管状三通铸件铸造工艺的CAE毕业设计

管状三通铸件铸造工艺的CAE毕业设计

第1章绪论

1.1铸造工艺和CAE的发展概况

随着我国经济的快速发展，管道连接件的需要日益增多，而且管件的种类也越来越多。由于采用锻造-切削加工的制造工艺不仅材料利用率低、模具寿命短而且后续加工切断了金属流线，影响其性能。改为铸造方法，并利用CAE进行数值模拟，不仅可以减少工序，而且材料的利用率也可以大大提高，其经济效益和社会效益更为可观。

铸造技术正向着精确化、轻量化、节能化和绿色化的方向发展。在传统的铸件工艺设计过程中，一直采用试错法来得到生产工艺，其工艺的定型是通过多次的浇注和修改, 反复摸索，直到得到能够满足设计要求的工艺方案，这就不可避免地带来了铸件工艺定型周期长、生产质量不稳定、作业成本高等许多不利因素，尤其是对于一些大型铸件和中小型企业的小批次铸件的工艺设计，更加增加了设计难度。因此，就铸件的生产准备而言，迫切需要一种新的方法来解决这些问题。计算机数值模拟技术在铸造中的应用，为解决这一问题提供了有效的手段。利用计算机虚拟制造技术，可以在制造铸造工艺装备及浇注铸件之前，综合评价各种工艺方案与铸件质量的关系，并在计算机上模拟整个成型过程，预测铸造缺陷。这样，铸造工艺人员就能够根据模拟结果及时修改工艺设计，省去了大量用于生产试验和摸索可行性铸造工艺而消耗的宝贵时间和费用。将CAE 技术应用到铸造工艺的设计中是现代铸造工艺设计发展的方向。

1.1.1发展现状

模具作为工业生产中的基础工艺装备, 是一种高附加值的高技术密集型产品, 也是高新技术产业化的重要领域, 尤其在汽车、电子、仪表、家电和通讯行业中应用广泛。研究和发展模具技术, 对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义, 模具技术的水平及科技含量高低, 直接影响到模具工业产品的发展, 在很大程度上决定了产品的质量, 新产品的开发能力、企业的经济效益, 是衡量一个国家制造业水平的重要标志。由于制造业产品信息相当复杂, 要实现企业生产自动化,在分离的CAD、CAE、CAM 之间还需要大量的人工工作, 这给企业自动化生产带来了极大地障碍, 且模具设计与制造周期可进一步缩短的空间较大, 模具CAD/CAE/ CAM 技术的使用, 极大地提高了产品质量, 加速了产品的开发, 缩短了从设计到生产的周期, 缩短了产品的上市周期, 实现了产品设计的自动化, 使设计人员从繁琐的绘图中解放出来, 集中精力进行创造性的劳动, 模具CAD/ CAE/ CAM 技术是模具工业发展的必然趋势。

尽管近年来我国铸造行业取得迅速的发展,但仍然存在许多问题。第一,专业化程度不高,生产规模小。我国每年每厂的平均生产量是815t,远远低于美国的4606t和日本的4878t。第二,技术含量及附加值低。我国高精度、高性能铸件比例比日本低约20个百分点。第三,产学研结合不够紧密、铸造技术基础薄弱。第四,管理水平不高,有些企业尽管引进了国外的先进的设备和技术,但却无法生产出高质量铸件,究其原因就是管理水平较低。第五,材料损耗及能耗高污染严重。中国铸铁件能耗比美国、日本高70%～120%。第六,研发投入低、企业技术自主创新体系尚未形成。

发达国家总体上铸造技术先进、产品质量好、生产效率高、环境污染少、原辅材料已形成商品化系列化供应，如在欧洲已建立跨国服务系统。生产普遍实现机械化、自动化、智能化（计算机控制、机器人操作）。

