铸造过程cadcae综合实验报告报告.docx
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铸造过程cadcae综合实验报告报告
课程名称:
铸造过程CAD/CAE综合实验报告
学院:
机械工程专业:
材料成形及控制工程
姓名:
符静枫学号:
080803110008
年级:
成形082任课教师:
姜云
第一章简介
1.1进气支管零件分析
1.1.1零件介绍
零件名称:
进气支管
零件材料:
进气支管材质为HT250,其主要参数是抗拉强度(MPa)
不小于250MPa,主要组织为细片状普通灰铸铁,
产品生产性质:
大批量生产
1.2进气支管结构分析
1)零件结构特点
进气支管件是一个中小型的结构件,外形尺寸
主要壁厚基本均匀,在4~15mm左右,最大壁厚14,最小壁厚4mm,零件结构呈对称布置。
零件整体结构呈“抽风箱”形式,外形由弯管和方形管组成,内腔较复杂。
2)主要技术条件要求
进气支管零件的加工等级为CT10,抱手上面键槽对称,所有的小圆孔都不需要铸造出来,铸出弯管内腔和方形管内腔,造型时需要用活块造型。
第二章基于UG零件的三维造型
2.1零件的三维造型图
通过运用NX6.0对零件进行立体建模得到如图2-1、2-2、2-3所示三维图。
2-1图进气支管俯视图
2-2进气支管仰视图
2-3进气支管正视图
第三章铸造工艺参数
3.1工艺设计参数确定及砂芯设计
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,及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指加工余量、起模斜度、铸造收缩率、最小铸出孔、型芯头尺寸、铸造圆角等。
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。
砂芯设计的总体原则:
使造芯到下芯整个过程方便,铸件内腔尺寸精确,不致造成气孔等缺陷,使芯盒结构简单。
3.1.1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。
支管为砂型铸造机器造型大批量生产,由《铸造工艺设计》查表1-10得:
支管的尺寸公差为CT9~11级,取CT10级。
支管的轮廓尺寸为
,由《铸造工艺设计》查表1-9得:
支管尺寸公差数值为4.0mm。
3.1.2机械加工余量
支管只铸出弯形管和方形管其加工余量均为5mm,其余小孔不铸出。
3.1.3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—铸造收缩率
L1—模样长度
L2—铸件长度
支管受阻收缩率由《简明铸工手册》查表1-10铸造合金线收缩率得:
受阻收缩率为0.9%;自由收缩为1.0%。
3.1.4最小铸出孔
零件上的孔、槽、台阶等,究竟是铸出来好还是靠机械加工出来好,这应该从品质及经济角度等方面考虑。
一般来说,较大的孔、槽等应该铸出来,以便节约金属和加工工时,同时还可以避免铸件局部过厚所造成热节,提高铸件质量。
较小的孔、槽或则铸件壁很厚则不易铸出孔,直接依靠加工反而方便。
根据《铸造实用手册》查表1.4-30得:
最小铸出孔约为50mm。
支管的孔分别为方形孔Φ74和弯形孔Φ56考虑加工余量后直径为Φ64mm和Φ46mm,该孔直径较大,则应该铸出。
其余孔尺寸均小于50mm,而考虑加工余量后尺寸更小,这些孔直径较小,高径比较大,不应该铸出,机械加工较为经济方便。
3.1.5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。
支管的冷却时间由《铸造实用手册》得:
冷却时间10min~30min。
3.1.6工艺补正量
在单件小批量生产中,由于选用的缩尺与铸件的实际收缩率不符,或由于铸件产生了变形等原因,使得加工后的铸件某些部分的壁厚小于图样要求尺寸,严重时会因强度太弱而报废。
因此工艺需要在铸件相应的非加工壁厚上增加层厚度称为工艺补正量。
但支管在大批量生产前的小批量试产过程中将进行调整,且对于成批、大量生产的铸件或永久性产品,不采用工艺补正量,而应修改模具尺寸。
3.1.7分型负数
干砂型、表面烘干型以及尺寸较大的湿砂型,分型面由于烘烤,修整等原因一般都不很平整,上下型接触面很不严。
为了防止浇注时跑火,合箱前需要在分型面之间垫以石棉绳、泥条等,这样在分型面处明显增加了铸件的尺寸。
