座体铸造工艺设计及其模拟优化

铸造过程计算机辅助分析模拟综合实验题目：座体铸造工艺设计及其模拟优化

学院：机械工程学院

专业：材料成形及控制工程

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指导教师：

2014年3月10日

目录

第一章.零件简介 (2)

1.1 零件基本信息 (2)

1.2技术要求 (5)

第二章.基于UG零件的三维造型 (6)

2.1软件简介 (6)

2.2 零件的三维造型图 (6)

第三章.铸造工艺方案的拟定 (7)

3.1工艺方案的确定 (7)

3.2型（芯）砂配比 (7)

3.3混砂工艺 (8)

3.4 铸造用涂料、分型剂及胶补剂 (8)

3.5熔炼设备及熔炼工艺 (9)

3.6分型面的选择 (6)

3.7 砂箱大小及砂箱中铸件数目的确定 (7)

3.8铸造工艺参数的确定 (7)

第四章.砂芯设计及排气 (8)

4.1芯头的基本尺寸 (8)

4.2砂芯设计尺寸见下工艺图 (9)

第五章.浇注系统设计.................................... 错误!未定义书签。

5.1浇注系统的类型及选择............................ 错误!未定义书签。

5.2浇注位置的选择 ..................................... 错误!未定义书签。

5.3浇注系统各部分尺寸的计算...................... 错误!未定义书签。

5.4合金铸造性能分析 .................................. 错误!未定义书签。

5.5 设计计算步骤........................................ 错误!未定义书签。

5.6出气孔 (14)

5.7铸件工艺出品率 (14)

第六章.模拟仿真部分 (15)

6.1充型模拟 (15)

6.2凝固模拟 (15)

第七章.结论及优化方案 (16)

第八章.小结 (16)

主要参考文献： (19)

摘要

本文通过对座体零件图的深入分析，根据零件的形状、尺寸、材料等特点，采用传统设计方法及计算机辅助设计相结合的方式对零件的铸造工艺进行设计。

分析并确定采用卧式造型合箱，底注式浇注的砂型铸造工艺方案；确定了铸铁件的凝固原则、浇注位置和分型面等；确定了座体铸铁件的铸造工艺参数并计算了其体积和重量；设计并计算了箱盖砂型铸造的浇注系统；绘制了座体砂型铸造工艺图、UG铸件图、合箱图

等；并采用华铸CAE模拟软件进行模拟分析。整体得到了一套生产该灰铸铁箱盖的砂型铸造工艺文件。

关键词：座体;砂型铸造；工艺设计；模拟分析。

箱盖铸造工艺设计及其模拟优化

第一章.零件简介

1.1 零件基本信息

零件名称：座体铸件。

零件材料：HT200。

产品生产纲领：单件小批量生产。

结构：属厚、薄均匀的小型座体。

根据相关资料查得HT200具体成分及其含量如表所示。

表1.1.1 HT200化学成分表（质量分数，%）

C

Si Mn P S Cr

3.3~3.5 51.95~2.

15

0.60~0.

90

≤0.

08

≤0.1

2

0.15~0

.30表1.1.1 HT200材料的力学性能

抗拉强度

/MPa

硬度

/HB

延伸率/%≥200170~241≥10

座体零件图：

图1-1 座体零件图1.2技术要求

(1) 结构特点及使用要求

该零件结构简单，壁厚均匀为10mm，座体外形整体较大长约255mm，宽190mm，高172.5mm。材料为灰铁，流动性较较好，收缩大，所以在浇注时容易产生浇不足、冷隔、缩孔和缩松、热裂、内应力以及变形和冷裂等缺陷。（铸件体积V=1791168.0543mm3 ，质量m=13.824kg。

(2) 铸件技术要求

铸造圆角R3～R5；

第二章.基于UG零件的三维造型

2.1软件简介

UG NX[2]是由Siemens PLM Software发布的集

CAD/CAM/CAE一体化解决方案软件，它涵盖了产品设计、工程和制造中的全套开发流程。NX 产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具。NX 及UGS PLM 的其他解决方案的完整套件无缝结合，这些对于CAD 、CAM 和CAE 在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。

本件采用UG NX进行三维立体建模使工艺设计直观形象，便于后续分析、模拟及加工等过程的管理及控制。

2.2 零件的三维造型图

通过运用NX8.5对零件进行立体建模得到如图2-1所示三维图。

图2-1零件的三维造型图

第三章. 铸造工艺方案的拟定

3.1工艺方案的确定[1]

座体材质为灰铸铁HT200,该铸件属于薄壁小型件，无需开设冒口,成品率高。生产纲领为单件小批量生产可采用砂型铸造，铸型和型芯都采用呋喃树脂自硬砂，每箱一件，乙醇涂料，造型时按模型材质选择合适的脱模剂。采用树脂砂的优点有：强度高，可自硬，精度高，铸件易清理，生产效率高等特点。

3.2型（芯）砂配比

根据零件结构及生产要求，该铸件采用呋喃树脂自硬砂造型、造芯即可，具体数值参考型、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呋喃树

