底板砂型铸造设计及模拟说明书.docx
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底板砂型铸造设计及模拟说明书
底板铸造工艺设计及模拟
摘要：
铸造是一门横跨了几千年的金属生产技术，从刚开始的手工造型到现在的机器造型，随着代科学技术的发展，金属铸件的铸造要求也越来越高。
因此，在每个铸件生产之前都必须进行铸件的工艺设计和模拟。
铸件的工艺设计的合理性与铸件的质量有着十分密切的联系，工艺设计越完整越准确，生产出来的铸件质量越高。
在21世纪的今天，随着计算机软件的应用领域的普及，浇注软件Procast软件也孕育而生。
Procast软件是一个应用计算机对浇注过程和浇注后的缺陷进行模拟的浇注模拟软件，其独特的有限元分析可以帮助我们运用计算机来分析浇注产生的缩松、缩孔等缺陷，来使我们去改正设计方案。
另一方面，环境保护的理念和绿色生产的概念正深入到我们的生活中，铸造技术也要注意环境保护。
铸造生产中可能产生二氧化硫等危害性气体，在铸造生产中我们必须要设计相关方案去处理产生的有害性气体。
本次设计任务是底板，也就是浇注底板，是铸造中很常用的零件。
我们要根据底板相应的特点来进行工艺设计，才能真正设计出有效地铸造方案。
根据本次实际生产批量、铸件的结构特点和用途，确定选用的铸造成形的方法，工艺设计的具体内容包括：
铸件的工艺性分析，铸造工艺参数的确定，浇注系统的确定、冒口以及冷铁的设计、铸造设备的设计等。
关键词：
铸造工艺设计；底板；铸件质量；铸造模拟
Slabcastingprocessdesignandsimulation
Abstract:
Castingisaspanningthousandsofyearsofmetalproductiontechnology,fromthebeginningofthemanualtothemachinemodel,withthedevelopmentofthegenerationofscienceandtechnology,metalcastingfoundryisbecomingmoreandmoredemanding.Therefore,beforeeachcastingproductionmustbecastingprocessdesignandsimulation.Therationalityofthedesignofcastingprocesshasaverycloserelationwiththequalityofthecasting,theprocessdesignmorecompletemoreaccurately,toproducethehigherthecastingquality.Inthe21stcentury,withthepopularityoftheapplicationfieldofcomputersoftware,pouringsoftwareProcastsoftwarecanalsobreed.Procastsoftwareisanapplicationofcomputertocastingprocessandcastingdefectsafterthesimulationofcastingsimulationsoftware,thefiniteelementanalysisofitsuniqueusecomputercanhelpustoanalyzethecastingdefectssuchasshrinkage,shrinkagecavity,tomakeustocorrectdesign.
Thedesigntaskisthebaseplate,alsoisthebottomboard,isverycommonlyusedincastingparts.Wewillaccordingtothecharacteristicsofthefloorcorrespondingtotechnologicaldesign,candesignthecastingsolutioneffectively.Accordingtotheactualproductionbatch,castingstructuralcharacteristicsandUSES,andtheselectionofthecasting,themethodofprocessdesignoftheconcretecontentincludes:
thecastingtechnologyofanalysis,thedeterminationofcastingtechnologicalparameters,thedeterminationofpouringsystem,riserandchilldesign,thedesignofthecastingequipment,etc.
