永冠杯_鑄造工藝設計大賽_參賽作品

1、“永冠杯”第三屆中國大學生鑄造工藝設計大賽“永冠杯”第二屆中國大學生鑄造工藝設計大賽參賽作品鑄件名稱：D-上冠自編代碼：方案編號：目錄1零件概述.11.1零件信息. .1 1.2技術要求. 12鑄造工藝方案擬定.12.1 鑄造方法選擇. .12.2 分型面選擇.12.3澆注位置選擇.23鑄造主要參數(shù).34 澆注系統(tǒng)設計計算35 冒口設計45.1模數(shù)與補縮分析.45.2冒口尺寸設計.56模擬與優(yōu)化.66.1Procast主要參數(shù)設定.66.2整體思路.76.3模擬結果及分析.86.3.1表面狀況.86.3.2內(nèi)部縮孔情況.96.4加冒口模擬.106.5加冷鐵模擬.117砂芯設計.138模板.14

2、總結.14參考文獻. .14附圖14- 16 -1零件概述1.1零件信息名稱：上冠 材料： ZG06Cr13Ni4Mo 外形尺寸：1510622.8mm 體積: 2.97105cm3質量: 1950kg 生產(chǎn)批量：中小批量生產(chǎn)（自定）零件三維圖如圖1.1所示，具體尺寸件附件1。圖1.1 零件三維圖1.2技術要求（1）鑄件加工后，加工面不得有任何的鑄造缺陷，非加工表面不得有明顯的夾渣、凹陷，上下型錯模不得大于1mm。（2）保證該件受力較大的工作部分的力學性能。 2.1 鑄造方法選擇根據(jù)鑄件的結構特點和壁厚處放置冒口應朝上的原則, 選擇過流面朝下的工藝方案, 這樣使壁厚處置于上面, 便于放置冒口進

3、行充分的補縮,而且內(nèi)腔泥芯芯頭在下部, 便于固定造型在地坑內(nèi)進行, 采用刮板造型,面砂采用人造石英粘土砂, 造型后在鑄型表面涂鎂砂膏3-5mm, 以防化學粘砂, 因為這種鋼呈堿性, 易與石英砂發(fā)生化學反應而產(chǎn)生化學粘砂芯砂采用鉻鐵礦水玻璃砂為面砂, 它能抵抗堿性渣的侵蝕, 而且鉻鐵礦砂的蓄熱系數(shù)大、激冷能力強, 可以起到細化晶粒的作用。這樣有利于改善鑄件的表面粗糙度保證尺寸精度, 從而提高鑄件的質量。2.2 分型面選擇按最大截面原則，選擇分型面如圖2.1所示。在凸耳部分平面突出，周圍仍是平坦的面便于模樣加工與鑄造過程中起模、合箱。圖2.1 分型面示意圖2.3澆注位置選擇上冠需鋼液約4.5 t,

4、 為了保證鋼液快速平穩(wěn)地流入型腔, 根據(jù)鑄件的材質及結構特點, 決定采用開放式雙層環(huán)形澆注系統(tǒng), 分型面的位置確定后，鑄件的澆注位置如圖2.2所示有正放、倒放兩種方式。從鑄件質量與生產(chǎn)工藝考慮，正放、倒放有各自的優(yōu)劣，具體分析如下。A) 正放圖2.2澆注位置 B ) 倒放3鑄造主要參數(shù)機加工余量和收縮率：內(nèi)圓取13mm，外圓15mm，其余取10mm。收縮率取2.0。拔模斜度：為分型方便，拔模斜度1.25。鑄件質量：用proe造型，增加拔模斜度后計算得鑄件體積2.97105cm3 cm3,質量2.33t。4 澆注系統(tǒng)設計計算如圖用公式4.1可計算阻流截面積： 【1】 4.1m-通過阻流面的金屬質

