu)先使用濕型澆注。目的是得到質(zhì)量比較好的鑄件并且經(jīng)濟(jì)效益取得最高的，另外還考慮到材料的成本和來(lái)源、工業(yè)衛(wèi)生及環(huán)保方面的要求，綜合這些因素，因此會(huì)優(yōu)先選擇濕型的粘土砂，同時(shí)要求型砂具備良好的流動(dòng)性、透氣性，為了能夠得到光滑的鑄件表面，型砂的砂粒應(yīng)當(dāng)細(xì)小一些，可使用中粒偏細(xì)的砂，額外加上一定量的煤粉。3.3澆注位置的選擇由鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，鑄件的其他加工表面都與底部的操作端有關(guān)。如何將鑄件放入砂箱，放置方位，合理的澆注位置對(duì)分模、砂型的造型、砂芯的設(shè)置、鑄后的開模、型砂后期的清理等各個(gè)環(huán)節(jié)都有重要影響。鑄造位置的確定是鑄造工藝設(shè)計(jì)的重要組成部分。正確的鑄造位置應(yīng)確保鑄件的成型、制芯以及清潔的方便。合理的鑄造位置的選擇關(guān)系到鑄件的內(nèi)在質(zhì)量、尺寸精度和易成形性。根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇正確合理的澆注位置，促進(jìn)澆注時(shí)金屬液能順利進(jìn)入型腔，及時(shí)充滿型腔，凝固時(shí)保證各部位區(qū)域能順利凝固，冒口設(shè)置也是直接與澆注位置相關(guān)，可以肯定的澆注位置是鑄造工藝設(shè)計(jì)的第一步，也是重要的一步，對(duì)鑄造出完整、質(zhì)量?jī)?yōu)異的鑄件毛坯至關(guān)重要。該飛輪零件，整體尺寸不大，零件特征主要以平面構(gòu)成，澆注位置方案如圖3-1所示，列舉了如下3種方案：（a）澆注位置方案一（b）澆注位置方案二（C）澆注位置方案三中圖2-1a所示的澆注位置，鑄件大平面位于上方，易出現(xiàn)夾砂、氣孔等缺陷。圖2-1b所示的澆注位置砂芯為懸臂芯，不利于砂芯的定位與穩(wěn)固支撐，且不便于冷鐵、冒口的放置。圖2-1c所示的澆注位置砂芯位于下型，有利于下芯、定位、固定、排氣，且鑄件大平面位于下方，可保證鑄件的質(zhì)量，是該鑄件最佳的澆注位置。因此，選用圖2-1c所示的方案。系統(tǒng)的比較以上3種方案優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，選擇方案3。3.4分型面的確定分型面設(shè)置是便于砂型的造型，模樣的設(shè)計(jì)與后期模樣的設(shè)計(jì)，它影響到澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，砂芯的設(shè)置等，對(duì)鑄件精度及鑄件質(zhì)量有重要影響。分型面是鑄造部件之間的接觸面，通常情況下在設(shè)計(jì)分型面時(shí)需遵守一部分原則。如：應(yīng)把鑄件主要部分放在同一個(gè)砂型，盡量減少分型面的數(shù)量，最大可能的選在零件的最大截面部位等原則。砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)中，對(duì)分型面的選擇積累了很多實(shí)用、成熟的經(jīng)驗(yàn)，這里列舉如下：①分型面的定位，需要最大可能的把零件的重要部分或者全部放在一個(gè)砂型中，這樣有利于砂型制造。②分型面數(shù)目的一般原則，分型面少，便于鑄件儲(chǔ)存精度，砂箱數(shù)量少。③分型面一般選擇零件的大截面或平面，要確保分型面設(shè)置合理，砂箱高度要求適中。④分型面的設(shè)置就決定了鑄型結(jié)構(gòu)與砂芯安裝與定位方式，因此，必須保證砂芯的安裝方式，定位可靠，且便于檢查型腔尺寸。⑤分型面是砂箱合箱位置，分型面既不能削弱鑄件本身的強(qiáng)度，又要保證加工余量適中，要求便于砂箱的開模，各澆道與型砂的定時(shí)清理。此飛輪零件底面需要與機(jī)床工作臺(tái)接觸良好，也要為保證零件重要表面鑄造質(zhì)量。根據(jù)前面分析的澆注位置，設(shè)計(jì)了兩種分型面方案。