精品大型转缸铸钢件的铸造工艺设计及优化毕业论文设计.docx
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精品大型转缸铸钢件的铸造工艺设计及优化毕业论文设计
河北工业大学
毕业设计说明书
作者:
孙张于学号:
082059
系:
材料科学与工程
专业:
材料成型与控制
专业方向:
液态成型与控制
题目:
大型转缸铸钢件的铸造
工艺设计及优化
指导者:
李日教授
评阅者:
2012年6月7日
毕业论文中文摘要
题目:
大型转缸铸钢件的铸造工艺设计与优化
摘要:
论文以20Mn转缸铸件为研究对象,综合运用CAD/CAE进行了20Mn转缸的铸造工艺设计,以及充型凝固过程的模拟,最后得到最优的铸造工艺方案。
在铸造工艺设计部分,首先利用UG6.0对转缸零件进行三维造型,利用此造型出的零件进行浇注位置、分型面、砂芯设计等工作,接着根据模数理论,用UG6.0的切割功能和分析功能对铸件进行分体结构划分,然后用Excel计算分体结构的质量、体积、面积、模数等,最后按照计算结果用UG6.0设计了三维20Mn转缸铸件铸造工艺。
上述工作充分体现了CAD在设计精度和设计效率上均具有传统工艺设计无法比拟的优越性。
在模拟优化部分(CAE),用SOLIDCast对铸造工艺进行评价和优化。
根据铸件有无冒口共设计了两种方案,通过对这两种方案的模拟结果中流场、温度场以及缩孔缩松比率的比较得出,加冒口的方案缩孔缩松缺陷完全消除,定为最佳优化方案。
关键词:
20Mn转缸铸件CAD、CAE设计铸造工艺设计与优化
毕业论文外文摘要
Title:
Thecastingprocessdesignandoptimizationofthelargeturncylinderofcaststeel
Abstract:
Inthepaper,theCAD/CAEmethodwasusedtodesignthefoundrytechnology,andoptimizethefoundrytechnology,thenanoptimizedcastingprocesswasproposed.
InCADsection,the3Dmodelofthe20MnTurnCylindercastingwasfirstlycreatedbyUGsoftware.itwasusedtodeterminethecastingorientation,partingline,coredesigning,etc.Thenbasedonmodulustheory,then20MnTurnCylindercastingwasdividedintoseveralcomponentsbythecut-offfunctionandanalysisfunctioninUGsoftware.Afterwards,themass,Volume,Coolingsurfacearea,modulus,werecalculatedbyExcelsoftware.Finally,accordingtotheseparameters,thefoundrytechnologyofthe20MnTurnCylindercastingwasdesignedbyUG6.0.TheabovedesignprocedurefullyshowstheadvantagesofCADmethodinaspectsofdesignefficiencyanddesignprecisioncomparingwiththetraditionalmethodoffoundrytechnologydesign.
InCAEpart,foundrytechnologieswereevaluatedandoptimizedbySOLIDCastsoftware.Twofoundrytechnologyweredesigned,andoneiswithriser,anotherisriserless.Basedonthecomparisonofthefillingprocess,solidificationprocess,andshrinkageporosityprediction,itisobviousthatthedesignwiththeriserheadcaneliminateallthedefectoftheshrinkage.