脂

固化剂附加物氧化

铁粉

百分10％90％ 1.6% 15％0 ~ 1.5%

表3.2芯砂配比（配比重量Wt%）

表中催化剂含量为占树脂砂的百分比。

3.3混砂工艺

合理地选用混砂机，采用正确的加料顺序和恰当的混砂时间有助于得到高质量的树脂砂。树脂砂各种原料称量要准确，其混砂工艺如下：

砂+

出砂

上述顺序不可颠倒，否则局部发生剧烈的硬化反应，缩短可使用时间，影响到树脂砂的使用性能。砂和催化剂的混合时间应以催化剂能均匀的覆盖住沙粒表面所需的时间为准。

3.4 铸造用涂料、分型剂及胶补剂

铸造涂料在铸型和砂芯的表面上形成耐火的保护层，避免铸件产生表面粗糙、机械粘砂、化学粘砂以及减少铸件产生及砂子有关的其它铸造缺陷，是改善铸件表面质量的重要手段之一。虽然采用涂料增加了工序和费用，但使用涂料之后，不仅铸件表面光洁，也减少了缺陷降低了清理费用，增加了铸件在市场上的竞争力，综合效益得以提高。为满足要求可选水溶性涂料，根据生产纲领选用手工刷涂的方式施涂。

铸造用分型剂可在造型造芯过程中在模样、芯盒工作表面覆盖一薄层可以减少或者防止型砂、芯砂对模样或芯盒的粘附，降低起模力，以便得到表面光洁、轮廓清晰的砂型或砂芯，可手工涂涂柴油。

如砂型或砂芯出现裂纹、孔洞、掉角以及不平整等缺陷可用胶补剂进行修补，以提升生产效率。对自硬树脂砂可用同种自硬砂+修补膏+胶合剂进行修补。

3.5熔炼设备及熔炼工艺

熔炼设备：为保证获得化学成分均匀、稳定且温度较高的铁液，满足生产需要这一前提，在大批量流水生产中，宜采用冲天炉-电炉双联熔炼工艺。它可以保证出炉铁液温度在1500℃以上，温度波动范围小于等于＋（-）10℃，化学成分（质量分数）精度达到△C小于等于＋（-）0.05%，△Si小于等于＋（-）0.10%。

熔炼工艺：(1) 废钢加废钢可明显提高灰铸铁基体中D型石墨和初生奥氏体的数量；加废钢能促进初生奥氏体的形核及长大；可增加铸件的强度和孕育。（2）出炉温度和浇注温度出炉温度一般都控制在1400~1450℃之内，浇注温度一般控制在1370~1440℃。（3）孕育处理为改善石墨形态和材质的均匀性，孕育处理是十分重要的。孕育的作用为消除白口、改善加工性能，细化共晶团、获得A型石墨，使石墨细化及分布均匀，改善基体组织、提高力学性能，减小断面敏感性。综合孕育剂选择的主要两个因素：满足工艺性及性能、金相组织的需要；避免铸件产生气孔、缩松、渗漏等缺陷。由于75SiFe 瞬时孕育效果好，溶解性能优良，故此铸铁熔炼采用此方法。

第四章铸造工艺设计

4.1、铸件零件图

图4-1-1 铸件零件图

4.2、分型面及浇注方式的确定

4.2.1、分型面的选择

该零件几何结构较为简单，采用底浇注式的方式浇注，既满足要求，又使得浇注系统的设计简化，充型平稳，减少夹渣、缩孔，有利于浮渣。不需要再设计冒口，同时可以提高工艺出品率，合箱简单，非常适合单件、小批量的造型成型。

分型面选择如图4-2-1所示：

图4-2-1 分型面的选择位置

4.2.2、浇注位置的选择

该零件大体轮廓属于环形构造，根据型芯情况，结合分型面的选择，决定采用底注式的浇注方式，浇注位置如图4-2-2所示。

图4-2-2 铸件浇注位置

4.2.3、主要的铸造工艺参数

（1）铸件尺寸公差和重量公差

该铸件材质为HT200，手工造型，经查得，铸件的尺寸公差等级为11级；重量公差等级为13级，该铸件的重量公差为24％[3]。（2）机械加工余量

该铸件为铸铁（HT200)件，砂型人工造型，经查加工余量等级为H，经查得，加工余量取7。

（3）铸造收缩率

由于铸件的固态收缩(线收缩)将使铸件各部分尺寸小于模样原来的尺寸，因此，为了使铸件冷却后的尺寸及铸件图示尺寸一致，则需要在模样或芯盒上加上其收缩的尺寸。加大的这部分尺寸为铸件的收缩量，一般用铸造收缩率表示。经查可知该铸件的线收缩率为1.0％。（4）不铸出孔

