大型转缸铸钢件的铸造工艺方案及优化

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1/36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1/36毕业论文外文摘要Title:ThecastingprocessdesignandoptimizationofthelargeturncylinderofcaststeelAbstract: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.2/36Keywords：20MnTurncylinderCAD/CAEdesignCastingtechnologicaldesignandoptimization1/36目录第一章绪论.........................................................11.1课题目标；铸件简介.............................................21.2文献综述.......................................................41.3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...........................................42.1基本工艺基础....................................................42.2硬件设备........................................................52.3软件............................................................5第三章铸造工艺设计.................................................63.1造型关键方法....................................................63.2浇注位置........................................................73.3分型面..........................................................83.4砂芯的设........................................................93.5冒口及冷铁....................................................103.6浇注系统的设计.................................................153.7初始铸造工艺...................................................17第四章铸造工艺的数值模拟优化......................................184.1SOLIDCast简介和运用...........................................184.2初始铸造工艺方案的模拟.........................................204.3初始铸造工艺方案缺陷的分析.....................................224.4初始铸造工艺方案的优化.........................................234.5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...............................................................311/36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。2/361.2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。图1-1铸件平面图3/36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