为了保证铸件尺寸精确,在拟定工艺时为抵掉铸件增加的尺寸而在模样上减去相应的尺寸称为分型负数。
而支管是干型且是中小型铸件,采用机器造型,分型负数的大小和砂箱尺寸、铸件大小有关,一般采取在0.5
~6mm之间。
3.1.8反变形量
铸造较大的平板类、床身类等铸件时,由于冷却速度的不均匀性,铸件冷却后常出现变形。
为了解决挠曲变形问题,在制造模样时,按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样,使其于变形量抵消,这样在模样上做出的预变形量称为反变形量。
支管没有较大平板故基本不会产生翘曲变形,因此可采用加工余量的方法补偿变形。
不留反变形量。
3.1.9非加工壁厚负余量
在手工粘土砂造型、制芯过程中,为了取出木模,要进行敲模,木模受潮时将发生膨胀,这些情况均会使型腔尺寸扩大,从而造成非加工壁厚的增加,使铸件尺寸和重量超过公差要求。
为了保证铸件尺寸的准确性,凡形成非加工壁厚的木模或芯盒内的肋板厚度尺寸应该减少,即小于图样尺寸。
为减少的厚度尺寸称为非加工壁厚的负余量。
通过查铸造工艺学表3-311非加工壁厚的负余量得-0.5mm。
3.1.10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。
起模斜度应小于或等于产品图上所规定的起模斜度值,以防止零件在装配或工作中与其他零件相干涉,以此采用最大起模斜度2°,最小为1°10'。
3.1.11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。
支座的公称重量约为3kg,尺寸公差为CT10级。
由《铸造工艺设计》查表3-3-2得:
支管的重量公差为MT16级。
第四章浇注系统及冒口、出气孔等设计
4.1浇注系统的设计
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。
4.1.1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。
4.1.2确定内浇道在铸件上的位置、数目、金属引入方向
凝固支管结构较为复杂且是中小型件,铸造时采取一箱一件,故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。
因为铸件大部分位于下箱的方式进行铸造,这样铸件凝固顺序为由下至上凝固,这样有利于支座的重要部分先并得到补缩,如此内浇道则设置在底部侧面引入金属液,如图4.1所示。
图4.1內浇道位置和数量
4.1.3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砂箱高度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:
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
——压力角
由《铸造工艺学》查表3-4-11得:
为13~14取14
因为铸件大部位于下箱,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。
4.1.4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=419489.84mm³;灰铸铁密度由《铸造实用手册》查表1.1-90得:
7.25~7.35g/cm³
取密度为7.3g/cm³
一箱一件质量为m=3.06kg
支管大批量生产的工艺出品率约为71%,可估计铸型中铁水总重量G
初步计算浇注时间由《铸造实用手册》查表1.4-61得:
计算铁水液面上升速度
校核铁水上升速度,一般允许铁水的最小上升速度范围由《铸造实用手册》查表1.4-62得:
上升速度v=10~20s
通过比对19mm/s的上升速度符合实际,不必调整经验系数。
4.1.5铸件工艺出品率
铸件工艺出品率=
×100%
对该铸件工艺出品率=
=71%
4.1.6计算阻流截面积
根据水力学近似计算公式:
式中m—流经阻流的金属质量kg
t—充满行腔总时间s
ρ—金属液密度kg/cm³
μ—浇注系统阻流截面的流量系数
Hp—充填型腔时的平均计算压力头cm
4.1.7确定浇口比
浇口比由《铸造实用手册》查表1.4-58得:
∑S直:
∑S横:
∑S内=1:
1.5:
2
4.1.8计算内浇道截面积
内浇道是控制充型速度和方向,分配金属液,调节铸件各部位的温度和凝固顺序,浇注系统的金属液通过内浇道对铸件有一定补缩作用。
