铸钢上冠铸件工艺设计与数值模拟仿真毕业设计

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1、SHANDONG毕业设计说明书铸钢上冠铸件工艺设计与数值模拟仿真学 院： 机械工程学院 专 业： 材料成型及控制工程 中文摘要摘 要铸造低碳马氏体不锈钢是20世纪60年代发展起来的钢种。该钢具有良好的淬透性、优良的室温和低温力学性能、腐蚀疲劳强度和动静态断裂韧性,良好的铸、锻、焊和机加工等工艺性能及优良的服役性能(如抗空蚀、抗磨损、低温性能。现已广泛应用于水电、火电、核电等电力工业领域。本文主要是对材质为ZG06Cr13Ni4Mo(马氏体铸造不锈钢)的上冠铸件进行工艺工装设计，应用UG软件画出三维造型，最后应用AnyCasting软件进行工艺模拟，针对模拟结果进行分析，修改工艺，得出最合理的工

2、艺设计方案。上冠铸件，要求具有高强度，良好的抗磨耐蚀性，不允许有砂眼、缩松。造型采用呋喃树脂砂，熔炼采用碱性电弧炉返回法，为保证铸件质量，浇注系统为顶注式，直浇道采用圆柱状，并在浇口杯处安放过滤网，在有热结处安放冷铁。这样可以大大提高铸件出品率，提高了铸件的质量。关键词：铸造，铸造合金，变质处理，浇注系统设计，工艺工装设计 IVAbstractAbstractCasting low-carbon martensitic stainless steel developed in the 1960s. The steel has good hardenability, good room temp

3、erature and low temperature mechanical properties, corrosion fatigue strength and static and dynamic fracture toughness, good casting, forging, welding and machining process performance and excellent service performance (such as anti-cavitation abrasion resistance, low temperature performance). It h

4、as been widely used in the field of hydropower, thermal power, nuclear power industry.In this paper, we designed the technology and equipment of the Shang guan castings that the material for ZG06Cr13Ni4Mo (martensitic cast stainless steel). I used UG software to draw three-dimensional shape, then us

5、ed AnyCasting software to process simulation, analysised the simulation results, modifyed the process, arrived at the most reasonable process design finally.Shang guan castings required that the high strength, good wear and corrosion resistance, and not allowed to have trachoma, shrinkage. We used t

6、he furan resin sand to Modeling, the alkaline electric arc furnace return method to Melting. To ensure the quality of castings, gating system using the top note, sprue using a cylindrical, and placing the filter at the gate Cup, the cold iron in the hot junction. In the method ,we can improve castin

7、g yield,and the quality of the castings greatly.Key words: casting, casting alloy, Modification, gating system design, technology and equipment design 目录目 录摘 要IABSTRACTII目 录III第一章 引言11.1 低碳合金不锈钢铸造技术分析11.1.1 铬镍钼系合金性能11.2 计算机在铸造生产中应用21.2.1 UG软件介绍21.2.2 UG的主要应用领域分布31.2.3 UG在我国研究应用的发展趋势31.3 Anycasting软件

8、4第二章 上冠铸件的铸造工艺设计62.1 上冠铸件的结构工艺性分析62.1.1 上冠铸件的主要技术要求62.1.2 上冠铸件的结构分析62.2 分型面位置的确定72.3 砂芯的设计及安放82.4 上冠铸件的工艺参数92.5 浇注系统的设计102.5.1浇注系统的确定102.5.2 直浇道的设计112.6 冷铁与冒口的设计122.7 出气孔的设置14第三章 铸造工艺装备设计163.1 模样材质的选择163.2 砂箱的设计163.3 模底板的设计193.4 模样在模底板上的装配21第四章 铸钢的熔炼224.1 材料的配比224.2 铸钢的精炼234.3 铸钢金属液的热处理244.4 出炉温度和浇注

9、温度的确定24第五章 铸件工艺数值模拟结果及分析265.1 充型过程265.2 凝固过程28结 论30参考文献31致 谢32附 图33第一章 引言第一章 引言目前国内外水轮发电机过流部件广泛采用低碳马氏体不锈钢，典型材料为ZG06Cr13Ni4Mo（简称13-4），这种钢属于马氏体铬镍不锈钢，是在ZG10Cr13和ZG20Cr13不锈钢的基础上，降低C含量，提高Cr含量，同时将镍的含量控制在4%到6%范围内，并加入适量的Mo，使铸态组织基本为单一的板条马氏体。因此，该钢具有一定的耐腐蚀性能，良好的强度、韧性、可焊性以及耐磨蚀性能以外，还具有良好的抗空蚀性能。该钢抛弃了高碳马氏体与形成碳化物的强

10、化手段，而以具有较高韧性的的低碳马氏体的形成和以镍、钼等合金元素作补充强化手段，通过适当地热处理使之具有低碳板条状马氏体与逆转变奥氏体的复相组织，从而既保留了高的强度水平又提高了钢的韧性和可焊性。而以具有较高韧性的的低碳马氏体的形成和以镍、钼等合金与该钢抛弃了高碳马氏体形成碳化物的强化手段其结果是：在改善力学性能、韧性和焊接性能等方面，都有突破性的进展。经过长期研究和实践，现有的铸造技术已能保证13-4水轮机铸件的力学性能与标准要求相比有较大的裕度。1.1 低碳合金不锈钢铸造技术分析低碳合金不锈钢铸造是在铸钢的基础上加入其他金属或非金属元素 , 不仅能保持铸钢的基本性能 , 而且由于合金化及热

