大型鑄鋼圓筒件的鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

1、材料成型與控制工程專業(yè)本科畢業(yè)論文大型鑄鋼圓筒件的鑄造工藝設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬摘 要本文運(yùn)用傳統(tǒng)方法完成了對(duì)鑄鋼圓筒件的鑄造工藝方案設(shè)計(jì)，包括分型面、澆注位置的選擇、砂芯、各項(xiàng)鑄造工藝參數(shù)的確定以及澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵的設(shè)計(jì)。根據(jù)鑄件體積較大的特點(diǎn)，在鑄件兩側(cè)設(shè)計(jì)了用兩個(gè)內(nèi)澆道同時(shí)對(duì)鑄件進(jìn)行澆注的澆注系統(tǒng)；在2個(gè)熱節(jié)處安置冒口，并將冷鐵配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)鑄件的定向凝固。建立了鑄件的三維模型，用viewcast軟件模擬了鑄鋼件圓筒的充型和凝固過(guò)程。模擬結(jié)果顯示，在鑄件靠近內(nèi)澆道處會(huì)產(chǎn)生縮孔縮松缺陷。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果并結(jié)合理論分析，使用發(fā)熱材料的方法來(lái)改進(jìn)工藝，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大程度地消除了鑄造缺陷，從而獲

2、得了合適的鑄造工藝方案。關(guān)鍵詞：鑄造工藝；數(shù)值模擬；設(shè)計(jì)優(yōu)化 abstractthe casting technological parameters of the steel casting cylinder, including the parting surface, pouring position, pouting system, riser and chill were defined by using traditional methods in the paper. according to the casting characteristics of big shape, o

3、n both sides of the casting is designed with two runner which pouring the casting at the same time; calculating the volume of the riser in the hot spot, and with the use of cold iron to achieve directional solidification sequence of casting. the 3-d model of the casting was build and the simulation

4、software, viewcast, was employed to analyze the solidification process and filling process of the casting. the simulation result indicates that the shrinkage defects formed department within the sprue .according to the simulation result the original technological parameters, using the method of exte

5、nding cold iron in the side of the cold iron, in the other side of the cold iron sets the gating system, and with the use of fever materials to the improve process, after several rounds of optimization design, the defects were eliminated to the greatest extent, obtaining the optimal technology progr

6、am eventually. keywords： casting process; numerical simulation; design optimization目 錄摘 要iabstractii第1章 緒論11.1 鑄造成形加工技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展11.1.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r11.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況21.2 計(jì)算機(jī)技術(shù)在鑄造業(yè)的應(yīng)用31.2.1 鑄造模擬軟件的概述31.2.2 計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)點(diǎn)41.3 本文主要研究?jī)?nèi)容61.3.1主要研究?jī)?nèi)容61.3.2 擬采用的方法6第2章 大型鑄鋼圓筒件的傳統(tǒng)工藝方案的設(shè)計(jì)92.1 鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝要求92.1.1 生產(chǎn)條件92.1.2 主要技術(shù)要求

7、92.2 零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性92.2.1 鑄件質(zhì)量對(duì)零件結(jié)構(gòu)的要求92.2.2 鑄造方法的選擇102.2.3 分型面的選擇102.3 鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù)112.4 砂芯設(shè)計(jì)132.4.1 砂芯形狀及分盒面的選擇原則132.4.2 芯頭設(shè)計(jì)132.4.3 砂芯的固定和定位142.4.4 芯骨142.5 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)142.5.1 鑄鋼件澆注系統(tǒng)類型142.5.2 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)152.5.3 澆注系統(tǒng)引入位置的確定182.6 冒口的設(shè)計(jì)182.7 鑄鋼件冷鐵的設(shè)計(jì)20第3章 鑄件數(shù)值模擬及工藝的優(yōu)化213.1 初始方案模擬結(jié)果與分析213.1.1 幾何模型的建立213.1.2 凝固過(guò)程

8、模擬及結(jié)果分析213.2 優(yōu)化方案233.2.1 工藝改進(jìn)233.2.2 凝固過(guò)程模擬及結(jié)果分析243.2.3 充型過(guò)程模擬結(jié)果與分析26結(jié) 論31參考文獻(xiàn)33致 謝35第1章 緒論鑄造行業(yè)是制造業(yè)的重要組成部分，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著重要的作用。面對(duì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)和全球化競(jìng)爭(zhēng)的挑戰(zhàn)，要為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)，就必須十分重視包括鑄造行業(yè)在內(nèi)的材料成型制造業(yè)的發(fā)展。這是因?yàn)闊o(wú)論是傳統(tǒng)材料還是新材料只有及時(shí)通過(guò)成型制造成為高質(zhì)量工件或零部件，才能服役于國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門；材料的最終結(jié)構(gòu)、性能及使用性能是通過(guò)成型制造而獲得的1-3。鑄造具有很多特點(diǎn)，與其他成形工藝相比，它不受零件毛坯的重量、尺寸和形狀的限

9、制，重量從幾克到幾百噸，壁厚由0.3mm到1m的零件，以及形狀十分復(fù)雜，用機(jī)械加工十分困難，甚至難以制得的零件，都可用鑄造方法獲得。鑄造工藝（造型、造芯、澆注、落砂、清理及其后處理等）是鑄造生產(chǎn)的核心，是能否生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件的關(guān)鍵，古今中外都把提高和發(fā)展工藝水平，視為推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步，滿足經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展需要的一個(gè)重要組成部分4。1.1 鑄造成形加工技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展1.1.1 國(guó)外發(fā)展?fàn)顩r1996年美國(guó)出臺(tái)的下一代制造計(jì)劃提出了十項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)，其中就包括先進(jìn)制造工藝與裝備及建模與仿真兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。美國(guó)在公布1995年聯(lián)邦政府材料科學(xué)與工藝研究及開(kāi)發(fā)計(jì)劃時(shí)強(qiáng)調(diào)指出：美國(guó)經(jīng)濟(jì)繁榮及國(guó)家安全很大程度上依

