基于 CAD、HZCAE 分析的鉤型連桿消失模鑄造模

本論文在其他論文欄目，由論文格式網整理,轉載請注明來源www.donglienglish.cn,更多論文,請點論文格式范文查看設計（論文）專用紙 Title： Based on the analysis of CAD, HZCAE hook type connecting rod epc mold design research School: Kunming University of Science and Technology Major: Class： Name: Mechanical Engineering and 1 Grade 2007 Li Jun Automation Class Advisor： Department: Kunming University of Science and Technology School of Materials engineering Name： Post： Ding Hengmin Associate professor 第 II 頁、設計（論文）專用紙目錄摘要 ............................................................................................................... VII Abstract ........................................................................................................ VIII 前言 ................................................................................................................... 1 第一章緒論 ................................................................................................... 2 1.1 選題背景及意義 .......................................................................... 2 1.2 鑄造過程計算機模擬仿真的發展簡介...................................... 3 1.2.1 鑄造過程數值模擬的意義 ....................................................... 3 1.2.2 鑄件充型過程數值模擬研究現狀........................................... 4 1.3 華鑄 CAE/InteCAST 系統 .......................................................... 4 1.4 Pro/Engineer4.0 三維建模軟件................................................... 5 1.5 研究內容 ...................................................................................... 6 1.6 研究方法 ...................................................................................... 7 第二章鑄造工藝方案設計 ........................................................................... 8 2.1 鑄造工藝設計的介紹 .................................................................. 8 2.1.1 鑄造工藝設計的概念 ............................................................... 8 2.1.2 設計依據 ................................................................................... 8 2.1.3 鑄造工藝設計的內容 ............................................................... 8 2.1.4 鑄造工藝設計的一般步驟 ....................................................... 9 第 III 頁、設計（論文）專用紙 2.2 消失模鑄造工藝的介紹 ............................................................ 10 2.2.1 原理 ......................................................................................... 10 2.2.2 優點 ......................................................................................... 10 2.3 模型材料—泡沫聚苯乙烯塑料................................................ 11 2.4 模型的制造 ................................................................................ 12 2.4.1 發泡成型 ................................................................................. 13 2.4.2 加工成型 ................................................................................. 13 2.4.3 手工加工 ................................................................................. 15 2.5 模型的結構與裝配 .................................................................... 15 2.5.1 各種粘結劑性能介紹 ............................................................. 15 2.5.2 粘合方法 ................................................................................. 16 2.5.3 塑木結構 ................................................................................. 16 2.5.4 空心結構 ................................................................................. 17 2.6 鑄件澆注位置的選擇 ................................................................ 17 2.7 鑄造工藝參數 ............................................................................ 18 2.7.1 鑄件尺寸公差 ......................................................................... 18 2.7.2 鑄件重量公差 ......................................................................... 19 2.7.3 鑄造收縮率 ............................................................................. 19 2.7.4 機械加工余量 ......................................................................... 20 第 IV 頁、設計（論文）專用紙 2.7.5 最小鑄出孔及槽 ..................................................................... 20 2.7.6 其它鑄造工藝參數 ................................................................. 20 2.8 澆冒口系統設計 ........................................................................ 22 2.8.1 澆注系統 ................................................................................. 22 2.8.2 冒口及冷鐵 ............................................................................. 24 2.9 設計中的相關數據計算 ............................................................ 25 2.10 小結 .......................................................................................... 27 第三章 Pro/Engineer4.0 三維建模.............................................................. 27 3.1 引言 ............................................................................................ 27 3.2 Pro/Engineer 軟件的特點和優勢.............................................. 29 3.3 Pro/Engineer4.0 對計算機系統的要求 .................................... 31 3.4 Pro/Engineer4.0 模具設計的基本方法和步驟 ........................ 31 3.5 Pro/Engineer4.0 的用戶界面..................................................... 33 3.6 設計中零件鉤型桿的三維造型................................................ 35 3.7 小結 ............................................................................................ 