(a)分型面方案一(b)分型面方案二圖3-2鑄件分型面分型面a與b方案對(duì)鑄件有不同的影響，a所示零件位于不同一砂箱內(nèi)，中間會(huì)因?yàn)樯靶湾e(cuò)位造成的偏差，工件對(duì)半分開，有利于減少砂芯的數(shù)量。方案b把分型面設(shè)計(jì)到飛輪的下部臺(tái)階面，使用兩箱造型，使砂型制造難度降低，這種設(shè)置，把鑄件的重要部分都放在了下砂型，使鑄件出現(xiàn)較少的缺陷。也利用頂部設(shè)置冒口對(duì)于鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。綜上，本設(shè)計(jì)中的飛輪鑄件的分型面選擇分案二。3.5砂箱中鑄件數(shù)量和吃砂量的確定下一步的方案要確定鑄件在壓槽中的數(shù)量，在選擇工藝方案時(shí)要確定防止幾個(gè)鑄件在一個(gè)砂箱中，這是設(shè)計(jì)澆注冒口的基礎(chǔ)。為了降低成本，提升出件效率，在滿足良好的工藝要求和良好的質(zhì)量條件下，箱中放置的鑄件多了會(huì)更好。由模樣平均輪廓尺寸確定吃砂量。模樣平均輪廓尺寸計(jì)算[17]:（3-1）式中：A—模樣平均輪廓尺寸（mm）；L—模樣在分型面的最大長(zhǎng)度（mm）；B—模樣在分型面的最大寬度（mm）；由上式可得模樣平均輪廓尺寸為?2520mm。由《鑄造手冊(cè)》[17]查表3-55確定吃砂量為50，采用一箱一件。表3.1中小型砂箱平面的尺寸。表3.1推薦中小型砂箱尺寸砂箱尺寸(mm)500×400600×500800×6001000×8001400×1400造型機(jī)ZZ145Z146AZB148AZB1410ZB1510砂箱高度要根據(jù)模樣高度、直澆道壓頭來(lái)確定，零件總體尺寸為?1260X250mm。在生產(chǎn)線澆注系統(tǒng)。使用的是樹脂自硬砂造型制芯，上下砂箱的高度可以不一樣。3.6鑄造工藝參數(shù)的確定3.6.1鑄件機(jī)械加工余量公差這兒的機(jī)械的加工剩余量簡(jiǎn)單稱為加工余量，為了讓鑄件加工尺寸更加精確，鑄造工藝設(shè)計(jì)中預(yù)先添加的金屬量，而且在物理加工中需要切割的金屬的尺寸，其等于鑄件公稱尺寸減去零件公稱尺寸，其主要受鑄造合金，工裝設(shè)備水平，澆注位置等影響。鑄件的尺寸公差

CT，其精度等級(jí)從高到低有1、2、3……16共16個(gè)等級(jí)；加工余量由代號(hào)RMA所表示，它分為十個(gè)等級(jí)，分別為A、B、C、D、E、F、G、H、J和K。表3.2為砂型鑄造一般情況下要求的鑄件機(jī)械加工余量等級(jí)和其公差等級(jí)表。表3.2砂型鑄造鑄件公差等級(jí)造型材料CT/MA鑄鋼ZG270-500球墨鑄鐵可鍛鑄鐵銅合金輕金屬合金干、濕砂型13-15/J13-15/H13-15/H13-15/H13-15/H12-14/H自硬砂12-14/J11-13/H11-13/H11-13/H10-12/H9-11/H單件和小批生產(chǎn)時(shí)鑄件公差等級(jí)及與之配套的加工余量等級(jí)（摘自GB/T1350-89）鑄件材質(zhì)為ZG270-500，由于該鑄件材料為ZG270-500，并且采用機(jī)械造型濕砂型鑄造方法，查表3.2選用公差等級(jí)CT13-CT15，考慮到工廠的生產(chǎn)效率和操作的工藝性，故選擇CT13。根據(jù)最大尺寸、砂型手工造型、零件尺寸公差以及公差等級(jí)進(jìn)行查詢。查表（GB/T6414－1999）得機(jī)械加工余量等級(jí)為K取13mm。3.6.2機(jī)械加工余量的選擇為了確保零件的加工精度，在這個(gè)過(guò)程中，增加了一層金屬厚度，可以在加工過(guò)程中去除。這一層金屬稱為加工余量。它一共有十個(gè)級(jí)別：A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，J和K，用“RMA”表示[3]。查表（GB/T6414－1999）得機(jī)械加工余量等級(jí)為K取5mm，如圖3-3所示需要加工的表面均留加工余量的位置。圖3-33.6.3鑄件收縮率根據(jù)產(chǎn)品大小，產(chǎn)品壁厚，綜合線收縮率包括鑄件收縮和砂型膨脹。