由于设计内浇口有四个,因此S内=3/4≈0.75cm²
内浇道形状取梯形断面形状如图4.2
图4.2内浇道截面示意图
梯形断面大小由《铸造实用手册》查表1.4-75得:
a=9mmb=7mmc=8mm
4.1.9计算横浇道截面积
横浇道的功用是向内浇道分配洁净的金属液,储留最初浇入的含气和渣污的低温金属液并阻留渣滓,使金属液流平稳和减少产生氧化夹杂物。
由于设计横浇口有两个,因此
横浇道形状取梯形断面形状如图4.3
图4.3横浇道截面示意图
梯形断面大小由《铸造实用手册》查表1.4-75得:
A=16mmB=11mmC=18mm
4.1.10计算直浇道截面积
直浇道的功用是从浇口杯引导金属液向下,进入横浇道、内浇道或直接进入型腔。
并提供足够的压力头,使金属液在重力作用下能克服各种流动阻力充型。
由于设计直浇口有一个,因此S直=3/2=1.5cm²
直浇道形状取圆形截面形状如图4.4
图4.4直浇道截面示意图
圆形断面大小由《铸造实用手册》查表1.4-75得:
D=15mm
为了方便取模直浇道做成上小下大的倒圆锥形,(通常锥度取1/50)。
因此直浇道上端是直径约为:
4.1.11浇口窝的设计
浇口窝对于来自直浇道的金属有缓冲作用,能缩短直——横浇道拐弯处的紊流区,改善横浇道内的压力分布,并能浮出金属液中的气泡。
浇口窝直径为直浇道下端直径两倍,因此
浇口窝高度为横浇道高度两倍,因此
4.1.12浇口杯的设计
浇口杯是用来承接来自浇包的金属液,防止金属液飞溅和溢出,便于浇注,并可以减轻金属液对型腔的冲击,还可分离渣滓和气泡,阻止其进入型腔。
浇口杯选用普通漏斗形浇口杯,其断面形状如图4.5所示
图4.5浇口杯截面示意图
浇口杯断面大小由《铸造实用手册》查表1.4-89得:
D1=56mm,D2=52mm,H=40mm
4.2冒口的设计
冒口是铸型内用于储存金属液的空腔,在铸件形成时补给金属,有防止缩孔、缩松、排气、集渣的作用。
支管所用的灰铸铁在凝固时其体积变化情况与一些工业上常用的金属及合金不同,其特点是在液态冷却时发生收缩,冷却至共晶温度时停止收缩,由于析出石墨而发生膨胀,在接近凝固终了时余下的液态金属凝固时又开始收缩,直至凝固结束。
所以其凝固时的膨胀和液态收缩趋于互相补偿。
故灰铸铁补缩时需要的铁水量少,而且支管壁厚均匀无厚大壁,所以可利用浇注系统进行补缩不设置冒口。
4.3出气孔的设计
防止出气孔过小导致型内气压过份增大,出气孔根部总截面接应大于内浇口总截面积3cm²。
因此设计出气孔根部直径为10mm,一箱1件共1个出气孔。
为方便取模采用上小下大的锥形,斜度为起模斜度а=1°10'
出气孔总截面积为
第五章砂箱决定及铸件完整图
5.1浇铸系统的三维图
为使该工艺工艺方案更加直观的呈现,做出基于NX6.0的浇铸系统三维图,如图5-1~5-3所示。
图5-1带浇口系统俯视图
图5-2带浇口系统正视图
图5-3带浇口系统仰视图
5.2砂箱大小及砂箱中铸件数目的确定
由于铸件为中小型简单件,支管轮廓尺寸为
,单件质量约为3kg,因此铸件为中小型复杂件。
由于零件方形管和弯形管连接位置占用空间大,零件虽轻若采用一箱两件注出,则会增加填砂量、劳动强度加大。
因此采用一箱一件铸出。
这样可以控制成本,保证出品率。
砂箱长=200mm,取砂箱长度为200mm。
砂箱宽=200mm,取砂箱宽度为200mm。
砂箱高度的计算:
上砂箱高=52mm,故取上箱80mm
下砂箱高=158+50=208mm,下砂箱取250mm。
砂箱各部位的尺寸如表3-4所列。
表3-4砂箱外形尺寸
砂箱长(mm)
砂箱宽(mm)
砂箱高(mm)
上箱
200
200
80
下箱
200
200
250
如工厂有尺寸相近砂箱也可选用。
第六章Anycasting模拟分析
6.1进气支管模拟分析
将浇注所需三维实体导出为STL模型,分别有铸件,直浇道,横浇道,内浇道。
利用AnyCasting软件,根据已有的计算,在完成浇注系统的基础上,通过设置相应的工艺参数和充型条件进行工艺仿真。
仿真后的结果及分析内容如下图6.1—6.14显示。
然后进行相应的参数设置,浇注温度为1420℃,浇注速度定为0.085m/s,浇注时间初步算出为3s,然后运行求解,得出的充型时间和凝固时间及分布,如图所示
图6.1充型时间
6.2充型顺序
模拟结果显示充型时间在3.4s多一点,而且没有浇不足的情况,而且金属液能顺利地进入各个内浇道,充满型腔,不过在铸件最上方部位,最后充型,为防止产生缺陷可采用冒口进行补缩,但铸件是薄壁件又是铸铁件,因此,这次设计没采用冒口。
