D件设计说明书

参赛作品

铸件名称：D件—上冠铸件

自编代码：AD2009QY

方案编号：

目录

摘要    1

1. 零件结构、技术要求分析    2

1.1零件概述    2

1.2结构特点    2

1.3技术要求分析    2

2.铸造工艺方案拟定    3

2.1造型方法及涂料的选择    3

2.2方案拟定过程    3

3.不设冒口模拟浇铸    5

3.1初选浇铸工艺图    5

3.2模拟结果分析    5

3.2.1 模拟结果图    5

3.2.2 主要缺陷分析    5

4.根据缺陷分析设计铸造工艺方案    6

4.1 对比方案设计    6

4.2 主要参数选择    6

4.2.1主要铸造工艺参数的选择    6

4.2.2浇注位置选择    7

4.3浇注系统设计计算    8

4.3.1 相关性能参数    8

4.3.2钢液上升速度    8

4.3.3 浇注系统截面尺寸设计    8

4.4冒口设计计算    9

4.4.1模数的计算    9

4.4.2冒口尺寸设计与补缩量的计算    10

4.4.3 冒口设计示意图    10

5.模拟与优化    10

5.1主要物性参数设定    10

5.2整体思路    11

5.3初始条件及边界条件    11

5.4模拟结果及分析    11

5.4.1充型状态的模拟结果与分析    11

5.4.2缩松缩孔和裹气的模拟结果与分析    14

5.4.3凝固温度——时间曲线对比分析    15

6.改进方案的模拟结果    15

7.小结    16

8.参考文献：    18

附图1零件图

附图2铸造工艺图

摘要

对零件的结构、材料、技术要求等进行工艺分析，制定上冠铸件的消失模铸造工艺方案，应用Procast对工艺方案进行数值模拟，并对模拟结果进行了分析。

关键词：上冠, 工艺设计, Procast 模拟

1. 零件结构、技术要求分析

1.1零件概述

   零件名称：水轮机上冠件                   材料：ZG06Cr13Ni4Mo

   外形尺寸：1510*1510*622.8mm。            体积: 224843.18167cm3

   质量: 1950kg                             生产批量：单件     

   零件的结构如图所示（图1），具体尺寸见附件1。

图1.1零件图

   1.2结构特点

该零件尺寸大，结构复杂，壁厚非常不均匀，上部内腔旁非常厚大，达到了250mm左右，而下部壁厚又比较薄，只有25mm，材料为铸钢，钢液易氧化，流动性较差，收缩大，所以在浇注时容易产生浇不足，冷隔，缩孔和缩松等缺陷。

 1.3技术要求分析

（1）铸件应作正回火处理。

（2）铸件材料及机械性能符合的要求。

（3）本件由于生产尺寸大而且有部分壁厚差异太大，因此粗加工后按标准作超声波探伤检查，须达级要求，过流面加工后按进行磁粉探伤达须达Ⅱ级要求。

（4）同炉浇注试验棒，回厂做化学成分和机械性能复核试验。

（5）过流面用样板检查。

（6）请刻出叶片进出水边与上冠的交点圆线。

2.铸造工艺方案拟定

2.1造型方法及涂料的选择

        基于单件生产、铸件材料（ZG06Cr13Ni4Mo，工程结构用中高强度不锈钢）、尺寸、精度及技术要求等综合考虑，通过查阅相关资料，可选的合适铸造方法只有木模树脂砂铸造或者消失模铸造两种方法。需要浇铸的产品上冠铸件属于中大型简单铸件，如果采用消失模铸造，其加工余量少，而且可以精确成型，无须起模，无分型面，无型芯，因而铸件无飞边毛刺，减少了由型芯组合而引起的铸件尺寸误差。另外消失模铸造大大地简化了砂型铸造及熔模铸造的工序。所以本次设计选择消失模树脂砂型铸造来生产此铸件。