在大批量中小铸件的生产中，大多采用微机控制的高密度静压、射压或气冲造型机械化、自动化高效流水线湿型砂造型工艺。砂处理采用高效连续混砂机、人工智能型砂在线控制专家系统, 制芯工艺普遍采用树脂砂热、温芯盒法和冷芯盒法。熔模铸造普遍用硅溶胶和硅酸乙酯做粘结剂的制壳工艺。铸造生产全过程主动、从严执行技术标准，铸件废品率仅2%-5%；标准更新快（标龄4-5年）；普遍进行ISO9000、ISO14000等认证。

在CAE的应用方面，国外在航空航天、汽车、造船、机床制造等工业部门都已实现模具CAD/ CAE/ CAM 技术的应用。如波音飞机公司应用模具CAD/ CAE/ CAM 技术, 在波音777 飞机上对全部零件进行了三维实体造型, 设计了除发动机以外的其他机械零件, 比传统设计和装配流程效率提高了一倍相比之下, 国内模具CAD/ CAE/ CAM 技术的研究和应用远落后于国外, 据统计, CAD/ CAE/ CAM 技术20 世纪末已应用于近百个工业领域。到了21 世纪, CAD/ CAE/ CAM技术将在各行各业都有所应用, 可以说在目前的各个领域的制造业, 已离不开CAD/ CAE/ CAM 技术的应用, 其中CAD/ CAE/ CAM 技术在模具领域的应用最为出色, 其前景也将更为广阔。

1.2本设计的主要内容

三通管,也叫T形管,是一个结构比较简单的非轴对称回转体,由两个圆柱形直管相贯形成。三通管作为一种连接件在日常生活中应用广泛，用途在于改变流体流动方向，主要用于医学、水利（节水灌溉、给水排水）、能源（石油、天然气）等工程领域。

由于计算机CAE 技术应用到铸造工艺的设计中是现代铸造工艺设计发展的方向。本课题拟在传统铸造工艺设计手段基础上，结合采用AUTOCAD等建模软件、华铸CAE/InterCAST铸造工艺分析优化软件辅助管状三通铸件的铸造工艺设计。以可视化的方式模拟铸造充型、凝固过程，直观显示铸造生产中容易出现的缺陷，并通过修改工艺提高铸件质量。

第2章铸造工艺方案数值模拟

2.1 CAE软件介绍和使用

2.1.1 CAE软件介绍

以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质、多种铸造方法下铸件的凝固分析、流动分析以及流动和传热耦合计算分析。实践应用证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。

2.1.2 CAE的使用

CAE的使用主要有以下几个步骤：

（1）新建工程如图2-1需要输入单位、操作人、铸件名、工艺号、材质。并选择存储的位置（硬盘）

图2-1 新建工程界面

（2）前置处理如图2-2主要进行STL文件装配和网格剖分

如图2-2前置处理界面

（3）计算分析如图2-3用于铸造的充型过程、凝固过程以及流动与传热的耦合计算

图2-3 计算分析界面

（4）后置处理如图2-4

图2-4 后置处理界面

2.2三通实体建模及选择

2.2.1三通实体建模

三通铸造方案一如图2-5，铸造方案二如图2-6.两个方案区别在于浇注未知的选择不同

图2-5 方案一图2-6方案二

2.2.2网格剖分

为了保证计算精度和计算速度，对铸件、冒口、砂型采用相同的网格尺寸，剖分步长取3mm，最终划分单元总数为118800.剖分结果如图2 -7.