10、賴于先進(jìn)材料的研究開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化。為了對(duì)付全球競(jìng)爭(zhēng)、改善材料及相關(guān)的制備技術(shù)對(duì)國(guó)家來(lái)說(shuō)是非常重要的。美國(guó)聯(lián)邦政府的材料科學(xué)、工藝研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃的戰(zhàn)略目標(biāo)及美國(guó)自然科學(xué)基金會(huì)均把材料合成制備與加工成形的基本理論和模擬仿真作為優(yōu)先資助領(lǐng)域5。由此可見(jiàn)，材料制備、成形加工及成形加工過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬仿真是當(dāng)今國(guó)際公認(rèn)的制造科學(xué)與材料科學(xué)的重要前沿領(lǐng)域。美國(guó)通用及福特汽車公司均已采用消失模、精確砂型可控壓力鑄造及壓力鑄造等新一代精確成形技術(shù)來(lái)制造高性能薄壁鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體。航空航天工業(yè)采用的高溫合金單晶體定向凝固熔模鑄造燃?xì)廨啓C(jī)葉片，是精確鑄造與高科技的完美結(jié)合，而消失模鑄造工藝則被譽(yù)為明天的鑄造技術(shù)6?？?/p>

11、之，綠色環(huán)境下的面向21世紀(jì)的鑄造成形加工技術(shù)的總目標(biāo)是高質(zhì)量、短周期及低成本。1.1.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展情況我國(guó)的鑄造技術(shù)已有6000年悠久的歷史，是世界上較早掌握鑄造技術(shù)的文明古國(guó)之一，2500多年以前（公元前513）就鑄出270的鑄鐵刑鼎。我國(guó)是最早應(yīng)用鑄鐵的國(guó)家之一，我國(guó)商朝制造的銅銊具有鐵刃。據(jù)考證那時(shí)的鐵刃是用隕鐵鍛造而成，然后鑲鑄上銅背。自周朝末年開(kāi)始有了鑄鐵，鐵制農(nóng)具發(fā)展很快，秦漢以后，我國(guó)農(nóng)田耕作大都使用了鐵制農(nóng)具。如耕地的犁、鋤、鐮、鍬等，表明我國(guó)當(dāng)時(shí)已具有相當(dāng)先進(jìn)的鑄造生產(chǎn)水平，到宋朝時(shí)已使用鑄造鐵炮和鑄造地雷7。我國(guó)古代鑄造技術(shù)居世界前列，由于過(guò)長(zhǎng)的封建社會(huì)影響了科學(xué)技術(shù)的發(fā)

12、展阻滯了鑄造技術(shù)前進(jìn)的步伐。新中國(guó)成立以來(lái)的50多年中，自20世紀(jì)50年代初至今，幾乎從零開(kāi)始，逐步發(fā)展到現(xiàn)在這樣的規(guī)模，成績(jī)是巨大的?，F(xiàn)在鑄造在我國(guó)是一個(gè)很大的行業(yè)，產(chǎn)量居世界第二位，達(dá)年產(chǎn)1000萬(wàn)1200萬(wàn)噸，已成為國(guó)家重要的基礎(chǔ)工業(yè)之一。然而，我國(guó)鑄造行業(yè)雖然已進(jìn)入廠點(diǎn)多、產(chǎn)量大、門類齊全的世界鑄造大國(guó)行列，但與美、日、德、法等鑄造強(qiáng)國(guó)相比，還有相當(dāng)大的差距。我國(guó)鑄造生產(chǎn)必須走優(yōu)質(zhì)、高效，低耗，清潔、可持續(xù)發(fā)展的道路，才能迅速由大變強(qiáng)。世紀(jì)之交的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征就是高新技術(shù)發(fā)展引發(fā)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的出現(xiàn)。知識(shí)經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種途徑：一是高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，二是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高新技術(shù)化。我國(guó)鑄造行業(yè)只

13、有實(shí)現(xiàn)高新技術(shù)化才能面對(duì)國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的激烈競(jìng)爭(zhēng)。從可持續(xù)發(fā)展和保護(hù)環(huán)境兩方面來(lái)看，21世紀(jì)需要的將是綠色集約化鑄造。通過(guò)不斷吸收電子信息、材料能源、現(xiàn)代化管理等高新技術(shù)成果，與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)相結(jié)合形成一批先進(jìn)鑄造技術(shù)。它們不僅應(yīng)用于鑄件開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)，而且也影響到組織管理、營(yíng)銷、售后服務(wù)等環(huán)節(jié)，正顯著改變鑄造行業(yè)的技術(shù)面貌，使之以嶄新的形象展現(xiàn)在世人面前。1.2 計(jì)算機(jī)技術(shù)在鑄造業(yè)的應(yīng)用1.2.1 鑄造模擬軟件的概述計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，已使計(jì)算機(jī)成為自電力發(fā)明以來(lái)最具生產(chǎn)潛力的工具。數(shù)字化時(shí)代正一步步向我們走來(lái)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（cad）、計(jì)算機(jī)輔助工程分析（cae）、計(jì)算機(jī)輔助制造（cam）等技術(shù)在

14、工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并已成為各學(xué)科的技術(shù)前沿和最為活躍的研究領(lǐng)域8, 9。自1989年德國(guó)aachen大學(xué)成功開(kāi)發(fā)了magma soft鑄造軟件以來(lái)，出現(xiàn)了很多商業(yè)化的軟件。目前發(fā)達(dá)國(guó)家都有自己的商業(yè)化模擬軟件，如美國(guó)的pro cast、德國(guó)的magma、比利時(shí)的view cast等，并且已經(jīng)與實(shí)際生產(chǎn)結(jié)合了起來(lái)，美國(guó)所有的汽車生產(chǎn)廠家及約30的鑄造企業(yè)都在使用凝固模擬軟件，美國(guó)鑄造廠家生產(chǎn)的一半以上的鑄件采用凝固模擬程序。日本的東北大學(xué)和大阪大學(xué)在這方面的研究具有世界先進(jìn)水平，但日本鑄造企業(yè)在軟件的使用上落后于美國(guó)，日本全國(guó)1500家鑄造企業(yè)中，只有150家應(yīng)用凝固模擬軟件優(yōu)化鑄件澆注

