熔模铸造技术

第一章 绪论1.1选题背景及研究意义 气门是车船的重要机构之一，发动机在工作的时候，气门会进行频繁的打开和关闭。还会受到燃气带来的腐蚀和冲击，很容易使其产生氧化、磨损、腐蚀等失效形式。鉴于此，气门摇臂轴架支座需要具备良好的力学性能，而且要求其内部裂纹与残余应力尽可能少。 熔模铸造又称失蜡铸造，是一种少切削或无切削的精密铸造技术。所谓熔模铸造工艺，是用蜡制作所需零件的蜡模，再在蜡模上涂以耐火涂料经过干燥和硬化形成一个整体型壳，待型壳晾干后，放入热水中将内部蜡模熔化，最后将铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧，再向其中浇注熔融金属而得到铸件的方法。其最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工量，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。本课题选用此方法对气门摇臂轴架支座进行工艺设计。为了实现科学、高效的数字化设计，课题应用了铸造过程模拟仿真技术，该技术基于强大的有限元分析，可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程，通过模拟熔模铸造的充型、凝固和冷却过程，能够预测可能出现的缺陷及残余应力，验证工艺的正确性，并优化工艺参数。同时，本课题运用了3D打印技术。3D打印是一种新兴的材料成型方法，与传统的材料去除法或者变形成形法是不相同的，它采用的是材料逐渐累加的方法制造实体零件。该技术以三维软件为支撑，不需要传统的工装夹具、刀具或模具即可制造出任意复杂零部件，不仅设计修改相对灵活，而且成型周期短，可以在短时间内快速转化为实际生产中需要的样件，因此该技术能够缩短新产品的研制周期，降低产品的开发成本和风险。综上所述，本课题将熔模铸造的数值模拟技术与3D打印技术相结合，不仅可以优化铸造工艺，还可以对零件及熔模铸造模样进行快速制作，实现短周期、低成本、高质量的生产目的。此次设计过程是专业知识的一次综合应用，设计结果对同类型产品的生产具有一定的借鉴意义。1.2熔模铸造概述 1.2.1熔模铸造定义及工艺特点 熔模铸造又称"失蜡铸造"，通常是指在易熔材料制成模样，在模样面 包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。 熔模铸造工艺具有以下优点：(1)熔模铸件的尺寸精度高, 表面粗糙度小。 由于熔模铸造采用尺寸精确、 表面光消的可熔性模, 而获得了无分型面的整体型壳, 且避免了砂型铸造中的起模、 下芯、 合型等工序带来的尺寸误差, 熔模铸件的棱角清晰、 尺寸精度可达到 CT46 级, 表面粗糙度可达Ra0.81.25um. (2)适用于铸造结构形状复杂、精密的铸件 熔模铸造可铸造出结构形状复杂、精密,并难于用其他方法生产加工的铸件, 如各类涡轮、 叶轮、 空心叶片、 定向凝固叶片、 单晶叶片等,也可以铸造壁厚为0.5mm,铸孔最小为1mm的小铸件,质量小至1g,最大至1000kg,外形尺寸可达2000m m以上的铸件, 还可以将原来由许多零件组合的部件, 进行整体铸造。(3) 合金材料不受限制 各种合金材料, 例如碳钢、 合金钢、 不锈钢、 高温合金、 铜合金、 铝合金、 镁合金、 钛合金、 贵金属、 铸铁等均可以应用熔模铸造方法生产铸件, 特别是对于难以切削加工的合金材料,更适合于熔模铸造工艺。(4)大、小批量生产均可适用 熔模铸造工艺由于普遍采用金属压型来制造熔模,故适用于大批量生产, 但应用价格低廉的石膏压型、 易熔合金压型或硅橡胶压型 (常用于艺术品及首饰铸造) 来制模, 则也可以适用于小批量生产或试生产.1.2.2熔模铸造工艺过程(1) 压型设计 根据零件的铸造工艺设计图要求, 设计压型。(2) 制造压型 根据压型设计图纸要求, 加工钢材压型或铝合金压型或其他材料压型。(3) 制造熔模 用液压射蜡机或气动压蜡机,将糊膏状或液状蜡料注入压型,制成熔(蜡) 模。(4) 焊接组装模组 把蜡模焊接或粘接到预制好的蜡棒 (或浇注系统) 上, 组合成模组。(5)消脂 将模组浸人专用脱脂液中,使蜡模表面的油脂、脱模剂除去,以增加蜡模的涂挂性。(6) 制造型壳 在模组表面浸涂上耐火涂料 (浆料), 并撒上一层砂 (锆砂、 刚玉砂、 硅砂等), 再将已撒上砂粒的模组经 过干燥硬化 (硅溶胶型壳), 在硬化剂中使涂层硬化 (水玻璃型壳) 或经氨气干燥硬化 (硅酸乙酯型壳), 然后取出在空气中干燥, 这样重复数次, 在模组表面结成一定厚度的型壳。(7)熔失熔模 将已制成的型壳,放人蒸汽或热水中加热,将蜡模全部熔化,得到内部有空腔的型壳。(8) 型壳焙烧 将型壳放入加热炉中进行高温焙烧, 以烧去型壳中的残余蜡料、 各种挥发物以及水分, 以增加型壳的透气性和提高型壳的高温强度。(9) 液体金属浇注 将已熔化的化学成分合格的高温金属液浇注到已焙烧充分的热型壳中。