图2-7 剖分结果

2.2.3热物参数的选择

热物参数的选择合理与否对模拟计算准确性有着决定性影响。三通的材质为可锻铸铁KTH300-06，其化学成分w(C)=2.7%～3.1%, w(Mn)=0.3%～0.6%, w(P)<0.3%, w(S)=0.18%, w(Si)=0.7%～1.1%,其余为Fe。

砂型选用呋喃树脂砂。浇注工艺：浇注温度为1350℃，铸型、冒口初始温度为25℃，浇注时间30s。

2.3 方案一数值模拟结果及分析

2.3.1凝固过程温度场

从凝固过程温度场计算结果图2-8可以看出，铸件的大部分的温度分布均匀，只有在铸件的侧面位置，出现了温度分布的差异，这说明方案一的普通浇注系统，难以保证铸件的色温分布均匀，在产生温度差异的部位，有出现铸造缺陷的可能，结合温度场，可以发现缺陷可能产生的位置，并针对性的优化铸造工艺设计。

（a）（b）(c)

图2-8 方案一铸件色温

2.3.2凝固过程时间场

凝固过程时间场反映铸件各部委凝固先后顺序，据此可以判断铸件是顺序凝固还是同事凝固，凝固过程中有无孤立凝固区域，是否会产生铸造缺陷。铸件凝固时间分布如图2-9所示，可以看到铸件的凝固方式是顺序凝固，580S时铸件完全凝固。整个凝固过程中两侧出现了孤立凝固区域，说明这一铸造工艺方案可能产生缺陷，需要优化铸造工艺。

(a) (b) (c)

图2-9 方案一凝固过程

2.3.3凝固过程缺陷分析

分析了凝固过程的时间场和温度场，可以看出铸件的侧面和中间的凝固过程存在差异，这样导致了铸件侧面可能会产生铸造缺陷，具体的缺陷可能出现的部位如图2-10。从图中可以看出，在铸件的下方，可能会出现缩孔缩松等铸造缺陷。

图2-10 方案一铸造缺陷

2.4方案二的数值模拟的结果及分析

2.4.2凝固过程温度场

从图2-11凝固过程温度场计算结果可以看出，通过增加冒口补缩后，铸件的各部分温度分布更加均匀，没有出现侧面与中间的温度差，原来在方案一中可能出现缺陷的位置都进行了很好的补缩。同时可以知道冒口的位置和尺寸都比较合适，可以消除铸造工艺分析中发现的缺陷。

(a) (b) (c)

图2-11方案二铸件色温

2.4.3凝固过程时间场

依据图2-12的凝固时间分布，增加冒口后铸件在凝固时各部位的凝固速度基本相同，冒口基本实现了对铸件侧面的补缩。

(a) (b) (c)

图2-12 方案二凝固过程

2.4.4 凝固过程缺陷分析

通过观察方案一的分析可以看出，在铸件的侧面可能会出现缩孔缩松缺陷，为了防止缺陷的产生，增加了冒口进行补缩。增加冒口后的分析结果如图2-13，铸件侧面位置的铸造缺陷基本消除，铸造工艺得到了优化。所以说明冒口的位置和尺寸符合要求。

图2-13方案二铸件缺陷

2.5 结果讨论

本次设计针对管状三通设计了两种铸造方案，凝固过程中由于方案二中新增的冒口有加热补缩作用，方案一在凝固过程中铸件色温分布不均匀，方案二利用冒口消除了两侧的温度差，如果排气通畅，方案二的效果要优于方案一。

通过数值模拟计算，可以看到方案一的侧面会出现缩松缩孔缺陷，影响浇注成型，改为方案二后，工艺方案基本符合要求，缺陷明显减少，但仍有部分位置缺陷难以消除，因此，还可以在两个铸造工艺方案的基础上进一步优化。

第3章铸造工艺方案确定

3.1零件的工艺分析

3.1.1零件的基本要求

●产品生产性质——大批量生产

●零件材质——KTH300-06

●零件的外型示意图如图3-1所示，三通的零件图如图3-2所示，三通的外形轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75mm，主要壁厚8mm，质量为1.35kg，为一小型铸件；铸件除满足几何尺寸精度及材质方面的要求外，无其他特殊技术要求。

