球墨铸铁冒口CAD开发文献综述.docx

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球墨铸铁冒口CAD开发文献综述

山东大学

本科毕业设计（论文）文献综述

设计题目：

基于Sinovation的球墨铸铁冒口CAD的开发

作者所在系别：

材料科学与工程学院

作者所在专业：

材料成型及控制专业

作者所在班级：

07级铸造

作者姓名：

贺关水

作者学号：

20071501060

指导教师姓名：

郑洪亮

完成时间：

2011年1月

摘要：

冒口系统的设计是铸造工艺设计中很重要的内容，对球铁件冒口系统的设计原理及计算方法进行了深入的讨论很有必要．本文对冒口CAD软件基于第三方软件（如CAE软件[0]、Pro/E[1]、SolidWorks[2]、AutoCAD[3]、ANSYS[4]等）平台上的二次开发、采用VisualC／C++和OpenGL开发不借助于任何第三方软件的完全独立的铸造浇冒口系统CAD软件开发[5]及仅仅是冒口系统的图形处理进行综述。

目前冒口系统CAD软件包开发主要成果有：

基于Pro／E的铸钢件工艺CAD系统冒口模块开发[1]、基于ANSYS的铸件冒口系统CAD的开发[4]、基于AutoCAD2000的铸铝件冒口CAD[3]、基于So-

lidWorks2001的冒口CAD模块开发[2]、基于华铸CAE和UG平台开发的铸造CAD／CAE铸钢件智能冒口优化设计CAD系统[0]等。

本文还提出了在球墨铸铁冒口系统CAD开发研究中目前存在的新科学问题。

关键词：

铸造工艺、冒口系统CAD；球墨铸铁；CAE、UG、Pro/E、ANSYS、SolidWorks、VisualC++、AutoCAD

0前言

近年来，计算机技术的发展突飞猛进，已经渗透到各个学科领域。

铸造工艺设计引入计算机技术，能够将计算机的快速准确和工艺设计人员的经验、思维、综合分析能力结合起来，在优化铸造工艺、预测铸件质量、确定铸造方案、估算铸件

成本、显示并绘制铸造工艺图等方面具有明显的优势，能够缩短工艺设计周期，提高设计水平，有利于提高产品质量和更新换代，提高产品市场竞争力，带来显著的经济效益[3]。

于是人们想出各种方法并结合不同的计算机软件设计出快速绘制冒口的冒口CAD软件包。

1球铁件凝固特点及设计冒口的必要性

球铁铸件的使用性能一方面取决于由微观组织决定的性能,如石墨球数,球化率和金属基体,另一方面还取决于铸件中存在的宏观和微观缩孔。

为了获得优质球铁产品,最重要和关键的步骤就是设计出补缩系统[6]。

同灰铸铁一样，球墨铸铁在凝固后期共晶转变时，石墨的析出同样会产生体积膨胀，但是它产生缩松的倾向却比灰铸铁大得多．因为球墨铸铁共晶团的石墨核心是在奥氏体包围下长大的，石墨球长大时所产生的体积膨胀要通过奥氏体的膨胀来发生作用，这个膨胀只有一小部分被传递到枝晶间的液体上，而大部分却是作用于相邻的共晶团或初生奥氏体骨架上，正因为如此，导致了球墨铸铁产生缩前膨胀的倾向比灰铸铁大得多．另外，球墨铸铁呈“糊状凝固”，在整个凝固期间它的外壳的坚实程度远远比不上灰铸铁，如果铸型刚性不够，会使石墨化产生的体积膨胀的大部分消耗于外壳膨胀，结果枝晶间或共晶团之间的内部液体的液态和凝固收缩得不到补偿，导致铸件产生缩松甚至缩孔．所以球铁件一般要设置冒口进行补缩[7]。