35 第四章華鑄 CAE 數值模擬仿真 ............................................................... 37 4.1 引言 ............................................................................................ 37 4.2 CAD/CAE 的總體結構 ............................................................. 38 4.3 鑄件的特點及工藝方案簡介.................................................... 39 第V頁、設計（論文）專用紙 4.4 鉤型連桿的充型過程數值模擬................................................ 41 4.4.1 充型過程數值模擬的作用 ..................................................... 41 4.4.2 充型過程數值模擬的步驟 ..................................................... 41 4.5 鑄件工藝分析及工藝方案的改進............................................ 50 4.5.1 鑄件工藝分析 ......................................................................... 50 4.5.2 工藝改進后的數值模擬及結果............................................. 50 4.6 小結 ............................................................................................ 51 結論 ............................................................................................................... 52 總結與體會 ..................................................................................................... 53 謝辭 ............................................................................................................. 54 參考文獻 ......................................................................................................... 55 附錄 ............................................................................................................. 56 第 VI 頁、設計（論文）專用紙摘要本文介紹了 Pro/Engineer 4.0 的三維建模方法和華鑄 CAE 計算機數值模擬仿真的理論，并結合實例給出利用 Pro/Engineer 4.0 建模的過程和利用華鑄 CAE 對充型過程進行數值模擬的程序做了講解。鑄造過程計算機模擬仿真是鑄造學科的前沿領域。鑄造過程的數值模擬可以幫助工程技術人員預測鑄件缺陷，鑄件材質的好壞直接影響產品的使用性能。而對其材質檢測只能是破壞性檢測，因此必須提高鑄件生產工藝的可靠性，為此，在產品開發初期有必要對其生產工藝進行模擬仿真和缺陷預測，從而優化工藝設計方案，確保鑄件質量。本文針對中國機械協會鑄造工藝設計大賽所給零件鉤型連桿進行了充型凝固過程的數值模擬，利用數值分析技術、數據庫技術和可視化技術，根據傳熱理論、流體力學以及金屬凝固理論等對鑄造過程進行計算機模擬仿真，預測的鑄件縮孔、縮松缺陷發生部位和實際情況相吻合，為工藝方案的優化提供了科學依據。關鍵詞：關鍵詞：鑄造；Pro/Engineer 4.0; 華鑄 CAE；鉤型連桿；數值模擬仿真；鉤型連桿；第 VII 頁、設計（論文）專用紙 Abstract In this paper, Pro/Engineer 4.0 of the three-dimensional modelling and casting CAE, computer numerical simulation theory. And gives examples of the use of Pro/Engineer 4.0 modeling the process of casting and the use of CAE, the filling process to simulate the procedures done on. Casting process simulation computer subjects is casting the forefront of the field. Casting process numerical simulation can help engineering and technical personnel forecast casting defect, casting material will have a direct impact on product performance. And its destructive material testing can only be detected, it must improve the reliability of casting production process, to that end, early in the product development process is necessary to conduct simulation and defect forecast to optimize the design of the programme to ensure that the casting Quality. This paper aiming at the China machinery association casting process design contest has given parts on the hook type connecting rod during the filling solidification simulation, using numerical analysis, database technology and visualization technology, according to heat transfer theory, fluid dynamics and the solidification of metals such as The casting process computer simulation, predicted the casting Shrinkage, shrinkage defects location and circumstances in line for the optimization of the programme to provide a scientific basis. Key words: casting, Pro/Engineer 4.0; HZCAE; Hook type connecting rod; Numerical simulation 第 VIII 頁、設計（論文）專用紙前言隨著改革開放和經濟建設的發展，以及競爭激烈的國際市場的需求，就要對鑄件生產實現科學化控制，確保鑄件質量，縮短試制周期，降低鑄件成本，增強競爭能力，提高經濟效益。例如本科題鑄件復雜系數高，試制周期長，生產難度大，所花費的人力、物力較大，而且容易產生氣孔、夾渣、冷隔、縮孔、縮松、應力變形、裂紋等鑄造缺陷，在機加工過程中也容易因鑄件內部缺陷而報廢，造成極大的經濟損失，鑄件質量不易保證。僅僅依靠當前采用的傳統的、依賴經驗判斷式的工藝設計方法和試生產手段是遠遠滿足不了企業發展需求的。只有鑄造 CAE 技術的發展應用才是改造傳統鑄造產業的必由之路。選定此課題的意義就在于全面提升鑄造工藝水平、縮短產品開發周期、提高工藝出品率、提高鑄件質量、降低生產費用、提升企業競爭力。鑄件形成過程的數值模擬是近三十年來迅速發展起來的現代鑄造工藝研究方法。這種方法通過對鑄件進行計算機試澆及工藝分析，能快速、深入地揭示出決定鑄件質量的內在規律，可在工藝實施前優化或驗證所采用的鑄造工藝參數，這對于指導工藝設計和消化、發展國外先進工藝并達到技術領先具有重要意義。近年來，隨著市場竟爭的日趨激烈，對產品從設計到正式投產的開發周期的要求越來越短， CAD/CAE/CAM 技術、并行技術、快速成型技術等高新技術在鑄造生產中不斷地被采用和集成。鑄件形成過程的數值模擬作為上述技術實施過程中的重要環節，能夠在鑄件設計周期并行完成工藝方案的優化，從而縮短新產品的工藝設計和試制周期，顯著縮短新產品開發周期。就上述原因，本次設計選擇了鑄造工藝過程模擬研究作為設計課題。由于本人水平有限，疏漏與錯誤之處在所難免，敬請各位讀者不吝賜教。第1頁、設計（論文）專用紙第一章 1.1 選題背景及意義目前，隨著產品需求的多樣性、多變性、技術更新周期不斷縮短等特點，多數效益好的廠家鑄造工藝工裝設計都實現了計算機化。鑄造 CAE 技術是利用計算機技術來改造和提升傳統鑄造技術，對降低產品成本、提高鑄造企業競爭力有著不可替代的作用，它的應用和推廣必將為鑄造行業帶來很大的經濟和社會效益。國內外許多通用的商品軟件都能夠有效地預測鑄件縮孔類缺陷，其準確性基本上達到了定量的程度。充型過程的數值模擬其理論和算法也趨于完善，對充型過程類缺陷如澆不足、冷隔、卷氣、夾渣等也能夠進行有效地定性預報。應力場以及組織模擬也取得了一些可喜的進展。僅僅依靠當前采用的傳統的、依賴經驗判斷式的工藝設計方法和試生產手段是遠遠滿足不了企業發展需求的。只有鑄造 CAE 技術的發展應用才是改造該公司傳統鑄造產業的必由之路。選定此課題的意義就在于全面提升該公司的鑄造工藝水平、縮短產品開發周期、提高工藝出品率、提高鑄件質量、降低生產費用、提升企業競爭力，在創造經濟效益的同時，進一步優化企業形象。鑄件形成過程的數值模擬是近三十年來迅速發展起來的現代鑄造工藝研究方法。這種方法通過對鑄件進行計算機試澆及工藝分析，能快速、深入地揭示出決定鑄件質量的內在規律，可在工藝實施前優化或驗證所采用的鑄造工藝參數，這對于指導工藝設計和消化、發展國外先進工藝并達到技術領先具有重要意義。近年來，隨著市場競爭的日趨激烈，對產品從設計到正式投產的開發周期的要求越來越短， CAD/CAE/CAM 技術、并行技術、快速成型技術等高新技術在鑄造生產中不斷地被采用和集成。鑄件形成過程的數值模擬作為上述技術實施過程中的重要環節，能夠在鑄件設計周期并行完成工藝方案的優化，從而縮短新產品的工藝設計和試制周期，顯著縮短新產品開發周期。緒論第2頁、設計（論文）專用紙鑄造過程計算機模擬仿真的發展簡介 1.2 鑄造過程計算機模擬仿真的發展簡介 1.2.1 1.2.1 鑄造過程數值模擬的意義鑄件形成過程的數值模擬是近三十年來迅速發展起來的現代鑄造工藝研究方法。這種方法通過對鑄件進行計算機試澆及工藝分析，能快速、深入地揭示出決定鑄件質量的內在規律，可在工藝實施前優化或驗證所采用的鑄造工藝參數，這對于指導工藝設計和消化、發展國外先進工藝并達到技術領先具有重要意義。近年來，隨著市場竟爭的日趨激烈，對產品從設計到正式投產的開發周期的要求越來越短， CAD/CAE/CAM 技術、并行技術、快速成型技術等高新技術在鑄造生產中不斷地被采用和集成。