Keywords:
20MnTurncylinderCAD/CAEdesign
Castingtechnologicaldesignandoptimization
目录
第一章绪论1
1.1课题目标;铸件简介2
1.2文献综述4
1.3论文的研究目标,内容及方法4
第二章研究理论基础和条件4
2.1基本工艺基础4
2.2硬件设备5
2.3软件5
第三章铸造工艺设计6
3.1造型关键方法6
3.2浇注位置7
3.3分型面8
3.4砂芯的设9
3.5冒口及冷铁10
3.6浇注系统的设计15
3.7初始铸造工艺17
第4章铸造工艺的数值模拟优化18
4.1SOLIDCast简介和运用18
4.2初始铸造工艺方案的模拟20
4.3初始铸造工艺方案缺陷的分析22
4.4初始铸造工艺方案的优化23
4.5优化后的铸造工艺方案的模拟24
第五章结论29
结论29
参考文献30
感谢31
第一章绪论
1.1课题目标
铸件简介和要求
本课题铸件为20Mn转缸,在实际的生产过程中产生的缺陷主要为浇不足、冷隔、缩孔和缩松、裂纹及粘砂等,尤其在薄壁高大铸件中产生的缩孔缩松缺陷最为严重。
本论文中主要对该铸件中出现的缺陷现象进行原因分析。
在设计过程中以模数法和澳赞公式为基础,UG为设计工具最后用CAE软件分析其流场、温度场,进而作出判断。
然后提出相应的优化工艺,并通过CAE方法反复检验得到最佳工艺。
如图1-1所示,该铸件为高大薄壁铸件,底部最大半径为1230mm,顶部最大半径为1120mm,底部中间有较大热节,外部为薄壁套筒状,最小壁厚为40mm,中间热结部分与外部通过三个加强筋相连。
底部均匀分布着六个用于吊起铸件的吊钩,吊钩上都有一个用于吊起铸件的半径为41mm的孔。
铸件顶部均匀分布着六个用于连接零件用的半径为55.8mm的孔,底部在对称部位分布着四个同样用于连接用的半径为32mm的孔,根据单件、小批量生产铸钢的最小铸出孔直径为50mm,这些孔均为铸出孔。
中间部分为该铸件的厚大部位,最大壁厚830mm,高度为532mm。
热结顶部有宽度为64mm,深度为10mm的沟槽。
中间有倒锥型的孔,其顶部半径为205mm,底部半径为171.8mm,中间部分凹入2.0mm。
热结顶部和外壁处分别有六个M14和M30的螺纹孔,该螺纹孔均为后期机械加工孔,在铸造时均不铸出。
1.2文献简述
文献[1]中作者运用数值模拟软件ViewCast对大型铸钢件的凝固过程进行了数值模拟,准确预测到了铸造过程之中的缺陷及产生缺陷的地点,根据此结果做出相应正确的铸造工艺。
再进行进一步优化,得到最优的工艺方案,最终应用于工业生产,取到很好的效果。
文献[2]中着重分析了铸件的长、重、内部质量要求高的特点,根据这些特点制定了以下方案:
(1)在铸件外部加冷铁和附加冒口,以实现铸件的顺序凝固;
(2)在造型方面采用实样模型、树脂砂制作型、芯,保证铸件尺寸及表面精度,减少了气孔、砂眼等铸造缺陷;为防止出现浇不足,采用了电弧炉、LF钢包精炼炉联合冶炼的浇注措施。
最终获得较好的效果。
文献[3]详细的分析了大型铸钢件在生产过程中产生的缩松、缩孔、气孔、偏析、冷裂和热裂、白点等缺陷,并分析了产生该缺陷的原因和解决的措施。
对铸钢件生产工艺的改进、质量的提高以及检测水平的提高起到一定的作用。
文献[4]根据该铸件结构特点和材料特点、技术要求等,对铸钢托轮进行合理的铸造工艺设计,并运用利用Z-Cast软件对铸钢托轮凝固过程模拟,依据模拟结果对原工艺加以改进,最终获得了优质的大型铸钢托轮件。
文献[5]同样运用ViewCast模拟软件进行铸造工艺设计。
首先根据模拟的结果找出热结大小及位置,进而计算出冒口尺寸和数目。
然后进行凝固模拟,根据结果找出最优的工艺方案。
文献[6]中主要介绍了我国铸件尤其是大型铸件生产的现状以及与外国企业的差距。