15、系統(tǒng)。凝固模擬在英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、瑞典和其他一些歐洲國(guó)家也得到了高度發(fā)展。表1-1列出了常用的一些鑄造模擬軟件。表1-1 鑄造工藝模擬軟件10tab. 1-1 simulation software of casting technique 10名 稱開(kāi) 發(fā) 商簡(jiǎn) 介pro cast美國(guó)ues公司有限元軟件，可模擬鑄造過(guò)程中溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)，可模擬充型過(guò)程和凝固微觀組織結(jié)構(gòu)、應(yīng)力分析、電磁場(chǎng)等軟件提供了數(shù)據(jù)庫(kù)、自動(dòng)網(wǎng)格剖分和復(fù)雜的可視化工具，適用于各種鑄造工藝設(shè)計(jì)。view cast比利時(shí)金屬加工中心鑄造過(guò)程模擬輔助工藝設(shè)計(jì)商業(yè)軟件，可模擬凝固過(guò)程溫度場(chǎng)、固相分?jǐn)?shù)、液態(tài)金屬停止流動(dòng)的時(shí)間以

16、及充型過(guò)程中的速度場(chǎng)等，主要用于鑄造缺陷預(yù)測(cè)和澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。續(xù)表1-1afs solidification system美國(guó)finite solutions公司三維有限差分程序，可模擬鑄件的凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)熱節(jié)以及縮孔和縮松等，可進(jìn)行鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。pam-cast/simulor法國(guó)aluminum pechiney可模擬鑄件充型和凝固過(guò)程，并能預(yù)測(cè)縮孔和疏松。magama soft德國(guó)aachen大學(xué)以有限差分和有限元為基礎(chǔ)的三維流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)模擬軟件包?？蛇M(jìn)行充型凝固過(guò)程模擬，預(yù)測(cè)縮孔、縮松等缺陷，能快速模擬復(fù)雜鑄件。cast check芬蘭castech公司三維有限差分軟件，可以預(yù)測(cè)

17、縮孔縮松等缺陷。novacast瑞典有限差分軟件，可以模擬三維溫度場(chǎng)和流場(chǎng)。soldia日本小松制作所有限差分軟件，可以模擬充型、傳熱等過(guò)程，并繼承了niyama判據(jù)。z-cast韓國(guó)生產(chǎn)技術(shù)研究院主要模塊有前處理、充型凝固過(guò)程模擬、后處理及熱物性數(shù)據(jù)庫(kù)。預(yù)測(cè)縮孔、縮松等缺陷，能快速模擬復(fù)雜鑄件。在本試驗(yàn)中采用的為比利時(shí)wtcm鑄造中心開(kāi)發(fā)的商品化軟件viewcast。view cast是基于有限體積法，用于模擬計(jì)算鑄件充型和凝固的應(yīng)用軟件。它能夠顯示充型的過(guò)程和相繼的凝固過(guò)程，而且還能預(yù)測(cè)出可能產(chǎn)生收縮縮孔的位置。viewcast 最大的特點(diǎn)就是自帶冒口和澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，便于鑄件缺陷的消

18、除。應(yīng)用viewcast軟件鑄件的優(yōu)化設(shè)計(jì)流程如下表1-2所示：1.2.2 計(jì)算機(jī)模擬的優(yōu)點(diǎn)鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬是改造傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)的必由之路，是當(dāng)今世界各國(guó)專家學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)發(fā)出許多不同類型的鑄造模擬軟件，按發(fā)展過(guò)程可大致分為三代：第一代模擬軟件只能用簡(jiǎn)單的模數(shù)計(jì)算方法模擬熱流動(dòng)，不能模擬某一時(shí)刻鑄件特定區(qū)域溫度變化；第二代模擬軟件基于溫度場(chǎng)計(jì)算，可以以時(shí)間為參數(shù)顯示鑄件的溫度變化，但沒(méi)考慮凝固過(guò)程液體流動(dòng)和密度變化，也沒(méi)考慮不同合金的凝固結(jié)晶特性；第三代模擬軟件則考慮了溫度場(chǎng)計(jì)算、凝固期間液體流動(dòng)補(bǔ)縮、重量密度及合金顯微組織的影響11。據(jù)報(bào)道采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)可以縮短產(chǎn)品試

19、制周期40%，降低生產(chǎn)成本30%及提高材料利用率25%鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬仿真(簡(jiǎn)稱鑄造cad/cae)涉及計(jì)算機(jī)輔助繪圖、計(jì)算機(jī)輔助工藝與工裝設(shè)計(jì)及充型凝固過(guò)程模擬仿真等三部分內(nèi)容12-13。三維鑄件模型鑄件網(wǎng)格劃分充型計(jì)算澆注系統(tǒng)+鑄件+冒口的網(wǎng)格劃分澆注系統(tǒng)的stl格式澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案凝固計(jì)算鑄件+冒口的凝固計(jì)算鑄件+冒口的網(wǎng)格劃分冒口的stl格式冒口設(shè)計(jì)鑄件的stl格式表1-2 鑄件優(yōu)化設(shè)計(jì)流程圖fig. 1-2 general layout for optimal casting design with view cast 鑄造工藝過(guò)程的計(jì)算機(jī)模擬可以優(yōu)化現(xiàn)

20、有的生產(chǎn)工藝；獲得可重復(fù)的產(chǎn)品質(zhì)量，即使在原材料、工藝設(shè)備和操作者變化時(shí)也同樣穩(wěn)定；可以縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)產(chǎn)品的周期，降低成本；實(shí)現(xiàn)工藝的可視化，使企業(yè)操作者和模擬工作者之間能夠共同分析到最佳工藝模擬的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)14。通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬可以在實(shí)際鑄造前對(duì)鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷發(fā)生的大小、部位及其發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行有效預(yù)報(bào)，以不斷改進(jìn)工藝；根據(jù)溫度場(chǎng)的分布，有效控制凝固過(guò)程，確保鑄件質(zhì)量。1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容目前發(fā)達(dá)國(guó)家在鑄件工藝設(shè)計(jì)中幾乎設(shè)有不采用計(jì)算機(jī)模擬的。據(jù)美國(guó)鑄造聯(lián)合會(huì)一項(xiàng)調(diào)查報(bào)告顯示，使用模擬軟件的成本和效益相比，在產(chǎn)品的試制周期上減少40，勞動(dòng)力減少30，生產(chǎn)率提高25。專家預(yù)言，今后10年