鑄件形成過程的數值模擬作為上述技術實施過程中的重要環節，能夠在鑄件設計周期并行完成工藝方案的優化，從而縮短新產品的工藝設計和試制周期，顯著縮短新產品開發周期。近年來，以鑄件形成過程的數值模擬為核心的鑄造 CAE 技術發展迅速，它是以鑄件形成理論、凝固理論、傳熱學、流體力學、數理方程、工程力學等學科為基礎，以數值計算技術、計算機技術為手段的現代鑄造工藝研究方法，是目前國際上公認的采用高新技術改造傳統鑄造產業的必由之路，該技術被認為是今后十年提高鑄造業競爭力的關鍵技術。它利用 “電腦試澆”的方法對鑄件形成過程進行仿真模擬，模擬鑄件的充型凝固、傳熱、應力場、微觀組織分析、縮孔及縮松的形成、熱裂等過程，可以幫助工程技術人員進行鑄造工藝優化設計，在實際生產之前對鑄件可能出現的各種缺陷及其大小、部位和發生的時間予以有效地預測，在澆注前采取相應的對策以確保鑄件質量。這將大大縮短工藝設計試制周期、降低生產成本、提高產品質量、提高生產效率和經濟效益，對于鑄造生產具有重要意義。目前國內外鑄造 CAE 技術已經發展到全面分析、優化工藝設計階段 (包括計算模擬、幾何模擬及數據庫，并有機結合起來，模擬結果以清晰、逼真的可視化動態圖象顯示仿真效果)，世界各國對此都投入了大量人力、物力，該項技術己進入工第3頁、設計（論文）專用紙程實用化時期，因而鑄造生產正由憑經驗走向科學指導。 1.2 鑄件充型過程充型過程數 1.2.2 鑄件充型過程數值模擬研究現狀充型過程對鑄件的最終質量起著重要作用，許多鑄造缺陷，如卷氣、夾渣、縮孔、縮松、冷隔等都于充型過程有關。充型過程數值模擬的目的有兩方面:一是預測充型不合理而引起的鑄造缺陷，以優化澆注系統；二是為隨后進行的凝固過程數值模擬提供較準確的溫度場，進一步提高凝固模擬的精度。隨著計算流體力學和計算機技術的進步，20 世紀 80 年代開始了充型過程數值模擬的研究。1983 年，W.S.Huang 在美國匹茲堡大學和 R.A.Stoehr 教授首先將計算流體力學的研究成果用于解決鑄造充型問題，模擬了平板鑄件的充型過程。1984 年，美國學者 P.V.Desai 首先將充型過程的流動與傳熱結合起來，研究了強制對流情況下內澆道中的溫度分布。隨后，世界各國紛紛開展了這方面的研究，經過短短十幾年時間，充型過程數值模擬不僅實現了二維到三維的進展，而且在數學模型的選擇、數值計算方法的改進及實際應用中都取得了很大進展，并出現了許多商品化軟件，這些軟件的功能也向低壓鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造、消失模鑄造等特種鑄造工藝擴展。國內在鑄件充型過程數值模擬的研究基本上可以跟蹤世界先進水平，但在軟件開發和生產應用方面與發達國家相比還有較大差距，在某些方面，例如有限元計算三維充型凝固過程及物性參數、收縮缺陷判據、傳熱邊界條件等方面，還缺乏相關的研究。 1.3 華鑄 CAE/InteCAST 系統華鑄 CAE 是一款對鑄件充型過程進行計算機數值模擬仿真的軟件。其包括前置處理模塊、計算分析模塊以及后置處理模塊。前置處理模塊包括對鑄件、砂芯、鑄型等的三維造型和網格剖分;計算分析模塊是對鑄件/鑄型的各物理場進行求解;后第4頁、設計（論文）專用紙置處理模塊是把計算結果以曲線、圖形、圖像以及動畫等表達方式直觀有效地表達出來。最后根據模擬分析的結果判斷工藝的優劣,如果工藝不可行,則改進工藝重新進行模擬分析直至獲得一個比較滿意的結果,這樣就實現了在計算機虛擬環境下優化工藝的目的。圖 1—1 是華鑄 CAE/InteCAST 的基本模塊和功能。前處理三維造型，網格剖分計算分析充型過程分析，耦合分析，凝固過程分析，鑄件凝固與縮孔形成過程分析后處理圖形，曲線，數值鼠標幀動畫，實時動畫數據庫輔料庫合金庫（碳鋼，低合金鋼，高合金鋼）五大專用模塊 STL 處理，切片顯示， MAT 旋轉，溫度曲線，缺陷判斷圖 1—1 華鑄 CAE/InteCAST 的基本模塊和功能華鑄 CAE 軟件系統采用了有限差分法,其流動場數值分析是基于 SOLA-VOF 方法, 該 CAE 軟件系統是用體積函數來跟蹤自由邊表面的位置,另外該系統采用慣性原理和連續性原理相結合的方法比較合理地處理了自由表面的速度邊界條件。 Pro/Engineer ngineer4.0 1.4 Pro/Engineer4.0 三維建模軟件 Pro/Engineer是美國參數技術公司（Parametric Technology Corporation，簡稱PTC）的重要產品，是一款集CAD/CAM/CAE功能一體化的綜合性三維軟件，在目前的三維造型軟件領域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM領域的新標第5頁、設計（論文）專用紙準而得到業界的認可和推廣，是現今最成功的CAD/CAM軟件之一。 Pro/Engineer是3D產品設計的行業標準，作為業界領先的生產效率工具，它促進用戶采用最佳設計做法，同時確保遵守業界和公司的標準。集成的參數化3D CAD/CAM/CAE解決方案可讓您的設計速度比以前都要快，同時最大限度地增強創新力度并提高質量，最終創造出不同凡響的產品。經過10余年的發展，Pro/Engineer已經成為三維建模軟件的領頭羊。PTC的系列軟件包括了在工業設計和機械設計等方面的多項功能，還包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產品數據管理等等。Pro/Engineer還提供了全面、集成緊密的產品開發環境，是一套由設計至生產的機械自動化軟件，是新一代的產品造型系統，是一個參數化、基于特征的實體造型系統，并且具有單一數據庫功能的綜合性MCAD軟件。基于Pro/Engineer具有以上強大的功能，我在本次設計當中選擇了Pro/Engineer 4.0 作為三維建模工具。 1.5 1.5 研究內容在三維建模的過程當中，本論文研究解決以下問題： 1) 研究 Pro/Engineer4.0 的建模方法； 2) 根據鑄造工藝手冊，確定模型鑄件的各項工藝參數，其中包括消失模的原理，模型材料的制備，模型的制造，設計等等； 3) 確定方案，畫出鑄件模型（其中包括澆注系統的位置選定，冒口的安放位置）。在鑄造 CAE 技術的應用過程中，本論文研究解決以下問題： 1）研究華鑄CAE的使用方法； 2）確定計算機仿真模擬計算的各項技術指標，把鑄件模型導入華鑄CAE系統進行計算模擬仿真； 3）通過對鑄件充型過程、凝固過程的數值模擬、仿真和缺陷預測，優化工藝設計方案。第6頁、設計（論文）專用紙 1.6 1.6 研究方法 1）根據鑄造工藝要求(包括加工余量、工藝補正量、反變形量、收縮率、圓角、澆冒系統等工藝參數)進行三維鑄件造型、澆冒口造型、生成鑄造工藝數值模擬分析的實體造型； 2）把三維鑄件造型利用STL文件格式導入華鑄CAE系統進行數值模擬仿真計算； 3）根據仿真計算結果，分析形成缺陷的原因，進一步改進工藝方案，優化設計方案。其主要流程如圖1—2所示：圖1—2 華鑄CAE流程圖第7頁、設計（論文）專用紙第二章鑄造工藝方案設計鑄造工藝方案設計 2.1 鑄造工藝設計的介紹 2.1.1 鑄造工藝設計的概念鑄件的生產過程，從零件圖開始，一直到鑄件成品檢驗合格入庫為止，要經過很多道工序。涉及到合金熔煉，造型、制芯材料的配置，工藝裝配的準備，鑄型的制造、合箱、澆注、落沙、和清理等許多方面。人們把一個鑄件的生產過程稱為鑄造生產工藝工程。工藝設計就是根據零件的結構特點、技術要求、生產批量和本身的生產條件等，確定零件較合理而經濟的成型工藝方案，繪制鑄造工藝圖以及編制有關的技術文件。其中，最主要的工作是確定鑄造工藝方案和和繪制鑄造工藝圖。這些技術文件必須結合工廠的具體條件，是在總結先進經驗的基礎上，以圖形、文字和表格的形式對鑄件的生產工藝過程加以科學的規定。它是生產的直接指導性文件，也是技術準備和生產管理、制定進度計劃的依據。 2.1.2 設計依據設計人員在動手設計前，必須做周密的調查研究，掌握工廠和車間的生產條件，了解生產任務和要求等詳細情況。這些都是設計的原始條件，也是設計的依據。此外，設計人員應對國內外鑄造工藝的先進科學技術有比較透明的了解，方能帶到更高設計水平。 2.1.3 鑄造工藝設計的內容（1）鑄件結構的工藝性第8頁、設計（論文）專用紙 a 鑄造工藝對鑄件結構的要求； b 鑄造合金對鑄件結構的要求； c 鑄造方法對鑄件結構的要求；（2）鑄造工藝方案的確定 a 件澆注位置的選擇； b 模型的制造 c 模型的結構與裝配（3）鑄造工藝參數的確定 a 鑄件尺寸公差； b 造收縮率； c 機械加工余量； d 小鑄出孔及槽；（4）澆冒口系統設計 a 注系統類型的選擇； b 注系統各澆道（澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道）的尺寸設計； c 冒口及冷鐵的選擇；設計的一般步驟 2.1.4 鑄造工藝設計的一般步驟 .1.4 鑄造工藝設計（1）對零件圖紙進行審查和進行鑄造工藝性分析。（2）選擇鑄造方法。（3）確定鑄造工藝方案。（4）繪制鑄造工藝圖。（5）繪制鑄件圖。在這階段中，對鑄造工藝方案、各種工藝參數以及澆冒系統設計等，用木模、木芯盒進行反復調試和修改，直到符合要求為止。在此基礎上繪出正式鑄造工藝圖和鑄件圖，鑄件圖經設計、機加工和鑄工等部門共同會簽之后方為有效。第9頁、設計（論文）專用紙消失模鑄造工藝的介紹 2.2 消失模鑄造工藝的介紹 2.2 2.2.1 原理消失模鑄造，又稱實型鑄造，是用聚苯乙烯泡沫塑料模代替金屬模和木模等來進行造型、澆注的（無空腔）鑄造方法。在這種鑄造法中，模型及澆冒口用聚苯乙烯泡沫塑料制成。模型是整體的或部分的（即塑-木結構）。如圖 1 所示，將模型放在砂箱內用型砂充填舂實后，模型不取出，當金屬液注入鑄型時，模型氣化而失去，金屬液取代原來的泡沫塑料模型的位置，凝固而成鑄件。這種方法又可稱為“氣化模鑄造法”或“全模鑄造法” 。消失模鑄造與一般鑄造法最大的不同點是鑄造中沒有型腔，沒有分型面，可以不用型芯，省略了拔模、修型、烘型和合箱等工序。 2.2 2.2.2 優點消失模鑄造與一般鑄造法比較有下列獨特的優點：節約木材。該法的應用可以節約大量的木材，這對落實偉大領袖毛主席關于“備戰、備荒、為人民”的偉大戰略方針有積極意義。減輕勞動強度。由于實型法制模材料—聚苯乙烯泡沫塑料比重很輕（約為 0.015—0.03 克/ 3 厘米），使制模操作輕巧靈活，而且造型時不需拔模、修型、合箱、烘型等工序，這都大大減輕了造型工的勞動強度。簡化工序，縮短鑄造周期。由于消失模鑄造模型是整體的，基本上不用型芯，省略了型芯和芯骨的制備工序，又是采用了冷固性型砂，不需要烘型、烘芯以及一些鑄型的準備工作，操作中又省略了拔模、修型、配箱等工序，因此大大地縮短了鑄造周期，提高了勞動生產率。提高鑄件的尺寸精度和質量。鑒于實型法的特點是在鑄型中沒有型腔、沒有分型面和不需要拔模斜度，因而鑄出的零件沒有披縫和錯箱，尺寸更接近于零件的最終尺寸，這樣便提高了鑄件的精度，甚至在某種程度上可以和精密鑄造媲美。例如，1967 年某廠生產一批中猛鋼履帶板，數量 300 余件，毛坯接觸面尺寸精度要求高，用一般鑄造法不能達到要求，我們就采用消失模鑄造，模型發泡成型，結果生產出符合圖紙技術要求的鑄件，其模型見后面圖 4。再有，鑄件在澆注過程中，由于泡沫塑料在高溫金屬液作用下氣化而產生一般反壓力，消除了金屬液的飛濺現象同時使鑄件凝固時受到一定的壓力，借以得到致密的金相組織。零件的設計制造自由度大。由于模型無須從鑄型中取出，沒有起模、修模等工序，因而零件設計不受鑄造工藝限制，能制造一般鑄造法無法制造或制造困難的任何形狀鑄件。便于簡化造型操作過程。局部使用泡沫塑料模型的鑄造方法，即塑料與木模、塑料與金屬模結合的方法，可達到簡化造型操作過程，實現最佳工藝方案的目的。例如：活絡快、法 1. 2. 3. 4. 5. 6. 第 10 頁、設計（論文）專用紙蘭、托架凸起部、圓角出氣口、澆口和冒口等，均可用泡沫塑料制造，造型時附裝在木模或金屬模型上，起模后泡沫塑料模部分留在砂型內，這樣便不用擔心它們是否拔得出來，還可減少砂泥芯和工藝設施，簡化工藝方法。