第一届铸造工艺设计大赛.docx

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第一届铸造工艺设计大赛

“永冠杯”首届中国大学生铸造工艺设计大赛

作品名称：

气动水泥卷钉枪枪头精铸

工艺设计与优化

参赛人姓名：

指导老师：

气动水泥卷钉枪枪头精铸工艺设计与优化

本次大赛所选零件来自于某精铸企业，由于零件尺寸小，结构复杂，壁厚较小且不均匀，材料为铸钢，故采用熔模铸造工艺进行生产。

首先针对零件的结构进行工艺分析，初步制定工艺方案，然后应用Procast对工艺方案进行数值模拟，根据模拟结果对初始方案进行优化设计，并进行数值模拟。

由模拟结果可知优化方案可以继续被优化，优化之后进行模拟验证，得到最终工艺方案。

1.产品信息

零件名称：

气动水泥卷钉枪枪头

用途：

用于气动水泥卷钉枪枪头（如图1所示）

图1.气动水泥卷钉枪枪头

材质：

ZG40Cr

零件要求：

基本上受力较大，不能出现缩孔缩松。

而且由于是气动工具，法兰端面与气缸配合，所以，气密性要求较高，零件加工后不能出现缩孔缩松。

工艺方法：

熔模铸造

2.产品模型及工艺设计

产品模型见图2.1。

铸件最大长度为100mm，宽度为100mm，壁厚为15mm，位于铸件上部法兰端面，最薄处为3mm，位于铸件中部。

该铸件结构复杂，壁厚不均匀，材料为ZG40Cr。

铸件不允许出现缩孔、缩松，内外表面不允许有气孔、砂眼、夹砂等缺陷，质量要求较高。

浇注系统为顶注式，生产中设计为一模4件，见图2.2。

采用顶注式浇注系统，有利于金属液的充型和补缩，但金属液对型壁冲击力较大，易飞溅，使铸件产生夹渣和气孔等缺陷。

考虑到该铸件高度较低，结果复杂，金属液对型壁的冲击力较小，飞溅倾向小。

浇注位置位于铸件圆形法兰端面，该面为较大平面，易于浇道的清理，对铸件表面质量影响不大。

图2.1产品模型

图2.2工艺方案

3.凝固过程数值模拟流程

Procast模拟流程如图2.1所示。

4.凝固模拟前处理

4.1建立模型及网格划分

为了便于分析，将实际生产时的浇注系统进行简化，取单个铸件进行模拟分析，如图4.1。

首先使用Pro/E软件进行铸件的三维建模。

建模完毕以后，将文件转换为可被Procast接受的文件格式，如STEP（STP）。

将STEP（STP）文件导入Procast软件自带的网格划分工具MeshCAST，进行网格划分的剖分，见图4.2和图4.3。

铸件与型壳总结点数为77511个，总单元体数为343461个。

从图4.2可以看到，零件网格划分比浇注系统部分致密，这是为了保证零件部位模拟的准确性。

图4.1简化模型

图4.2铸件网格模型

图4.3型壳网格模型

4.2热物性参数

模拟中铸件材料为40Cr，其热物性参数主要包括热导率λ、比热C、热焓H、密度ρ等，见表4.1。

这些参数一般均随温度的变化而变化，所以称为变热物性参数。

40Cr的液相线温度为1491℃，固相线温度为1429℃。

耐火材料是制造型壳的主要材料。

型壳的一些主要性能都与耐火材料的物理、化学性质有关。

实际生产及模拟分析时，表面层和加固层的型壳材料分别选为锆英石和莫来石，其材料的物理、化学性质如表4.2所示。

表4.140Cr热物性参数

物性参数

200℃

400℃

600℃

800℃

1000℃

1200℃

1400℃

1600℃

密度/（kg/m3）

7690

7670

7660

7640

7635

7620

7610

7275

热焓/（KJ/Kg）

70

195

295

580

630

795

930

1310

比热/（KJ/Kg/K）

0.52

0.61

0.75

0.96

0.65

0.66

0.71

0.79

热导率/（W/m/K）

49

42

35

26

28

30

31

24

表4.2制壳所用耐火材料的物理、化学性质

材料名称

分子式

化学性质

熔化温度

（℃）

比重

（g/cm3）

线膨胀系数

a（1/℃）

20~1000℃

导热系数λ

（K/cm·s·℃）

400℃

1200℃

锆英石

ZrO2·SiO2

两性

1810

3.16

4.5x10-6

0.0029

0.0037

莫来石

3AL2O3·2SiO2

弱酸性

1775

4.5

5.1x10-6

0.005

4.3初始条件及边界条件

模拟的初始条件和边界条件与工厂实际生产相同，具体数据如下：

金属液浇注温度为1550℃；型壳焙烧温度为1000℃；浇注时间为3s；重力加速度9.8m/s2。

铸件与型壳的传热系数为300W/m2/K。

型壳与周围空气的传热系数为10W/m2/K。

5模拟分析结果与生产实际结果对比

5.1铸件充型时的固相率分析

图5.1为铸件凝固过程中内部金属液的固相率分布图。

从图5.1中可以看出，当time=42.9s时，铸件左侧金属液通道被隔断。

当time=48.4s时，铸件左侧底部出现了孤立的液相区，将此部位称为1处。

该处金属液凝固时，体积收缩无法得到补缩，易产生缩孔、缩松缺陷。

同样，当time=92.6s时，铸件右侧金属液通道被隔断。