   由于铸钢的熔点高，相应的浇注温度也高，而高温下钢水与铸型材料相互作用，极易产生粘砂缺陷，因此采用耐火度较高的石英砂作为铸型型砂；而泡沫模型表面的涂料选择耐高温的醇基锆石粉涂料。

考虑到燃烧泡沫模型会产生大量气体，因此在浇注前先通过冒口使用乙氧炔将泡沫烧除一部分，然后通过浇注系统将高温液态金属浇到型腔中。这样减少了砂型在浇注时的发气量，提高了铸件质量。

  2.2方案拟定过程

在本次大赛的准备过程中，首先在不设置冒口和冷铁的情况下先对铸件进行模拟浇铸，了解铸件中的缺陷，进而查找资料分析其缺陷产生的原因和机理，再根据问题所在和设计原则归纳出认为合理的铸造工艺方案，并按照合适的计算方法计算出各方案中所需的相关尺寸，再用UG绘出三维模型图，经ProCAST软件分析合理后确定最合理方案。

设计流程图：

3.不设冒口模拟浇铸

3.1初选浇铸工艺图

3.2模拟结果分析

  3.2.1 模拟结果图

图3.2 缩孔位置分布模拟图

3.2.2 主要缺陷分析

由上图3.2看出在铸件内部产生了大量缩松缩孔，这是由于铸钢的铸造性能不如铸铁，钢液易氧化，流动性较差，收缩大，所以在浇注时容易产生浇缩孔和缩松缺陷。而且由于气体排放不够通畅，上部表面也会局部区域有凹陷。

改进措施：增设明冒口于铸件放置时厚大部位的上端，它可以提供该铸件在成型过程中由于体积变化而需要补偿的金属液，实现顺序凝固，可以有效的防止铸件出现缩孔缩松缺陷，并在铸型用型砂中加入锯末来改善砂型的透气性。

4.铸造工艺方案设计

4.1 可行方案的设计

     实型铸造在实际生产中多采用底注式浇注方式，这样金属液上升时有利于排气浮渣，防止模样热残留产物卷入金属液中及形成缺陷。内浇道的设计的关键点是力求整个铸件充填过程均匀，避免模样残渣堆积造成铸件夹渣缺陷内浇口要保证铸件各部分充型的时间差异不能太大。根据浇铸问题所在和相关设计原则归纳出认为可行的两种铸造工艺方案，如图4.1所示。

4.2 主要参数选择

4.2.1主要铸造工艺参数的选择

(1)加工余量：根据零件加工部位的基本尺寸，上下两底面留加工余量为15mm，侧面为圆弧面，工作面留15 mm,内腔面留加工余量为10mm。

(2)收缩率：铸造体收缩率取10%，线收缩率取2% 。

(3)铸件质量：用UG造型，增加加工余量后计算得铸件体积340.4cm3,质量2126.5 kg。

4.2.2浇注位置选择

(1)方案一：浇道适当离铸件模型远一点。内浇道的位置选择整箱铸件最低位置，浇注系统选用底注式，浇注系统设计如图4.2所示，便于液态金属能充型平稳，气体排出。

 (2)方案二：将泡沫铸型倒置（即大面朝上，小面朝下），并将横浇道设置在

铸件腰际，对比模拟，并从中发现不同，进而选择最优方案。浇注系统设计如图4.3所示。

4.3浇注系统设计计算

铸件化学成分如表4.1

表4.1 ZG06Cr13Ni4Mo成分（wt%）

   可以查到ZG06Cr13Ni4Mo的相关性能参数：

（1）其最大自由线收缩可达2.5%，但在冷却过程至300℃左右发生马氏体相 变，体膨胀量为0.54%，可以抵消部分自由收缩量。冷去至室温自由线收缩约为2.00%，体积收缩量约为10%。