同時，這種方法亦可用于工藝效果顯著的球形冒口牛角式澆注等系統。 7. 減少車間設備的投資費用。由于模型的材料質地很輕，造型時又不必翻箱，制造特大重型鑄件可減少起重等設備。 8. 便于實現鑄造機械化和自動化。消失模鑄造法若與流態自硬砂結合使用，可進一步省去舂砂等繁重體力勞動，有利于實現鑄造生產機械化和自動化。 2.3 模型材料— 2.3 模型材料—泡沫聚苯乙烯塑料在消失模鑄造中，常用熱塑料性聚苯乙烯泡沫塑料作模型材料。聚苯乙烯是一種碳氫化合物，按重量來說含 92%的碳，8%的氫。聚苯乙烯由單體的苯乙烯聚合而成，其分子量在 200000 —800000 之間。目前國內生產的泡沫塑料用粘度法測定的分子量一般在 60000 左右，比國外的泡沫塑料分子量低很多。這主要是因為現在用的這種泡沫塑料不是為用于鑄造而生產的，而是用在包裝、建筑材料、冷凍絕熱等方面。因此迅速生產出適合鑄造用的泡沫塑料是擺在化工、塑料工作者面前的一項迫切任務。對于消失模鑄造來講，需要模型全部氣化消失而被金屬所代替，如果用密實聚苯乙烯塑料，則在氣化時產生的氣體量太多，來不及從鑄型中全部逸出，而且，密實的聚苯乙烯不能充分氣化，。如在 1000 C 下完全燃燒，則 1 克分子（約 104 克）的聚苯乙烯所生成的氣體超過 1000 升。因此，用泡沫聚苯乙烯塑料是較理想的。它內部結構式蜂窩狀的，有許多封閉的空泡，其凈體積僅為致密固態聚苯乙烯的 2%左右，我們用的材料主要是在上海塑料七廠的可發性聚苯乙烯泡沫塑料。最初試驗時曾少量用過上海塑料研究所的泡沫塑料。關于聚苯乙烯泡沫塑料的制備，其生產工藝流程如下： 1. 苯乙烯的制造。工業上，在無水三氯化鋁存在下，乙烯與苯發生烴化反應而合成乙苯，乙苯經催化脫氫而得苯乙烯。 2. 苯乙烯的制得。聚苯乙烯由苯乙烯聚合而得。生產上一般采用 99.5%以上的苯乙烯單體，在密閉的帶有攪拌的不銹鋼反應釜中，加 2—3 倍于苯乙烯單體的軟水，另將適量的 HPO 引發劑（過氧化苯甲酰溶解在苯乙烯內）和分散。劑 PVA（聚乙烯醇）等一起加入釜中，加熱至 80—90 C 反應 8—10 小時，在聚苯乙烯珠粒。形成并硬化后，繼續升溫至 100 C 以上熟化 3 小時左右，即可得到直徑為 0.5—3 毫米的稍透明的聚苯乙烯珠粒，作為泡沫聚苯乙烯的原料。 3. 泡沫聚苯乙烯的制得。一般有加溫加壓法和低溫浸漬法兩種方法，后者由于不適宜實際生產，故很少應用。加溫加壓法的基本原理是：使用低沸點發泡劑，在稍加熱的條件下，依靠其本身對聚苯乙烯的溶脹和壓力作用，滲入高聚物分子鏈之間而溶解在聚苯乙烯珠粒內。當進行預發泡加。熱（80—110 C）時，聚苯乙烯達到軟化狀態，而發泡劑達到氣態化，產生膨脹力，形成微孔泡沫。第 11 頁、設計（論文）專用紙生產上用加溫加壓法的一把步驟如下（以 10—20 目可發性聚苯乙烯珠粒為例）：。（1）浸發泡劑：我們所用的發泡劑是低沸點的戊烷—石油醚，一般在 40 C 以下均可使用。另外辛烷、偶氮化合物及無機發泡劑也可采用，但效果及價格上均不及石油醚，故不大采用。其配方（重量百分比）為：聚苯乙烯珠粒 100 水 160—200 戊烷 6—10 肥皂粉 3—5 充氮 0.5 公斤/厘米 2（壓力）。。聚苯乙烯珠粒在 100—120 C 反應釜內連續攪拌 0—5 小時，然后冷卻至 35—38 C 左右出料，經洗滌、冷凍、吹干等工序即可得到可發性聚苯乙烯。（2）加熱預發泡：一般生產是采用蒸氣預發泡。據上塑七廠的經驗，一般將預發溫度控。，時間約 10—25 分鐘（視制在 80—105 C（視可發性聚苯乙烯珠粒存放時間而定）發泡劑含量、分子量及制品的比重而定）。為了使聚苯乙烯泡沫珠球具有彈性以及獲得致密的泡沫塑料，一般預發好的聚苯乙烯顆粒需經一定時間的熟化過程。 4. 成型。將已熟化好的預發聚苯乙烯珠球加入一定形狀的模型內，注入蒸氣或熱空氣，加熱 5 —20 分鐘，使泡沫顆粒進一步膨脹，在型內壓力作用下填滿了顆粒與顆粒之間空隙，并使聚苯乙烯熔融而粘結在一起，獲得表面光潔良好的泡沫塑料。如圖 2 所示，左面的泡沫塑料減速箱蓋模型是用右而預發好的聚苯乙烯珠球成型的。以下是泡沫聚苯乙烯塑料（比重為 20 公斤/米 3）的物理（化學）性能指標：，每立方米重約 20 公斤。 [密度] 0.015—0.030 克/厘米 3（約為木材的 5%） [疏松度] 98%（每立方厘米含 5000—10000 孔，壁厚約 1 微米）。 2 [抗壓強度] 1.22—1.81 公斤/厘米。 [抗彎強度] 3.02—3.8 公斤/厘米 2。 [沖擊強度] 0.46—0.49 公斤/厘米 2。。 [熱穩定性] 75 C。 [吸水性]2—3%（8 個月后）。 2 [透氣性] 0.38 克/米小時。（其中抗壓、抗彎、沖擊、熱穩定性數據來自上塑七廠可發性聚苯乙烯泡沫塑料性能表。）泡沫聚苯乙烯具有良好的絕緣性，它溶于酯、酮、苯、氯化烴（如二氯甲烷、四氯化碳、三氯甲烷），稍溶于乙醚和丙酮，不溶于酒精和水，低溫時耐無機酸和堿。 2.4 2.4 模型的制造對于大量生產的成批鑄造，其模型的制造經常是使用發泡裝置進行發泡成型。對于單件或小批生產的模型，均可由不同規格的泡沫塑料板材加工成型；用機械加工（銑削、車削、電熱第 12 頁、設計（論文）專用紙絲切割以及手工加工等）制成模樣的各個部分，然后按零件尺寸的要求，用不損害聚苯乙烯的專門粘結劑將其粘合起來而成所需的模型。 2.4.1 發泡成型大量生產或成批生產的模型往往是采用手工、機械或自動化的發泡裝置。其生產方法是把經過預發泡并熟化好的聚苯乙烯珠球填充到密封的金屬型內（一般是采用以鋁合金為材料的金屬型），注入蒸氣或熱空氣，加熱 5~20 分鐘（依模型壁厚的不可而有所差異，一般模型愈大、愈厚，其時間就較長；反之，就較短）。泡沫珠球在金屬型內膨脹，形成內壓力，使半熔融中的泡沫球株相互粘合在一起，并填滿了顆粒與顆粒之間的空隙，得到表面光潔良好的泡沫塑料。這種泡沫塑料內部呈蜂窩狀的封閉結構。 2.4.2 加工成型加工泡沫塑料的機械設備主要有檔、車床、外圓砂皮磨床、升降式內圓砂皮磨床、無齒銅盆機、平齒繞鋸機、手推平刨車及電熱切割等。圓鋸機、手推平刨車、電熱切割等是屬粗加工成型，而銑削、車削、磨削、無齒銅盆機和平齒繞鋸機切割等均屬精加工。 1. 銑削加工銑削加工是泡沫塑料模型最常用的機械加工方法，主要用來銑平面。國外用 22000 轉/分的高速銑床來加工。我們打破洋框框，改進了刀具，在原有的轉速為 3500 轉/分的木工銑床上進行加工。銑刀的形狀對模型加工質量有很大的影響。因為泡沫塑料內部結構是一顆一顆的蜂窩狀組織，在加工過程中若刀具選擇不當，很容易發生泡沫珠球削落現象，使模型表面質量受損。我們用的是圓形薄片銑刀，用這種刀具來加工泡沫塑料的特點是塑料被一片一片地削下來，而不象用梅花形銑刀那樣是把泡沫塑料刮下來。故用圓形薄片銑刀加工的模型質量好，平而光潔平整，且不會發生珠球剝落、表面粗糙和被刀具所損傷的現象。圖 6 是銑刀結構圖。刀具的材料可用工具鋼或高速鋼。我們在刀具上面開了三條或多條散熱槽，因為泡沫塑料是一種良好的絕熱材料，熱量不易散失，而如果在切削過程中發生的熱量散不出去，就很容易造成泡沫塑料的軟化、熔融，使加工的表面粘結硬化，不利切削。開了三條槽之后，熱量散失容易得多，加工表面的溫度不致達到使模型熔吉塊的地步，模型表面就光潔平整了。每次銑削的深度一般不宜超過 1 毫米。切志量過深會發生模型拾起的現象，不但銑不光潔，而且也銑不平整。銑削時，模型不需要用任何光具夾窄，因為切削力很小，只要用手扶住塑料即可銑削。另外，還有一個問題要注意的，在我們試驗過程中發生銑好后的泡沫塑料平板有彎曲變形的現象，尤其是薄的平板更顯著。發生這種現象的原因可能是：①比重輕，內部顆粒不均勻，強度不一致，顆粒大的松的地方空氣多，強度低，顆粒小的致密的地方強度高，這種內部組織第 13 頁、設計（論文）專用紙的不均勻就容易造成變形；②聚苯乙烯泡沫塑料在發泡成板材后，沒有停放一個足夠的時間，使板材里面的空氣跑完，加工以后才逐步消失，因而發生變形。對于這種現象的處理，我們是將加工完了的平板，四面騰空放平，讓它透空氣，就不會有彎曲現象。另外，我們們希望塑料內部組織要均勻及多停放一些時間，使內部空氣充分排除，可減少這種現象的發生。 2. 車削加工泡沫塑料的車削是加工過程中的一個難關，國外認為可發性聚苯乙烯泡沫塑料要車削加工是不現實的。這主要是因為材質軟，加工的刀具和夾具都有問題。但我們沒有被困難嚇倒，試驗成功了車削加工。試驗的材料同樣是上塑七廠比重為 0.03 克/厘米 3 的可發性泡沫塑料，設備是切削木模的車床，車頭軸的轉速為 150～750 轉/分。泡沫塑料車削的特點也必須是一片一片車削下來，才車得光潔。操作方法是先把泡沫塑料模型用粘結劑粘在木盤上，將夾是夾牢木盤。若較長的模型須二端頂住加工的話，則頂針座不宜頂得過緊，否則模型會拱起變形，使車削發生困難。車刀應是平薄鋒利的，不宜使用切削金屬的車刀，車刀的材料也要用工具鋼和高速鋼。車削時，試樣和車刀應以一個點接觸，切削角約 15 度，后角約 45 度，車速控制在 500-750 轉/分左右。我們認為車速不宜過高，一般在 1000 轉/分以下較適宜，因車速愈高，工件的離心力愈大，發生晃動的現象愈嚴重，且在切削過程中，車下來的塑料片色不在工件上，易將工件刮毛。切削量以 1-2 毫米較好。切刀量過大，有切不進的現象；切刀量太少，反而刀子把工件刮毛。另外，用手握車刀切削不好，一方面切削量不能控制，另一方面切削速度也不能控制，走刀時快時慢，最好有自動進刀裝置。目前，我們正在進一步改進刀具，在能車外圓的基礎上，做到能車內圓、孔、鍵槽等。圖 7 所示，為車削成型 1500 毫米直徑、1500 毫米高的圓柱段件模型。 3. 磨削加工外圓砂皮磨床主要用來磨工件的平面、斜面和外圓孤。升降式內圓砂皮磨床用來磨工件的凹圓形和內圓弧。磨削操作的特點是加工簡單，速度快。用來磨泡沫塑料模型的砂紙應是細號砂紙。操作時，用力不能過大，速度要慢一點，否則會產生嚴重的膠結現象。但經磨削加工后，在模型表面上的一層外殼是不可避免的，這是因為塑料被壓實的緣故。 4. 無齒銅盆鋸鋸割無齒銅盆鋸鋸割能代替一部分平面銑削，節省時間；另外，能用來鋸割端面及切邊等工序。經無齒銅鋸鋸割后的模型也很光潔，不用再銑削。用來切割泡沫塑料的銅盆鋸鋸片必須是無齒的或很薄很鋒利的，這樣才能達到光潔平直的要求。 5. 繞鋸機加工平齒繞鋸凡能用來加工模型（板材）端面，切邊以及外圓弧等。加工塑料用的繞鋸機就是一般的木工繞鋸機，但齒條應是平直或薄門無齒的。這種齒條加工的塑料表面很光潔，但由于切割時齒條嵌在塑料中，齒條和材料摩擦產生的熱量一時不易散去，致使塑料表面有粘結現象，所以繞鋸機的熱量一時不易散去，致使塑料表面有粘結現象，所以繞鋸機的轉速不宜過快，我們一般控制在 1450 轉/分，這樣表面基本無粘結現象，較為光潔。電熱絲切割用于粗加工取料，用直流低壓操作，電壓控制在 5~12 伏之間，電熱絲直徑在 0.5~1.0 毫米。其他如圓鋸機、手推平刨機等都是用來切料和刨平面的，其表面都比較粗糙，所以都是粗加工用的。第 14 頁、設計（論文）專用紙 2.4.3 手工加工從木模行業當前的生產水平來看，手工操作仍占有一定的重要的地位。對于做泡沫塑料模型來說，手工操作更占有重要的地位，一些形狀復雜的模型都全靠手工加工。所以模型做得好壞，主要取決于模型工的操作技術和熟練程度，模型工常用的手工工具是鋒利的刀子、薄鑿、圓鑿等，其他木工工具均可省去不用。現將手工操作中的劃線取料和手工工具作此簡單介紹： 1. 劃線取料劃線取料是模型加工的第一道工序泡沫塑料因內部組織疏松，用圓規直接釘在泡沫塑料上劃線取料是很困難的，主要是圓心會移動而劃不正確，我們用了一片小的 1 毫米厚的有機玻璃，在玻璃片上劃好垂直中心線，劃線取料時將有機玻璃片墊在泡沫塑料塊上，圓規的一只腳釘在有機玻璃的中心線上，這樣圓心就不會再移動了，解決了劃線的困難。圓規的鉛心應用軟鉛心，否則劃線印子太深太粗，也會影響模型尺寸的正確。手坯取料可采用前面敘述的兒種機械設備進行，一般可用繞鋸機和電熱絲切割等。 2. 