鑄件收縮率又叫做鑄件線收縮率或者鑄件比例尺，是用外觀長(zhǎng)度與鑄件長(zhǎng)度之差除以鑄件長(zhǎng)度的百分比來(lái)表示的[12]：(3-2)ε—鑄造收縮率；—模樣長(zhǎng)度；—鑄件長(zhǎng)度；通過(guò)《鑄造手冊(cè)》表3-67；來(lái)看，中小型鋁合金它的收縮率為0.8~1.0%，本工藝取1.0%.3.6.4起模斜度為了便于造型和砂芯的取出，并且不讓造型和砂芯由于起模時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)問(wèn)題受到破壞。為了防止這個(gè)現(xiàn)象的發(fā)生，應(yīng)該在起模的地方留一定的斜度。這個(gè)斜度稱為起?；虬文Ｐ倍萚12]。為方便鑄件能順利從鑄型中脫離出來(lái)，模樣的拔模斜度必須要與出模方向保證相同方向。鑄件中部起升高度341mm，尺寸公差等級(jí)CT12。根據(jù)表3-14，鑄件的提升坡度為1.2，鑄件的提升坡度為2。均滿足零件的技術(shù)要求。由于鑄件壁厚較大，選用材料厚度較小的鑄件角。3.6.5最小孔鑄出及槽砂型鑄造太小的孔一般不鑄出，可根據(jù)表3.5選擇。表3.5砂型鑄件內(nèi)孔最小最小尺寸表生產(chǎn)批量最小鑄出孔直徑灰口鑄鐵件鑄鋼件大量生產(chǎn)成批生產(chǎn)單件、小批生產(chǎn)12～1515～3030～50－30～5050該零件為單件小批量生產(chǎn)零件材料為ZG270-500孔最小直徑>30mm，從零件圖上看零件其中中心孔位置用砂芯鑄造出來(lái)，其余面孔位置均選擇不鑄造出。3.7砂芯的設(shè)計(jì)砂芯是用砂芯在芯盒內(nèi)制成的一種芯。作用是用來(lái)形成鑄件的內(nèi)腔、成型孔和鑄件形狀不能成型的零件。有時(shí)可以用砂芯來(lái)替代砂型中有特殊要求的部分[4]。砂芯設(shè)計(jì)必須遵守的一些原則有：盡量降低砂芯的數(shù)量，對(duì)于鑄件壁厚要保證均勻，要選擇合適的砂芯形狀，也要保證砂芯有一定的強(qiáng)度哥硬度。另外要特別注意在其過(guò)程中砂芯內(nèi)氣體的排放等。而且鑄件最后冷卻時(shí)不能有太大阻力，否則會(huì)影響其收縮；也需要考慮其后續(xù)清理操作。型芯是鑄造型材外的砂芯，與型腔內(nèi)的液態(tài)金屬不接觸的部分。它的作用有定位和排出砂芯內(nèi)氣體的功能，有水平芯頭和垂直芯頭兩種，本文中把砂芯設(shè)計(jì)為水平芯頭和垂直芯頭都需要用到，以此來(lái)提高砂芯的穩(wěn)定性。本鑄件的芯頭高度各參數(shù)如圖3.6所示：圖3.6芯頭與芯座的間隙芯頭斜度圖3.7芯頭斜度芯頭斜度如圖3.7所示，通過(guò)表3.5得上芯頭斜度為15°，下芯頭斜度為15°。表3.5水平芯頭斜度芯頭高h(yuǎn)152025303540506070用a/h表示斜度用角度α表示時(shí)上芯頭234567911121/510°下芯頭11.522.533.54561/105°壓環(huán)、防壓環(huán)和集砂槽的設(shè)計(jì)是為了很快的下芯、合型和保證鑄件的精度要求。圖3.8通過(guò)查鑄造手冊(cè)表2-4得，。砂芯如圖3.9所示，下方箭頭部分是圓形的砂芯，需要定位采用1個(gè)錐形芯頭，兩個(gè)是防止轉(zhuǎn)動(dòng)的。飛輪內(nèi)部相對(duì)復(fù)雜，如果單獨(dú)的把內(nèi)腔部分做成砂芯，后期生產(chǎn)中難度過(guò)大，同時(shí)質(zhì)量也不能保證，飛邊和毛刺也會(huì)增多，所以在飛輪內(nèi)砂芯拆分成2個(gè)兩個(gè)活塊，這樣砂芯也簡(jiǎn)化了，造型也省力。下圖為飛輪砂芯和活塊示意圖。圖3.9砂芯活塊示意圖砂芯通過(guò)在高溫的金屬液體，由于水分的蒸發(fā)和有機(jī)分解而燃燒，會(huì)產(chǎn)生一部分氣體，如果這些氣體不清除，它們將導(dǎo)致鑄件有氣孔，所以砂芯應(yīng)配備通風(fēng)口。設(shè)計(jì)的砂芯材料是自硬樹脂砂，其透氣性一般，在這里應(yīng)該設(shè)置裝有排氣孔。由于飛輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以不需要特別設(shè)置復(fù)雜的排氣孔，只要在上砂型設(shè)置幾個(gè)就可。