Keyword:
castingproessdesign;slab;castingquality;castingsimulation
1概述…………………………………………………………………….................1
2零件铸造工艺方法…………………………………………………...................2
2.1设计任务及要求………………......................................................................2
2.2造型造芯方法的选择………………………………………………………...3
2.3浇注位置和分型面的确定…………………………………………………...3
3铸造工艺参数设计……………………………………………………...............6
3.1铸件的尺寸公差……………………………………………………………...6
3.2机械加工余量………………………………………………………………....7
3.3铸造收缩率…………………………………………………………………...8
3.4起模斜度……………………………………………………………………...8
3.5最小铸出孔和槽……………………………………………………………...9
3.6工艺正补量…………………………………………………………………...9
3.7分型负数………………………………………………………………….....10
3.8反变形量………………………………………………………….................10
3.9浇注温度………………………………………………………………….…11
4浇注系统的设计……………………………………………………................12
4.1浇注系统的基本要求……………………………………………………….12
4.2浇注系统的基本类型……………………………………………………….12
4.3浇注系统的基本组元……………………………………………………….13
4.4浇注系统的尺寸设计…………………………………………………….....15
5铸造工艺设备设计…………………………………………………...............18
5.1模样设计…………………………………………………………………….18
5.2模板选择……………………………………………………………………..18
5.3砂箱及附件的选择……………………………………………………….…21
6ProCAST软件模拟………………………………………...................................22
6.1ProCAST软件模拟操作………........................................................................22
6.2温度场分布…….............................................................................................27
7铸件缺陷分析与解决方案……………………………………......................29
7.1ProCAST缺陷模拟结果……………………………………………….....…...28
7.2缺陷产生的原因及处理方法……………………………………………….28
参考文献…………………………………………………………………………...31
谢辞……………………………………………………………………....................33
1概述
我国古代的铸造技术一直在世界先进行列，但是由于几千年的封建社会制度严重影响了科学技术的发展，也导致了铸造技术的停滞不前。
在新中国成立以后，国家大力鼓励发展铸造技术，现在铸造技术是我国一个很大的行业，近几年的年产量达2600万吨-3100万吨，一直在世界前列，据统计，2008年中国铸件的生产产量达到2600万吨，占世界产量的29.5%，而在2012年中国铸件的生产量达到2900万吨，占世界生产产量的29.8%。
中国的铸造生产厂点有2万多个，职工将近200万人，其中技术人员约占4%，已经成为我国重要的基础产业。
国家的综合国力的标志是这个国家的制造业发展水平。