21、內(nèi)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)將是提高鑄造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力最關(guān)鍵的技術(shù)之一。1.3.1主要研究?jī)?nèi)容本文以大型鑄鋼圓筒為研究對(duì)象，利用鑄造手冊(cè)、鑄造工藝設(shè)計(jì)等工具書(shū)進(jìn)行傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)提供的零件圖分析鑄鋼圓筒的鑄造工藝性，并根據(jù)手冊(cè)和鑄件的要求選擇和設(shè)計(jì)各個(gè)鑄造工藝參數(shù)，然后設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、冒口、冷鐵等。在傳統(tǒng)鑄造工藝的基礎(chǔ)上，利用三維造型軟件對(duì)鑄鋼圓筒件及其澆注系統(tǒng)和冒口等進(jìn)行建模，然后利用鑄造過(guò)程數(shù)值模擬軟件（viewcast）對(duì)鑄鋼圓筒的充型、凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。通過(guò)分析模擬結(jié)果，預(yù)測(cè)出鑄件缺陷出現(xiàn)的原因和位置，并以此為基礎(chǔ)對(duì)鑄造工藝進(jìn)行改進(jìn)，以期降低鑄造缺陷對(duì)圓筒內(nèi)部質(zhì)量的影響，以達(dá)到優(yōu)化工藝

22、方案的目的。1.3.2 擬采用的方法(1)結(jié)合工具書(shū)對(duì)傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容和過(guò)程進(jìn)行分析，達(dá)到能在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中合理的選擇參數(shù)和使用適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化算法。(2)利用簡(jiǎn)化模數(shù)法確定冒口的位置，澆注速度計(jì)算法確定澆注系統(tǒng)各部分尺寸。(3)利用viewcast對(duì)鑄件進(jìn)行充型和凝固過(guò)程數(shù)值模擬。(4)根據(jù)模擬結(jié)果分析鑄件出現(xiàn)缺陷的原因，設(shè)計(jì)消除缺陷的方法，并再次進(jìn)行模擬，以確定改進(jìn)后工藝方案是否符合要求，最后得到合理的工藝方案。第2章 大型鑄鋼圓筒件的傳統(tǒng)工藝方案的設(shè)計(jì)鑄造工藝設(shè)計(jì)就是根據(jù)鑄造零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)條件等，確定鑄造方案和工藝參數(shù)，繪制鑄造工藝圖，編制工藝卡等技術(shù)的過(guò)程。鑄

23、造工藝設(shè)計(jì)的有關(guān)文件，是生產(chǎn) 準(zhǔn)備、管理和鑄件驗(yàn)收的依據(jù)，并用于直接指導(dǎo)生產(chǎn)操作。因此，鑄造工藝設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)鑄件品質(zhì)、生產(chǎn)率和成本起著重要作用。在進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)前，設(shè)計(jì)者應(yīng)掌握生產(chǎn)任務(wù)和要求，熟悉工廠和車間的生產(chǎn)條件，這些是鑄造工藝設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。此外，要求設(shè)計(jì)者有一定的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并應(yīng)對(duì)鑄造先進(jìn)技術(shù)有所了解，具有經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)和發(fā)展觀點(diǎn)，才能很好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)15。2.1 鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝要求2.1.1 生產(chǎn)條件生產(chǎn)性質(zhì)單件小批生產(chǎn)材質(zhì)45鋼其中，輪廓尺寸為294013501350（mm），鑄件質(zhì)量大約13噸。2.1.2 主要技術(shù)要求 毛坯不允許有裂紋等缺陷，毛坯須進(jìn)行退火處理，半

24、成品要進(jìn)行超聲波探傷無(wú)裂紋及現(xiàn)行缺陷。澆注溫度約1580。2.2 零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性2.2.1 鑄件質(zhì)量對(duì)零件結(jié)構(gòu)的要求(1)鑄件應(yīng)有合適的壁厚在一定鑄造條件下，鑄造合金能充滿鑄型的最小壁厚稱為該鑄造和金的最小壁厚。為了避免鑄件的澆不足和冷隔等缺陷，應(yīng)使鑄件的設(shè)計(jì)壁厚不小于最小壁厚。砂型鑄造鑄鋼件的最小壁厚得當(dāng)鑄件的最大輪廓尺寸大于2000m時(shí)，最小壁厚為20mm。而此零件的最小壁厚為75mm，符合要求。(2)鑄件的結(jié)構(gòu)應(yīng)補(bǔ)造成嚴(yán)重的收縮阻礙，注意壁厚過(guò)渡和圓角圖2-1所示為鑄鋼件原結(jié)構(gòu)，兩壁交接呈直角形構(gòu)成熱節(jié)，鑄件收縮時(shí)阻力較大，故在此處經(jīng)常出現(xiàn)熱裂。圖2-2為改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，熱節(jié)消除。圖

25、2-1 鑄鋼件原結(jié)構(gòu)圖 圖2-2 鑄鋼件改進(jìn)后結(jié)構(gòu)圖figure 2-1the original structure of steel casting figure 2-1improved structure of steel casting (3)鑄件內(nèi)壁應(yīng)薄于外壁(4)壁厚力求均勻，減少肥厚部分，防止形成熱節(jié)(5)利于補(bǔ)縮和實(shí)現(xiàn)順序凝固(6)防止鑄件翹曲變形(7)避免澆注位置上有水平的大平面結(jié)構(gòu)2.2.2 鑄造方法的選擇鑒于所設(shè)計(jì)的圓筒件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，屬于大型鑄件，從經(jīng)濟(jì)和實(shí)用性上考慮在鑄造工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中采用砂型鑄造，選用水玻璃自硬砂。造型方法為：砂箱造型。2.2.3 分型面的選擇鑄造分形面