手工工具加工泡沫塑料的手工工具一般和加工木模的一樣，有模鑿、圓鑿等，但刀刃要求更加鋒利些，加工方法和機械加工的銑削原理一樣，以技削為主，切削量要少，才能得到光滑的模型表面。 2.5 2.5 模型的結構與裝配因為消失模鑄造法具有不從鑄型內取出模型的特點，故模型上的任何筋條、凹槽孔、活絡塊以及類似結構，在制模時都可以不必細加考慮，也不需要任何拔模斜度。只要考慮如何生產起來經濟、合理，保證鑄件質量，同時又能達到良好的表面光潔以及使造型時春砂方便。為了保證模型加工的方便，可將模型分做各種不同幾何開關的元件，然后用快干的粘結劑將元件粘合起來。為了避免澆注時產生過多的氣體以及過多的燃盡后的殘留物，影響鑄造件質量，故粘結劑應晝少用。 2.5.1 各種粘結劑性能介紹聚苯乙稀泡沫塑料溶解丁酯、酮、苯、氯化烴（如二氯甲烷、四氯化碳、三氯甲烷）以及乙醚和丙酮中，不溶于酒精和水。因此適用于粘合聚苯乙稀的粘結劑比較少。能滿足快干（在 1 小野心催即干燥），粘強度好，揮發容易，殘留物少，又損害聚苯乙烯泡沫塑料的粘結劑更感到不足。最理想的粘結劑應該是聚苯乙烯本身做的膠水。據資料介紹，能做聚苯乙烯泡沫塑料粘結劑的有環氧樹脂、酚醛樹脂、聚醋酸乙烯脂、脲-甲醛樹脂聚乙烯醇縮丁醛等。這些樹脂中有的因市場供應不足，有的因價格不貴，都未一一使用。我們曾有的粘結劑有 C、A、O 粘結劑（其主要成分系二氰二胺+甲醛縮合成的樹脂）和上海振華造漆廠生產的聚醋酸乙乳液。 O、第 15 頁、設計（論文）專用紙 A、O 粘結劑的配方是 100%O、A、O 樹脂+6%草酸-100%填料，其中草酸的濃度是 5%，填料是石膏粉和水泥混合料。這種粘結劑干燥快，粘結強度高；其缺點是要隨用隨配，使用不方便，而且要當天用完，不能存放。在這種粘結劑中要加石膏水泥填料來固化，這對澆注帶來不。鑒于聚醋酸乙稀乳液粘結劑貨源廣，使用簡便，以及粘結強度、快干性基本符合使用要求，所以為我們目前普遍應用，但就它的快干性，我們認為還不夠理想。為此，今后還有待繼續符合上述要求的粘結劑。聚醋酸乙烯乳液是由乙炔與醋酸合成醋酸乙稀酯，再經過乳化聚合而得到的一種乳白色均勻的稠厚液體，屬于聚醋酸乙稀樹脂水分散系的一種高分子乳化聚合物。它應滿足下列技術條件： [外觀]乳白色稠厚液體 [干燥剩余物]50±2% [PEI 值]4~6 [顆粒]0.5~5 [粘度]用涂料 4 號粘度計在 25±0.5℃下測定為 50~100 秒。 [穩定性]乳液 100+蒸餾水 15，靜置 1 小時后無分層現象。 2.5.2 粘合方法模型的粘合就是把模型元件按設計圖紙的尺寸粘合起來。粘結劑要求涂得薄而均勻。對于一些壁薄而高大的模型，在粘合時應用角盡板填在后而保證其垂直度， 8 所示泵用支座的膠合，圖其輪廓尺寸為 1060 ×880×795 毫米，比較高大，壁薄僅 60 毫米，而且是空心的，由于泡沫塑料模的強度較差，而且模型的垂直度要求很高，所以我們在膠合時用角尺板填在后面，以保證模型的垂直度。若粘合后的部件需進行車、銑等加工，必須待粘結劑干燥，粘合部分粘牢之后方可加工，否則會影響模型的尺寸精度。 2.5.3 塑木結構為了節約木材，減少型芯和造型方便，對于一些生產數量較多，形狀較復雜的鑄件，諸如多活絡塊、搭子、法蘭、拉筋、齒輪的齒，以及易鉤砂、無法起模或起模后修型困難的部分，均可用泡沫塑料來代替。如圖 9 所示的緩沖器前后座，鑄件的三個圓筒上下有二條筋聯結，原來要做大型芯兩只方能取模，現在下部的筋條用泡沫塑料做成，可省去二只型芯。上部木模在造型完了，澆注前從鑄型中取出，表面可以修飾，下部塑料就留在砂型內。又如圖 10 所示的箱體，鑄體輪廓尺寸 2700×3300×850 毫米，鑄件毛重 12.5 噸。若按原木模工藝，必須打 6 付泥芯殼。改用塑木結構后，可以省去外圈六付泥芯殼，這樣，不僅節約了大量的木材，還節省了不少制模和造型的準備工時，同時還減輕了勞動強度，提高了生產效率。這種結構對于某些大第 16 頁、設計（論文）專用紙型鑄件，關鍵性的的或批量較大以及難以起模需打泥芯或造型困難的鑄件是一種很好的結構形式，同時也是一種具有普遍推廣應用價值的較佳造型工藝。 2.5.4 空心結構對于一些形狀簡單但又很大的厚實鑄件，如悶頭、聯軸節鉆子等，采用空心結構是很好的方法。如圖 11 所示的悶頭，零件尺寸厚大宜采用這種空心結構。一般上、下面用厚度 30 毫米左右的板覆蓋即夠了，四周板層厚度應根據春砂強度而定，圓周用數層厚 40~60 毫米的塑料塊迭起來，強度也足夠了。象這種悶頭及后面圖 18 之類的鑄件，若泡沫塑料模型成實心的話，不僅浪費材料，而且澆注時會產生大量的氣體，對鑄件產生不利的影響。因此對一些形狀簡單的鑄件用空心結構是很好的結構形式。 2.6 鑄件澆注位置的選擇鑄件的澆注位置是指在澆注時鑄件的主要表面在型內所處的狀態和位置。鑄件的澆注位置對鑄件的質量、尺寸精度和造型工藝過程的難易有很大的影響，因而是鑄造工藝設計中的重要內容，通常按下面的基本原則進行選擇。（1）鑄件上質量要求高的部分及重要加工面、加工基準面應盡量朝下或處于側面。因為下部及側面出現缺陷的可能性小，組織較致密。當有多個重要加工面時，應將較大的重要加工面朝下，而對朝上的加工面則采取加大加工余量的辦法，以保證朝上的表面在加工后無氣孔、夾砂、砂眼等缺陷。（2）鑄件的大平面應朝下或傾斜澆注。鑄件的大平面朝上時，最易產生氣孔、夾砂結疤類缺陷，因而應盡量使大平面朝下或傾斜澆注。（3）鑄件的薄壁部分應朝下、側立或傾斜。鑄型的下部有較大的金屬液靜壓頭，有利于薄壁部分的充填，減少冷隔和澆不足缺陷。（4）鑄件的厚大部分應放在頂部或在分型面的側面。收縮大的合金，鑄件厚大處易產生縮孔、縮松缺陷。將這些部分放在頂部或分型面附近，便于安放冒口對其進行補縮。（5）便于砂芯的安放、固定和排氣。許多鑄件都有砂芯，在考慮其澆注位置時，第 17 頁、設計（論文）專用紙盡量不采用吊芯、懸臂砂芯，否則下芯和檢查不方便，固定不穩固，澆注時易偏移。此外，澆注時砂芯所產生的氣體要經芯頭排出，因此，除砂芯的芯頭有適當的尺寸外，還應有適當的位置，通常向上排氣比向下排氣通暢些。本設計中鑄件澆注位置的選擇： 2.7 2.7 鑄造工藝參數 2.7 2.7.1 鑄件尺寸公差鑄件的尺寸公差與鑄件的基本尺寸、生產規模、合金種類和鑄造方法等有關。我國鑄件尺寸公差標準參見 GB6414—86。其數值見下表 1。表 1 鑄件尺寸公差數值（ GB6414 — 86 ）（mm））鑄件基本尺寸大于 — 10 16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 至 10 16 25 40 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 10000 1 — — — — — — — — — — — — — — — — 2 — — — — — — — — — — — — — — — — 3 0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 0.28 0.30 0.34 0.40 — — — — — — — 4 0.26 0.28 0.30 0.32 0.36 0.40 0.44 0.50 0.56 0.64 — — — — — — 5 0.36 0.38 0.42 0.46 0.50 0.56 0.62 0.70 0.78 0.90 1.0 — — — — — 公 6 0.52 0.54 0.58 0.64 0.70 0.78 0.88 1.0 1.1 1.2 1.4 1.6 — — — — 差 7 0.74 0.78 0.82 0.90 1.0 1.1 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.6 — — — 等 8 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.6 2.8 3.2 3.8 4.4 — — 級 9 1.5 1.6 1.7 1.8 2.0 2.2 2.5 2.8 3.2 3.6 4.0 4.6 5.4 6.2 7.0 — 10 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.2 3.6 4.0 4.4 5 6 7 8 9 10 11 CT 11 2.8 3.0 3.2 3.6 4.0 4.4 5.0 5.6 6.2 7 8 9 10 12 14 16 12 4.2 4.4 4.6 5.0 5.6 6 7 8 9 10 11 13 15 17 20 23 13 — — 6 7 8 9 10 11 12 14 16 18 21 24 28 32 14 — — 8 9 10 11 12 14 16 18 20 23 26 30 35 40 15 — — 10 11 12 14 16 18 20 22 25 29 33 38 44 50 16 — — 12 14 16 18 20 22 25 28 32 37 43 49 56 64 第 18 頁、設計（論文）專用紙注：1.CT1 和 CT2 沒有規定公差值，是為將來可能要求更精密的公差保留的。 2.CT13 至 CT16 小于或等于 16mm 的鑄件基本尺寸，其公差需單獨標注，可提高 2—3 級。 3.如無其他規定，厚壁公差可比其他尺寸的公差降低一級選用。基于設計中鑄件的特點，基本尺寸是 132*222，公差等級選擇 CT9。 2.7 2.7.2 鑄件重量公差鑄件重量公差是以占鑄件公稱重量的百分率為單位的鑄件重量變動的允許值，用代號 MT 表示。重量公差等級共分為 16 級，本設計選擇 MT9，公稱重量是>1— 4kg，然后查表《鑄件重量公差數值（GB/T 11351—89）》得重量公差數值為 14%。 2.7 2.7.3 鑄造收縮率鑄件在冷卻時，因收縮而使尺寸減小，因此，在制造模樣時，其尺寸應比鑄件實際尺寸放大一個數值，所以放大數值的百分數稱為鑄造收縮率。以下式表示： K= Lm L j Lj × 100% 式中 K——鑄造收縮率； Lm——模樣尺寸； Lj——鑄件尺寸。依據公式，阻礙收縮率 0.9%，自由收縮率 1.0%。第 19 頁、設計（論文）專用紙 2.7 2.7.4 機械加工余量鑄件待加工面上為進行機械加工而預留的切除厚度稱為機械加工余量。其大小應根據生產規模和方式、加工面的大小、鑄造合金的種類和該鑄造方法所能達到的鑄件尺寸公差等級來選擇。機械加工余量的代號為 MA。機械加工余量等級由精到粗共分為 A、B、C、D、E、F、G、H 和 J 共 9 個等級。基于本設計中的鉤型連桿鑄件，選擇 MA G 等級，加工余量數值查表《與鑄件尺寸公差配套使用的鑄件機械加工余量（B/T11350—89）（mm）》得，本鑄件的機械加工余量為 5mm。 2.7.5 2.7.5 最小鑄出孔及槽鑄件上的孔、槽、臺階等原則上應盡量鑄出，以便節約金屬，減少加工費用，同時可避免鑄件局部過厚，減少縮孔、縮松缺陷。但是，當孔、槽的尺寸太小時，鑄出的難度增大，還不如用機械加工方法合算。表 2 為鑄件最小鑄出孔、槽的尺寸。表中數值為鑄件毛坯直徑，即若為加工孔，應是加上加工余量后的尺寸。對于一些特殊形狀的方孔、彎孔，或不能用機加工方法形成的小孔，原則上必須鑄出表 2 鑄鐵件最小鑄出孔尺寸（mm）生產批量大量生產成批生產單件和小批生產鑄出孔最小直徑 12~15 15~30 30~50 2.7 2.7.6 其它鑄造工藝參數 1．鑄造圓角第 20 頁、設計（論文）專用紙鑄件毛坯在表面的相交處，都有鑄造圓角，如圖所示，這樣既能方便起模，又能防止澆鑄鐵水時將砂型轉角處沖壞，還可以避免鑄件在冷卻時產生裂縫或縮孔。鑄造圓角在圖上一般不標注，常集中注寫在技術要求中。圖示鑄件毛坯的底面（作為安裝底面），需要經過切削加工。這時，鑄造圓角被削平。圖 2—5 鑄造圓角設計中鑄件鉤型連桿的鑄造圓角為 4mm。 2．鑄件壁厚在澆注零件時，為了避免個部分因冷卻速度的不同而產生縮孔或裂縫，鑄件壁厚應均勻變化、逐漸過渡，如圖所示。圖 2—6 鑄件壁厚第 21 頁、設計（論文）專用紙 2.8 2.8 澆冒口系統設計鑄件的澆注系統和冒口往往統稱為澆冒口系統。它直接影響金屬液的充填過程、凝固方式、補縮效果和金屬的消耗等，與鑄件的質量、成本關系重大。