大型铸件的生产水平和铸造生产水平，标志着中国制造业的水平能力,影响国民经济。
铸造一直是装备制造业的基地,但我国铸造业的设备制造行业一直存在薄弱环节。
要想成为铸造大国,我国必须尽快解决铸造相关知识和人员相关的质量提高。
中国铸造行业的现状主要是:
平均规模较小的铸造企业,专业水平不高,落后的铸造生产工艺和设备,自主创新能力弱,铸件质量不高,铸造强国的距离这一目标,有很强的路要走。
根据模具材料,铸造成形工艺成型过程将以不同的方式,可分为两大类的砂型铸造和特种铸造。
砂型铸造适用于金属材料,不同的大小,形状和体积的各种铸件,低成本,通过铸造砂铸造生产占总产量的90%以上铸件。
常见的特种铸造是熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造等。
本次重点介绍的是砂型铸造。
我国虽然是个铸造大国，但并不是铸造强国，在铸造生产中存在许多不合理的因素和工艺流程，不科学和不规范的操作会导致铸件质量的下降，铸造存在以下问题：
1）我国虽然铸造厂很多，但是铸造技术人员并不多，生产效率很低；
2）在铸造生产中资源能源浪费现象严重，污染也严重；
3）铸件质量不能保证，附加值很低。
因此，必须大力培养铸造相关技术人员，更新和改进铸造工艺流程，保证铸件质量的同时，减小环境污染和能源浪费。
2零件铸造工艺方法
2.1设计任务及要求
本次设计的任务是底板的铸造工艺设计，材料为球墨铸铁，质量为12.32Kg，生产方式为小批量生产，底板的三维零件图为图2.1，底板的二维零件图为图2.2，
图2.1底板的三维零件图
图2.2底板的二维零件图
2.2造型、造芯方法的选择
分析：
本次设计的底板存在有大平面，因此不采用湿型造型的方法，可以采用半干型造型的方法，又因为小批量生产，因此采用手工造型的方法。
由于铸件的特殊性，本次设计没有砂芯，所以没有砂芯相关的设计。
结论：
砂箱中逐渐数量的确定原则：
砂箱中的铸件的数量要根据工艺条件和生产批量要求来确定，本次设计的铸件是底板，生产方式为小批量。
采用砂型铸造，一箱一件。
2.3铸件浇注位置和分型面的确定
2.3.1铸件浇注位置的确定
铸件的浇注位置是指浇注时未来铸件在铸型中所处的状态和位置，也就是说那个部位在上，那个部位在下。
浇注位置在选择造型方法后才能确定下来，浇注位置一般与铸件的形状和结构、铸件的合金种类等有关
浇注位置确定的一般原则：
（1）浇注位置应有利于所确定的凝固顺序，对于体积收缩较大的合金，浇注位置用尽量满足顺序凝固的原则。
（2）铸件的重要部分应该尽量位于下部。
（3）重要的加工面应该朝下或者在侧面，因为气孔和金属夹杂物容易出现在朝上的表面。
（4）铸件的大平面朝下，避免加砂结疤类缺陷，对于大平面铸件，也可以采用倾斜浇注。
（5）应保证铸件能够在规定时间内充满，不会产生浇不到、冷隔的缺陷。
（6）避免使用吊砂、吊芯，便于合箱和检查。
（7）应该使合箱位置、浇注位置和铸件的冷却位置一致。
图2.3浇注位置
铸件最终确定的浇注位置如图2.3
2.3.2分型面的选择
浇注位置确定后，即可确定分型面。
铸造分型面是指铸型组元间的结合面，分型面确定的合理与否，关系到模样制造的难易程度。
同时合理选择分形面，对于简单化铸造工艺，提高生产率，降低成本，提高铸件质量等有直接关系。
分型面选择原则；
1）应使铸件全部或大部分置于同一个半型内；
2）应尽量减少分型面的数量；
3）分型面通常选在铸件的最大截面处，尽量不使砂箱过高；
4）分型面尽量选用平面；
5）便于下芯、合箱和检查型腔尺寸；
6）受力件的分型面的选择不应该削弱之间结构强度；
7）注意减轻铸件清理和机械加工余量
分型面的确定；
方案一：
图2.3方案一分型面的位置
方案二：
图2.4方案二分型面位置
方案一（图2.3）和方案二（图2.4）的分型面选择一样，不同的是将铸件放在上半砂箱和下半砂箱，放在下半砂箱，因为底板顶面为重要的加工平面，所以不符合分型面的选择原则，而放在上半砂箱就不会存在这种问题，因此方案一更好，选择方案一。
3铸造工艺参数设计
3.1铸件尺寸公差
铸件的尺寸公差是指允许的铸件尺寸变动量。
公差就是最大极限尺寸与最小极限尺寸的代数的绝对值。
铸件尺寸保持在两个允许极限尺寸之内，就可满足加工、装配和适用要求。