26、是鑄造組元間的接合面此鑄體的分型面，分型面選擇合理可簡(jiǎn)化鑄造工藝、提高生產(chǎn)率、降低成本、提高鑄件質(zhì)量。此分形面優(yōu)點(diǎn)：(1)只有一個(gè)分型面，符合盡量減少分型面的原則。(2)只有一個(gè)砂芯，避免使用活塊。(3)符合分型面盡量為平面的原則，以方便合箱。(4)分型面在最大截面出，方便起模，同時(shí)避免模樣在一箱內(nèi)過(guò)高。缺點(diǎn)：因鑄件分為兩部分易出現(xiàn)錯(cuò)型造成的尺寸偏差，加工面尺寸精度不易保證，易產(chǎn)生加工定位偏差。 綜合以上優(yōu)缺點(diǎn)，從實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性方面考慮選擇如圖2-3所示的水平分型面。圖2-3分型面的選擇figure 2-3 the choice of surface2.3 鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù) 鑄造工藝數(shù)據(jù)一般都

27、與模祥及芯盒尺寸有關(guān)，即與鑄件的精度有密切關(guān)系，同時(shí)也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過(guò)程有關(guān)。鑄造工藝設(shè)計(jì)參數(shù)是：鑄造收縮率、機(jī)械加工余量、起模斜度、最小鑄出孔的尺寸、工藝補(bǔ)正量、分型負(fù)數(shù)、反變形量、非加工壁厚的負(fù)余量、砂芯負(fù)數(shù)(砂芯減量)及分芯負(fù)數(shù)等。工藝參數(shù)選取得準(zhǔn)確、合適，才能保證鑄件尺寸(形狀)精確，使造型、制芯、下芯、合箱方便，提高生產(chǎn)率，降低成本。(1)鑄件尺寸公差由gb/t1135189查得：小批和單件生產(chǎn)鑄鋼件，且造型材料為自硬型的尺寸公差等級(jí)為1315級(jí)，但結(jié)合生產(chǎn)情況及零件特點(diǎn)選取ct14。(2)鑄件質(zhì)量公差gb/t1135189規(guī)定了鑄件質(zhì)量公差的數(shù)值、確定方法及檢驗(yàn)規(guī)則

28、，與gb641486鑄件尺寸公差配套使用。gbt1135189所適用的鑄造方法和質(zhì)量公差等級(jí)的選用，與gb641486的要求相致，即尺寸公差ct14，質(zhì)量公差mt14。(3)機(jī)械加工余量根據(jù)gbt1135089可得用于小批和單件生產(chǎn)的鑄件（造型材料為自硬型）尺寸公差配套使用的鑄件機(jī)械加工余量等級(jí)為maj。當(dāng)鑄件尺寸公差等級(jí)和加上余量等級(jí)確定后，各加工部位加工余量的數(shù)值可查表得到，其具體尺寸在鑄件工藝圖中標(biāo)出。 (4)鑄造收縮率鑄造收縮率是的定義是： (2-1)- 模樣(或芯盒)工作面的尺寸 - 鑄件尺寸。為獲得尺寸精度較高的鑄件，必須選擇符合實(shí)際的適宜的鑄造收縮率。對(duì)于本鑄鋼件鑄造收縮率選為1

29、.3%。(5)起模斜度為了方便起模，在模樣、芯盒的出模方向留有定斜度，以免損壞砂型或砂芯，這個(gè)斜度稱為起模斜度。關(guān)于起模斜度的大小的具體數(shù)值見(jiàn)jbt5015n中的規(guī)定。起模斜度的形式見(jiàn)圖24所示：圖2-4 起模斜度形式figure 2-4 gradient-mode form本鑄件中采用如圖24中a方法。其中020，a=3.8 mm。(6)最小鑄出孔及槽對(duì)于零件上的孔、槽、臺(tái)階等，一般說(shuō)來(lái)，較大的孔、槽等應(yīng)鑄出來(lái)，以便節(jié)約金屬液，同時(shí)還可以避免鑄件局部過(guò)厚所造成的熱節(jié)，提高鑄件質(zhì)量。較小的孔、槽，或者鑄件壁很厚，則不宜鑄出孔。此圓筒件屬于大型鑄鋼件，鑄件兩端分別有六個(gè)直徑為30 mm、深度為7

30、5 mm、孔壁為30 mm的圓孔，由于在此其條件下最小鑄出孔直徑為60 mm，所以此孔應(yīng)由機(jī)械加工獲得。(7)分芯負(fù)數(shù)根據(jù)砂芯結(jié)合面的大小一般留1 mm3 mm，分芯負(fù)數(shù)多用于手工造芯的大砂芯，此鑄件分芯負(fù)數(shù)選3 mm，上下均取1.5 mm。2.4 砂芯設(shè)計(jì)砂芯的功用是形成鑄件的內(nèi)腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的部分，有時(shí)也用砂芯。砂芯應(yīng)滿足以下要求：砂芯的形狀、尺寸以及在砂型中的位置應(yīng)符合鑄件要求；具有足夠的強(qiáng)度和剛度；在鑄件形成過(guò)程中砂芯所產(chǎn)生的氣體能及時(shí)排出型外；鑄件收縮時(shí)阻力小和容易清砂。2.4.1 砂芯形狀及分盒面的選擇原則根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，本鑄件采用一個(gè)水平砂芯，