據粗略統計，鑄件廢品中約有 30%是由于澆冒口系統設計不當而引起的。因此，在設計工藝當中，澆冒口系統的設計是個重要環節。 2.8 2.8.1 澆注系統澆注系統是引導金屬液進入型腔的一系列通道的總稱。其基本要求是：能使金屬液有足夠的壓頭，平穩地、均勻地在規定時間內充滿型腔；防止沖壞鑄型和砂芯；防止熔渣進入型腔；使鑄件按預期的方式凝固，以便獲得致密的、無表面缺陷的鑄件。典型的幾種澆注系統如圖 10 所示，主要包括澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道等四部分。第 22 頁、設計（論文）專用紙圖 2—8 幾種典型的澆注系統 1）澆口杯第 23 頁、設計（論文）專用紙澆口杯又稱外澆口，其作用是承接來自澆包的金屬液，減輕金屬液對鑄型的沖擊，阻止溶渣、雜物、氣泡等進入等進入直澆道，增加金屬液的充型壓力等。 2）直澆道直澆道是一條垂直通道，將來自澆口杯的金屬液引入橫澆道，通過調整其高度獲得足夠的壓頭以保證金屬液能克服沿程的阻力損失，在規定時間內以適當的速度充滿鑄型型腔。 3）橫澆道橫澆道是連接直澆道和內澆道的中間組元，主要作用是撇渣，故又稱之為撇渣。已進入澆注系統的渣滓最后要靠橫澆道滯留。 4）內澆道內澆道將來自橫澆道的金屬液導入型腔，可控制金屬金屬液進入型腔的速度和方向，調節鑄件各部分的溫度分布和控制鑄件的凝固順序。在某種情況下，也有一定的補縮作用。因此，內澆道的位置、數量、尺寸大小等對鑄件質量有很大影響。 2.8 2.8.2 冒口及冷鐵 1）冒口各種鑄造合金在凝固冷卻時，都有不同程度的體積收縮，如果不能從其他渠道得到補償，則在鑄件最后凝固處很可能形成縮孔、縮松缺陷。這類缺陷減少了鑄件的有效受力面積，使鑄件的強度下降。特別是對那些要承受大載荷或需要進行耐壓（液壓或氣壓）試驗的鑄件，有可能因此而報廢。冒口是作為一種金屬補給器，向鑄件最后凝固部分提供補充金屬液，以便獲得無縮孔、縮松的致密鑄件。冒口的安放原則：第 24 頁、設計（論文）專用紙 1．冒口應放在鑄件最后凝固的厚壁（熱節）的上方或側旁。 2．冒口應盡量放在鑄件的最高、最厚處，以利于補縮。如果不能放在被補縮部位的頂部，則冒口頂部應高于熱節一定高度。 3．冒口不應設在鑄件重要的、受力大的部位，以防止該部位組織大而降低強度。 4．冒口不應設在鑄件應力集中處，盡量減輕對鑄件的收縮阻礙，以免引起裂紋缺陷。 5．盡可能將冒口設在容易清除冒口的部位，或設在不重要的加工面上，以節約精整工時，降低成本。 6．不同高度上的冒口應采用冷鐵將各個冒口的補縮范圍隔開。 2）冷鐵用來增強鑄件局部冷卻速度的激冷物稱為冷鐵。它通常用于需要補縮而又難以設置冒口之處，以便增加該處的冷卻速度，獲得致密鑄件。當冷鐵與冒口配合使用時，可增加冒口的補縮距離或補縮范圍，減少冒口的數目和體積。此外，冷鐵可用于加快鑄件某些熱節或壁厚交叉處的冷卻，防止鑄件變形或裂紋；某些要求高硬度、高耐磨性的部位，可通過應用冷鐵加速該處冷卻的辦法獲得。 2.9 2.9 設計中的相關數據計算鑄件材料為 HT15-33，質量估算為 1.745kg，該鑄件需要成批大量生產，因此需采用機器造型，可使生產率保持在較高狀態，且鑄件質量比較穩定，濕型可用于成批和大量生產的中小件，機械化，自動化的流水線生產中，本鑄件即可采用該種鑄型。根據鑄件壁厚和鑄件結構選取鑄造圓角為 4mm。鑄件采用砂型機器造型，公差等級可選取 8~10 級，擇中選取 9 級；重量公差數值為 14%，重量公差等級為 8~10 級，選取 9 級；加工余量等級為 G，加工余量為 5.0mm；測量面高度在 10~40mm 之間，起模斜度為 1.5°～2.0°，選取起模斜度為 1.5°，鑄造收縮率根據公式：第 25 頁、設計（論文）專用紙該鑄件材料為 HT15-33，是灰鑄鐵的一種，且屬于中小型鑄件，因此阻礙收縮率為 0.8~1.0%，選取 0.9%，自由收縮率為 0.9~1.1%。選取 1.0%。該鑄件采用水平芯頭可減少鑄件缺陷，保證鑄件質量，根據鑄件尺寸查表可知水平型芯頭長度為 45~55mm，芯頭頂面和芯座配合間隙 δ 為 1.5mm，上芯頭斜度為 6°，下芯頭斜度為 1°。機床類灰鑄鐵內澆道總截面積根據鑄件質量可選取 1.5 cm 2 ，根據以下公式可計算橫澆道及直澆道總截面積： F直：F橫 : F內 = 1: 1.2:1.5 式中: F直為直澆道總橫截面積 F橫為橫澆道總橫截面積 F內為內澆道總橫截面積計算可得： F橫 =2.50 cm 2 ， F直 =3.00 cm 2 F內 =3.75 cm 2 澆注過程中采用普通漏斗形交口杯，直澆口下部直徑在 20~22mm 之間，因此選取澆口杯尺寸： D1 = 66mm D2 = 62mm D3 = 50mm 根據鑄件外形尺寸查表可知冒口尺寸如下：冒口直徑：D=38mm 冒口高度：H=250mm 質量：m=3.2Kg 第 26 頁、設計（論文）專用紙 2.1 2.10 小結 1．本章首先介紹了鑄造工藝設計的概念、內容及步驟，為后續部分作為一個引子。 2．研究了產生鑄件縮孔縮松缺陷的鑄造工藝影響因素，認為鑄件的澆注系統和澆注位置是產生鑄件縮孔縮松缺陷的重要原因，同時冒口和冷鐵的補縮功能也是重要的影響因素; 3．結合設計中鉤型連桿零件的實際特點，參閱大量鑄造工藝設計方面的書籍，確定本次設計中鉤型連桿的各項工藝參數。第三章 3.1 引言 Pro/Engineer4.0 三維建模計算機輔助設計（Computer Aied Design）,簡稱 CAD 技術，產生于 20 世紀 50 年代后期，至今已有 50 多年的歷史。作為先進制造技術的重要組成部分，它是計算機技術在工程設計、機械制造等領域中最有影響的一項高新應用技術。 CAD 技術的使用，可以大幅度地縮短設計周期，提高設計效率和設計質量，降低成本，充分發揮設計人員的創造性。 CAD 造型技術也稱建模技術，它是 CAD 的技術核心，建模技術的研究、發展和應用，代表了 CAD 技術的研究、發展和應用。從 20 世紀 60 年代至今，三維建模技術的發展經歷了線框建模、曲面建模、實體建模、特征建模、參數化建模、變量化建模，以及當今正在研究的產品集成建模、行為建模等的發展過程。目前，三維 CAD 技術已日趨成熟，現階段有代表性、應用廣泛的三維 CAD 軟第 27 頁、設計（論文）專用紙件有：美國 PTC 公司的 Pre/E、美國 SDRC 公司的 I-DEAS、美國 EDS 公司的 UG、美國 SolidWorks 公司的 SolidWorks、美國 EDS 公司的 Solid Edge、美國 AutoCAD 及 MDT。另外，還有美國洛克希德公司研制的 CADAM、原 CV 公司的 CADDS、法國 Dassault System 公司研制的 CATIA 等。其中多數軟件為 CAD/CAM/CAE 集成軟件，除了可以完成三維造型設計以外，還有較強的 CAM 和 CAE 功能。國產三維 CAD 軟件有以北航海爾研制的 CAXA 制造工程師系統為代表的一些軟件。 Pro/Engineer 是軟件包，并非模塊，它是該系統的基本部分，其中功能包括參數化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型棚完整工程圖產生及不同視圖（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉）。Pro/Engineer 是一個功能定義系統，即造型是通過各種不同的設計專用功能來實現，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（Chamfers）和抽空（Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。這系統的參數比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不像其他系統是直接指定一些固定數值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關系，任何一個參數改變，其也相關的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設計優化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機。Pro/Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數據交換格式來實現，用戶更可配上 Pro/Engineer 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程，以增強軟件的功能。它在單用戶環境下(沒有任何附加模塊)具有大部分的設計能力，組裝能力(人工)和工程制圖能力(不包括 ANSI，ISO，DIN 或 JIS 標準)，并且支持符合工業標準的繪圖儀(HP， HPGL)和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形輸出。 Pro/Engineer 功能如下： 1．特征驅動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）； 2．參數化（參數=尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； 3．通過零件的特征值之間，載荷/邊界條件與特征參數之間（如表面積等）的第 28 頁、設計（論文）專用紙關系來進行設計。 4．支持大型、復雜組合件的設計(規則排列的系列組件，交替排列， Pro/PROGRAM 的各種能用零件設計的程序化方法等)。 5．貫穿所有應用的完全相關性(任何一個地方的變動都將引起與之有關的每個地方變動)。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro/ENGINEER 的基本功能。軟件的特點和優勢 3.2 Pro/Engineer 軟件的特點和優勢經過 20 多年不斷的創新和完善，pore 現在已經是三維建模軟件領域的領頭羊之一，它具有如下特點和優勢： 1．參數化設計和特征功能。 Pro/Engineer 是采用參數化設計的、基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設計者提供了在設計上從未有過的簡易和靈活。 2．單一數據庫。 Pro/Engineer 是建立在統一基層上的數據庫上，不象一些傳統的 CAD/CAM 系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶在為一件產品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環節上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的完整的結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優點，使得設計更優化，成品質量更高，產品能更好地推向市場，價格也更便宜。第 29 頁、設計（論文）專用紙 3．全相關性。 Pro/Engineer 的所有模塊都是全相關的。這就意味著在產品開發過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設計圖紙，以及制造數據。全相關性鼓勵在開發周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發后期的一些功能提前發揮其作用。 4．基于特征的參數化造型。 Pro/Engineer 使用用戶熟悉的特征作為產品幾何模型的構造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。裝配、加工、制造以及其它學科都使用這些領域獨特的特征，通過給這些特征設置參數（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數很容易的進行多次設計疊代，實現產品開發。 