管状三通铸件铸造工艺的CAE毕业设计docWord下载.docx
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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
2.1CAE软件介绍和使用
2.1.1CAE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。
2.1.2CAE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。
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。
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。
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3-1KTH300-06的主要性能指标
牌号
试样直径d/mm
抗拉强度σ/MPa
屈服强度σ/MPa
伸长率δ(%)L=3d
硬度HBW
KTH300-06
12
300
-
6
≤150
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
6.受力件的分型面的选择不应削弱铸件结构强度
7.注意减轻铸件清理和机械加工量
初步对三通进行分型有:
方案如图3-4、
图3-4分型面确定方案
3.2.5砂箱的选择
三通轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75mm,单件质量约为1.35kg,为小型铸件。
如果一箱一件生产则工艺出品率会较低,如此生产成本较高。
所以采用一箱两件生产。
这样工艺出品率大幅提高,生产成本也大大降低。
初步选取砂箱尺寸:
上箱为450*350*200mm下箱为450*350*200mm
a>
20e>
30f>
30
第4章铸造工艺参数
4.1工艺设计参数确定
铸造工艺设计参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些数据,这些工艺数据一般都与模样及芯盒尺寸有关,即与铸件的精度有密切关系,同时也与造型、制芯、下芯及合箱的工艺过程有关。
这些工艺数据主要是:
机械加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔的尺寸、型芯头尺寸、分型负数等。
工艺参数选取的准确、合适,才能保证铸件尺寸精确,使造型、制芯、下芯及合箱方便,提高生产率,降低成本。
工艺参数选取不准确,则铸件精度,甚至因尺寸超过公差要求而报废。
4.1.1铸件尺寸公差
铸件尺寸公差是指铸件公称尺寸的两个允许的极限尺寸之差。
在两个允许极限尺寸之内,铸件可满足机械加工,装配,和使用要求。
三通为砂型铸造机器造型大批量生产,查表4-1得:
三通的尺寸公差为CT8~12级,取CT9级。
表4-1大批量生产的毛坯铸件的公差等级(GB/T6414-1999)
方法
公差等级CT
铸件材料
砂型铸造机器
造型和壳型
钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铜合金
锌合金
轻金属合金
镍基合金
钴基合金
8~12
8~10
7~9
三通的轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75mm,查表4-2得:
三通尺寸公差数值为2.5mm。
表4-2铸件尺寸公差
铸件基本尺寸
铸件尺寸公差等级
大于
至
1
2
3
4
5
7
8
9
10
11
100
160
0.15
0.22
0.30
0.44
0.62
0.88
1.2
1.8
2.5
3.6
4.1.2机械加工余量
机械加工余量是铸件为了保证其加工面尺寸和零件精度,应有加工余量,即在铸件工艺设计时预先增加的,而后在机械加工时又被切去的金属层厚度。
三通为砂型铸造机器造型大批量生产,查表4-3得:
三通的加工余量为E~G级,取G级。
表4-3铸件典型的机械加工余量等级
要求的机械加工余量等级
F~H
E~G
三通的轮廓尺寸为120mm*97.5mm*75mm,查表4-4得:
三通加工余量数值为2.2mm,取2mm。
表4-4要求的铸件机械加工余量(RMA)
最大尺寸
A
B
C
D
E
F
G
H
J
K
0.3
0.4
0.5
0.8
1.1
1.5
2.2
4.1.3铸造收缩率
铸造收缩率又称铸件线收缩率,用模样与铸件的长度差除以模样长度的百分比表示:
ε=[(L1-L2)/L1]*100%
ε—铸造收缩率
L1—模样长度
L2—铸件长度
三通受阻收缩率查表4-5得:
受阻收缩率为1.0~1.3(%)