因为采用的是单件小批量生产，零件图中的螺纹孔太小，需铸出孔要大于或等于30-50，所以该零件的孔都不能铸出，铸件图如图4-2-3所示：

图4-2-3 铸件图三维图

4.3、砂芯设计

对于该零件有中空结构，因此需要在铸造时使用砂芯成型。对于砂芯的要求，应具有足够的强度和刚度。

型芯设计和浇注系统放置如图4-3-1所示：

如图4-3-1 型芯和浇注系统的位置

4.4浇注系统设计

4.4.1、浇注系统的选择原则

该铸件为铸铁中小型铸件，壁厚均匀，根据铸铁件生产要求及特点，根据铸造工艺学表3-4-12选择封闭式（Ⅱ）浇注系统。取∑S内：∑S横：∑S直=1:1.1:1.15

4.4.2 浇注系统的尺寸确定

每个铸件质量13.824kg，共布置1件。铸件出品率按30%估计，则型腔内金属质量为13.824/0.3=45.16kg。

(1)、确定浇注时间和浇注速度q

=Bбpmn

—浇注时间（S）

m—铸件质量或浇注金属质量（kg）

б—铸件壁厚（mm）

查表计算可得浇注时间为15s

(2)、计算内浇道截面积

由公式：

G—包括浇冒口在内的铸件总重量；

一充填一个型腔的时间；

一每个铸件的平均计算压力头，查表得到取值为30cm。

根据铸件情况，n取0.05

经过上面公式计算和结合铸造工艺手册可得到内浇道最小总截面积约为61.2,所以取内浇道的截面积为60，一共两个内浇道，每个内浇道为30。

采用梯形断面内浇口主要考虑到是从铸件后凝固处引入，内浇口可以很好的起到补缩的作用。采用a=h的体形尺寸，可得出内浇道截面尺寸如下表：

表4-4-1 内浇道截面尺寸

内浇道截面积

h(mm)a(mm) b (mm)

()

3082428

图4-4-1 内浇道界面形状

(3)直浇道及横浇道尺寸

该铸件属于中小型铸件，采用封闭式浇注系统，根据铸造工艺手册可得直、横、内浇道截面积比为1.15:1.1:1。根据浇注质

量为45.16Kg可得直浇道总

截面积为50-60，所以取直浇道截面积为25。

直浇道的的截面积采用圆形截面，具体尺寸R=25 mm。直浇道高度可根据最小剩余压力头HM＞Ltgб,取直浇道长度为200 mm。

图4-4-2 直浇道截面形状

横浇道采用用梯形截面，横浇道为分流形式，所以每一个分流最小截面积为34，所以根据铸造工艺手册和实际的计算尺寸比例，综合考虑可得横浇道具体尺寸选取为a= 16mm,b=20mm,h=20mm。

.

图4-4-3 横浇道截面形状

4.5.铸件工艺出品率

铸件工艺出品率=×100%

对该铸件工艺出品率=13.824/15.531=89%

4.6.砂箱大小及砂箱中铸件数目的确定

由于铸件为座体件，结构简单，采用一箱一件生产方式。模样高255mm，长200mm，宽为190m。

砂箱的尺寸计算：

砂箱宽=40+40+190=271mm, 取砂箱宽度为300mm。

砂箱长=40+40+200=380mm, 取砂箱长度为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

第五章.模拟仿真部分

5.1凝固模拟

如下图所示：

图5-1 凝固时间模拟图

结果分析：由上图可以看出，铸件最后凝固为铸件的最上部，没有明显的缩孔缩松，所以不必用冒口。

5.2充型模拟

如下图示：

图5-2 充型时间模拟图

结果分析：由上图可以看出，该铸型在2.2s时充满，符合快浇的原则，和理论计算出的浇注时间很接近，而且铸件没有浇不足的情况，

金属液能顺利地充满型腔。因此，符合生产实际，满足生产要求.

第六章.结论及优化方案

本铸件体积不太大，结构较简单，材料为灰铸铁其材料是在凝固过程中易出现缩松缩孔等缺陷的灰铸铁，因此此工艺设计思想是在保证铸件质量前提下，尽量采取合理工艺及先进的分析方法来消除各种缺陷，最后才考虑工艺出品率的提高。

第七章.小结

在此次设计过程中，我们遇到了许多困难，但通过努力也解决了许多问题。这次综合试验，我们受益匪浅，不仅深层次的学习了铸造知识，掌握了铸造工艺设计流程，而且还提高了分析问题、解决问题的能力，使自己的专业素质得到了进一步的锻炼和提升。但同时也深刻发现了自身知识能力的不足，在日后的生活中，一定会更加积极努力学习，多积累经验。为即将进行的毕业设计做好充分的准备！

主要参考文献：

[1] 申荣华编. 铸造工艺课程设计指导书[Z]. 贵阳，自编参考书，2011。

[2] 矫津毅编著. UG NX8,5基础设计及案例实践[M]. 北京：机械工业出版社，2008。

[3] 王文清，李魁盛. 铸造工艺学[M]. 北京，机械工业出版社，2002。

[4] 中国机械工程学会铸造分会编. 铸造手册5（第2版）[M]. 北京，机械工业出版社，2004。

附图

1、铸造工艺卡1张（A4）

2、铸件图1张（A3）

3、零件图1张（A3）

4、铸造工艺图1张（A3）

5、合箱图1张（A3）