如果铸型刚度足够大，无退让，石墨化膨胀力不就有可能将缩松压合，这样就可以设计合适的壁厚铸件使得铸造工艺设计时略去冒口，从而节省冒口金属，清理铸件冒口和打磨冒口的工作量，大大节约成本。

2冒口作用及设计内容

冒口用以防止铸件出现收缩类缺陷，冒口还有排气及汇集浮渣和非金属夹杂物的作用，因此合理的冒口设计，对保证获得优质铸件有十分重要的意义。

冒口的设计包含两部分内容，一是冒口设置的位置选择，二是冒口尺寸的设计。

3冒口及冒口颈设计原则

3.1设计球铁件冒口时，必须满足下面两个基本的补缩条件：

（1）保证冒口比铸件补缩部分晚凝固。

（2）要求冒口中有效补缩的金属液体积等于或大于浇入铸型中总金属量的体收缩值．

3.2设计球铁冒口颈是，满足以下条件：

（1）冒口颈保证冒口金属液顺利通过，不影响补缩。

（2）冒口颈应在铸件开始大量凝固前凝固完毕．以便使铸件在大量凝固时形成一个封闭系统，有利于提高铸件内石墨化膨胀的内压力，从而提高铸件的致密性．

4冒口设计方法及程序实现的研究进展

4.1基于CAE软件的铸钢件冒口设计方法

4.1.1冒口位置的确定

一般来说冒口应放在铸件断面的厚大处（热节点），这就要求计算机能够自动搜索和寻找热节点位置。

4.1.2冒口尺寸的计算

采用两种计算方法进行冒口尺寸的计算。

（1）利用凝固时间计算模数

根据传统冒口设计资料，凝固时间τ与模数M之间存在

τ=ƙM2

式中ƙ--凝固系数，同种材质的凝固系数相同。

而冒口起补缩作用的条件：

t冒>t件

η·ε·V冒>ε·（V冒+V件）

式中t冒——冒口的凝固时间；

t件——铸件或被补缩部位的凝固时间；

η——冒口的补缩效率；

ε——体收缩率；

V冒、V件——冒口体积和铸件的体积。

（2）断面模数法

m=2/∑（1/di）

式中m——铸件某断面上的模数值；

di——在N个方向上铸件热节最后凝固点到

铸件表面的距离。

4.1.3冒口设计的程序开发

冒口设计流程如图1所示。

图1冒口设计流程图

4.2基于Pro/E的铸钢件冒口CAD

首先必须进行热节圆的分析，包括确定安装冒口处的热节圆半径和零件加载冒口处的形状特征。

选择冒口放置面的横截面积，调用数据库中文件，得到热节样板，输入热节圆直径，根据输入尺寸直接算出零件安装冒口处模数，数值在Pro／E中显示，从而确定冒口模数。

其次，确定冒口样式和尺寸。

根据所需要的冒口类型进入冒口族表进行调用，根据相应模数确定所定义的冒口名称，获得冒口尺寸参数。

最后，根据冒日高度和模数以及铸件模数和半径，确定冒口数量。

设计好冒口参数后在part模式下由用户根据自己需要进行冒口的安装。

4.3基于SolidWorks的冒口设计

要得到优良的铸件并提高工艺出品率，冒口设计是关键，它在工艺方案决定中起主导作用。

采用热节圆法和模数法这两种常用的冒口计算方法来进行冒口设计。

铸造工艺CAD系统冒口模块根据铸件冒口设计准则，选定冒口设计方案，从而确定冒口类型以及冒口放置位置，通过冒口库参数设定冒口尺寸，最后在SolidWorks中进行冒口绘制。

4.4基于AutoCAD的冒口设计

采用模数法设计冒口，冒口设计模块利用AutoCAD建立的铸件三维几何图形,直接在三维设计环境中通过计算机与用户的交互,确定出铸件需要补缩的部位,然后计算出铸件需补缩部位的模数。