第四章澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1澆注系統(tǒng)類型的選擇砂型鑄造工藝中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)金屬液的充型及凝固順序、補(bǔ)縮等起到重要作用，直接決定了鑄件的質(zhì)量。本次設(shè)計(jì)采用半封閉式澆注系統(tǒng)，使其金屬液在澆道內(nèi)穩(wěn)定流動(dòng)，充型速度相對(duì)來(lái)說(shuō)很快，沖刷力大，因此根據(jù)鑄件尺寸與重量來(lái)綜合考慮澆道的截面。在澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該嚴(yán)格的把握各個(gè)流道它們之間的距離。如果距離太近，在澆注過(guò)程中容易形成湍流產(chǎn)生的金屬氧化物，砂石進(jìn)入型腔，造成型腔缺陷。到時(shí)候鑄件壁厚可能會(huì)不均勻，零件中心會(huì)有較大腔體。頂澆系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、比較方便的好處，但充型的過(guò)程中并不是很穩(wěn)定，容易產(chǎn)生濺射、氧化、吸入等現(xiàn)象，往往導(dǎo)致夾渣、氣孔等缺陷。此外，還會(huì)對(duì)型腔內(nèi)部產(chǎn)生很大的影響，容易導(dǎo)致砂孔、鐵豆的缺點(diǎn)。綜合分析，設(shè)計(jì)最后會(huì)選擇底注式澆注系統(tǒng)。1內(nèi)澆道2橫澆道3直澆道4鑄件圖4-1澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.2澆注時(shí)間的的計(jì)算為進(jìn)一步計(jì)算鑄件澆注系統(tǒng)及冒口消耗金屬量，這里采用鑄件工藝出品率計(jì)算澆注金屬液總質(zhì)量：表4.1ZG270-500件工藝出品率[9]鑄件重量/kg﹤100100～1000﹥1000工藝出品率（%）單件小批生產(chǎn)65～7575～8080～90成批生產(chǎn)70～8080～8585～90大量流水生產(chǎn)75～8080～85-本鑄件的采用一模一件澆注方式，其鑄件重量1590kg，且為小批量生產(chǎn)，選擇工藝出品率為70%。澆注的時(shí)間是由鑄件他的高度以及型腔內(nèi)金屬液面的上升的速度來(lái)確定，即(公式4-1)式中τ——澆注時(shí)間（s）H——鑄件高度（cm）255mmV——金屬液它的上升速度的平均值（cm/s）21~30mm/s-1太長(zhǎng)的鑄造時(shí)間會(huì)使金屬表面產(chǎn)生比較厚的氧化層，會(huì)造成熔渣氣孔等缺陷。鑄件允許的最低液面上升率見表4.2。表4.2ZG270-500o最小液面上升速度鑄件最小壁厚/mm鑄件最小壁厚/mm

鑄件厚度/mm

鑄件厚度大于40mm以及所有水平位置澆注的平板鑄件

10-40

4-10

<4

最小上升速度/（mm.s-1）8-1011-20

21-30

31-100即澆注時(shí)間τ=255/21=12s4.3澆注系統(tǒng)尺寸的確定（1）澆注系統(tǒng)尺寸的確定根據(jù)《鑄造手冊(cè)》表3-146得:A直：A橫：A內(nèi)=(1.5):(2.0):(1.0)由奧贊公式：（4-2）式中m為流經(jīng)阻流斷面金屬液的總量為充填型腔的總時(shí)間μ為澆注系統(tǒng)阻流斷面的流量系數(shù)Hp為平均靜壓力頭高度Hp：對(duì)于底注式澆注系統(tǒng)Hp=H0-Hc（4-3）H0為阻流面之上液態(tài)的金屬它的靜壓頭；Hc為鑄件型腔的總高度則Hp=25.5cm。將上述四個(gè)參數(shù)值代入4-3得A阻=11.4cm2流道和直流道的橫截面面積可以基于每個(gè)部件所選擇的比例，以及通過(guò)計(jì)算所得內(nèi)澆道總截面積，就可依次算出來(lái)。A內(nèi):A橫:A直＝1:（2.0）:（1.5）ZG270-500o鑄件密度為7.3*103gcm3由于澆包口為阻流面：所以A內(nèi)=11.4cm2A橫=11.4×1.5=17cm2A直=17×1.25=21.5cm2采用單澆口設(shè)計(jì)，灌裝順暢。