铸件的尺寸精度取决于工艺设计过程控制的严格程度，铸件的尺寸精度越高，对工艺的控制就越严格，但铸件的生产成本相应的就越高。
因此在规定铸件的尺寸公差时，必须从实际出发，综合考虑各种因素，达到既保证铸件的质量，又不过多的增加生产成本的目的。
表3.1小批和单件生产的铸件尺寸公差等级（CT）（GB/T6414-1999）
工艺方法
造型材料
铸件材料
铸钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铜合金
轻金属合金
镍基合金
钴基合金
砂型铸造手工造型
粘土砂
13~15
13~15
13~15
13~15
13~15
11~13
13~15
13~15
化学粘结砂
12~14
11~13
11~13
11~13
10~12
10~12
12~14
12~14
因为本次设计所用的材料为球墨铸铁，因此采用公差等级为13级，再根据公差表分别选择相应的公差尺寸。
按照GB/T6414—1999《铸件尺寸公差》的规定，铸件尺寸公差一共分为16级，表示为CT1~CT16。
参见表3.2：
表3.2摘自《铸造技术应用手册》表3.14单位：
mm
毛皮铸件
基本尺寸
铸件尺寸公差等级CT
大于
至
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
25
40
63
40
63
100
0.12
0.13
0.14
0.17
0.18
0.20
0.24
0.26
0.28
0.32
0.36
0.40
0.46
0.50
0.56
0.64
0.70
0.78
0.9
1
1.1
1.3
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.6
2.8
3.2
3.6
4
4.4
5
5.6
6
7
8
9
9
10
11
11
12
14
14
16
18
3.2机械加工余量
铸件为保证零件精度，应有加工余量，即在铸件工艺设计师预先增加的、而后在机械加工时又被切去的金属层厚度，成为机械加工余量，简称加工余量。
加工余量过大，浪费金属和加工工时；过小，降低刀具寿命，不能完全去除铸件表面缺陷，达不到设计要求
GB/T1614—1999《铸件尺寸公差与机械加工余量》中规定，要求的机械加工余量RMA适用于整个毛坯铸件，即对有需要机械加工的表面只规定一个值，且改值应根据最终机械加工后成品铸件的最大轮廓尺寸和相应的尺寸范围选取。
要求的机械加工余量等级有10级，称之为A、B、C、D、E、F、G、H、J和K共10个等级。
参见表3.3、3.4。
3.3要求的铸件机械加工余量（RMA）（GB/T6414—1999）单位：
mm
最大尺寸
要求机械加工余量等级
大于
至
A
B
C
D
E
F
G
H
J
K
40
0.1
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.5
0.7
1
1.4
40
63
0.1
0.2
0.3
0.3
0.4
0.5
0.7
1
1.4
2
表3.4用于各种铸造合金和铸造工艺机械加工余量等级
工艺
方法
要求的机械加工余量等级
铸件材料
铸钢
灰铸铁
球墨铸铁
可锻铸铁
铜合金
锌合金
轻金属合金
镍基合金
砂型铸造手工铸造
G~K
F~H
F~H
F~H
F~H
F~H
G~K
G~K
砂型铸造机器造型和壳型
F~H
E~G
E~G
E~G
E~G
E~G
F~H
F~H
在这里，我们选用机械加工余量等级为H级。
底板外形的机加工：
A=F+2RMA+C；（3-1）
400+2*3.5+12/2=413
350+2*3.5+12/2=363
8+2*0.5+2/2=10
32+2*0.5+7/2=36.5
A为铸件毛坯的基本尺寸。
F-最终加工后的尺寸。
RMA-要求的机械加工余量。
CT-铸件公差。
3.3铸造收缩率
铸件线收缩的定义是：
K=[（LM-LJ）/LJ]×1﹪（3-2）
式中LM表示——模样长度;
LJ表示——铸件长度
铸造收缩率受到合金种类、铸件的冷却时受阻力的大小、冷却条件的不同等非常多的条件的影响。
对于单件和小批量生产的底板，根据经验选取即可。
铸造收缩率可以根据表3.5进行选取。
表3.5铸铁件球墨铸铁的收缩率由《铸造实用数据手册》可查得
铸件的种类
线收缩率
受阻收缩
自由收缩
球墨铸铁
0.9
1.0
3.4起模斜度