当time=96.9s时，铸件右侧底部出现孤立的液相区，将此部位称为2处。

该处金属液凝固时，体积收缩无法得到补缩，易产生缩孔、缩松缺陷。

（a）time=42.9s

（b）time=48.4s

（c）time=92.9s

（d）time=96.9s

图5.1铸件充型时的固相率变化

5.2模拟结果与实际生产的对比

从模拟结果分析可知，图5.2（a）中铸件左侧两壁相接处即1处，易产生缩孔、缩松缺陷。

而从图5.2（b）中箭头所指部位，实际生产中产生缩松缺陷概率相当大，已达到60%。

由模拟结果分析可知，图5.2（c）中铸件右侧底部即2处，易产生缩孔、缩松缺陷。

对铸件做剖切处理，从图5.2（d）中白线圈处，产生了缩孔缺陷。

可以得出：

此次数值模拟分析结果与实际生产结果基本吻合。

（a）模拟结果1处

（b）实际结果1处

（c）模拟结果2处

（d）实际结果2处

图5.2模拟结果与实际结果对比

6工艺方案改进

6.1方案改进

针对1处缩孔、缩松缺陷，开设补缩浇道困难，则可从其冷却方式入手。

因为在凝固过程，铸件中部薄壁处金属液凝固过快，致使与1处相连的金属液体通道被隔断，无法对该处进行补缩。

可在型壳表面如图6.1红色部位包裹石棉等保温材料，减缓薄壁处的冷却速度，保证补缩通道的畅通。

对于2处缩孔、缩松缺陷，可从浇注系统入手，开设补缩浇道，专门对其补缩，如图6.2。

由于与2处相接的部分为较大平面，且距离直浇道较近，在此处开设分浇道易于清理和补缩。

图5.1包裹石棉

图6.2开设补缩浇道

6.2改进方案边界条件

此次模拟只需改变模拟的边界条件，其他工艺参数如材料设置、初始条件等都不变。

由于型壳1处部位包裹石棉，见图4.1红色部位，此处型壳传热速度比周围部位要慢，则该部分石棉与空气之间的换热系数为3W/m2/K，而其它部分与空气之间的换热系数仍为10W/m2/K。

6.3改进方案模拟结果与原方案模拟结果比较

图6.3为改进方案模拟结果与原方案模拟结果对比图，其中图6.3（a）、（c）为原方案模拟结果，图6.3（b）、（d）为改进方案模拟结果。

由图6.3（a）箭头和圆圈标示处可知，当time=42.9s时，原工艺方案的铸件由于薄壁处优先凝固，致使中部金属液体通道被割断，即模拟过程中出现断流现象,产生孤立液相区。

而从图6.3（b）箭头和圆圈标示处可知，当time=50s时，在1处并没有出现孤立的液相区,主要是因为改进方案中包裹石棉的部位，冷却慢，基本达到顺序凝固。

由图6.3（c）箭头和圆圈标示处可知，当time=92.9s时，原工艺方案的铸件在2处出现孤立的液相区。

而从图6.3（d）箭头和圆圈标示处可知，当time=102s时，优化方案的铸件从底部自下而上顺序凝固，在2处并没有出现孤立的液相区。

由以上两种方案的对比分析可知，采用优化方案，1处和2处的孤立液相区明显消失，缩孔、缩松倾向得到有效的控制，这也说明优化工艺措施是合理有效的。

（a）time=42.9s

（b）time=50s

（c）time=92.9s

（d）time=102s

原方案

改进方案

图6.3优化工艺结果与原始工艺结果对比

6.4试验验证及生产应用

基于数值分析的改进工艺措施，进行熔模铸造工艺试验，对改进后的模拟结果进行验证。

图6.4为试验方案所增加的保温石棉及增设的补缩浇道。

图6.5为优化工艺后的铸件。

从图6.5（a）可以看出，1处部位缩孔、缩松明显消失，表明在型壳表面包裹石棉，确实能够减缓铸件该部位冷却速度，保证其周围补缩通道的畅通。

同样，从图6.5（b）剖面图，可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明开设补缩通道确实有效，能够对该部分进行补缩。

该厂采用优化方案，铸件废品率由原来的60%减少到8%，大大减少企业生产成本。

图6.4（a）型壳包裹石棉

图6.4（b）增加的补缩浇道

图6.4改进方案

图6.5（a）表面质量

图6.5（b）内部质量

图6.5改进方案生产的铸件

7工艺方案优化

7.1方案优化

图7.1.1补缩浇道补缩作用的分析

由模拟分析结果可知：

改进工艺方案中所加的补缩浇道并没有起到补缩的作用，而是起了蓄热，调节铸件温度场的作用，使铸件达到顺序凝固，因此可以对工艺继续优化，即改变补缩浇道的结构。

如图7.1.2所示，将补缩浇道改为贴片，即在原补缩浇道下端所在部位增加一个贴片。

改进方案

优化方案

图7.1.2优化方案

7.2优化方案数值分析

图7.2优化方案数值分析

由图7.2优化方案数值分析结果可以看出：

优化方案中的贴片在铸件凝固过程中起了蓄热，调节铸件温度场，使铸件达到顺序凝固的作用，因此优化方案合理，这也说明了改进方案中补缩浇道的作用是蓄热，调节铸件温度场。

7.3试验验证及生产应用

图7.3优化方案生产的铸件

对基于数值分析的优化工艺措施进行熔模铸造工艺试验，对优化后的模拟结果进行验证。

图7.3为按优化工艺方案生产的铸件。

图7.3中的剖面图可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明优化方案有效，贴片的作用明显。

优化方案节省了材料的用量，节约了熔炼的成本，降低了去除浇口的难度。

因此优化方案既降低了成本又提高了生产效率。