雙澆口是一樣的。內(nèi)澆口和橫澆口的截面形狀和尺寸由以上數(shù)據(jù)可知。如圖4.2所示。圖4-2澆注系統(tǒng)截面4.4冒口的設(shè)計(jì)冒口是模具中容納液態(tài)金屬的空腔，一般冒口設(shè)置部位是設(shè)置在熱節(jié)點(diǎn)上部，排氣等。機(jī)用飛輪材質(zhì)為ZG270-500，其收縮率查表約為0.8~1%，從壁厚分析可看出零件壁厚均勻。由于ZG270-500在凝固時(shí)會(huì)析出石墨并膨脹系數(shù)比較大，所以零件需要開設(shè)冒口。4.5出氣孔的設(shè)計(jì)排氣孔的設(shè)計(jì)就是用于排除殘留在型腔內(nèi)的氣體。防止使鑄件內(nèi)部出現(xiàn)缺陷而導(dǎo)致成品率降低。此外，出氣孔有利于金屬液的充型，可以減少鑄件缺陷的出現(xiàn)頻率。依照本本文中的工藝方案，由于機(jī)用飛輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此只需要在上砂型任意設(shè)置幾個(gè)排氣孔就可以滿足，無(wú)其他要求。PAGE\*Arabic22PAGE\*Arabic22第五章鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì)5.1模板的設(shè)計(jì)5.1.1模樣材料的選擇模樣按材料分有木模、鋼模、塑料模、氣化模，更加零件實(shí)際情況選擇金屬模為模樣材料，有制造方便、表面光潔、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。模樣設(shè)計(jì)需要根據(jù)生產(chǎn)批量及零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度來(lái)確定。常用的模樣材料主要有木質(zhì)材料、鋁質(zhì)金屬材料等。木模之所以被人廣泛使用，第一是因?yàn)樗某杀镜?，第二就是運(yùn)輸方便，簡(jiǎn)單易造。但也有一些缺點(diǎn)使得它不被接受：強(qiáng)度和精度卻達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。與之相應(yīng)的金屬模卻有著相反的特點(diǎn)，耐磨性好，尺寸精確，壽命長(zhǎng)，但是其成本太高。因此根據(jù)本文飛輪鑄件工藝，其鑄型型腔尺寸較小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度要求一般，選用木質(zhì)模樣。5.1.2模樣結(jié)構(gòu)模樣在分型面處分為上模和下模。為了避免鑄件發(fā)生錯(cuò)型等缺陷問(wèn)題，模樣要連接堅(jiān)固，定位也必須準(zhǔn)確。圖5-1砂型制造流程考慮到鑄件收縮率，模樣尺寸需要設(shè)計(jì)時(shí)需要較鑄件本體放到收縮量。保證上下砂箱合型面精度要求，要求上下型錯(cuò)模量不得大于1mm。結(jié)合樹脂砂造型的，需要保證砂型能夠連續(xù)放砂，鑄造砂型的設(shè)計(jì)需要采用型板，型板上設(shè)計(jì)定位孔，安裝定位銷。其中，模樣的收縮率為K=1%；PAGE\*Arabic23PAGE\*Arabic23零件鑄造工藝附加尺寸中更具前面為3mm；起模斜度為1.2mm；非機(jī)械加工壁厚的負(fù)余量為-0.5。5.2砂箱的設(shè)計(jì)根據(jù)本鑄件的材料，選用鑄鐵模板。模板結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)及尺寸的計(jì)算（1按下式確定模底板的平面尺寸：A0=A+2bB0=B+2b（2）模底板它的高度：高度是按照使用的要求來(lái)確定的。普通的平面式模底板：H=80~150mm（3）模底板定位銷孔中心的距離：模底板定位銷孔中心距和它所配的砂箱它的定位孔中心距相符合。5.2.1模底板的壁厚和加強(qiáng)肋設(shè)計(jì)與確定（1）按照模底板的平均尺寸和它選用的材料壁厚以及加強(qiáng)肋的厚度和它連接圓角的半徑r，可用：=15mm，=12，。（2）加強(qiáng)肋的布置：加強(qiáng)肋之間的距離為。（3）模具底板與砂箱定位裝置:模具底板與砂箱之間采用定位銷、銷套定位[14]。