31、以鑄件的水平最大輪廓處為分盒面，為兩個(gè)對(duì)稱半圓柱體。砂芯材料為水玻璃砂，砂芯的具體結(jié)構(gòu)形狀可參看大圖，這樣設(shè)計(jì)砂芯的優(yōu)點(diǎn)是：(1)砂芯只有一個(gè)，符合盡量減少砂芯數(shù)量的原則，可以減少制造工時(shí)，降低鑄件成本和提高尺寸精度。(2)符合砂芯的分盒面應(yīng)盡量與砂型的分型面一致的原則。(3)便于填砂、舂砂，安放芯骨和采取排氣措施。2.4.2 芯頭設(shè)計(jì)水平芯頭的斜度和芯頭與芯座之間的間隙以及芯頭的長(zhǎng)度可查表鑄造手冊(cè)第五卷鑄造工藝，本鑄件水平芯頭的斜度和間隙如圖2-5所示16：圖2-5 水平芯頭的尺寸和間隙figure 2-5 the size and gap of level core直徑在7011000 m

32、m的范圍內(nèi)，得s1=3.0 mm，s2=5.0 mm，s3=8.0 mm；水平芯頭長(zhǎng)l度為 260280 mm，取l=270 mm。2.4.3 砂芯的固定和定位此鑄件內(nèi)腔的砂芯為水平放置。由于鑄件在長(zhǎng)度方向上尺寸較大，水平砂芯具有兩個(gè)較大的水平芯頭。2.4.4 芯骨為了保證砂芯在制造、運(yùn)輸、裝配和澆注過(guò)程中不變形、不開(kāi)裂或折斷，砂芯應(yīng)具有足夠的剛度與強(qiáng)度。生產(chǎn)中通常在砂芯中埋置芯骨，以提高其強(qiáng)度和剛度，采用圓鋼做芯骨。2.5 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.5.1 鑄鋼件澆注系統(tǒng)類型結(jié)合該圓筒鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求以及生產(chǎn)條件，選用中間注入式澆注系統(tǒng)。因其造型比較方便兼有頂注式和底注式的優(yōu)缺點(diǎn)，生產(chǎn)中廣泛

33、應(yīng)用。根據(jù)澆注系統(tǒng)各單元面積的比例，選用抗氧化性，充型快而平穩(wěn)的開(kāi)放式澆注系統(tǒng)(即)。2.5.2 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)此鑄件屬于小批大型鑄鋼件，采用漏包澆注，設(shè)計(jì)步驟如下：根據(jù)鑄件質(zhì)量、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)計(jì)算出鑄件的澆注時(shí)間和澆注速度，在根據(jù)澆注速度選出相適應(yīng)的包孔，然后在根據(jù)包孔尺寸確定澆注系統(tǒng)各單元的截面尺寸3。 (1)鑄件質(zhì)量的計(jì)算v=3.14/4(1.1841.184-0.9080.908) 2.744+3.14/4（1.1841.184-0.970.97）0.24+3.14（1.3841.384-1.1841.184）1.35=1472423 mm3g=7.8v=12.384 噸冒口質(zhì)量約占

34、鑄件質(zhì)量的16%m總=12.384（1+0.16）=14370 kg工藝出品率= 100% (2-1)鑄鋼的工藝出品率為86%(2)澆注時(shí)間t的確定根據(jù)鑄造手冊(cè)鑄造工藝第二版p220圖3-187，查的澆注時(shí)間t=120s(3)澆注速度v的確定v=gl/t (2-2)式中 v澆注速度（kgs）； gl砂型內(nèi)金屬液質(zhì)量（kg）； t澆注時(shí)間（s）。v=14370/120=119.74 kgs 考慮到鋼液流出包孔時(shí)塞頭的開(kāi)啟程度，為保證在澆注過(guò)程過(guò)程滿足鑄件做要求的速度，包孔流出的速度v包（kg/s）推薦為鑄件所需澆注速度的1.3倍，即=1.3v (2-3) =155.675 kg/s(4)包孔截面

35、積的確定由 (2-4)式中 包孔的澆注速度（kgs）；耗損系數(shù)，一般取0.8；包孔截面積（）；鋼液密度（）；g重力加速度，一般取980；澆包中鋼液靜壓頭高度（cm），可取澆注過(guò)程的平均值。已知包孔的澆注速度，可求得包孔的截面積：=44.39 cm2(5)包孔直徑的確定=692+540+550=2000 cm由、可直接查出合適的包孔直徑。根據(jù)鑄造手冊(cè)鑄造工藝第二版p221圖3-1887，查得的結(jié)果顯示，此澆注必須采用兩個(gè)澆包同時(shí)澆注，但在實(shí)際的操作過(guò)程中，兩澆包的金屬液溫度和開(kāi)始澆注時(shí)必然有溫度和時(shí)間的偏差。這樣造成澆注時(shí)鑄件溫度場(chǎng)的疊加，散熱的重疊等不利影響，同一部位的金屬凝固后又熔化情況的發(fā)

36、生，不利于凝固順序的控制。 所以在實(shí)際的生產(chǎn)中采用一個(gè)澆口杯的澆注系統(tǒng)方便工人操作。同時(shí)有利于順序凝固。(6)澆注系統(tǒng)單元截面接的計(jì)算用塞桿包澆注時(shí)，采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，各單元截面積的比例，可采用下面比例：=1.0：(1.82.0): (1.82.0): (2.02.5)采用單孔注入時(shí) =44.39 包孔直徑為75.2 mm =84.341 cm2 =88.78 cm2 =110.98 cm2由于此澆注系統(tǒng)有一個(gè)直澆道，兩個(gè)橫澆道，兩個(gè)內(nèi)澆道，故每個(gè)橫澆道取44.39，每個(gè)內(nèi)澆道取55.49算出各組元的截面直徑：d直= =102 mmd橫= =76 mm（每個(gè)橫澆道直徑）d內(nèi)= =84 mm（

37、每個(gè)直澆道直徑）對(duì)于包孔直徑大于55 mm者，一般應(yīng)采用耐火專管澆注系統(tǒng)。根據(jù)包孔直徑可以確定澆注系統(tǒng)各單元耐火磚直徑,如表2-1所示：表2-1 澆注系統(tǒng)各單元耐火磚直徑 table 2-1 the firebrick diameter unit of gating system 包孔直徑d直澆道直徑 對(duì)稱橫澆道直徑 內(nèi)澆道直徑 80mm120mm80mm80mm大型鑄件澆注系統(tǒng)采用耐火磚進(jìn)行組裝形成澆注系統(tǒng)的各個(gè)部分。根據(jù)計(jì)算：d直=102 mm，d橫=90 mm，d內(nèi)=84 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)耐火磚型號(hào)進(jìn)行選擇，其耐火磚如圖2-6所示：圖2-6 鑄管磚figure 2-6 pipe brick