文章同时详细说明了大型铸钢件生产中的关键技术,例如铸造工艺技术,热处理技术以及数值模拟技术等,尤其是计算机数值模拟近年来在我国飞速发展和运用。
文献[7]中主要对我国的中国人民抗日战争纪念群雕、香港天坛大佛、中华世纪坛青铜甬道、武汉千年吉祥钟等大型艺术铸件的工艺进行了详细的分析。
文献[8]针对与大型矿山机械上机架类似结构的铸件生产工艺设计中存在模具活料较多、法兰尺寸难以控制、起模困难等普遍问题,提出了创新的解决办法,并成功应用。
文献[9]针对热轧2250mm热轧薄板机架结构复杂,易产生缩孔、疏松、裂纹等铸造缺陷的工艺技术难点,并利用计算机模拟技术研究了铸造工艺的合理性,保证了2250mm热轧薄板机架的铸造成功。
文献[10]针对大型立柱类铸件、主轴箱体和尾座体箱体类铸件质量改进等对大型数控机床制定了可行的工艺方案,并通过数值模拟解决了大型铸件的缺陷。
文献[11]中根据大型箱体球铁件的结构特点,介绍了铸件的造型工艺、浇注系统及工艺参数等的设定与选择。
最后通过CAE模拟软件进行模拟,进一步改善了工艺方案,提高了工艺出品率。
文献[12]根据20t铸钢件的市场需求及质量要求,结合广钢电炉炼钢厂自身生产条件及设备,制定了合适的工艺生产方案,提高了公司的收益。
文献[13]利用Procast软件对42CrMo大型轴承环件的砂型铸造工艺进行了数值模拟,分析了凝固过程和产生缺陷的原因。
根据模拟结果改变并优化了工艺方案,消除了缩松、缩孔等缺陷。
文献[14]详细叙述了对厚壁高锰钢耐磨铸件的制造工艺要求,通过合理的成分选择、铸造浇注工艺、结合热处理强化措施,以达到高锰钢铸件的抗冲击耐磨的特性。
最终使生产的高锰钢铸件在实际使用中获得了良好的耐磨性能。
文献[15]主要介绍了华铸CAE铸造工艺分析软件在铁路大型养路机械中的应用。
通过具体铸件的生产试验,成功预测了铸造缺陷,采取优化浇注系统及补缩系统等工艺方案优化后,消除了缩孔、裂纹等铸造缺陷。
1.3论文研究目标、研究内容和方法
研究目标:
本课题对20Mn转钢铸件进行铸造工艺设计以及计算机辅助设计,包括UG6.0、SOLIDCast,最后找出最佳的工艺方案。
研究内容和方法具体如下:
(1)运用UG6.0软件对转缸铸件进行三维造型。
(2)选定20Mn转钢体的铸造工艺方案,并进行论证。
包括确定铸造工艺参数、
确定浇注位置以及分型面和分模面等的确定。
(3)利用UG6.0软件,将零件转化为铸件图。
(4)然后进行浇注系统的设计,冒口、冷铁等的设计。
(5)利用SOLIDCast软件进行浇铸模拟,并观察铸件流场、温度场,分析存在的缺陷,并最终确定最佳工艺方案。
随着计算机技术的发展,CAD/CAE技术凭借设计周期短、设计成本低、设计准确度高等优点在制造领域应用越来越广泛。
本课题以UG6.0软件为工具对20Mn转钢的实体化进行计算机辅助设计,同时用Excel表格作为辅助工具并用SOLIDCcast软件进行浇铸模拟,最终找到最优的铸造工艺方案。
第二章研究理论基础和条件
2.1基本工艺理论
模数法
基本原理:
遵守顺序凝固的基本条件。
首先,冒口的凝固时间Tr应该大于铸件被补缩部位的凝固时间Tc。
运用Chvorinov公式有Tr=(Mr/Kr)2和Tc=(Mc/Kc)2,于是得:
(Mr/Kr)2=Tc=(Mc/Kc)2
式中Mr、Mc—分别为冒口模数和铸件模数;
Kr、Kc—冒口、铸件的凝固系数
对于普通冒口,Kr=Kc,因而上式可以写成:
Mr=fMc
式中f—冒口的安全系数,f≥1。
一般取安全系数f=1.2。
其次,冒口必须能提供足够的金属液,以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和因型壁移动而扩大的容积,使缩孔不致伸入铸件内,为满足此条件应有
ε(Vc+Vr)+Vε?