首先按照冒口补缩区域的不同，将要设计的冒口分成两类,即补缩整个铸件的冒口和补缩部分铸件的冒口。

对于补缩整个铸件的情况,模数计算比较简单,在ObjectARX2000环境下,直接计算三维几何体的体积和表面积,从而算出该铸件的模数。

对于补缩部分铸件的冒口,需要一个包容盒子,包容盒子与整个铸件的相交部分为冒口补缩的铸件部分，对此部分计算模数时,首先要进行包容盒子与铸件的交运算,然后计算交运算结果,即补缩部位的体积和表面积，从而算出其模数。

设计冒口好冒口库，很据冒口库和冒口模数确定冒口参数，然后绘制出冒口。

4.5基于ANSYS的冒口设计

采用模数法进行冒口设计。

其设计流程主要包括铸件补缩区模数计算、冒口模数计算、冒口数据库和图形处理四部分。

根据铸件局部结构特征。

可将补缩区分为六类结构（板一板相交、杆一杆相交、杆一板相交、板上凸台、管与法兰相交、辐板轮缘）。

根据理论推导和经验公式,采用visualc++6．0语言开发了铸件热节模数计算模块，在确定结构类型后输入必要的参数即可自动计算出该补缩区域的模数M件；然后根据M冒=αM件来确定冒口模数。

根据冒口模数M即可自动提取相应冒口的标准尺寸和重量等特征；最后通过ANSYS的宏命令集来实现冒口的3D造型。

4.6采用VisualC／C++和OpenGL开发设计冒口

（1）首先由凝固模拟仿真计算获得铸件凝固时间t凝件和缩孔缩松率ζ。

（2）根据铸件材质、凝固时间t凝件和冒口剩余模数与铸件模数的比值确定系数Km。

（3）根据铸件凝固时间t凝件由下式确定所需的冒口凝同时间t凝冒：

t凝冒=t凝件Km2

（4）根据t凝冒，由冒口凝同时间与冒口直径之间关系的回归曲线，计算获得冒口直径d冒。

（5）根据缩孔缩松率ζ对冒口体积进行校核计算并最终确定冒口直径d冒。

5结语

综上所述，以上冒口CAD开发有依托绘图软件的，也有的依托CAE[8]模拟软件，已经对冒口设计从二维到三维有一定的研究，为企业节约了成本，也提高了铸造产品的质量。

但在以下问题上并没有比较清楚的认识和定量的估计：

（1）基本都采用的是模数法计算冒口的模数来确定冒口的尺寸，并且多数依托第三方绘图软件，通用性差，冒口设计的算法需要改进。

（2）没有设计冒口颈的量化功能，冒口与铸件的衔接及冒口颈的大小需要依靠设计经验。

参考文献：

[0]毛红奎，毛卫民，侯华，基于CAE计算的铸钢件标注冒口设计，铸造技术，2008

[1]王智平，裴晓亮，朱昌盛，路阳，基于Pro／E的铸钢件工艺CAD系统冒口模块开发，铸造技术，7/2009

[2]廖敦明，商飞鹏，周建新，刘瑞祥，林汉同，三维铸造工艺CAD系统冒口模块的开发，《现代铸铁》，6/2003

[3]王培刚,宋强,田学雷,李成栋,张海林,基于AutoCAD2000的铸铝件冒口CAD,FOUNDRY,6/2003

[4]周丹晨。

蒋玉明．杨屹,基于ANsYs的铸件浇冒口系统cAD的开发,FOUNDRY,4/2001

[5]李培耀,铸造浇冒口系统CAD软件的开发研究,金属铸锻焊技术,7/2009

[6]H.Roedter,球墨铸铁件补缩冒口的新进展,FOUNDRYTECHNOLOGY，Oct.2009

[7]张春香，郑英姿，球铁体浇冒口系统的计算机辅助设计，郑卅I工业人学学报,，9/1999

[8]毛红奎，毛卫民，侯华，基于CAE计算的铸钢件标准冒口设计，FOUNDRYTECHNOLOGY，11/2008