結(jié)論：根據(jù)上面的敘述，在滿足以上要求后得出模底板的長(zhǎng)為1000、寬為900。5.2.2砂箱在砂型鑄造的過(guò)程中，砂箱是必要的。在手工造型的時(shí)候，對(duì)砂箱沒有那么嚴(yán)格的要求，但是在機(jī)械造型的時(shí)候，要求會(huì)高一點(diǎn)。如果能夠合理地設(shè)計(jì)砂箱的尺寸，對(duì)鑄造生產(chǎn)的過(guò)程的益處是非常大的。砂箱有多種材料，有木質(zhì)、鑄鐵合金等。還有手抬、吊運(yùn)和滑道等搬運(yùn)方法。形狀也多樣，有方形、長(zhǎng)方形和環(huán)形。同時(shí)還分為整鑄、連接和拼湊三種鑄造方法。本設(shè)計(jì)選用整鑄式砂箱，材料為ZG270-500，ZG270-500有很多種類、花費(fèi)不高，制作起來(lái)比較方便，并且有高強(qiáng)度和剛性。根據(jù)鑄造工藝手冊(cè)選，，，。在砂箱上設(shè)置了定位裝置以后可以保證尺寸精度，還可以防止合箱的時(shí)候錯(cuò)位。定位的方法有很多，要根據(jù)生產(chǎn)條件選擇。常見的方法有楔定位、定位銷定位、箱垛定位等。本設(shè)計(jì)選用箱垛定位。圖5-5工藝示意圖5.3芯盒的設(shè)計(jì)圖5-6芯盒示意圖鑄造工藝的模擬與分析本次鑄造工藝采用Procast軟件中的模擬成型數(shù)據(jù)，高度模仿了真實(shí)鑄造工藝，以及其中所出現(xiàn)的一些問(wèn)題，對(duì)砂型鑄造的沖型過(guò)程的速度場(chǎng)，凝固過(guò)程的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)，以及最終結(jié)果所產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行了模擬，對(duì)本次模擬進(jìn)行了大量的工藝分析，以實(shí)現(xiàn)工藝優(yōu)化的目的。如圖5.1為Procast的模擬流程圖。圖5.1Procast模擬流程圖5.1模型的導(dǎo)入以及網(wǎng)格的劃分本次模擬采用Pro/E繪制三維模型，模型導(dǎo)入Procast中mesh部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了能夠在滿足鑄件模型的精度及可觀的情況下模擬鑄件的充型及凝固過(guò)程，一般情況下，對(duì)鑄件和鑄型進(jìn)行了不均勻網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量越多、劃分的越細(xì)模擬仿真時(shí)越真實(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)計(jì)算能力并在保證鑄件模型的精度下，對(duì)網(wǎng)格劃分如下，如圖5.2所示。圖5.2方案1中不均勻網(wǎng)格劃分示意圖5.2鑄造參數(shù)設(shè)定以及模擬在模擬澆鑄的過(guò)程中，有一些非常重要的參數(shù)：澆注時(shí)間、澆注溫度、砂型、鑄件、冷鐵等材料設(shè)置以及界面間的換熱系數(shù)。鑄件材料為QTRSi4Mo，模擬澆注溫度為1440℃，澆注時(shí)間約為6s，砂型為酯固化堿性酚醛樹脂砂。在金屬鑄件的結(jié)晶凝固過(guò)程中，由于金屬液所產(chǎn)生液體、固體凝固收縮和鑄型材料的膨脹，在鑄件和鑄型之間形成鑄件/鑄型的界面，由于二者之間的接觸通常是不完全的，存在一定的界面熱阻。同時(shí)他們的接觸情況也是在不斷變化的。在一定情況下，他們之間會(huì)形成氣隙。還有鑄型涂料的因素等，造成鑄件/鑄型的界面?zhèn)鳠?、?dǎo)熱是一個(gè)非常復(fù)雜的狀況，在微觀上同時(shí)存在著金屬/鑄型的接觸傳熱、金屬與鑄型間隙中氣體的導(dǎo)熱以及表面的熱輻射等。在鑄件凝固過(guò)程中，鑄型沒有相變過(guò)程，故可看作無(wú)內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)問(wèn)題。鑄件與鑄型之間的熱傳遞過(guò)程，用熱傳導(dǎo)率來(lái)處理交界處的邊界條件。