5、量；t-沖型時間；-液態(tài)金屬的密度。相似的，假如阻流截面低于鑄件最高點，則有:式中，Hp-阻流截面的平均計算壓頭；P-水平面以上鑄件的高度；C-鑄件在豎直方向的高度。代入數(shù)據(jù)得，F(xiàn)阻=329.3cm2。澆注系統(tǒng)流量損耗因素，查表得干型中小鑄型阻力；澆注時間 ，取76s 。根據(jù)阻流面積F阻，可以確定開放型澆注系統(tǒng)的主直澆道橫截面積F主直=329.3cm2，分配直澆道橫截面積F分直=493.95cmm2，橫澆道的橫截面積F橫=658.6cm2，下層內(nèi)澆道的橫截面積F下=1317.2cm2，上層內(nèi)澆道的橫截面積F上內(nèi)=329.3cm2。序號名稱尺寸abc1主直澆道20.48cm分配直澆道25.08c

6、m2橫澆道20cm30cm26.35cm3下層內(nèi)澆道30cm40cm37.64cm上層內(nèi)澆道15cm20cm18.82cm5 冒口設計 根據(jù)鑄件結構特點, ,材料的上冠外圓壁較薄，內(nèi)圓壁厚較大，選擇只在中間放置一個環(huán)形冒口而在外圓處不設置冒口。 靠一個環(huán)形冒口來補縮整個鑄件, 這樣集中補縮, 在最大外圓處設置外冷鐵來降低該處的模數(shù), 既可使操作簡便, 又可以提高冒口的利用率, 從而節(jié)約鋼水。它的優(yōu)點是有利于排除型腔中的氣體及使砂渣等雜物順利地上浮到冒口內(nèi), 而且補均勻。它克服了分散冒口間的偏析問題, 可以更好地保證鑄件的質量。5.1模數(shù)與補縮分析1、補縮抖度 欲實現(xiàn)補縮, 首先要在冒口與被補縮

7、鑄件之間形成補縮通道, 即形成補縮斜度。根據(jù)日本室蘭制作所的經(jīng)驗,補縮斜度達到1:10即可獲得致密鑄件。所以必須從850之到1380間的區(qū)域,用加工余量進行調整，使其斜度達到1:10。如圖2、各部分模數(shù)計算式中,M1一鑄件中間部分的模數(shù);a-桿的橫斷面長度;b-一桿的高度;c一非散熱面長度;M2-圓角根部的模數(shù), 式中的T為該部的最大厚度. 式中M3看成“L”形成圓角部分的模數(shù);D-形成熱節(jié)圓的直徑,R為半徑。從各部分模數(shù)可以看出, M1,M2之間有很理想的模數(shù)梯度, 只是M3M2為形成補縮的模數(shù)梯度, 必須要降低M3的模數(shù), 而降低的手段只能是設置外冷鐵, 以控制順序凝固, 保證鑄件致密。3

8、、外冷鐵的設計傳統(tǒng)的外冷鐵的設計原則是只根據(jù)壁厚的一定比例來設計外冷鐵尺寸, 這種設計方法缺乏科性。本文完全應用模數(shù)法, 按科學的設計公式使之形成一定的模數(shù)梯度, 從而達到有效控制順序凝固的目的。M4處所需外冷鐵可按下式進行計算: 式中，G-外冷鐵的重量；V-欲放置外冷鐵的體積；M0-放置外冷鐵處鑄件的原始模數(shù)；Mr-放置外冷鐵處假想減少后的模數(shù)。Mr的確定，總的原則應使MrM0,一般取M0=1.25Mr，則；代人上式求得所需外冷鐵的重量G=302Kg。外冷鐵厚度=0.30.8T=80mm;因此設計的外冷鐵尺寸為80mm115mm150mm, 共28塊均勻地臥置在外圓的側面上, 實際所使用的外

9、冷鐵重量為304Kg,大于所需的外冷鐵重量, 因此可以滿足要求,達到降低模數(shù)的效果。放置外冷鐵后, 各部分的模數(shù)就形成了良好的模數(shù)梯度, 可以實現(xiàn)順序凝固。 通過對鑄件模數(shù)劃分，分析補縮位置，進行冒口設計。鑄件模數(shù)計算具體見表5.1。圖 5.1 模數(shù)與熱節(jié)圖 5.2 模數(shù)體積份額圖表 5.1 模數(shù)表分區(qū)體積體積份額表面積質量模數(shù)cm19756.87638.85%2558.472.2013.8127775.99430.96%2752.67257.5422.8233166.07712.61%2089.71323.4281.5144417.5517.59%1503.19132.6892.93 分析如