11、处理的作用 , 使低碳合金不锈钢具有良好的综合性能。低碳钢和低碳合金不锈钢在工业上占有重要的地位 , 大量用于军事、工业、农业和交通运输等领域 , 也广泛用作建筑结构材料、家庭生活用具和体育用品等。几十年来，围绕铸造低碳合金成分、组织、性能进行了大量的研究，使传统的低碳合金不锈钢综合性能上了一个新台阶。其中研究和应用较多的是铬镍系合金和铬钼系合金。与此同时，低碳合金不锈钢的熔炼及处理技术也飞速地发展，一方面这些先进的合金液处理技术提高了合金性能及铸件的整体性能；另一方面，更有利于生产和环境的保护。1.1.1 铬镍钼系合金性能铬在钢中与碳和铁形成碳化物，并能部分地溶入固溶体中，并具有改善钢的高温

12、性能的作用。不锈钢最重要的技术要求是耐蚀性，合适的力学性能，良好的冷、热加工和焊接等工艺性能。铬是不锈钢获得耐蚀性的基本元素。当钢中含铬量达到12左右时，钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变性的上升。此时钢的表面形成一层极薄而致密的铬的氧化膜，阻止金属基体被继续侵蚀。镍是不锈钢中的主要合金元素，其主要作用是稳定奥氏体，使钢获得完全奥氏体组织，从而使钢具有良好的强度和塑性，韧性的配合，并具有优良的冷，热加工性和冷形成性以及焊接，低温与无磁等性能，同时提高不锈钢的热力学稳定性，使之不仅比相同铬，钼含量的铁素体，马氏体等类不锈钢有更好的不锈性和耐氧化性介质的性能，而且于表面膜稳定性的提高，从而使钢还具有

13、更加优异的耐一些还原性介质的性能。铬镍钢中加入钼元素后，显著改善淬透性，有良好的空气硬化性能，并有优良的抗回火脆性能力，所以铬镍钼铸钢易于制造大型或复杂形状的铸件，采用正火热处理后仍可得到高强度的力学性能。广泛应用于有高强度要求的工件。此钢在高温下仍能保持较好的强度。1.2 计算机在铸造生产中应用铸造成形是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，其间发生一系列复杂的物理、化学、冶金变化，这些变化不能直接观察，也难以测试，所以其工艺设计多凭个人经验，技艺性强，而科学性不足。计算机在铸造生产中的应用导致了铸造技术的发展和根本变革。国内有关高等院校、科研院所和重点铸造企业经过20多年的努力，取得了积极的成果

14、先后开展了计算机工艺辅助设计、成分和力学性能辅助设计，铸造合金凝固过程及温度场数值模拟、铸件充型过程的数值模拟，铸造过程、铸造合金品质和铸件品质以及铸造设备的检测与控制，铸造数据库、管理、计算机识图、机械手和机器人的应用等，并在生产中得到运用，应用范围越来越广，取得良好的经济效益，实现了基础理论定量指导工艺过程的目标。同时计算机在铸造生产中的应用也促使铸造行业建立了完整的教育、科研、协会、学会、标准、质检、出版、信息体系1。1.2.1 UG软件介绍UG是Unigraphics的缩写，是美国Unigraphics Solutions公司开发的三维参数化软件，主要通过其虚拟产品开发（VPD）的理念

15、提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MCAD解决方案。目前拥有46000家客户，全球装机量近400万台套。80年代后期引进我国以来，已广泛应用于航空航天、汽车、通用机械、模具等领域。为了更好地了解UG在我国的研究、应用状况，我们对1979年以来国内所发表的有关UG的研究成果进行统计分析，试图从文献引证的角度揭示该领域的研究现状和研究动向，进而对UG在我国的研究、应用和发展进行测度，并寻求一些规律，为UG在我国的推广应用提供参考2。1.2.2 UG的主要应用领域分布UG是一个集CAD/CAM/CAE于一体的计算机辅助机械设计制造软件，它具有强大的三维实体造型功能、曲面造型

16、、虚拟装配及创建工程图等功能。UGNX含有4大功能模块：基础模块、CAD模块、CAM加工模块以及CAE模块。CAD模块由许多独立功能的子模块构成，建模模块、制图模块、装配模块就是引入到机械制图教学当中的模块。建模模块提供了草图、曲线、实体、自由曲面等工具，可以设计各种形状复杂的实体和曲面。制图模块使设计人员能方便地获得与三维实体模型完全相关的二维工程图，当3D模型改变时，二维工程图也会同步更新。这两个功能模块在协助讲解组合体以及机件的表达方法内容时，能通过迅速改变实体的形状，让学生从各种不同的角度观看和了解形体，提高学生分析视图的能力。装配模块可以对装配体进行虚拟装配，具有很强的仿真性，提高了

17、授课质量和效率。UGS是航空/国防、汽车及运输、电子及电讯、制造及组装行业公认的领导者。1.2.3 UG在我国研究应用的发展趋势Unigraphics CAID/CAD/CAM/CAE系统提供了一种基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品及其精确的数据模型能够在产品开发全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和生成工程图等设计功能，而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力

18、学分析和仿真模拟，从而提高了设计的可靠性。同时，可采用建立的三维模型直接生成数控代码用于产品的加工。另外它所提供的应用开发语言UG/Open GRIP和UG/Open API功能强大、简单易学，便于用户开发专用CAD系统。具体来说，该软件具有以下特点：（l）具有统一的数据库，真正实现了CAID、CAD、CAE和CAM等模块之间无数据交换的自由切换，并且可实施并行工程；（2）采用复合建模技术，将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模等建模技术融于一体；（3）采用基于特征的建模和编辑方法作为实体造型的基础，形象直观，类似于工程师传统的设计方法，并能采用参数驱动；（4）曲面设计采用非