Procast對(duì)于熱傳導(dǎo)率有自己的數(shù)據(jù)庫(kù)，可以根據(jù)材料的屬性查到對(duì)應(yīng)的熱傳導(dǎo)率。在凝固過(guò)程的數(shù)值模擬中，通過(guò)引入金屬/鑄型界面換熱系數(shù)hi來(lái)處理這種換熱，（式5.1）式中：q--通過(guò)鑄件/鑄型界面出的熱量，J/(m2·s)；hi--界面換熱系數(shù)，J/(m2·s·℃)；TW1--界面處鑄件的溫度，℃；TW2--界面處鑄件的溫度，℃。由上式我們只需要測(cè)得在凝固過(guò)程中鑄件/鑄型兩側(cè)的溫度，并且已知通過(guò)鑄型界面的熱量就能求得界面換熱系數(shù)hi。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得灰鑄件與砂型實(shí)際溫度場(chǎng)的界面換熱系數(shù)為500W/(m2·K)，其它材料之間的界面換熱系數(shù)取Procast材料庫(kù)中的數(shù)據(jù)。換熱系數(shù)根據(jù)Procast數(shù)據(jù)庫(kù)可得，如表5.1。表5.1換熱系數(shù)接觸面類型換熱系數(shù)[W/(m2·K)]金屬-金屬10001500金屬-砂500砂-砂200300固體-空氣510固體-冷空氣1001000固體-水30005000金屬-冷鐵20005.3模擬結(jié)果及分析鑄件鑄造充型過(guò)程在鑄造生產(chǎn)過(guò)程中起著重要作用，許多鑄造缺陷，如卷氣、夾渣、縮孔、冷隔等都與充型過(guò)程有關(guān)。可以看出為了控制充型順序和流動(dòng)方式以獲得優(yōu)質(zhì)鑄件，對(duì)充型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬很有必要。本研究對(duì)以上第一種方案鑄造過(guò)程仿真模擬、缺陷預(yù)測(cè)并進(jìn)行工藝優(yōu)化。5.3.1充形過(guò)程仿真模擬方案1的充型過(guò)程（中間注入式）如圖5.3所示：如圖中所示為方案1金屬液進(jìn)入鑄件型腔時(shí)的充型過(guò)程。由充型時(shí)間場(chǎng)可知從金屬液進(jìn)入型腔至充型完畢共需要12s。內(nèi)澆口開設(shè)在底部，避開金屬液直接沖刷砂芯。從整個(gè)充型過(guò)程可以看出，方案1從中部引入金屬液，金屬液充型過(guò)程平穩(wěn)，不容易發(fā)生激濺、氧化，金屬液充型順序自下而上，有利于汽化的渣、氣體上浮和排出，不會(huì)卷入到金屬液中。此充型過(guò)程體現(xiàn)出底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)澆道充滿金屬液，充型較為平穩(wěn)，可以考慮采用。小結(jié)鑒于當(dāng)下疫情形勢(shì)的好轉(zhuǎn)，在開學(xué)處，我便在在校做畢設(shè)與去企業(yè)做畢設(shè)中做出了選擇。對(duì)于設(shè)計(jì)類別的畢設(shè)，個(gè)人建議還是去企業(yè)好一點(diǎn)。當(dāng)然，我也是這么做的。我所選擇的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題來(lái)源于江蘇精棱鑄鍛股份有限公司里的飛輪鑄件。我所在的實(shí)習(xí)單位也正好是這個(gè)公司。在部長(zhǎng)等人的幫助下，最終完成了本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)。初入企業(yè)，我并未著急于進(jìn)行畢設(shè)，而是跟著老師傅學(xué)習(xí)了一下鑄造的相關(guān)內(nèi)容。接連幾天下車間，收獲頗多。在熟悉砂型、砂芯、砂箱、工裝等后，更是見識(shí)到了鑄件整個(gè)工藝的實(shí)際操作流程。在熟悉差不多后，便開始可該飛輪的工藝設(shè)計(jì)。對(duì)于該鑄件，我并未采取先模擬后設(shè)計(jì)再模擬的方案，而是采取整體設(shè)計(jì)最后模擬的方案。實(shí)際上，我所在的企業(yè)也是這樣進(jìn)行的。