10、下：如圖4.1紅色圈表示熱節(jié)，這些位置較厚，容易產(chǎn)生縮松縮孔缺陷。 將鑄件所示部分分為4個分區(qū)，凝固順序是1、2、4、3。3分區(qū)模數(shù)最小，換熱面較大，冷卻速度快，較其他分區(qū)先進行液態(tài)收縮與共晶膨脹，在3分區(qū)設置澆道和冒口，為其提供液態(tài)補縮，讓它的膨脹壓補充2、4區(qū)。冒口內(nèi)澆道靠近熱節(jié)但不在熱節(jié)上，避免了接觸過熱，較合理。由于該鑄件模數(shù)大，樹脂砂砂型強度高，完全可以設置壓力冒口對鑄件液態(tài)補縮。因此，我們選擇補縮效率高、冒口頸短薄寬的壓邊冒口。當球鐵鑄件液態(tài)收縮終止時，冒口頸適時凝結。利用鑄件膨脹壓力補償二次收縮，消除縮松。5.2冒口尺寸設計根據(jù)鑄件的最大模數(shù)M1來設計環(huán)形冒口的尺寸，環(huán)形冒口的模

11、數(shù)為M冒，M冒=式中，S-環(huán)形冒口的橫截面積；L-環(huán)形冒口的橫截面周長。冒口尺寸如圖所設計的冒口，經(jīng)計算得：M冒=一般情況下M冒=kM件式中，k-系數(shù)，取k=1.2，則，M冒=kM件=KM1=1.289.45=107.34mm而實際環(huán)形冒口的模數(shù)M冒=109mm107.34mm。所以可以使冒口晚于鑄件凝固，達到補縮鑄件的目的。該環(huán)形冒口的重量G冒=1956.3Kg。 冒口補縮驗算用模數(shù)法計算出來的冒口尺寸, 只能說明冒口晚于鑄件凝固、冒口下沒有縮孔, 而不能說明冒口是否能夠足以補縮整個鑄件, 所以還須用鑄件所需補給量來驗算冒口的尺寸。具體的驗算公式為式中, G件max-冒口可以補縮最大鑄件的重

12、量；-冒口補縮效率（%）；-鋼液的凝固收縮率（%）。查表可知,其補縮效率為14%；而凝固收縮率值對不同的鋼種（化學成分）有不同的數(shù)值, 對于GZ06Cr13Ni4Mo這種材質的凝固收縮率, 可用下列公式計算得出=c+x=KiXi碳及其它合金元素對凝固收縮率的影響，查表可知，代入上式進行計算，求得=5.27%，則3.24tG件maxG毛重=2.33t。6模擬與優(yōu)化在得出正放、倒放兩種方案后，難以對其取舍，用procast軟件模擬球鐵件的充型凝固過程，分析鑄件質量，選擇合適方案。6.1Procast主要參數(shù)設定對實體網(wǎng)格劃分后，進行邊界條件與參數(shù)設置。為更接近球鐵的模擬效果，我們經(jīng)過多次修改試驗，

13、選擇較成功的數(shù)據(jù)。重要參數(shù)如表4.1所示。表4.1 procast 主要參數(shù)設定材料賦值傳熱系數(shù)金屬澆注溫度澆注速度重力加速度HEAT樹脂砂鑄件與砂型之間500W/m2/K13501.1m/s9.8m/s2AIR-cooling6.2整體思路用 procast模擬對兩種方案的成形結果預測。采用控制變量法，對正放、反放兩種方案不加冒口模擬，分別對其表面質量、內(nèi)部缺陷進行比較，結合實際手工砂型工藝特點，選擇一個可行性較高的方案。再加冒口改進，加冷鐵進一步優(yōu)化鑄件質量，做到工藝最簡潔，效益最高。具體思路如圖 4.1 所示得出較合理方案方案進一步優(yōu)化A、B兩組方案兩組方案分別無冒口模擬選擇合適的方案解