Vrη
式中Vc、Vr、Vε—铸型体积、冒口体积和因型壁移动而扩大的体积;
ε—金属从浇注完成到凝固完毕的体积收缩率;
η—冒口的补缩效率。
2.2硬件设备
在数值拟部分应用SOLIDcast软件对铸件进行数值模拟,应用SOLIDcast工作站进行模拟,其计算机硬件设备具体如下:
电脑配置为CPU:
2.83GHz;
安装内存(RAM):
4.00GB(3.50GB可用);
32位操作系统;
硬盘:
500GB。
2.3软件
在本次课题设计中运用的模拟软件为SOLIDCast。
它是世界最流行的基于PC的铸造工艺设计、分析、优化软件,其材料库中包含了上百种合金材料及其热物理参数。
可以模拟灰铸铁、球墨铸铁、铸钢、铝、铜、镁、镍等大部分常见合金材料的铸造工艺。
SOLIDCast提供了一套成熟的浇注系统和冒口设计向导。
有了它铸造工程师几分钟就能完成一个新产品的工艺设计。
该设计向导基于真实铸造过程的模拟结果,综合考虑了铸件材料、造型材料和其他辅助工艺措施,而不是依靠简单几何的估算。
目前为止没有比它更精确的工艺设计方法了。
在SOLIDCast基础上FSI公司开发了专业流场计算模块FLOWCast,用于模拟液态金属经过浇注系统进入型腔的状态。
FLOWCast通过模拟型腔中的对流、传导和辐射,分析铸件及浇注系统设计,预测与流动相关的如浇不足、氧化夹渣、夹杂、高速流体造成的冲砂等缺陷。
使用SOLIDCast建模(或者导入3D模型)并划分网格,直接调用FLOWcast即可模拟液态金属的充型过程。
其结果也可以直接用于SOLIDCast中,以模拟铸件随后的凝固过程。
这两个模块结合起来就成为一个完美的模拟系统,设置非常简单、易学易用。
第三章铸造工艺设计
3.1转缸铸件三维造型的关键方法
图3-1是铸件的三维造型图,从大体上看,该铸件相对比较对称,大部分可采取拉伸和回转的方法进行造型。
图中1为铸件中间部位,该部分空间上是对称的,可以在X-O-Z面上做出草图,再将该草图以Z轴为对称轴旋转;在加强筋部分,同样可以通过旋转的方法得到整个加强筋,再画出需要去除的部分,二者做布尔求差运算即可以得到加强筋;图中2为铸件的空腔部位,在这部分造型时先完成空腔部位的造型,再完成铸件顶部的造型,二者做布尔求差运算即可完成该部分空腔的造型;图中3为铸件的外壁,该外壁为铸件的最小壁厚,外形对称,同样可以在X-O-Z面上绘出草图,再将该草图以Z轴为对称轴旋转即可完成;图中4为铸件与底座相交的圆环,该部分造型时,可以首先建立基准平面,并在基准平面上绘制草图,通过草薙的拉伸可以完成该部分的造型。
也可以通过直接造型完成该部分的造型,首先在指定位置直接造出圆柱体,经过布尔求差完成该部分的造型;图中5为铸件的底座,该部分造型柱主要是草图的拉伸,首先做出基准平面,在基准平面上绘制出该部分的草图,再将草图拉伸即可得到该部分的造型;图中6为铸件的吊钩部分,该部分同样应用草图拉伸完成造型,首先在底座上部平面做出该部分的一部分草图,将草图拉伸可得到部分造型,再将这部分完成的造型做镜像即可得到全部的造型,;图中7为铸件孔,在该部分造型中,可以直接做出圆柱再和底座做布尔求差运算即可得到该部分的造型,该铸件所有的孔均可以通过该方法完成造型。
也可以通过草图拉伸、布尔求差运算完成该部分造型。
总体而言,该铸件形状中等复杂,造型比较简单。
3.2浇注位置
浇注位置的确定是铸造工艺设计中相当重要的一环,关系到铸件的质量的好坏、铸件的尺寸精度的高低以及造型工艺过程的难易,因此往往须制订出几种方案加以分析、对比,择优选用。