38、 直澆道：采用鑄管磚，尺寸為：h=200 mm，h1=13 mm，h=10 mm，d=180 mm，d1=14850 mm，d2=145 mm，d3=120 mm，d=154 mm，d1=149 mm。橫澆道：采用二孔分道八角中心轉(zhuǎn)，尺寸為：a=310 mm，h=125 mm,h1=75 mm，h=13 mm，h1=22 mm，d1=150 mm，d2=145 mm，d=120 mm，d1=158 mm，d2=152 mm。內(nèi)澆道：采用流鋼彎磚，尺寸為：b=125 mm，d1=158 mm，d2=152 mm， d=124 mm，d1=100 mm，d1=135 mm，d2=130 mm，l1

39、=250 mm,l2=100 mm,l1=22 mm，l2=10 mm。最后確定出澆注系統(tǒng)各單元直徑為：d直=120 mm，d橫=90 mm，d內(nèi)=100 mm2.5.3 澆注系統(tǒng)引入位置的確定圖2-7所示澆注系統(tǒng)的位置，此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)： (1)滿足內(nèi)澆道不得開(kāi)設(shè)在鑄件質(zhì)量要求過(guò)高的部位，以防止內(nèi)澆道附近組織粗大。 (2)符合避免直澆道沖擊砂芯、型腔或型壁，金屬 液順著弧面流進(jìn)型腔，避免金屬液濺落在型壁表面上或使鑄型局部過(guò)熱。(3)滿足內(nèi)澆道開(kāi)放在分型面上便于造型操作。 2-7 澆注系統(tǒng)圖figure 2-7 gating system map2.6 冒口的設(shè)計(jì)根據(jù)所學(xué)的知識(shí)，由零件圖可以看出厚

40、大部位存在熱節(jié)，可能會(huì)導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生，需要進(jìn)行補(bǔ)縮。由冒口的補(bǔ)縮原理，在鑄件厚大部位的最上部分別安放一個(gè)冒口，由于其是對(duì)稱的。在此，僅以一側(cè)有研究對(duì)象。v= （）0.35=0.1412 m3a=1.3840.25+ (1.3841.384-1.1841.184)/cos45=1.66 m2 = =8.53 cm對(duì)于頂冒口 =（1.21）令=，=8.53 cm在此，選擇標(biāo)準(zhǔn)腰形明冒口，其形狀如圖2-8所示圖2-8 標(biāo)準(zhǔn)腰形明冒口figure 2-8 prescribed standard kidney-shaped risera=360 mm，b=720 mm，h=540 mm，vr =124.

41、6 ，gr=847 kg，=5%，vc =224，gc=1740 kg。對(duì)鑄件冒口的最大補(bǔ)縮能力進(jìn)行校核，計(jì)算得：mr=8.53cm處需補(bǔ)縮部位的體積v=0.1412 ，重量g=1101 kg ，vcv,且gcg.所以，冒口滿足補(bǔ)縮要求。冒口位置如圖2-9所示 圖2-9 冒口位置圖figure 2-9 the location of rise2.7 鑄鋼件冷鐵的設(shè)計(jì)對(duì)于此鑄鋼件，由于在厚大部位的最下部，容易產(chǎn)生熱裂缺陷，所以在此處安放用高碳鋼制造的外冷鐵，使其凝固速度與相鄰斷面的凝固速度均衡，從而減少產(chǎn)生熱烈的危險(xiǎn)。用模數(shù)法計(jì)算直接外冷鐵，鋼液充型溫度為1580，設(shè)置冷鐵部位鑄件凝固結(jié)束時(shí)的冷

42、鐵平均溫度為600，公式： gch= 7.4v0 (2-5)式中 m0設(shè)置冷鐵部位鑄件幾何模數(shù)（dm）； mr與設(shè)置冷鐵部位相鄰部位的鑄件模數(shù)（dm）；求得 =166.215 kg設(shè)置冷鐵就是使縮小到，在無(wú)間隙時(shí)，冷鐵表面積計(jì)算公式如下： (2-6)求得 ach=215976 mm2冷鐵的圓弧長(zhǎng) s=215976/250=863.9 mm冷鐵的弧度 =120 (2-7) 所設(shè)置冷鐵的高度h =100 mm冷鐵三維模型縮圖如2-10所示：圖2-10冷鐵三維模型圖figure2-10 three-dimensional model of cold iron第3章 鑄件數(shù)值模擬及工藝的優(yōu)化3.1 初

43、始方案模擬結(jié)果與分析3.1.1 幾何模型的建立該工藝是在鑄件厚大部位的最上部安放冒口，一側(cè)放置冷鐵。首先進(jìn)行三維實(shí)體造型，然后轉(zhuǎn)換成stl (stereo lithography是美國(guó)3d system公司開(kāi)發(fā)的用于快速原型制造(rpm)技術(shù)的一種文件格式）格式，再導(dǎo)入viewcast，進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。鑄件、澆注系統(tǒng)和冷鐵組合的網(wǎng)格剖分圖如圖3-1所示：圖3-1 網(wǎng)格剖分圖figure 3-1 mesh partition figure冒口冷鐵鑄件澆注系統(tǒng)3.1.2 凝固過(guò)程模擬及結(jié)果分析利用view cast軟件對(duì)凝固過(guò)程進(jìn)行模擬,圖3-2為鑄件凝固過(guò)程模擬結(jié)果，鑄件圖右方彩色條代表凝固時(shí)間