14、釋理論分析1. 無冒口，暴露缺陷位置2. 為方案優(yōu)化鋪墊評價標準1. 表面質量2. 內(nèi)部縮孔圖6.1 模擬優(yōu)化思路6.3模擬結果及分析6.3.1表面狀況鑄件冷卻到450左右時的表面質量情況。圖6.2方案A 正放鑄件表面凹陷 、圖6.3方案B 反放鑄件表面缺陷從表面質量來看，正反放兩種澆注方式鑄件上表面局部區(qū)域有少量凹陷，說明球鐵鑄件雖有共晶膨脹，但該件還不能完全自補。在實際生產(chǎn)中調研，球鐵件的無冒口工藝要求較高，對冶金質量，鑄件結構都有一定要求。故該件仍需補縮措施。6.3.2內(nèi)部縮松情況圖6.4 方案A正放缺陷圖6.5 方案B反放缺陷從內(nèi)部質量來看，兩種方式都沒有較大縮松縮孔，部分熱節(jié)處有少量

15、縮孔。鑄件下部分液態(tài)收縮可由上部提供鐵液，故下部分內(nèi)部質量較好。故正放凸耳位置較高，有一定縮孔。但凸耳處散熱條件較好，凝固早，缺陷影響不大。通過以上分析看出，由于球鐵的膨脹效果，兩種方案鑄件質量相差不大，而A方案澆注位置正放的工藝要簡單，故我們選擇正放澆注。6.4加冒口模擬選擇正放澆注方式后，正放鑄件缺陷需通過冒口補縮完成。加冒口后的模擬結果顯示，鑄件表面質量與內(nèi)部缺陷問題均有改善，如圖4.5、圖4.6所示。圖 6.6 加冒口后表面無缺陷圖 6.7 加冒口后內(nèi)部質量在設計中，我們只對球鐵件液態(tài)補縮，澆道在充型完成后適時凝固，冒口完成液態(tài)補縮后，冒口頸凝固，鑄件凝固收縮利用共晶膨脹進行自補縮，如

16、圖6.13所示。T=33s 充型完成 T=167 s 內(nèi)澆道凝固T=619 s 冒口頸凝固T=1280 s 冒口凝固圖6.13 冒口頸凝固示意圖從模擬結果來看，我們用液態(tài)補縮原理，設計壓力冒口利用石墨化膨脹。用UG計算三維造型冒口澆注系統(tǒng)質量為60kg,出品率,整個鑄造件出品率高達83%，比一般通用冒口設計出品率高很多，鑄件質量也較好，故而這是我們的優(yōu)化方案。7砂芯設計側邊凸耳三個圓孔同心，可共用一個砂芯。100圓柱孔較大，要下芯。鑄件底部有四個減重孔，如圖7.1所示。2、3號減重孔較深，考慮下芯工藝復雜與分型的方便性，在砂胎內(nèi)增加骨架，增加砂胎的強度，又方便分型。1、4號孔可以設砂胎簡化工藝

17、。砂芯分布如圖7.1所示。制造方法 ：殼芯樹脂砂殼芯法制芯。粘結劑：酚醛樹脂。 技術要求：砂芯表面光潔，緊實度均勻，硬化強度高，可多次使用。砂芯尺寸：如圖7.2、圖7.3所示：圖7.1 砂芯位置圖7.2 豎直砂芯尺寸圖7.3 水平砂芯尺寸8模板設計 上、下模板示意圖如圖8-1、8-2所示。砂箱根據(jù)生產(chǎn)車間實際情況定。保證鑄件周圍吃砂量為100mm以上。因球鐵件凝固時有膨脹壓，要求上下箱用箱卡夾緊，避免鑄件變形。圖8.2 下模板三維圖圖8.1 上模板三維圖結論：1、采用手工砂型鑄造工藝生產(chǎn)鑄件，造型方案選擇a方案（正放）。2、冒口設計采用模數(shù)法，并利用球墨鑄鐵共晶膨脹進行補縮，減小冒口尺寸，提高工藝出品率；參考文獻（1）李弘英 趙成志 主編. 鑄造工藝設計.