該說(shuō)明書內(nèi)容中澆注系統(tǒng)、冷鐵冒口的設(shè)計(jì)也是經(jīng)過(guò)多次模擬后得到的最理想的結(jié)果。借助現(xiàn)有的鑄件二維圖，對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、技術(shù)要求、工藝要求等進(jìn)行了分析。同時(shí)借助UG三維建模軟件畫出了鑄件的毛坯圖。接著，便是考慮其澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了，在進(jìn)行一番分析與計(jì)算后，便進(jìn)行了三維建模。初次設(shè)計(jì)，還是遇到了一些問(wèn)題，還好在部長(zhǎng)的幫助下，最后還是完成了澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最初的工藝設(shè)計(jì)方案并沒有設(shè)計(jì)冒口，而冷鐵的數(shù)量也是比現(xiàn)在的多的多。在中期答辯的過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)的老師指出了冷鐵的問(wèn)題，令我幡然醒悟，遂在答辯之后，我對(duì)工藝方案進(jìn)行了更改，故才有了現(xiàn)在的方案。冒口方面，我摒棄了以往的傳統(tǒng)冒口，選用了發(fā)熱保溫冒口，將其放置于鑄件高出且壁厚部位。當(dāng)整個(gè)鑄造工藝三維圖完成之后，便使用procast模擬軟件進(jìn)行了模擬。結(jié)果還算盡人意，充型、凝固、縮松均無(wú)較大問(wèn)題，故最終確定了該方案可行性。隨后便是一些工裝的設(shè)計(jì)，當(dāng)所有的設(shè)計(jì)完成后便可進(jìn)行實(shí)際的生產(chǎn)。畢竟是初次進(jìn)行鑄造工藝的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)方案多多少少還是存在些問(wèn)題。我相信，在以后不斷的學(xué)習(xí)中，我的水平必有所提高。參考文獻(xiàn)[1]李榮德，米國(guó)發(fā).鑄造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：4.[2]赫石堅(jiān).現(xiàn)代鑄鐵學(xué)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.[3]葉海定，張顯旺，劉端.地鐵用球墨鑄鐵齒輪箱體鑄造工藝設(shè)計(jì)[J].鑄造工藝技術(shù)，2020(7)：774-778.[4]董選普，李繼剛.鑄造工藝學(xué)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009：24.[5]李榮德，米國(guó)發(fā).鑄造工藝學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013:107-110.[6]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鑄造分會(huì)鑄造手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.[7]劉瑞玲，范金輝.鑄造使用數(shù)據(jù)速查手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014：54.[8]李晨希.鑄造工藝設(shè)計(jì)及鑄造缺陷控制[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.[9]董選普，李繼剛.鑄造工藝學(xué)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2009：69.[10]彭凡，原曉雷，薛蕊莉.現(xiàn)代鑄鐵技術(shù)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2018：192.[11]陳文珂，黃韋，周運(yùn)海.球鐵后橋殼的鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬[J].精密成形工程，2013，