受阻收缩率为1.2%
表4-5各种铸铁件的铸造收缩率(%)
4.1.4起模斜度
为了方便起模,在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度,以免损坏砂型或砂芯。
这个斜度,称为起模斜度。
起模斜度应在铸件上没有结构斜度的,垂直于分型面的表面上应用。
初步设计的起模斜度如下:
外型模的测面高47.5mm的起模斜度查表4-6得:
粘土砂造型外表面起模斜度为а=0°
30',a=1.0mm
表4-6黏土砂造型时,模样外表面的起模斜度
4.1.5铸件在砂型内的冷却时间
铸件在砂型内的冷却时间短,容易产生变形,裂纹等缺陷。
为使铸件在出型时有足够的强度和韧性,铸件在砂型内应有足够的冷却时间。
设计三通的冷却时间为30~60min。
4.1.6铸件重量公差
铸件重量公差是以占铸件公称重量的百分比表示的铸件重量变动的允许范围。
三通的公称重量约为1.35kg,尺寸公差为CT9级。
重量公差应与尺寸公差对应选取,
三通的重量公差为MT9级。
重量公差数值查表4-7得:
14%
表4-7铸件重量公差数值
4.2砂芯设计
砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外型不能出砂的部分。
砂型局部要求特殊性能的部分有时也用砂芯。
砂芯应满足以下要求:
砂芯的形状、尺寸以及在砂型的位置应符合铸件要求,具有足够的强度和刚度,在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能及时排出型外,铸件收缩时阻力小和容易清砂。
4.2.1芯头的设计
砂芯主要靠芯头固定在砂型上。
对于垂直芯头为了保证其轴线垂直、牢固地固定在砂型上,必须有足够的芯头尺寸。
根据实际设计量取计算砂芯高度:
L=120mm
砂芯直径:
D=61mm
芯头长度初步选取查表4-8得:
l=30-35mm取l=30mm
表4-8水平心头的长度
芯头间隙初步选取查表4-9得:
s=0.5mm
芯头斜度选取:
а≤5取а=5
表4-9水平芯头的斜度及间隙
4.3浇注系统及冒口冷铁的设计
浇注系统是铸型中引导液体金属进入型腔的通道,它由浇口杯,直浇道,横浇道和内浇道组成。
4.3.1选择浇注系统类型
浇注系统分为封闭式浇注系统,开放式浇注系统,半封闭式浇注系统和封闭-开放式浇注系统。
因为封闭式浇注系统控流截面积在内浇道,浇注开始后,金属液容易充满浇注系统,呈有压流动状态。
挡渣能力强,但充型速度快,冲刷力大,易产生喷溅,金属液易氧化。
适用于湿型铸件小件。
而三通就是采用湿型的铸件小件,所以选择封闭式浇注系统。
4.3.2确定内浇道在铸件上的位置、数目
三通结构较为简单且是小型件,故每个铸件上只用一个内浇道。
为了方便造型,内浇道开设在分型面上。
如图4-1所示。
图4-1内浇道位置示意图
4.3.3决定直浇道的位置和高度
实践证明,直浇道过低使充型及液态补缩压力不足,容易出现铸件棱角和轮廓不清晰、浇不到上表面缩凹等缺陷。
初步设计直浇道高度等于上沙箱高度200mm。
但应检验该高度是否足够。
检验依据为,剩余压力头应满足压力角的要求,如下式所列:
HM≥Ltgа
式中HM——最小剩余压力头
L——直浇道中心到铸件最高且最远点的水平投影距离
а——压力角
查表4-10得:
а为9~10取10
表4-10计算最小剩余压头高度用的压力角
Ltgа=180*tg10≈32mm
因为铸件全部位于下箱,所以剩余压力头HM等于上箱高度200mm
经过验证剩余压力头满足压力角的要求。
4.3.4计算浇注时间并核算金属上升速度
根据铸件图计算单个铸件的体积V=193cm3
可锻铸铁密度为7.2~7.4
取密度为7.2
一箱两件质量为m=193*7.2*4=5.5584≈5.6kg
三通大批量生产的工艺出品率约为85%,可估计铸型中铁水总重量G
G=5.6/85%≈6.6kg
初步计算浇注时间查表4-11得:
系数s=1.0
表4-11系数s与铸件壁厚关系
T=S√G=1.0*√6.6=6.6s
通过比对21mm/s的上升速度符合实际,不必调整经验系数。
4.3.5计算阻流截面积
根据水力学近似计算公式:
S内=m/[ρtμ√2gHp]cm²
式中m—一个铸件质量kg
t—充满一个型腔时间s,对于可锻铸铁ρ=7.2*10-62㎏/mm3
ρ—金属液密度kg/cm
μ—内浇道的流量系数
Hp—每个铸件的平均计算压力头cm
S内=2cm2
4.3.6确定浇口比和内浇道截面积
浇口比查表4-12得:
A直:
A横:
A内=1.5:
1.1:
A内=2cm²
表4-12可锻铸铁件内浇道的截面积
注:
浇注系统各组元截面比例一般为:
4.3.7计算内浇道截面积
内浇道是控制充型
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