6.3凝固时间
6.4凝固顺序
由凝固时间图可以看出铸件底部最先凝固,浇道最后凝固,符合顺序凝固的原则,凸台凝固时间较浇道晚,不过凸台铸出还需打孔,因此认为能够满足生产。
6.4温度梯度
温度梯度主要1270.62秒之前就已经变化很少了,而且变化大的部位主要在浇口,因此,符合生产要求。
6.5界面移动速度倒数
界面移动速度倒数比较均匀,因此,符合浇注条件。
6.6局部凝固时间
铸件局部凝固主要在浇口部位,对铸件几乎不影响。
满足浇注条件。
6.7固相分数等值线曲率
以上是铸件简单收缩分析,工艺基本上还满足浇注条件;下面进行铸件的高级铸件分析。
6.8组合缺陷参数
在高级缺陷分析里面,铸件主要在冷却率、温度梯度等表现出来,而且这对铸件浇注条件影响不是很大,符合生产要求。
6.9概率缺陷参数
高级铸件分析时,在概率缺陷参数里面主要分析的有充型时间、凝固时间、温度梯度、界面移动速度倒数、冷却率、残余熔体模数、组合缺陷参数、局部凝固时间、二次枝晶臂间距、残余熔体体积、残余熔体表面积、最终体积分数、固相分数等值线曲率。
6.10概率缺陷参数-最终体积分数
6.11概率缺陷参数-残余熔体模数
残余熔体模数是分析铸件的主要参数。
对概率缺陷参数-残余熔体模数进行如下几个方向进行刨面进行观察。
6.12对XZ方向进行刨面观察
6.13对YZ方向进行剖面观察
铸件是薄壁件,在进行模拟仿真的过程中,进行了几次的模拟仿真,前几次模拟过程中产生了很多的缺陷,对生产有很大的影响,不满足浇注条件、容易产生缩孔缩松等等,因此,在以后的模拟过程当中进行了铸件的设计改进,有必要时可采用冒口进行补缩,可把加工余量加大点,以把缺陷转移到表面。
当然生产出来的还是有一定的缺陷,可通过后续的加工进行清理,若缺陷产生在内部,要是加工出来的内孔存在表面缺陷,在进行焊补表面处理,以达到铸件要求。
对铸件微观的结构预测,铸件在浇注过程中,其实是在形核与长大两个过程不断进行。
组织决定性能这是我们才要注意的,在浇注过程中要注意控制铸件晶体的长大与成长速率。
对铸件的浇注温度和浇注时间要很好的掌握,加快冷却速率,尽量使晶粒细化,提高铸件性能,使铸件满足使用性能要求。
6.14二次枝晶间距
由此可见,此薄壁件晶体还算均匀,因此,符合生产要求。
结论
通过应用工艺设计相关知识对该件深入分析,最终得到了一套生产该件的砂型铸造工艺方案,针对该工艺有以下结论:
1.工艺出品率约为71%,表明该方案生产效率较高。
2.铸件质量小壁厚薄选用工艺方案符合生产条件。
3.对铸件的模拟仿真,了解到了铸件那部分容易残生缺陷,而且能直观的看出铸件所产生的缺陷,并寻找最优的处理方案。
4.对铸件的分析,从最简单的分析到高级、到微观结构的分析,都很只管的看出铸件结构。
致谢
在这两个星期的CAD/CAE铸造模拟当中,本人从中学到了很到的东西,在这里要感谢我的指导老师姜云老师,她每时每刻都在指导我们,老师在百忙之中还要抽出时间来教我们,教我们怎么用Anycasting来模拟铸件,模拟第一次不行就要进行第二次模拟,我们在做这个课程设计的时候寻找精益求精,模拟了很多次,不断的改进,最后才符合要求。
第二我要感谢的是我的组员,虽然我做为组长,但这次的铸件模拟仿真我还是第一次做的,存在许多的不会,在通过问老师的方式之下还需要通过各个组员的努力和互相帮助才能完成这次的课程设计,在老师没空的时候我们会聚在一起互相讨论,寻找铸件在模拟过程中存在的缺陷的处理方案。
参考文献
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东北大学出版社,1994.
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机械工业出版社,2002.
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机械工业出版社,2004.
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重庆大学出版社,2004.
[5]朱辉,唐保宁,等.画法几何及工程制图[M].上海:
上海科学技术出版社,2005.
[6]李丽华等.UGNX6.0.北京:
机械工业出版社,2009.7
附图
铸件工艺图一张(A3图纸)
铸件图一张
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