为了方便起模，在模样、芯盒的出模方向要留有一定的斜度，这样可以避免破坏型腔或者芯盒，因此把这个斜度成为起模斜度。
起模斜度应小于或者等于零件图上规定的起模斜度，防止铸件不能从铸型中取出，另一方面，铸件的起模斜度应该选取一致，防止加工时频繁更换刀具。
3.6模样的起模斜度。
由《铸造工艺课程设计手册》表2-13可查得
模样外表面的起模斜度
测量面高度
起模斜度
金属模样、塑料模样
木模样
/mm
/mm
〉10—40
1º10´
0.8
1º25´
1.0
〉40—100
0º30´
1.0
0º40´
1.2
3.5最小铸出孔及槽
一般来说，零件上较大的孔和槽、台阶等，应铸出来，可以节约金属和加工工时，同时还能避免铸件局部过后所造成的热节，改善铸件质量。
比较小的孔和槽，或者说铸件很厚，则不适合铸造出，否则会使铸件产生粘砂，造成清理与机械加工时困难，直接加工出孔和槽方便一点。
由零件图可以知道，本次设计的底板最小孔为10mm，查表可知道最小的铸出孔为30mm，所以不采用铸造的方式生产孔，采用铸造完成后机械加工孔，不加工的孔的尺寸选取按照表3.7选取。
3.7铸件的最小铸出孔直径
生产批量
最小铸出孔直径（mm）
大量生产
12~15
成批生产
15~30
单件、小批生产
30~50
3.6工艺正补量
在单件和小批量生产中，由于缩尺和铸件的收缩率选用的不合适，或者由于铸件产生了变形以及操作中存在不可避免的误差的原因，便使加工过后的铸件的尺寸小于原来要求的尺寸，尺寸过小的话，还会因为尺寸误差太大，强度不够而不能使铸件满足生产的需要，导致铸件无法使用而报废。
因此便会在铸件相应的非加工平面增加一层金属厚度来弥补铸造过程中的误差，这就是工艺正补量。
工艺正补量的数值与铸件的尺寸，结构以及浇注位置和造型材料有关，由于本次设计的底板是小批量生产，工艺正补量要根据以往的经验数据去设计。
工艺正补量如图3.1：
工艺正补量的厚度为2mm。
图3.1工艺正补量
3.7分型负数
砂型铸造时，上下两个砂型的接触面一般都是不平整的。
特别是干型和表干型，由于烘干时分型面产生变形，因此合箱时，上下两个砂型之间就不能紧密接触。
为了防止浇注时跑铁水，合箱前往往要在下箱分型面上垫上石棉绳或泥条。
这样就是在垂直于分型面方向的铸件尺寸增加了。
为了使铸件合乎图纸的尺寸要求，必须在制作模样时减去这部分高出的尺寸，这个被减去的尺寸称为分型负数。
分型负数选取根据经验选取，根据本次设计铸件的特点，在分型面选择分型负数为2mm。
3.8反变形量
影响铸件变形的因素有很多，例如合金性能、铸件的结构、和尺寸大小、浇冒系统的布置、造型方法等。
在铸造大平板类、床身类铸件时，铸件冷却后常出现变形。
为了解决挠曲变形问题，在制造模样时，按铸件可能产生变形的相反方向做出反变形模样，使铸件冷却后的结果正好将反变形抵消，得到符合图纸要求尺寸的铸件。
这种在模样上做出的预变形量称为反变形量。
本次设计的底板在下表面设置2mm的反变形量。
3.9浇注温度
浇注温度的选取对铸件质量会产生很重大的影响，温度选取过高，会导致铸件热节增加，残余热应力增加；温度选取过低，会导致浇不到和冷隔的缺陷，本次设计的底板材料为球墨铸铁，选取浇注温度为1420℃.
4浇注系统的设计
4.1浇注系统的基本要求
浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道的总称。
铸铁件的浇注系统典型结构是由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道以及内浇道等部分组成，浇注系统的设计合理与否直接影响铸件的质量和浇注是金属利用率。
浇注系统的基本要求：
（1）内浇道的数量、位置和方向应该符合铸件的凝固顺序原则和补缩要求。
（2）必须在固定的时间内充满型腔。
（3）充型压力必须能使浇注完成和充满型腔，能使铸件轮廓清晰。
（4）具有良好的挡渣能力。
（5）金属液在充满型腔中要流动平稳，避免紊流，防止在充满型腔中因吸入的空气过多而发生化学反应，影响铸件的质量。
（6）金属液流入型腔和浇道过程中流速不宜过快，避免飞溅和冲击浇道和砂芯以及型腔。
（7）型腔内的金属液提升的速度也不能太慢，否则会导致加砂和冷隔
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