5．數據管理。加速投放市場，需要在較短的時間內開發更多的產品。為了實現這種效率，必須允許多個學科的工程師同時對同一產品進行開發。數據管理模塊的開發研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 獨特的全相關性功能，因而使之成為可能。 6．裝配管理。 Pro/Engineer 的基本結構能夠使您利用一些直觀的命令，例如 “嚙合” 、 “插入” 、 “對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構造和管理，這些裝配體中零件的數量不受限制。 7．易于使用。菜單以直觀的方式聯級出現，提供了邏輯選項和預先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學習和使用。第 30 頁、設計（論文）專用紙 Pro/Engineer4.0 3.3 Pro/Engineer4.0 對計算機系統的要求 Pro/Engineer4.0 雖然是三維的 CAD 軟件，由于它采用了特殊技術，所以對計算機的要求并不高，目前的大多數計算機系統都滿足它的要求。其系統要求如下： CPU：Intel Pentium 系列或 AMD Athlon 系列。內存：128MB 以上。所需硬盤安裝空間：600MB 以上。顯示器分辨率：1024*768 像素，具有 64K 顏色的 OpenGL 圖形加速卡。操作系統：Windows 98、Windows 2000、Windows Me、Windows NT 4.0 SP6 或者更高。模具設計的基本方法和步驟 3.4 Pro/Engineer4.0 模具設計的基本方法和步驟在 Pro/Engineer4.0 零件環境中，對零件進行三維實體造型設計的基本方法和步驟為： proe 單型腔模具設計步驟（1）建立文件夾，設置工作目錄。（2）新建一個模具設計文件，選取新建參照模型，并裝配到模具設計環境中模具模型/裝配/參照模型/選擇零件/打開。（3）創建工件，建立模具模型。創建/工件/手動/輸入工件名稱-確定/選擇“定位缺省基準和對其坐標系--確定”/選擇坐標系/草繪/加材料-實體/完成返回。（4）設置注塑零件的收縮率。收縮/輸入比率 0.006&0.005，按回車鍵確認/√/完成返回。（5）創建模具的分型面。方法一：單擊分型面圖標/編輯--陰影曲面-確定；方法二：下文“% %”之間的內容。第 31 頁、設計（論文）專用紙（6）通過分型面蔣工件分割為數個體積塊。單擊分模圖標--完成/選擇分型面--（單擊著色查看）確定（3 次）。（7）抽取模具體積塊，生成模具零件。模具原件/抽取。（8）設計澆注系統，流道，水線等特征。澆注系統：方法 1：手動方式，特征—型腔組件—實體—拉伸/旋轉等方式創建；方法 2：自動方式，特征—型腔組件—流道—倒圓角—輸入主流道直徑“6”確定 —繪制主流道路徑—確定—設置相交等級為“零件級”（即主流道特征在零件級也可以看見，否則只在裝配模式下可以看見）；分流道設計同上主流道的設計。水線設置：特征—型腔組件—水線—輸入水線直徑，確定—選擇基準平面，繪制水線路徑，確定—設置相交元件，相交等級為“零件級”/定義水線對話框中的“末端條件”/按住 “ctrl”選擇水線末端（始端）——通過沉孔/輸入沉孔直徑和深度/選擇水線末端（終端）/同上面設置水線末端沉孔/完成設置。（9）檢驗設計的模具零件。（10）模具組件分析 1）分型面破孔分析：分析/分型面檢查/分別進行“自交檢測”和“輪廓檢測”。 2）干涉分析：分析/模型/全局干涉/單擊計算按鈕。（11）鑄模，模擬注塑成型的成品件。（12）移動凹模，成品件等零件，模擬開模等操作。（13）根據需要裝配模具的基礎零件。（14）保存模具零件。第 32 頁、設計（論文）專用紙 Pro/Engineer4.0 3.5 Pro/Engineer4.0 的用戶界面 Pro/Engineer4.0 是基于 Microsoft Windows 操作系統開發而成的軟件，其界面與 Windows 軟件相似，并且專門針對 Windows 進行了優化，這使得一般的初學者不會感到陌生，能夠輕易上手。如圖所示 3-1，首先進入 Pro/Engineer 環境當中。圖 3-1 進入 Pro/Engineer 環境 Pro/Engineer4.0 的用戶界面如圖 3-3 所示，包含有標題欄、主菜單、主工具條、特征命令條工具條、動態工具條、工作區、提示區和資源管理器。第 33 頁、設計（論文）專用紙圖 3-3 零件環境中的特征工具條第 34 頁、設計（論文）專用紙設計中零件鉤型鉤型桿 3.6 設計中零件鉤型桿的三維造型圖 3-5 設計當中零件的三維造型 3.7 小結（1）本章首先概述了 Pro/Engineer4.0 軟件的功能特點、建模方法、建模步驟等內容。（2）基于 Pro/Engineer4.0 的強大建模功能，以及操作方便，新手易于上手的特點，另外，我們對 Pro/Engineer4.0 軟件也進行過學習，所以我在本次設計當中首選了 Pro/Engineer4.0 作為建模工具。（3）結合設計中的零件鉤型連桿結構復雜，多處不對稱，難于建模造型的實際特點，第 35 頁、設計（論文）專用紙查閱了大量的三維建模書籍，學習了多種 CAD 三維建模軟件，最終選擇了 Pro/Engineer4.0，在此也感謝一位同學在軟件學習當中對我的幫助。第 36 頁、設計（論文）專用紙第四章 4.1 引言鑄造工藝計算機凝固模擬技術為提高傳統鑄造行業的產品質量、企業競爭力提供了強而有力的工具,國內采用鑄造 CAE 技術的鑄造廠家為數不多,而國外發達國家采用這一技術的企業比較普遍。隨著世界經濟的一體化以及我國加入 WTO,鑄造 CAE 技術將顯得日益重要；近幾年華鑄 CAE 軟件的應用情況也表明了越來越多的國內鑄造企業越來越重視鑄 CAE 技術,在鑄鋼件中已有很多成功應用的案例,這將進一步推動鑄造 CAE 技術的發展,從而最終為鑄造企業創造更大的經濟和社會效益。鑄造工藝計算機凝固模擬技術是鑄造技術領域依托于計算機技術的一項高科技技術，計算機技術的飛速發展，以水漲船高之勢，有力地推動了凝固模擬技術的發展，強烈地刺激了其實際應用的欲望，并為之提供了一個廣闊的發展空間。國內的凝固模擬實用技術經過短短十多年的發展，目前，在凝固過程溫度場和流動場的數值模擬方面已經達到相當實用的水平，其準確性基本上達到了定量的程度。在生產應用中，在克服鑄件充型過程類缺陷如縮孔、縮松、夾渣、卷氣、冷隔、澆不足等缺陷，降低廢品、提高工藝出品率，提高工藝設計水平，縮短試制周期、節省試制費用等方面取得了非常廣泛的成功。應力場以及組織模擬也取得了一些可喜的進展。鑄造工藝計算機凝固模擬技術作為高科技與傳統鑄造產業的結合點，可以改變傳統鑄造生產的管理模式，減少工藝設計過程中對經驗的依賴，保持工藝設計水平的穩定性和先進性，創造良好的經濟效益和社會效益。而在國內做得比較成功的就是華鑄 CAE 軟件。華鑄 CAE”鑄造工藝分析軟件是分析和優化鑄造工藝的重要工具，是華中科技大學經十七年研究開發，并在長期的生產實踐中不斷改進，完善起來的集成軟件系統，目前發行的版本是 V8.0。它以鑄件充型、凝固過程數值模擬技術為核心對鑄件的成型過程進行工藝分析和質量預華鑄 CAE 數值模擬仿真第 37 頁、設計（論文）專用紙測，從而協助工藝人員完成鑄件的工藝優化工作。多年來在提高產品質量，降低廢品，減少消耗，縮短試制周期，為眾多的廠家創造了顯著的經濟效益，在行業內享有廣泛的聲譽和信譽。 4.2 CAD/CAE 的總體結構要完成鑄造工藝的計算機輔助設計、輔助分析，首先本系統的第一步是進行鑄造工藝的計算機 CAD 造型。我們采用的 CAD 軟件是具有三維造型功能的 Pro/Engineer 軟件。然后，按照如下步驟進行鑄造工藝的計算機輔助分析工作。 (1) 完成鑄件的 CAD 三維造型，并將文件轉換為 STL 文件格式; (2) 再將文件傳給華鑄 CAE/InteCAST 鑄造工藝分析軟件系統,前處理部分的有限差分網格剖分程序進行自動網格剖分; (3) 模擬計算分析:對鑄件的充型過程的流場、凝固過程的溫度場、流動與傳熱禍合進行計算; (4) 后處理階段:華鑄 CAE 肛 nteCAST 系統經過前兩大模塊處理后，得到了鑄件凝固過程溫度場等物理過程詳盡、完整的大量數據。后處理模塊的功能就是將這些基于時空四維空間場的物理數據構織成可視的三維圖形，以直觀的視覺效果揭示鑄件充型、凝固過程的真實面貌，并進一步合成動畫，實現充型凝固過程任意位置、任意角度的旋轉、剖視功能，查看鑄件缺陷的生成及分布情況; (5) 如發現工藝不合理，可返回 CAD 三維造型部分，修改工藝，再次進行鑄造工藝過程的數值模擬分析。其主要流程如圖 4-1 所示. 在以上過程中，各 CAD 與各 CAE 間的數據接口關系復雜，在版本一致性、數據傳輸可靠性方面難以保證；來回多次的數據交換費時、繁雜而易出錯，事實上，在理想的現代設計過程當中，CAE 應該融入產品設計的各個階段和環節，實現設計分析一體化。很顯然，要達到這樣的一體化目標，CAE 系統需要適應設計的各個環節，第 38 頁、設計（論文）專用紙它必須具有以下特征: (1) 與主要設計工具 CAD 軟件具有良好的親和性（CAD 模型的雙向參數相關）； (2) 界面簡潔、操作流程簡單、復雜技術（網格劃分、求解等）能智能化處理； (3) 良好的計算精度和效率； (4) 具有強大的分析能力以支持后期分析中經常涉及的復雜問題（非線性、多物理場等）； (5) 各階段的分析數據能流暢地傳遞。鑄造工藝 CAD 三維造型文件格式轉換鑄造工藝 CAE 物性參數網格剖分型程模模程圖 N 工藝 Y 理鑄造工藝圖 4-1 系統設計流程圖 4.3 鑄件的特點及工藝方案簡介鉤型連桿鑄件毛坯材質為 HT15—33，鑄件最大尺寸長度 660mm，寬度 665 mm，第 39 頁、設計（論文）專用紙厚度 293 mm，最小壁厚 23mm，重量（），鑄件上分布有多處熱節。該鑄件要求內在組織致密，不得有任何縮孔、縮松、氣孔、夾渣等鑄造缺陷。鑄件本身不允許有裂紋、粘砂，加工表面不許有縮松和外來夾雜物。該鑄件結構見圖 4-2。圖 4-2 鉤型連桿鑄件圖該鑄件采用砂型鑄造，我們采用機器造型。開始兩套方案為一處澆注，澆注系統設置一個內澆道，并在兩套方案中各設置一個冒口，但是模擬結果都在熱節處出現多處縮孔和縮松缺陷。后來進行了工藝改進，采用了第三套方案。該方案調整了澆注系統的結構和尺寸，設置了兩個內澆口，從鑄件的兩個位置同時澆注，并且設置了兩個出氣冒口，又在上兩套方案中鑄件容易出現缺陷的位置安放了兩塊冷鐵，模擬結果顯示縮孔、縮松缺陷明顯得到了改善，成功解決了熱節出現的縮孔、縮松第 40 頁、設計（論文）專用紙缺陷問題。為了進一步認識這三種工藝對鑄件質量的影響，本文對這三種工藝的凝固過程進行了模擬計算，并對模擬結果進行了分析。令我出奇的是，指導老師告訴我模擬結果和實際鑄造生產當中出現的缺陷幾乎一模一樣。鉤型連桿的充型過程數值模擬 4.4 鉤型連桿的充型過程數值模擬 4.4 4.4.1 充型過程數值模擬的作用模擬分析鑄件充型時的金屬流動過程及充型過程中的傳熱現象是計算機輔助鑄造工藝設計和分析（CAD/CAE）的重要內容。首先，通過模擬分析液態金屬在澆冒口系統和鑄型中的流動狀態，可以優化澆冒口系統設計，防止液態金屬在澆道中的吸氣，消除流股分離現象以避免鑄件氧化，減輕紊流以降低空氣進入液態金屬中的可能性，利用澆注系統擋渣，在澆道內達到金屬液流的均勻分配，減輕液態金屬對鑄型的侵蝕和沖擊；另一方面，通過模擬分析充型過程中液態金屬及鑄型的溫度變化，可以預測冷隔和澆不足等問題。同時為后續的凝固過程模擬分析提供初始溫度場條件。這一模擬計算過程對薄壁鑄件模擬分析顯得更為重要。 4.4.2 4.4.2 充型過程數值模擬的步驟（1）CAD 造型及 Autodesk 3ds Max8 的導入關于 CAD 的三維造型，已經在第三章中做過介紹，但需要說明的是， Pro/Engineer4.0 建好的三維造型不能直接導入華鑄 CAE 系統，這就需要一個橋梁工具來過渡。