19、均匀有理B样条作为基础，可用多种方法生成复杂曲面，特别适合于汽车外形和汽轮机叶片等复杂曲面的造型；（5）二维图功能强大，可方便地从三维实体模型直接生成二维工程图，可以按照ISO标准和国标生成各种剖视图、标注尺寸、形位公差和汉字说明等；（6）以Parasolid为实体建模核心，目前许多著名CAD/CAE/CAM软件均以此作为实体造型的基础；（7）提供了界面良好的应用开发工具，并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合，便于用户开发专用CAD系统；（8）具有良好的用户界面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作时，具有自动推理功能；在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，

20、便于用户做出正确的选择。1.3 Anycasting软件AnyCasting是韩国AnyCasting公司自主研发的新一代基于Windows操作平台的高级铸造模拟软件系统。是专门针对各种铸造工艺过程开发的仿真系统，可以进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析。它具有模拟准确、操作简便、功能全面及运算速度快等特点。早在1985年，我们就研制出了AnyCasting软件核心求解器，1990年开始推广为商业化软件，通过多年来为大量不同领域如汽车、电子、重工、连续铸造行业的客户提供铸造工程咨询服务，AnyCasting积累了丰富的铸造工程经验，并不断地将实际的工艺经验在软件功能中得以实现，使得Any

21、Casting日益成为当今世界上技术最先进，包含丰富实际工程经验的铸造模拟分析软件系统3。AnyPRE作为AnyCasting的前处理程序，AnyPRE可以实现CAD模型的导入，有限差分网格的划分，模拟条件的设置，并调用AnySOLVER进行求解。使用AnyPRE，您可以进行多种设置包括工艺流程和材料的选择来模拟铸造成型过程，设置边界、热传导和浇口条件，也能通过特殊功能模块来设置一些设备和模型。另外，你还可以通过AnyPRE提供的CAD功能来查看、移动/旋转实体坐标系统。AnyMESH能编辑由AnyPRE生成的网格文件。您可以轻松地修改网格信息而不改变几何模型。AnyDBASE作为一个能概括铸

22、造成型中熔体，模具和其他材料性能的数据库管理程序，AnyDBASE主要分为常规数据库和用户数据库。常规数据库提供了具有国际标准的常用材料性能，而用户数据库使用户能保存和管理修改或附加的数据。用户能简单的选择感兴趣的材料而不需要输入几百种不同的材料性能。另外，它还提供每种材料的传热系数，提高了程序的方便性。AnySOLVER作为AnyCasting的求解器，AnySOLVER能够根据你的设定计算流场和温度场。铸造成型模拟包括计算熔体充型过程的流动分析和熔体凝固过程的传热/凝固分析。只有在两个分析都准确的前提下才能正确预测可能造成缺陷的区域。anyPOST作为AnyCasting的后处理器，可以通

23、过读取anySOLVER中生成的网格数据和结果文件在屏幕上输出图形结果。使用anyPOST，你可以用二维和三维观察充型时间，凝固时间，等高线(温度，压力，速率)和速度向量，也可以用传感器的计算结果来创建曲线图。这个程序具备动画功能使用户把计算结果编辑成播放文件，通过结果合并功能来观察各种二维或三维的凝固缺陷。图1.1 AnyCasting软件的组成部分35第二章 上冠铸件的铸造工艺设计第二章 上冠铸件的铸造工艺设计随着现代科学技术的发展，要求金属铸件具有高的力学性能、尺寸精度和低的表面粗糙度值，要求生产周期短、成本低。因此，本上冠铸件在生产之前，首先应进行铸造工艺设计，使铸件的整个工艺过程都能

24、实现科学操作，才能有效地控制铸件的形成过程，达到优质高产的效果。上冠铸件的铸造工艺设计要根据其结构特点、技术要求、生产批量和生产条件等，确定铸造方案和工艺参数，绘制铸造工艺图等技术文件的过程。其铸造工艺设计的好坏，对铸件品质、生产效率和成本起着重要作用。2.1 上冠铸件的结构工艺性分析该上冠铸件属于壁厚相差悬殊的回转体结构，由于材料的导热性差且铸造时钢水在型腔内的温度差较高，使上冠的冷却极不均匀，产生较大的温度梯度形成较大的热应力与组织应力，且易在中间壁厚处形成缩松缩孔等缺陷。所以要在上冠件壁厚处安放暗冒口，进行补缩，在外轮廓热节圆处安放冷铁，这样可以很好地补松补缩，提高铸件的工艺出品率和经济

25、效益，同时也可以提高铸件的致密度和铸件质量。2.1.1 上冠铸件的主要技术要求（1）铸件应作正回火处理；（2）铸件材料及机械性能应符合JB/T10264-2001的要求；（3）粗加工后按GB7233-87标准作超声波探伤检查，达级要求；过流面加工后按GB/T9444-1988进行磁粉探伤，达级要求；（4）同炉浇铸试验棒，回厂做化学成分和机械性能复核试验；（5）过流面用样板检查。2.1.2 上冠铸件的结构分析本上冠的材质为ZG06Cr13Ni4Mo，轮廓尺寸为1510mm1510mm623mm，毛量约为1950kg。结构上属于厚、薄相差悬殊的大型回转体结构。铸件各面均需加工，其中外侧弧面为精加工

26、。上冠铸件UG三维造型如图2-1所示。 图2-1 上冠铸件UG三维造型图2.2 分型面位置的确定 分型面是指两半铸型相互接触的表面。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。我们在选择分型面时遵循的原则如下所述：（1）应使铸件全部或大部分置于同一半型内。为了保证铸件精度，如果做不到这项要求，也应该尽可能把铸件的加工面和加工基准面放在同一半型内。（2）应尽量减少分型面的数目。分型面少，铸件精度容易保证，且砂箱数目少。（3）分型面应尽量选用平面。平直分型面可简化造型过程和模底板的制造，易于保证铸件的精度。（4）分型面的设计要便于下芯、合箱和检查型腔尺寸。（5）不使砂箱过高，因为高