（2）固相线温度为1455℃，液相线温度为1490℃，取浇注温度为1600℃。

4.3.2钢液上升速度 

根据浇注系统的钢液上升速度计算法，查表知钢液在型中上升速度（mm/s）在15 mm/s-- 30 mm/s之间，取=22mm/s。

4.3.3 浇注系统截面尺寸设计

用奥赞公式可计算阻流截面积：

M为浇注重量，铸件质量， 取=65%

已知ZG06Cr13Ni4Mo的固态密度为7.75g/cm3，而其体收缩率为10%，

则根据质量守恒定律得

： = 1：（1+0.1）

求得            

=7.045 g/ cm3

浇注系统流量损耗因素，查表得湿型中等铸型阻力；

浇注时间

，取60s 。

浇注速度

V =M/=2785/60=46.417 kg/s

包孔浇注速度 

=1.3*V=1.3*46.417=60.342 kg/s

  浇注温度      

t =1600℃

查表得浇注系统尺寸如表4.2所示

表4.2 浇注系统尺寸示意图

4.4冒口设计计算 

4.4.1模数的计算

热节圆直径  =222mm   b=（850-300）2=275mm   平均壁厚c=75mm

散热面积法计算热节模数

顶冒口

、—分别为冒口模数和被冒口补缩部位的铸件模数

得  ≈6.46cm     ≈6.46cm～7.75 cm   取≈7.0cm

4.4.2冒口尺寸设计与补缩量的计算

根据顶冒口的模数和金属液态体收缩率（一般铸钢件取为6%），查铸造工艺手册可选择冒口的尺寸为 a*b*h=320mm*480mm*400mm

即所设计冒口最大能补缩的铸件体积  

冒口最大能补缩的质量  

补缩距离L=4dy=4*222mm=888mm

冒口个数N===1.87，取N=2。

 4.4.2 冒口设计示意图

5.1主要物性参数设定

对实体网格划分后，进行边界条件与参数设置。为更接近铸钢的模拟效果，经过多次修改试验，选择较成功的数据。重要参数如下表所示。

表2 树脂砂相关物理参数

材料

用 procast模拟对两种方案的成形结果预测。采用控制变量法，分别对其表面质量、内部缺陷进行比较，结合实际消失模铸造工艺特点，选择一个可行性较高的方案。再加以改进，加冷铁进一步优化铸件质量，做到工艺最简洁，效益最高。

5.3初始条件及边界条件

模拟的初始条件和边界条件具体数据如下：金属液浇注温度为1600℃；EPS和树脂砂初始温度都为25℃；浇注时间约为60s；重力加速度9.8m/s2 ，沿y轴负方向，金属液、铸件与砂型的传热系数为500 W/m2/K。

5.4模拟结果及分析

5.4.1充型状态的模拟结果与分析

铸件不同时刻的充型状态如图5.1所示。

（a）方案一 

如图5.1是铸件两种不同放置方式充型状态的模拟结果，由上图可知采用底注式和腰间注入式浇注时充满型腔的时间分别为：60s、61s。比较知采用底注方式时充满时间较短，而且采用底注方式时横浇道与浇口杯高度相差较大，压强较大，这样可金属液充型更快，使铸件的充型更均匀。从以上两方面来讲，方案一的结构更为合理。

5.4.2缩松缩孔和裹气的模拟结果与分析

各方案缩松缩孔情况见图5.2。

上述两组方案中直浇道、横浇道、内浇道的截面积相等，冒口也一样。虽然均匀设置的内浇口有利于减少铸件中部热节区域的缩孔、缩松，但方案二中铸件区中出现了少量缩孔缩松，而铸件一中缩孔缩松基本都在冒口区中，铸件区基本没有缩孔缩松，这是因为内浇道的开设位置不同，就会造成浇铸结果的不同。由图中分析结果可以看出方案一所能达到的成形效果比方案二更好。