這個工具就是 Autodesk 3ds Max8 軟件。 Autodesk 3ds Max8 軟件是 Discreet 公司開發的（后被 Autodesk 公司合并）基于 PC 系統的三維動畫渲染和制作軟件。其前身是基于 DOS 操作系統的 3D Studio 系列軟件。在應用范圍方面，廣泛應用于廣告、影視、工業設計、建筑設計、多媒第 41 頁、設計（論文）專用紙體制作、游戲、輔助教學以及工程可視化等領域。具備建模、動畫、渲染等強大功能。當今運行在 PC 上最暢銷的三維動畫和建模軟件。具備以下突出優點： 1.基于 PC 系統的低配置要求； 2.3DS MAX 運行于 WINDOWS98，WINDOWS NT WINDOWS 2000 平臺。一個完全多線程，可充分發揮對稱多處理器和任意網絡渲染能力的一個強大軟件。 3.安裝外掛(plugins)可提供 3D Autodesk Max 所沒有的功能（比如說 3D Studio Max 6 版本以前不提供毛發功能）以及增強原本的功能； 4.強大的角色(Character)動畫制作能力； 5.可堆疊的建模步驟，使制作模型有非常大的彈性。 6.上手容易。易于上手是它的最大特點，你要深入鉆研下去，許多高級功能可以滿足你大多數情況下的創作需要。更何況 MAX 的插件如洪水一般，是任何其他 3D 軟件都比不了的。 7.使用者多，便于交流。了解該軟件后，就把 Pro/Engineer4.0 建好的模型導入 3D Autodesk Max 中，進行旋轉、移動零件進行裝配。裝配好后設計砂箱（砂箱可以在 3D Autodesk Max 中自動生成），其界面如下圖所示：第 42 頁、設計（論文）專用紙圖 4-3 鉤型連桿鑄件在 3D Autodesk Max 中的模型（方案一）第 43 頁、設計（論文）專用紙圖 4-4 鉤型連桿鑄件件在 3D Autodesk Max 中的模型（方案三）（2）導入華鑄 CAE/InteCAST 系統上述模型導入成功后，保存好文件（格式為.MAX）然后打開華鑄 CAE/InteCAST 。軟件其界面如下圖：第 44 頁、設計（論文）專用紙圖 4-5 華鑄 CAE/InteCAST 軟件（3）前置處理部分前置處理模塊是模擬過程的準備工作，它實現了 CAD 模型的導入，利用 STL 預覽檢查三維造型是否正確，有限差分網格的劃分。另外，還可以通過 HZCAE 提供的 CAD 功能對實體造型進行簡單修改。包括鑄件、砂型、鑄型等模型文件的導入，導入的文件格式就是 STL 文件。然后進行進行剖分任務。其中包括兩個重要的因數：優先級別的設定和參數的設定。如圖優先級別由高到低設定為鑄件—冷鐵—鑄型，參數輸入中網格大小輸入 2mm,網格數 1776250 個（網格大小按照鑄件的大小、結構等設定，具體的鑄件具體靈活設定）。圖 4-6 前處理模塊中優先級別的設定第 45 頁、設計（論文）專用紙按照步驟提示設定好后，最終系統會提示“祝賀你剖分成功！，然后顯示剖 ” 分好的鑄件。如圖：圖 4-7 剖分好的鑄件（4）計算分析部分計算分析模塊是對鑄件/鑄型的各物理場進行求解。主要設定合金屬性參數，鑄件、鑄型、砂芯等材料的物性參數，各種材質間的界面導熱系數，用于鑄件的充型過程、凝固過程以及流動與傳熱的耦合計算。具有以下突出優點： 1. 能夠進行低壓鑄造、壓鑄、金屬型鑄造的多周期、多階段全過程的分析； 2. 可以對包括水、油、氣等不同冷卻介質的各種復雜冷卻工藝進行優化分析； 3. 能夠模擬多個不同規格的澆包同時澆注的的復雜澆注過程；第 46 頁、設計（論文）專用紙 4. 能夠模擬補澆工藝、點冒口過程； 5. 應用了重力補縮技術，可以直接準確模擬縮孔縮松的形成過程，實現了縮孔縮松的位置、形狀和大小的定量的模擬；鉤型連桿鑄件所用的鑄件材料為灰鑄鐵 HT15-33。采用的一般澆注參數包括：導熱系數、密度、比熱容、固相線溫度，液相線溫度、凝固潛熱、界面換熱系數等。鑄造條件下這些物性參數值的正確選取，將直接影響數值模擬的精度。這個過程主要包括流動場和溫度場的計算。模擬過程中部分參數的設定見附錄。（5）后置處理部分后置處理模塊是把計算結果以曲線、圖形、圖像以及動畫等表達方式直觀有效地表達出來。后處理采用最新可視化技術、多媒體技術，豐富、直觀、生動，任意實時縮放、任意實時旋轉、任意實時剖切。可自動生成 X 射線透視圖、凝固色溫圖、溫度梯度圖、鑄件結構圖、鑄型系統裝配圖、流動向量圖、填充體積圖、壓強分布圖、充型溫度分布圖等。分析結果三維動畫自動合成，動畫演示直觀準確，透徹明了。動態過程完整細膩；在各種函數三維分布圖形畫面上，伴隨鼠標移動，在鼠標光標的延伸空間，以數字方式即時刷新顯示鼠標所指單元相應的幾何、物理函數值，或區域極值，或區域統計值，包括： 1、鼠標所指單元的溫度、壓力、速度、凝固時間、Niyama 函數、縮松孔隙率等函數值； 2、鼠標所指點所在的每個液相連通區域，每個縮孔連通孔腔，每個縮松連續區域等的體積，以及相關函數值在相應區域的極值等； 3、鼠標所指點的尺寸坐標、單元坐標位置、單元尺寸大小，也包括 STL 圖形上任第 47 頁、設計（論文）專用紙意點的三維尺寸坐標位置。下圖即為鉤型連桿鑄件的體積填充圖和充型壓力圖：圖 4-8 鉤型連桿鑄件的體積填充圖第 48 頁、設計（論文）專用紙圖 4-9 鉤型連桿鑄件的充型壓力圖（6）數值模擬及結果分析鉤型連桿鑄件的充型過程，從模擬結果看，整個充型過程大約持續 10 秒左右，流速適中，充型比較平穩，沒有明顯的卷氣、夾渣現象，說明整個澆注系統的流場性能比較良好。鑄件整體散熱效果良好，散熱量大、速度快。從凝固過程的液相分布來看，最后凝固的部位是內澆口根部和鑄件內部的兩處，因為這些部位是整個凝固的熱節，這些部位最后凝固時得不到有效金屬液的補充，極容易出現縮孔、縮松缺陷。第 49 頁、設計（論文）專用紙 4.5 鑄件工藝分析及工藝方案的改進 4.5.1 鑄件工藝分析分析該鑄件在內澆口根部和鑄件內部兩處產生縮孔、縮松缺陷的原因，我認為：由鑄件本身幾何形狀造成的熱節，在同樣凝固條件下，將晚于其它部分凝固，且這些部位散熱條件差，在凝固過程中發生的液態收縮、凝固收縮沒有鐵液補縮而出現縮孔縮松。針對目前的工藝情況，我認為改進措施主要是： 1. 縮小澆注系統的內澆口尺寸，將 30mm*30mm 的內澆口縮小為 20mm*20mm，避免內澆口根部產生新的幾何熱節。 2. 在鑄件內部一處和外部一處各加設一個與鑄件材質相同的內冷鐵和外冷鐵，以加強該部位的凝固速度。 4.5.2 工藝改進后的數值模擬及結果工藝改進后該鑄件的凝固過程產生的缺陷明顯得到改善。從模擬結果來看，該鑄件不再出現縮孔縮松等鑄造缺陷。經指導老師指點，與實際生產中驗證，與模擬結果完全一致。方案改進后鑄件缺陷對比如下圖所示：（還未出圖，之后改進） 4—10 未改進工藝方案前的鑄件缺陷圖（還未出圖，之后改進） 4—11 改進工藝方案后的鑄件缺陷圖第 50 頁、設計（論文）專用紙 4.6 小結 1.用 Pro/Engineer4.0 軟件完成了鑄件鉤型連桿的 CAD 三維實體造型。 2.對該鑄件的三維實體進行網格剖分，并對該鑄件及其砂型進行了熱物性參數的設置。 3.用華鑄 CAE/InteCAST-Steel7.0 軟件對鑄件鉤型連桿進行了充型過程和凝固過程的數值模擬，模擬結果和實際生產的鑄件情況相一致。第 51 頁、設計（論文）專用紙結論 Pro/Engineer4.0 建立的 CAD 三維模型通過 Autodesk 3ds Max8 數據轉換并且進行零件裝配和砂箱的設計，格式轉換成為 STL 格式。上述步驟成功后，把 STL 文件格式的零件、砂箱、冷鐵、澆注系統、冒口導入華鑄 CAE 系統軟件，進行澆注數值模擬仿真。分析模擬結果，不斷的改進鑄造工藝方案，優化設計工藝。最終起到避免鑄件缺陷、選出最佳方案的目的。在這次畢業設計中我研究的課題是《鑄造工藝過程模擬研究》。在本次設計中涉及三維實體的繪制和程序的編制，并在設計過程中針對性地提出創新設計鑄造工藝思想。設計過程中我充分調研、收集和學習三維軟件和鑄造方面的相關資料，與同組同學共同分析已有技術資料，熟悉和了解該課題的具體內容，并進行了具體的實踐，在收集資料中還要結合課題進行必要的外文資料閱讀并翻譯了一篇與課題相關的外文資料。掌握了相關的三維建模軟件的使用和華鑄 CAE 數值模擬仿真系統的使用。第 52 頁、設計（論文）專用紙總結與體會經過幾個月的努力，畢業設計基本完成了。在畢業設計的實踐中，學到很多有，用的知識，也積累了不少寶貴的經驗。IBM 有句著名的宣傳詞叫“The future is OPEN” 我認為這句話有兩層意思，第一層意思是技術的進步需要所有的人共同的努力，開源的世界里面所有的人都可以貢獻自己的力量去讓技術進步，像 Pro/Engineer，我們可以感覺到它正在改變我們的世界；第二層的意思是，每一個都貢獻自己的力量去幫助別人，在幫助別人的同時，也幫助了我們自己。現在，我再次向所有幫助過我的人表示衷心的感謝。在沒有做這次畢業設計以前覺得畢業設計應該是對大學四年里所學知識的總結與鞏固，但經過這幾個月的學習與工作，我發現做畢業設計其實并不是我想象的那樣簡單，畢業設計不僅是對前面所學知識的總結與鞏固，也是對自己能力的一種提升和鍛煉。這次畢業設計開始的時候感覺很迷茫，有點無從下手的感覺。不過在丁教授的鼓勵和指導下，我還是克服了困難順利完成了本次畢業設計。開始要三維建模、鑄造工藝方案設計、華鑄 CAE 系統的學習，這么多以前很少接觸的東西，感覺難度挺大的。我建模多次未成，在即將放棄的時刻，后來在導師見面的時候丁教授鼓勵我 “叫我向大家學習，不要氣餒，抓緊時間做” ，正如老師所言，我最終還是順利完成了本次畢業設計。真正意義上體會到“世上無難事，只怕有心人” 。這次做的畢業設計對鑄造行業飛速發展的今天來說是有著重大的意義的，因為我們的制造業正在向自動化方向發展，這些東西都是需要在計算機上完成設計和模擬仿真的。而我們做的“鑄造工藝設計大賽”是很有挑戰的，將來我希望自己能做個對社會有用的人。這種思想將在今后將成為我人生的啟明星。堅持科學發展，把科學發展觀運用到實際中來，堅持以人為本，樹立全面、協調、可持續的發展觀，統籌兼顧，促進學習和生活全的面發展，知識和能力協調，這對我將來的工作和人生發展將起到積極的作用。第 53 頁、設計（論文）專用紙謝辭春暖花開，大學生活在這個季節即將劃上一個句號。但是對于我的人生來說，這只是一個逗號，我將面對的是又一次征程。回首我在昆明理工大學這所坐落于春城的大學四年，有快樂也有艱辛，有收獲也有失落。我首先要感謝我的指導老師丁恒敏教授，本文是在丁恒敏教授的精心指導下完成的。丁教授嚴謹的治學態度、細致的工作作風、勤懇的敬業精神及誨人不倦的育人風范,使本人終身受益。丁老師不僅是我學業上的老師，也是我生活上的老師，他教會了我踏踏實實的工作態度和樂觀向上的生活態度，在畢業設計上給予我教導，對丁教授半年來給予的辛勤指導和培養表示最誠摯的感謝！也感謝材料工程學院和機電學院所有在各個方面默默無聞地支持著我的老師，謝謝你們多年來的關心和愛護。從各位老師身上，自己不僅學到了專業知識，而且學會了研究問題的方法和刻苦鉆研的精神，將使我在今后的學習和工作中永遠受益。感謝老師在幾年的學習和生活上的幫助。同窗的友情同樣難忘。我們共同走過人生中這四年不平凡的道路，給我留下了值得珍藏的美好記憶。父母的愛，始終是我無法回報的。在我近十八年的讀書生涯中，他們用自己微薄的力量保護著我，用自己辛勤地勞動支持著我。他們的愛是無私的，我深深愛著他們。其次，我還要特別感謝我的舍友們。我們攜手走過了這四年的大學學習，是他們在學習和生活上給了我更多的幫助和照顧。同時衷心感謝各位精心評審本論文的導師！第 54 頁、設計（論文）專用紙參考文獻 [1] 李魁盛.鑄造工藝設計基礎，機械工業出版社，1980 [2] 柳百成.鑄件凝固過程的宏觀及微觀模擬仿真研究進展.中國工程科學， 2000，（9） 29-37 2 ： [3] 和青芳周四新著， Pro/ENGINEER Wildfire 4.0 基礎設計實例精講，機械工業出版社， 2008 [4] 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