44、，單位為s，圖中透明部分為已經(jīng)凝固區(qū)域，顏色部分代表未凝固，顏色越深說(shuō)明凝固所需要的時(shí)間越短，顏色越淺說(shuō)明凝固所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。 (a) t=600 s (b) t=2500 s (c) t=5000 s (d) t=6000 s(e) t=8000 s (f) t=12000 s (g) t=13000 s (h) t=14000 s圖3-2凝固過(guò)程模擬結(jié)果圖figure 3-2 the figure of simulation results 圖（3-2）a，b，c，d，e，f，g，h，i是圓筒鑄鋼件在溫度場(chǎng)模擬過(guò)程中的具有典型意義的幾個(gè)階段。從圖中可以看出冷鐵和冒口都起了明顯作用，首先放

45、冷鐵部位現(xiàn)凝固，然后兩端模數(shù)大的地方依次凝固，模數(shù)最大的地方最后凝固。從圖（3-2）a、b、c、d，e可知冷鐵的作用完全得到了發(fā)揮，達(dá)到了設(shè)計(jì)冷鐵的目的。但由圖（3-2）b可以看出，澆注系統(tǒng)已基本凝固，不能起到應(yīng)有的補(bǔ)縮效果，從圖（3-2）i可以看出，由于入口處金屬液沖刷造成的局部過(guò)熱，內(nèi)澆道直對(duì)的兩個(gè)小區(qū)域凝固要慢于鑄件其他部位，因此這里形成了孤立液相區(qū)或稱之為“液島”，這些區(qū)域在進(jìn)一步的凝固過(guò)程中得不到其他部位的有效補(bǔ)縮，在凝固后期由于金屬的凝固收縮很容易出現(xiàn)縮孔、縮松現(xiàn)象，使鑄件產(chǎn)生缺陷。圖3-3是鑄件縮孔，縮松缺陷位置預(yù)測(cè)圖，從圖中可以看出，在內(nèi)澆道處出現(xiàn)了鑄造缺陷?？梢钥闯鋈毕莩霈F(xiàn)的

46、位置和溫度場(chǎng)模擬中斷開(kāi)的高溫區(qū)的位置相同，鑄件的縮孔縮松缺陷主要集中在內(nèi)澆道直對(duì)的兩個(gè)小區(qū)域，而鑄件其余部分較為致密，沒(méi)有縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生。圖3-3 鑄件缺陷預(yù)測(cè)圖figure 3-3 casting defects forecast figure（a） （b）缺陷缺陷3.2 優(yōu)化方案3.2.1 工藝改進(jìn)通過(guò)以上分析進(jìn)行工藝改進(jìn)，由于孤立液相區(qū)靠近內(nèi)澆道，所以不能通過(guò)加冷鐵實(shí)現(xiàn)消除縮松、縮孔缺陷。孤立液相區(qū)的出現(xiàn)是由于冒口和此區(qū)之間補(bǔ)縮通道的溫度小于孤立液相區(qū)的溫度，導(dǎo)致補(bǔ)縮通道先凝固。所以，可以通過(guò)一定的方法延長(zhǎng)補(bǔ)縮通道的凝固時(shí)間，對(duì)此鑄件采用了在鑄件內(nèi)部補(bǔ)縮通道所在的位置加發(fā)熱材料的方法

47、。圖3-4為鑄件、澆注系統(tǒng)、冷鐵和發(fā)熱材料組合的網(wǎng)格剖分示意圖。圖3-4 網(wǎng)格剖分圖figure 3-4 mesh partition figure冷鐵澆注系統(tǒng)冒口發(fā)熱材料 3.2.2 凝固過(guò)程模擬及結(jié)果分析圖3-5所示的為優(yōu)化方案的凝固過(guò)程模擬結(jié)果，從中可以看出，鑄件最短凝固時(shí)間為66 s，凝固時(shí)間最長(zhǎng)的部位為冒口，為22886 s。在6500 s后明顯觀察到冷鐵對(duì)鑄件的激冷作用（見(jiàn)圖3-5(c)），在t=3000 s時(shí)橫澆道已經(jīng)完全凝固，在t=6500 s時(shí)澆注系統(tǒng)各單元在鑄件凝固之前已經(jīng)全部凝固，對(duì)其后的凝固起不到任何有效的補(bǔ)縮作用。在t=13500s由于發(fā)熱材料的作用，實(shí)現(xiàn)了冒口向初始

48、方案中孤立液相區(qū)的補(bǔ)縮，原來(lái)孤立的液相區(qū)消失，對(duì)比圖3-2(h)和圖3-5(g)，可以明顯的看到，優(yōu)化后的方案使冒口和內(nèi)澆道之間存在的縮頸消失，在t=14500 s時(shí)鑄件基本凝固完畢，只剩下冒口還沒(méi)有凝固（見(jiàn)圖3-5(i)），在t=22886 s凝固過(guò)程結(jié)束，由于最后凝固區(qū)在冒口內(nèi) ，從而可以保證鑄件內(nèi)部不存在縮松、縮孔缺陷。由圖3-5可以觀察到鑄件的凝固順序是合理可行的，鑄件從底部的冷鐵向上順序凝固，由于發(fā)熱材料的作用，延長(zhǎng)了補(bǔ)縮通道的凝固時(shí)間，給內(nèi)澆道處補(bǔ)給了足夠的金屬液，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求的順序凝固。(a) t=1200 s (b) t=3000 s(c) t=6500 s (d) t=72

49、00 s（e）=7500 s (f)=7800 s(g) t=12000 s (h) t=13500 s(i) t=14000 s (j) t=14500 s 圖3-5 鑄件凝固過(guò)程模擬結(jié)果fig. 3-5 the simulation result of solidification process圖3-6縮孔，縮松缺陷預(yù)測(cè)圖，從圖中可以看出優(yōu)化后的方案消除了鑄件可能出現(xiàn)縮松、縮孔的可能，滿足了鑄件生產(chǎn)要求。因此優(yōu)化方案即是本次設(shè)計(jì)的最終方案。(a) (b) 圖3-6 鑄件缺陷預(yù)測(cè)圖figure3-6 casting defects forecast figure 3.2.3 充型過(guò)程模擬結(jié)果與分析優(yōu)化方案充型過(guò)程模擬結(jié)果如圖3-7所示，右側(cè)色彩條表示溫度，