27、砂箱造型困难，填砂、紧实、起模、下芯都不方便。分型面通常选在铸件最大截面上。（6）受力件的分型面的选择不应消弱铸件结构强度。（7）注意减轻铸件的清理和机械加工工作量。根据该上冠铸件的结构特点及选择分型面的一般原则，现提供选择分型面的三种方案如图2-2所示。方案一：优点：1、有利于顺序凝固和冲型；2、有利于铸件的补缩。缺点：钢液在铸型中的流动不稳定。方案二：优点：1、重要面放在侧面和下面，有利于重要面得到致密的组织；2、避免了吊芯。缺点：不利于顺序凝固和补缩。方案三: 优点：1、减小了砂箱尺寸；2、有利于下芯。缺点：1、对上下箱的合箱、造型精度要求很高；2、钢液在铸型中的流动不平稳。 （a） （

28、b） （c）图2-2 分型面的选择方案（a）方案一 （b）方案二 （c）方案三综合考虑各个分型面选择方案的优缺点，根据本铸件的实际结构及技术要求等因素，本上冠铸件采用方案一，使用两箱造型，铸件放在下砂箱。2.3 砂芯的设计及安放砂芯的功用是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。芯头是指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分。芯头长度是指砂芯伸入铸型部分的长度。为了合箱方便，避免上、下芯头和铸型相碰，对垂直芯头，上、下芯头都要设有斜度。根据铸件结构、分型面的选择，本铸件的内部空腔采用一个砂芯来形成。该砂芯设计的总的原则是：使造芯到下芯的整个过程方便，铸件内腔尺寸精确，不致造成气孔等缺陷，使芯盒

29、结构简单。为了方便下芯，还要在芯头和芯座之间留有一定的间隙。该砂芯的制芯方法选择自硬冷芯盒（原砂：锆砂；粘结剂：碱性酚醛树脂；催化剂：甘油醋酸酯），其形状和尺寸如图2-3所示。为了保证该砂芯在制造、运输、装配和浇注过程中不变形、不开裂或折断，生产中在砂芯中埋置了芯骨，以提高其强度和刚度。图2-3 砂芯结构、尺寸2.4 上冠铸件的工艺参数(1) 铸件尺寸精度的确定。铸件尺寸公差是指铸件各部分尺寸允许的极限偏差，它取决于铸造工艺方法等多种因素。通过查阅资料，确定该上冠铸件的尺寸精度为CT12。(2) 机械加工余量的确定。上冠铸件表面需要进行加工，因此要预留加工余量。所谓加工余量，是指在铸件工艺设计

30、时预先增加的，而后在机械加工时又被切去的金属厚度。各面所留机械加工余量如表1-1所示：表1-1 铸件各部分的机械加工余量序号基本尺寸mm加工余量等级加工余量数值mm公差等级公差数值mm1234567815101380300500378.8369244 190GHHHHHGH5.5856552.84CT12CT12CT12CT12CT12CT12CT12CT1213139109988(3) ZG06Cr13Ni4Mo的铸造收缩率的确定。为了确定模样和芯盒的工作尺寸，需要确定该上冠铸件的铸造收缩率。所谓铸造收缩率是指铸件从线收缩开始温度（从液相中析出枝晶搭成的骨架开始具有固态性质时的温度）冷却到室

31、温时的相对线收缩量。如表2-2所示。表2-2 ZG06Cr13Ni4Mo体收缩率的计算成分影响系数体收缩率（）元素质量分数（）CMnSiCrNiW0.061.01.01340.12.9 0.0585 1.03 0.12 0.0354 0.532.9 0.05851.031.56 0.1416 0.053 5.3539合计 浇注温度为1580。 为安全起见，取体收缩率6。(4) 起模斜度的确定。该上冠铸件的最大外轮廓处需确定其起模斜度。因为该上冠铸件是自硬砂造型，采用木摸样，并且测得铸件测量面高度为116，所以查铸造工艺设计4 得a=040，=2.0 。2.5 浇注系统的设计浇注系统是铸型中液态

32、金属流入型腔的通道的总称。本次上冠铸件的浇注系统设计，应根据其结构特点、技术条件、合金种类，选择浇注系统结构类型、确定引入位置、计算截面尺寸等5。2.5.1浇注系统的确定在这次浇注系统设计中，充分考虑了浇注系统对液态金属充型方式、铸型温度分布、铸件质量的影响，根据上冠的结构，以及分型面的位置，决定采用树脂砂铸造，浇注系统采用顶注式工艺。由于铸件属厚、薄相差悬殊的大型回转体结构，为保证铸件的充型能力，浇注系统设置为一个的截面为圆柱形的直浇道,然后对应一个截面为圆柱形的横浇道，适当增加平均静压头高度，浇注系统设置位置如图2-4所示，浇注系统UG三维造型图如图2-5所示。 图2-4 浇注系统位置 图

33、2-5 浇注系统三维图综之，浇注系统设计为开放式顶注浇注系统，使用这种浇注系统金属液进入型腔时流速小，充型平稳，为了更好的撇渣，在浇口杯处安放陶瓷制成的厚为20mm的过滤网片，网孔直径为6mm，提高了金属液的质量。2.5.2 直浇道的设计我们确定好浇注系统的安放位置及设计思路确定后，紧接着确定了浇注系统各组元的截面积。确定浇注系统各组元截面积的目的，在于保证该上冠铸件型腔在预定的时间内充满，控制金属液通过浇注系统各组元时的流速、流量、及充满状态，达到大流量、低流速、平稳地充填。本次浇注系统采用底注包浇注，以包孔截面积作为控流面积，浇注时间按下式计算：t=式中 t浇注时间，s； G型内钢液重量，