实际生产中的浇注位置通常分为水平浇注、垂直浇注和倾斜浇注。
以上三种浇注位置是20Mn转缸的较为合理的三种浇注位置。
同时考虑本铸件尺寸比较大,才用手工造型的方法,水平浇注将会出现无法取模的现象;而且该铸钢件的大热结位于铸件底部,垂直向下更有利于冒口的安放以及更有利于顺序凝固的实现。
综上,该铸件最终选为垂直向下的浇注位置为最佳浇注位置。
3.3分型面的确定
分型面是指两半铸型的相互接触的表面,分型面一般在确定浇注位置后再选择。
但分析各种分型面方案的优劣之后,可能需要重新调整浇注位置。
生产中,浇注位置和分型面有时是同时确定的。
分型面的优略,在很大程度上影响铸件的尺寸精度、成本和生产率。
应仔细分析、对比,慎重考虑。
所以,根据以上原则结合该铸件尺寸、结构以及手工造型时的具体砂箱的有效高度,同时也利于下芯等,所以将其分为四箱造型,分别为上箱、第二箱、第三箱和下箱。
具体的分型面如图3-5所示。
3.4砂芯
砂芯的功能是形成铸件的内腔、孔和铸件外形不能出砂的部位。
砂型局部要求特殊性能的部分,有时也用砂芯。
砂芯应满足下列要求:
砂芯的形状、尺寸以及在砂型中的位置应符合铸件的要求,具有足够的强度和刚度,在铸件形成过程中砂芯所产生的气体能够及时的排除型外,铸件收缩时阻力小和容易清砂。
根据该铸件形状分析得:
该铸件需要放入三个砂芯,具体砂芯形状及类型如图3-6所示:
3.5冒口及冷铁的设计
1、冒口的设计
根据该铸件的形状,最大热节在铸件顶部中间处,该部位也是该铸件最后凝固的区域,该部分为铸件首先需要补缩的地方。
根据模数法可以利用UG6.0将铸件切割成几个不同的补缩部位,运用UG6.0的分析体功能准确算出补缩部位的模数,进行冒口设计。
20Mn转钢的几何模数可按下式计算:
Mc=V/S
式中Mc—铸件的几何模数,
V—铸件的体积,
S—铸件的散热表面积
将铸件的数据带入上式计算出铸件的几何模数:
根据铸件的形状,利用UG6.O可以讲抓紧划分为几个不同的补缩区域如下:
\\\
由于浇注位置选择在垂直向下浇注,分割体一适合添加冒口,而三四均为薄壁体,凝固较快,所以分割体二很容易被这些凝固较早的部位分开,从而是分割体四产生缩孔缩松。
为实现从下往上的顺序凝固,分割体二处应该加入冷铁。
冒口的确定
根据分割体一的形状,首先选用的形状为易割随形腰型顶冒口。
根据模数法:
Mr=fMc
其中f=1.2,Mc=7.75;
所以Mr=1.2*7.75=9.30cm
图3-9为冒口的俯视图,其中R1=775mm,R2=345mm,R3=215mm。
而割片厚度和补缩截面尺寸可用下式计算:
b=0.56Mc
d0=2.34Mc
Mn=0.59Mc
式中,d0—补缩径的直径(cm)
b—割片厚度(cm)
Mn—补缩径的模数(cm)
Mc—铸件的模数(cm)
所以有:
b=4.34cm,
d0=18cm,
Mn=4.34cm。
二、冷铁的设计
铸钢件的外冷铁一般用高碳钢制造,冷铁面要光洁,无氧化铁层和油垢,而且与铸件接触面平滑或圆滑,无气孔后缩凹。
根据铸造手册[16],铸钢件的外冷铁的壁厚
δ=(0.3~0.8)T,所以可取外冷铁的壁厚为铸件壁厚的0.8倍。
根据转钢铸件需要加冷铁的下部位为环形结构,故将冷铁设计为随形冷铁,环绕在铸件外围,已达到使铸件从下往上实现顺序凝固。
具体冷铁形状如图3-7所示。
3-6浇注系统的设计
浇注系统是铸型中液态金属进入型腔的通道之总称,它由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道和内浇道等部分组成。