图3-1 三通外型示意图

图3-2 三通零件图

3.1.2零件的材料及材料的性能

零件的材质为黑心可锻铸铁KTH300-06，金相组织为铁素体+团絮状石墨，具有中等强度、高塑形、高韧性。在我国，黑心可锻铸铁产品占可锻铸铁总量的90%以上，广泛应用于汽车、拖拉机、铁路、建筑、水暖管件、线路器材等。表3-1为KTH300-06的主要性能指标。

表3-1 KTH300-06的主要性能指标

3.2工艺方案的确定

3.2.1三通铸造工艺性

零件结构的铸造工艺性是指零件的结构应符合铸造生产的要求，易于保证铸件品质，简化铸件工艺过程和降低成本。审查、分析应考虑如下几个方面：

1.铸件应有合适的壁厚，为了避免浇不到、冷隔等缺陷，铸件不应太薄。

2.铸件结构不应造成严重的收缩阻碍，注意薄壁过渡和圆角铸件薄厚壁的相接拐弯等厚度的壁与壁的各种交接，都应采取逐渐过渡和转变的形式，并应使用较大的圆角相连接，避免因应力集中导致裂纹缺陷。

3.铸件内壁应薄于外壁铸件的内壁和肋等，散热条件较差，应薄于外壁，以使内、外壁能均匀地冷却，减轻内应力和防止裂纹。

4.壁厚力求均匀，减少肥厚部分，防止形成热节。

5.利于补缩和实现顺序凝固。

6.防止铸件翘曲变形。

7.避免浇注位置上有水平的大平面结构。

对于三通的铸造工艺性审查、分析如下：

三通的轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75mm。砂型铸造条件下该轮廓尺寸允许的最小壁厚查表3-2得：最小允许壁厚为3-4mm。而设计三通的最小壁厚为8mm。符合要求。

表3-2 最小允许壁厚

3.2.2造型、造芯方法的选择

三通的轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75mm，铸件尺寸较小，属于中小型零件且要大批量生产。采用湿型粘土砂造型灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现机械化和自动化，材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力等，还可延长砂箱使用寿命。因此，采用湿型粘土砂机器造型，模样采用金属模是合理的。

在造芯用料及方法选择中，如用粘土砂制作砂芯原料成本较低，但是烘干后容易产生裂纹，容易变形。在大批量生产的条件下，由于需要提高造芯效率，且常要求砂芯具有高的尺寸精度，此工艺所需的砂芯采用热芯盒法生产砂芯，以增加其强度及保证铸件质量。选择使用射芯工艺生产砂芯。采用热芯盒制芯工艺热芯盒法制芯，是用液态固性树脂粘结剂和催化剂制成的一种芯砂，填入加热到一定的芯盒内，贴近芯盒表面的砂芯受热，其粘结剂在很短的时间内硬化。而且只要砂芯表层有数毫米的硬壳即可自芯取出，中心部分的砂芯利用余热可自行硬化。

3.2.3浇注位置确定

铸件的浇注位置是指浇注时铸件在型内所处的状态和位置。确定浇注位置是铸造工艺设计中重要的环节，关系到铸件的内在质量，铸件的尺寸精度及造型工艺过程的难易程度。

确定浇注位置应注意以下原则：

1.铸件的重要部分应尽量置于下部

2.重要加工面应朝下或直立状态

3.使铸件的答平面朝下，避免夹砂结疤内缺陷

4.应保证铸件能充满

5.应有利于铸件的补缩

6.避免用吊砂，吊芯或悬臂式砂芯，便于下芯，合箱及检验。

7.应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致

初步对三通对浇注位置的确定有：方案如图3-3

图3-3 浇注位置确定方案

3.2.4分型面的选择

分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面一般在确定浇注位置后再选择。但分析各种分型面方案的优劣之后，可能需要重新调整浇注位置，生产中，浇注位置和分型面有事是同时确定的，分型面的优劣在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。

选择分型面时应注意一下原则：

1.应使铸件全部或大部分置于同一半型内

2.应尽量减少分型面的数目

3.分型面应尽量选用平面

4.便于下芯、合箱和检测

5.不使砂箱过高