34、kg，含涨箱和冒口重量； N同时浇注的浇包数，个； n每个漏包的漏孔数，个； q平均浇注速度，kg/s；浇注时间是否合适，可用钢液在型内的上升速度验算，其式如下：v=式中 v钢液在型内的上升速度，mm/s； C铸件在型内的高度，mm； t浇注时间，s。确定了浇包孔的直径和数量，便确定了控流截面积A控。以它为1,按如下比例关系可计算出浇注系统的各组元的截面积：A控：A直：A横=1.0：2.0：2.0各组元的截面积计算出来以后，可依据工艺对浇注系统的要求，查表求出各组元的截面积尺寸。此上冠铸件浇注系统中，铸件重量1.95t，浇注重量4.3t。采用单包双注孔浇注，注孔直径50mm，A控=19.6cm

35、，A控=39.3cm。查表得，流量速度q=55kg/s，则浇注时间为：t=G/Nnq=4300/(1255)=39s。钢液在型内的上升速度：=C/t=625/39=16(mm/s),去掉填充浇注系统的时间，钢液在型内的上升速度约为20mm/s。根据铸造手册，浇注系统的尺寸与横截面积设计为：直浇道80mm， A直=50.3cm；横浇道80mm，A横=50.3cm。2.6 冷铁与冒口的设计这次冒口设计为环形冒口，冒口位置选择在铸件热节的上方。在铸件形成时可有效补给金属，起到防止缩孔、缩松、排气和集渣的作用。在铸件最大外轮廓处设计有8块外冷铁。这些外冷铁不仅可以防止铸件产生缩孔和缩松，裂纹和变形，而

36、且可以细化组织，提高铸件表面硬度和耐磨性。冒口与冷铁的具体设计如下所述：如图2-6，经计算，铸件的平均模数Mc=4.6cm，铸件结构处的模数Mc1=3.04cm，结构处的模数Mc2=3.50，结构处的模数Mc3=10.04cm，结构处的模数Mc4=2.22。该上冠的主要热节就分布在、这两个位置，本铸钢铸件选用暗顶冒口，但由于分型面选择和补缩距离L=2T的限制，决定采用冒口与冷铁相配合使用，来加强铸件的顺序凝固，扩大冒口的补缩距离，减少冒口的数目和体积，因此，在铸件上方安放一个保温环形暗冒口，处外围安放外冷铁，这样在冒口和冷铁的共同作用下，使铸件能顺序凝固，厚大处也不会产生缩孔和缩松。保温套的厚

37、度取40mm。图2-6 模数计算 （1）冷铁的设计在这里，我们完全应用模数法，按科学的设计公式使之形成一定的模数梯度，从而达到有效控制顺序凝固的目的。Mc1处的外冷铁可按下式进行计算：G=7.4V式中，G外冷铁的重量，kg； V欲放置外冷铁处的体积，cm2； M0放置外冷铁处铸件的原始模数； Mr放置外冷铁处假想减小后的模数。Mr的确定，总的原则应使MrM0，一般取M0=1.25Mr，则Mr=Mc2/1.25=3.50/1.25=2.8cm。代入上式，求得所需外冷铁的重量G=1730kg。通过查工艺手册，确定外冷铁的尺寸为：300mm80mm50mm，共8块均匀的卧置在外圆的侧壁上。（2） 冒

38、口尺寸的确定 根据铸件的最大模数Mc3来设计环形冒口的尺寸，环形冒口的模数为M冒，则M冒=式中，S环形冒口的横截面积，cm2； L环形冒口的横截面周长，cm。冒口尺寸如图2-7所示，所设计的冒口经计算，M冒=S/L=12.61cm。一般情况下，M冒=kM件式中，k为系数，取k=1.2，则M冒=kM件=kMc3=12.05cm而实际环形冒口的模数M冒=12.61cm12.05cm。所以可以使环形冒口晚于铸件凝固，达到补缩铸件的目的。该环形冒口的重量G冒=2.37t。（3） 冒口补缩的验算用模数法计算出来的冒口，只能说明冒口晚于铸件凝固，而不能说明冒口是否能够足以补缩整个铸件，所以还须用铸件所需补

39、给量来验算冒口的尺寸。具体验算公式如下：G件max=G冒式中，G件max冒口可以补缩最大铸件的重量，kg； 冒口的补缩率，%； 钢液的凝固收缩率，%。我们采用的是保温冒口，保温套厚度在40mm左右，其补缩率在25%45%。我们取=30%。在1.4节已求出=6%，则代入上式，得G件max=9.48t则G件maxG件=1.95t说明冒口有足够的金属液补缩整个铸件。通过上面分析得出冒口和冷铁的尺寸及安放位置，如图2-7、图2-8所示。 图2-7 保温环形暗冒口及外冷铁位置和尺寸图 2-8 保温环形暗冒口及外冷铁的UG三维图2.7 出气孔的设置出气孔是型腔出气冒口、砂型和砂芯排气通道的总称，分明、暗两

40、种。明出气孔引出型外，与大气相通；暗出气孔不与大气相通，常做成设置在型内或芯内的片状或针状空腔。出气孔具有下述作用：（1）排出砂型中型腔、砂芯以及由金属液析出的各种气体；（2）减小充型时型腔内气体压力，改善金属液充型能力；（3）便于观察金属充填型腔的状态及充满程度；（4）排出先行充填型腔的低温金属液和浮渣。该上冠的铸型排气孔可由铸工在造型时自设，起模后用12钢管扎出，主要设在冒口处。第三章 铸造工艺装备设计第三章 铸造工艺装备设计铸造工艺装备是造型、造芯及合箱过程中所使用的模具和装置的总称。铸造工艺装备包括模样、模板、砂箱、芯盒、砂芯修整磨具等。根据本铸件和砂芯整体的轮廓尺寸，初步确定砂箱和模