5.4.3凝固温度——时间曲线对比分析

（a

将方案一与方案二的温度-凝固时间曲线进行对比，方案一的明显要密集一些，说明温度梯度较小，趋于同时凝固。

从模拟结果来看，用液态补缩原理，用UG三维造型测量体积，得出

方案一的出品率,

方案二的出品率

铸造件出品率，方案一明显高于方案二，且出品率也不低，铸件质量也较好，故而这是的所选择的方案。

6.改进方案的模拟结果

改进方案的目的主要是在于减小铸件内缩松缩孔的数量，所以就增设了一个冒口，增大了补缩量，从而使铸件内缩松缩孔的数量大大的减少了，图6.1是两方案缩松缩孔形态及裹气模拟示意图。

改进后方案的模拟结果可以达到了消除原方案缺陷、改进铸件质量的目的。

7.小结

正所谓“实践出真知”，通过本次铸造工艺设计大赛，学习到了很多课本上学不到的知识。其将所学的CAD、UG运用到实际生产问题中，让深刻地认识到铸造这种材料成形工艺的复杂性和多变性，同时让体会到铸造这门实践性很强的课程的博大精深和自身知识体系的欠缺。不仅使对成型工艺理论有更深入的学习，并且结合铸造工艺的相关知识，实际考察了解了生产实况，走访咨询专业师傅，大大拓宽了的学习范围与认知视野，更加深刻的体会到了理论与实际的联系与差异。

在本次大赛的准备过程中，通过商议首先决定在不设置冒口和冷铁的情况下先对铸件进行模拟浇铸，在经过ProCAST软件分析后，使其暴露出铸件中的缺陷，进而按照参考书中对铸钢件缺陷产生的原因和机理推断出铸件在浇铸过程中出现的问题和浇铸成功的关键所在，然后再根据问题所在和设计原则归纳出认为合理的铸造工艺方案，并按照合适的计算方法计算出各方案中所需的相关尺寸，再用UG绘出三维模型图，经ProCAST软件分析合理后确定最合理方案，撰写说明书。

经过近一个月的努力，从收集资料到自学分析软件procast，再到设计方案完成铸造，整个团队一起克服了很多困难。其中，老师的支持鼓励和严格要求促使能够精益求精，不断修改方案，力求完美。在此对帮助的老师和同学表示衷心的感谢，当然更要感谢组委会给提供了一个探索、学习、挑战的平台！

放眼未来，长空万里。在接下来的学习和生活中，将继续发扬这种刻苦钻研的精神，学习老一辈铸造业专家、学者和老师们的严谨学风及优良品质，为我国铸造行业的快速可持续的发展尽自己最大的努力！

8.参考文献：

[1]   章舟，王春景，邓宏运．消失模铸造生产实用手册[M]．北京：化学工业出版社，2010.

[2]   王文清，李魁盛．铸造工艺学[M]．北京：机械工业出版社，2010.

[3]   丛勉. 铸造手册（第2卷）•铸钢.北京：机械工业出版社，1997.

[4]   姜希尚.铸造手册（第五卷）•铸造工艺.北京：机械工业出版社，1994.

其它参考文献

[5]   周述积，侯英玮，茅鹏．材料成型工艺[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[6]   李日，马军贤，崔启玉．铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通[M]．北京：中国水利水电出版社，2010.

[7]   李魁盛．铸造工艺设计基础[M]．北京：机械工业出版社，1981.

[8]   陈国桢，肖柯则，姜不居．铸件缺陷和对策手册[M]．北京：机械工业出版社，1996.

[9]   陆文华，李隆盛，黄良余．铸造合金及其熔炼[M]．北京：机械工业出版社，2004．

[10]  高哲. 消失模铸造工艺范例图集与车间设计布置规范、铸造过程质量控制和检验标准及汽车典型铸造技术实用手册[M].北京:中国知识出版社,2008.

[11]  叶茂荣，吴维冈，高景艳.铸造工艺课程设计手册[M].黑龙江：哈尔滨工业大学出版社，1988.

[12]  董秀奇，朱丽娟.消失模铸造实用技术. 北京：机械工业出版社，2005．