浇注系统设计的正确与否对铸件品质影响很大,铸件废品中约有30%是因浇注系统不当引起的。
根据该转钢薄壁高大的特点,浇注系统应选为阶梯式浇注系统。
但综合考虑铸件的形状特点,最终选择为顶注式浇注系统,理由如下:
1)冒口设计为顶冒口,可以将浇注系统和冒口设计在一起,减轻去除浇冒口系统的工作量和难度,另一方面也可以提高铸件表面质量。
2)如果运用阶梯式浇注系统,内浇道将与铸件底部连接形成热结,一方面增加了补缩的难度,另一方面不容易实现铸件从下往上的顺序凝固。
3)阶梯式浇注系统比较复杂,增加了浇注系统中液态金属量,降低了工艺出品率,并且增加铸件表面处理难度和工作量。
4)根据铸件形状,可以用顶注式浇注系统代替浇注系统。
因为浇注系统和冒口相连,液态金属首先进入冒口,经冒口颈进入铸件上部较大热接处,再由加强筋处流入逐渐下部,这样就很好的起到了缓流的作用。
浇注系统的设计:
铁液消耗总重量:
G=铸件毛重+浇冒口重量=11270+3635=14905kg.
浇注时间计算:
t=S1
=1.15×=96S
经修正,取t=92s。
式中t——浇注时间,s;
S1——系数;
δ——铸件最小壁厚,mm;
G——铁液消耗总重量,kg。
型内金属液面上升的速度V型=
式中C——铸件的高度;
——浇注时间;
所以V型=19.5,符合实际要求。
平均压力头的计算:
Hp=H0-P2/(2C)=600-1502/2*1650
=593mm
式中Hp——平均压力头,mm;
H0——浇口杯水平面至内浇道距离,mm;
P——内浇道至铸件最高点距离,mm;
C——铸件在铸型内总高度,mm。
由奥赞公式可得:
S阻=
式中m——流经阻流截面积金属的总质量;
——浇入液态金属的密度;
g——重力加速度;
——充满型腔的时间;
——充满全部型腔时,浇注系统阻流截面积的流量系数;
Hp——充满型腔时的平均计算压头。
带入数据可得:
S阻=105cm2;
r阻=57.8mm;
选r阻=58mm
现在的浇注系统都可以用耐火材料烧制的管拼接而成,预先埋入砂型中,所以可以将浇道的形状直接设计成圆形,以便于浇注系统的的制作。
该铸件由于设计为顶注式浇注系统,于是将横浇道、直浇道、内叫道均设计为圆形。
具体浇注系统的形状及装配如3-8所示。
3.7初始铸造工艺
综上,初始的铸造工艺为:
选择铸件垂直向下的浇注位置;采用四箱手工造型方法;运用模数法的工艺理论设计冒口,冒口设计为易割腰型冒口;为更好实现铸件顺序凝固,铸件部分区域添加随形冷铁;应用奥赞公式将浇注系统设计为顶注式浇注系统。
下一步运用模拟软件对该铸件进行数值模拟,查看缺陷,分析原因,改进工艺,最终达到铸件无缺陷、提高工艺收得率的目的。
第4章铸造工艺的数值模拟优化
4.1SOLIDCast简介和运用
SOLIDCast是一套全方位的铸造用仿真软件,它可以适用在一般的砂模铸造、精密铸造、低压铸造等。
它的最大优点就是操作简单,模拟速度快。
SOLIDCast的操作步骤:
1)将要数值模拟的铸件工艺图用UG6.0转化为STL格式文件。
2)进入软件页面,首先设计参数设计。
在此需要设计文件的来源路径和模拟结果的储存路径。
3)新建方案,选择铸件的材料、浇注时间、冷却时间等。
4)分别导入铸件、冒口等的STL文件,在浇注系统顶部建立进水孔,进水口
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