41、板在铸件分型面的大致轮廓尺寸为：17501750mm。3.1 模样材质的选择该上冠模样选用木模。因为铸件和砂芯整体轮廓不复杂，可以将模样做成整体模的结构形式。木模的木材选用红松。这是因为红松具有纹理平直、易加工、吸水性低、变形小等优点。但红松质地松软，耐磨性差，为了提高木模的使用寿命、保证铸件的表面质量，需在木模外表面涂一层油漆。考虑到该铸件较高的尺寸精度和表面质量，木模选用一级模。3.2 砂箱的设计砂箱是用于制作砂型和运输砂型的工艺装备。设计砂箱时必须使砂箱符合铸型工艺的要求，又能符合车间的造型、运输的要求。因此，为了保证铸件质量、提高生产效率、减轻劳动强度、降低成本以及保证安全生产，我们的

42、砂箱设计为圆形砂箱，上、下砂箱的材料均选择HT200。(1) 根据模样轮廓尺寸及选取的一定的吃砂量（侧壁吃砂量取100mm，底部吃砂量取130mm），砂箱内廓的尺寸确定为1710mm。根据暗冒口及模样高度，选取上砂箱高度为600mm，下砂箱高度为780mm。砂箱的三维UG造型图如图3-1所示。 （） （）图3-1砂箱的三维图 （a）上砂箱 （b）下砂箱(2) 确定砂箱箱壁厚度、砂箱截面结构及砂箱外壁加强筋：上、下砂箱壁厚均取45mm。由于砂箱尺寸较大，砂箱壁要设计出内凸缘，以防止造型完后搬运砂箱及翻箱时发生砂型塌落。砂箱内凸缘设计在分箱面上。设计砂箱外壁加强筋是为了减小砂箱壁的厚度而不影响砂箱

43、的强度和刚度，砂箱壁的结构及尺寸如图3-2所示。 （a） （b）图3-2 箱壁断面结构图 （a）上砂箱壁（b）下砂箱壁(3) 确定砂箱箱带的布置形式和尺寸：砂箱箱带不但能增加砂箱的强度和刚度，还可以增加对型砂的承托力和黏附力，防止砂型的塌箱。根据砂箱尺寸和模样轮廓，设计出砂箱箱带的具体结构及尺寸如图3-1，图3-3所示。箱带的高度随模样的轮廓变化，箱带和模样的最小吃砂量选取为35mm。图3-3 箱带结构及尺寸(4) 确定砂箱壁的排气孔：为了排除在烘干和浇注时铸型内产生的气体，要在砂箱壁上设计出均匀布置的排气孔。砂箱壁排气孔的尺寸及分布如图3-1、图3-4所示。 图3-4 砂箱壁排气孔的布置(5

44、) 确定砂箱的翻箱及搬运结构：砂箱翻转轴的材料为45#钢，采用整铸的方式与砂箱连接在一起，其详细结构及尺寸如图3-1和图3-5所示。图3-5 砂箱的翻箱及搬运结构(6) 确定砂箱定位耳及耳孔的结构及尺寸：上、下砂箱的定位耳及耳孔的结构、尺寸及间距要一样，以便能够使砂箱顺利合箱。砂箱定位耳的结构及尺寸如图3-1、图3-6所示。 (a) (b) 图3-6 砂箱的定位结构(a) 砂箱定位耳截面图(b) 砂箱定位耳尺寸3.3 模底板的设计模板一般由铸件模样、芯头模样和浇冒口系统模样与模底板通过螺钉、螺栓、定位销等装配而成。通常模底板的工作面形成铸型的分型面，铸件模样、芯头模样和浇冒口模样形成铸件的外轮

45、廓、芯头座及浇冒口系统的型腔。采用模板造型，可以提高生产效率和铸件质量，并使铸件尺寸精确。模底板常用的材料有铝合金（ZL101、ZL102、ZL103、ZL104 等）；铸铁（HT150.HT200）及球墨铸铁等；铸钢、塑料和木材6。我们选择HT200作为模底板的材料。模板的设计步骤如下所述：(1) 确定模板的尺寸：根据砂箱轮廓尺寸确定模板外轮廓尺寸为18701870140mm。模底板三维UG造型图如图3-7所示。 图3-7 模板三维图（2）确定模底板的壁厚和加强筋的厚度、形状及布局：模底板厚度为20mm，加强筋厚度为20mm，加强筋边缘厚度为18mm。加强筋形状及布局如图3-7、图3-8所示

46、。 图3-8 加强筋的布局及尺寸(3) 确定模底板与砂箱的定位装置：模底板与砂箱采用定位销定位，定位销尺寸、表面粗糙度及结构如图3-9所示。另外，为了防止砂箱在造型时卡死在模板的定位销上或套不进去，尤其是刚浇注落砂后的砂箱存在着热胀现象，需要设计导向销，其结构及尺寸如图3-10所示。模底板耳孔即定位销孔与砂箱要一致，以便使砂箱和模底板能够顺利定位。其模底板中心距为2100mm。图3-9 定位销结构图3-10 导向销结构（4） 确定模底板的翻转及搬运结构：模底板翻转轴的材料为45#钢，采用整铸的方式与模底板连接在一起，其详细结构及尺寸如图3-7、图3-11所示。图3-11 模底板的翻转及搬运结构

47、3.4 模样在模底板上的装配 模样和模底板设计并加工出后，要用螺钉、螺栓等紧固成一体。模样在模底板上的放置形式我们采用平方式，即将模样平放在模底板上，模底板不必挖槽，比较方便。模样在模底板上采用定位销来定位，以便将模样定位在模底板上，防止模样因螺钉松动而错位。定位销选择在模样高度较低的位置，并尽量使两定位销的距离远一些。定位销采用圆柱销，其详细结构、尺寸如图3-12所示。模样在模底板上采用螺栓紧固。另外，砂箱与模板的定位装配如图2.13所示。在图中，9是定位销，10是定位销套，11是垫圈，12是六角螺母。 图3-12 木模金属定位销结构图 图3-13 砂箱与模板的定位装配第四章 铸钢的熔炼第四

48、章 铸钢的熔炼该铸件为回转体上冠，部件要求高强度，耐磨抗腐蚀性好。另外，此件采用树脂砂造型。上冠的材质选择为ZG06Cr13Ni4Mo(马氏体铸造不锈钢)。该合金具有很高的力学性能和很好的铸造性能相结合，即很高的强度、抗磨耐蚀性、好的韧度和很好的流动性、气密性和抗热裂性，能铸造复杂形状的高强度铸件。其力学性能要求为： 抗拉强度 b (MPa)：750 屈服强度 s (MPa)：550 伸长率 (%)：15 冲击韧性值kv (J/cm2)：58.8 弹力消失率(%)：35 硬度 HB：217286HB砂铸，热处理规范：a、退火，在高于600的适当温度范围进行； b、正火和淬火，在AC3点以上进行

49、；c、回火，在AC1点上下进行一次或两次回火。4.1 材料的配比铸件配料目的是多种金属炉料进行合理搭配，并通过熔炼炉熔炼来获得铸件合金牌号性能所要求的化学成分范围。铸件配料的方法很多，主要有计算配料法、查表配料法、图解配料法、计算尺配料法和计算机配料法等。在本次设计中熔炼采用碱性电弧炉返回法冶炼。本次配料采用查表法。为合理利用原料，节约成本，铸件配料采用1Cr18Ni9Mo返回钢、本钢和类似本钢返回料、低碳低磷碳素返回钢、中碳低磷碳素返回钢、纯铁、硅铁、高碳铬铁、钼板、镍板等融化后，在还原期补加金属铬、金属钼、电解锰、镍球、低碳钼铁、硅铬合金、镍板等。参考铸造合金配料速查手册，本上冠铸件的配料

50、单如表4-1所示7：表3.1 上冠铸件配料单7成分成分要求：C0.06，Si1.00，Mn1.00，S0.030，P0.035，Cr：11.5013.50， Ni：3.55.0，Mo：0.41.0配料1、Ni、Mo二元素按产量配至要求成分中限，其余成分按下表要求配入元素CCrSiP配入量0.0550.066.57.51.000.0252、配料时，炉料中配碳过高，氧化期时间长，铬烧损量比较大，不利于延长炉底使用寿命；配碳过低，则钢液达不到良好的沸腾，不利于排出气体和夹杂。通常，配碳在0.06%左右为宜，能保证去碳、沸腾排出气体和夹杂，且有利于铬的回收。3、装料配入的金属炉料可不受碳含量的严格控制

51、，但还原期补加的铁合金要求碳含量低，并在使用前经过仔细烘干。吹氧结束时，加入金属炉内的金属铬应烘烤至炽热状态。此外，金属炉料的P含量均应小于0.025%。金属炉料的实际使用情况如下表：使用时间金属炉料名称碳含量（%）1Cr14Ni5Mo返回钢本钢和类似本钢返回料高碳铬铁镍板钼板纯铁硅铁0.080.0880.030.0750.0570.10金属铬金属钼镍球硅铬合金0.0150.0040.080.22注：1、采用碱性电弧炉返回法冶炼；2、成分含量和配料比例皆指质量分数4.2 铸钢的精炼由于炉料和合金铸钢液在镕炼、转送、浇注过程中吸收了气体，产生了夹杂物，使合金液的纯度降低，流动性变差，浇注后会使铸

52、件(铸锭)产生多种铸造缺陷，影响其力学和加工工艺性能以及抗腐蚀件能、气密性能、阳极氧化性能及外观质量，故必须在浇注前，对其作精炼、净化处理，目的是排除这些气体和夹杂物，提高铸钢液的纯净度8。采用以下精炼法：钢包氩气净化、钢包喂线净化、感应电炉氩气净化（炉底吹氩和炉口氩气保护）、氩氧脱碳AOD精炼、钢包LF两项和三项功能、真空氧脱碳VOD精炼、清洁废钢和炉料前处理等。4.3 铸钢的热处理该铸钢件热处理的目的是细化晶粒，消除魏氏体（或网状组织）和消除铸造应力。热处理的方法有退火、正火或正火加回火。 随着淬火温度的提高，马氏体的强度有所提高，延伸值稍有下降，而回火温度提高则使其强度下降，延伸提高；回

53、火时间的增加使强度下降较多，延伸显著提高。马氏体不锈钢中的主要合金元素是铬，铁的熔点因加入铬而降低，其最低熔点为1516，A4点因铬量的增加而降低；A3铬量的增加而降低，继续增加铬含量至7%时又迅速升高，由于铬含量对A4和A3点的影响形成了封闭的_相， _相最大含铬为12.7%。铬在钢中与碳形成碳化物，常见的碳化物(CrFe)23C6。随着钢中含碳量的增加，它的强度、硬度、耐磨性、切削加工性能显著提高，而耐蚀性下降。这类钢的最终热处理一般是淬火加回火，使钢具有较高的强度和硬度，同时又有一定的韧性。在马氏体钢中随着淬火温度的提高，碳化铬(CrFe)23C6溶解度不断增加，马氏体进一步强化，因而淬

54、火后的硬度也不断增加。马氏体淬火后进行回火，随着回火温度升高，组织逐渐变化，马氏体逐渐分解，逐渐析出碳化物，在高温回火后马氏体分解成较细的回火索氏体。综之，为了提高马氏体不锈钢的力学性能，应采用高温回火并保持较长的回火保温时间，使马氏体碳化物充分析出，才能在保证马氏体不锈钢具有较高的强度、硬度、耐磨性的同时，具有较好的延伸性。4.4 出炉温度和浇注温度的确定 对于金属液的温度而言，温度的提高有利于提高流到性、获得健全的铸件，降低废品率。但是过高的温度又会浪费能源，并且对熔炼设备也有一定的损害，同时会使增加金属液的氧化以及添加剂的烧损，因此融化钢锭一般加热至16101630，合金的浇注温度一般为

55、15601600。在不影响充型、保证上冠充型完整的前提下，浇注温度要尽量低。上冠铸件的浇注温度可控制在15601600，本铸件取1580。第五章 铸件工艺数值模拟结果及分析第五章 铸件工艺数值模拟结果及分析5.1 充型过程铸造过程的充型过程，是高温液态金属在高压下高速充填结构复杂、断面狭窄的金属型腔的过程。由于型腔的填充模式是影响压铸件质量的关键因素之一，因而充型过程的流场控制是铸造过程的中心环节。通过充型过程速度场、温度场及压力场的数值模拟，能够较准确地表达充型过程的流动和传热规律，并可预测可能产生的卷气、冷隔等缺陷，进而优化铸造工艺，实现理想的型腔充填状态，对实际压铸生产具有重要的指导意义

56、9。铸件浇注充型过程中，伴随着热量的散失、温度的降低。显示温度场时，采用色温映射的方式，即利用OpenGL技术对充型过程中的速度场、温度场及压力场的动态显示。如图5-1所示为充型顺序及温度场分布。通过这次充型模拟，主要分析以下几方面的内容：（1）液态金属在铸型中充填10%,20%,45%,70%,85%,100%时的情况；（2）液态金属在型腔中的流动状况；（3）液态金属在型腔中按时间顺序充填的温度分布。铸件充型过程与液态金属的流动、传热及传质过程密切相关，是一个伴随着热量散失以及凝固的非恒温流动过程，可用质量守恒和动量守恒方程描述，而充型过程中金属液与铸型之间的热交换可用热量平衡方程来描述，在

57、这个过程中最基本又最重要的物理现象是传热和流动9。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图5-1 充型顺序及温度场分布 (a)充型10 %； (b)充型25%；(c)充型45%；(d)充型 70%；(e)充型85%；(f)充型100%该铸件形成过程的流动现象可归纳为以下几种6：（1）浇注时液态金属在充填铸型过程中的流动；（2）型腔内液态金属由于温度差引起密度差而产生的自然对流；（3）由于凝固收缩、液态收缩及重力等引起液体在枝晶间及其分枝的流动。通过本次模拟结果，分析液态金属在浇注充型过程中存在以下一些特点：由于上冠结构为回转体，壁厚不均匀，从整个充型过程看，其充填形态表现出顺序、简单

58、的特点。具体表现为，从整体上来说，金属液表现为顺序充填，较为平稳。由于充型速度较高，金属液进入浇道直接冲向砂芯，由于砂芯阻力及惯性作用，金属液被冲到一定高度。然后在重力、砂芯阻力的作用下回落。从充型过程温度分布来看，铸件在整个充型过程中的温度分布基本上是纵向下部温度低，上部温度高，横向则是中心温度高，边缘温度低。初始浇注温度为1580，充型刚结束时的最低温度约为1476。5.2 凝固过程铸件的凝固过程也就是金属由液态转变为固态的结晶过程,液态金属结晶过程乃是由形核和长大两个基本过程所组成，并且这两个过程是同时并进的。金属凝固后的铸件组织是由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区组成。影响铸件组织形

59、成的主要因素有浇注温度、铸模冷却能力、散热条件、液体流动性以及合金的凝固温度范围等。金属凝固过程所产生的铸造缺陷主要包括宏微观偏析、缩孔、缩松、气孔、夹杂物及热裂等10。图5-2为铸件的凝固顺序以及温度分布，其中图(a)-(f)依次为凝固5%，15%，30%，50%，85%，100%时的状态图。对凝固模拟结果分析后认为，铸件凝固过程中存在以下一些特点：整体上看，铸件达到完全凝固时间相对较长，凝固速度比充型要慢的多。因为在冒口位置设置为厚度为40mm的保温套，所以最后在冒口必定是最后一部分凝固的，并且凝固时间也会延长。从铸件整体上来看，铸件在整个凝固过程中的温度分布基本上是纵向下部温度低、上部温度高，横向则是中心温度高，边缘温度低。铸件的凝固顺序表现为纵向下部先凝固、上部后凝固，横向边缘先凝固中心后凝固，即铸件薄壁处先凝固，壁厚较大处后凝固，薄壁处凝固速度快，厚壁处凝固速度慢，铸件厚度最大处最后凝固，如图5-2所示。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)图5-2 凝固顺序及温度场分布(a) 凝固5% ； (b)凝固15%； (c)凝固30%；(d)凝固50%；(e)凝固85%；(f)凝固100%由图可以看出，开始凝固时凝固速度较快，随后凝固速度减小，到最后凝固速度越来越小，最后完全凝固并且无缺陷出现，证明此工艺合理。结论结 论 本