(10)脱壳与清理 用手工或震动脱壳机脱壳、清砂、切割浇冒口后的铸件, 再经其他的 (11)检验 铸件最后须经检验合格,才可入库.1.3熔模铸造技术现状及发展趋势 1.3.1熔模铸造发展历史熔模铸造又称熔模精密铸造,失蜡铸造,是一种近净形的液态金属成型工艺,应用该工艺获得的每个铸件都是经多种工序,多种材料、多种技术共同协作综合的结果。熔模铸造是在可熔(溶)性模的表面重复浸涂上数层耐火浆料,经过逐层撒砂、干燥和硬化后,用蒸汽或热水等加热方法将其中的熔模去除而制成整体型壳,然后进行高温焙烧、浇注而获得铸件的一种铸造方法。由于用这种方法所得到铸件的尺寸精确、棱角清晰、表面光滑、接近于零件的最终形状, 因此是一种近净形铸造工艺方法, 故又称为精密铸造.世界失蜡铸造技术远在4000多年前就已经出现,最早应用失蜡法的是西亚(苏美尔人)、古代中国,埃及和印度。我国的失蜡铸造技术,最早应用于春秋早、中期,用来铸造生产各种青铜器皿,钟鼎及艺术品,其造型复杂华丽、纹饰细致精巧,铭文美观清晰,充分显示出当时我国的失蜡铸造技术及冶炼工艺就已有了高度发展.我国古代的失蜡铸造艺术珍品十分丰富, 如隋代开皇四年, 董钦造鎏金铜佛坛, 坛高41cm,座长24.7cm,宽24cm,整座佛坛为青铜鎏金,明代永乐,大威德金刚亥母鎏金佛像,高41.5cm,铜鎏金。现代熔模铸造工艺在20世纪开始形成,最初是牙科医生用熔模制造方法浇注金银假牙齿、制作珠宝首饰。第二次世界大战期间,用熔模铸造工艺生产出喷气涡轮发动机叶片、涡轮增压器等形状复杂,尺寸精确、表面质量很高且不易加工的铸件.此后,熔模铸造以其工艺及技术上的优势进人航空,国防及机械制造工业领域.进入21世纪以来,世界各地的熔模铸件的质量、产量、产值都有较大增长和提高。当前熔模精密铸造业正向精密,复杂、大型、部件整铸的方向发展,这样也就更能充分发挥熔模铸造所具有的技术优势和竞争力。从近10多年世界各国的熔模铸造业的发展和增长趋势及国际市场对熔模铸件的质量和需求量不断提升的情况看,今后若干年的发展速度仍将较快.。1.3.2国内熔模铸造发展我国的熔模铸造在20世纪50年代从苏联引进水玻璃黏结剂制壳工艺,开始应用于工业生产,经过数十年的努力,二十年来,新型优质黏结剂、新技术,新工艺、新设备、新材料的应用, 使我国的熔模铸造有了较优迅速的发展, 应用范围不断扩大。 目前熔模铸造工艺已在航空, 航天, 机械制造、 汽车 船舶、 医疗、 体育, 电子、 石油、 化工、 核能、 兵器等几乎所有工业部门中得到广泛应用。 近年来, 在制壳机械化及自动化方面也有一定的进展, 悬链式连续制壳和干燥线及机械手自动沾浆、 撒砂制壳生产线, 已开始投入实际生产应用.近十年来, 我国的熔模铸造在继承古代传统工艺的基础上, 应用现代的工艺技术, 复制出精美的古仿物及艺术品, 使精铸工艺技术重现光辉, 展示出广阔的前景.1.3.3国外熔模铸造发展趋势信息技术对各行各业的发展是非常重要的，对压铸模具业的发展更是如此，开发并利用好信息资源，使生产经营活动借助信息的及时处理、顺畅流通而高质量、高效率的运作，才能使行业更好更快的发展。从国家的宏观政策、行业发展、国际和国内的市场容量来看，大型精密复杂熔模铸造模具和压铸模具的国际、国内的市场很大，仅世界汽车工业巨头美国克莱斯勒一家在中国寻找模具设计制造意向的模具订单有3亿元人民币，只要合作公司技术设备实力就有可能拿到订单，同时，我国的熔模铸造模具用料考究、制作精良、尺寸精度高、符合客户标准要求、使用寿命和铸件质量达到了国际先进水平，同时具有明显的价格优势。我国出口的熔模铸造模具集中在欧洲、北美、日本、韩国等地，部分企业的出口模具量已占总产值的30%以上。投资大型精密模具项目有理论和实践根据，才能不至于盲目，才有可能获得更好的收益。 据悉，我国模具出口到欧洲的汽车油底盘压铸模由于价格优势强、设计先进、制作精湛等优点，一再得到外商认可，一再追加订单。可见我国的熔模铸造模具产业的海外市场发展非常火速，未来定会步步高升。1.4数值模拟与仿真 1.4.1数值模拟技术基础 数值算法是铸造过程数值模拟的计算机数学基础。 常用的数值算法包括有限差分法 (Finite Difference Method, FDM) 有限元法 (FiniteElement Method, FEM) 和边界元法 (Boundary Element Method, BEM)等。 新的数值计算方法与技术, 如无单元法 (Element Free Method,EFM) 并行计算技术等不断涌现。 数值计算是基于对计算域的离散。不同数值方法对应的计算域的离散方法不同。 同时不同数值算法对边界的处理也不同, 计算效率和计算精度也存在差异。 总之, 各种方法都有其适用范围, 这也是新方法产生的动力。 如在铸造过程数值模拟中有限差分法广泛应用于铸件凝固过程的温度场计算、 充型过程数值模拟等方面, 相对来说, 简便实用。 而有限元法主要应用于应力分析, 也有用于温度场计算和流动场分析的。 1.4.2铸件充型过程数值模拟铸件充型过程中会产生氧化,传热、热损失,冲击破坏等一系列化学和物理的变化,因此充型过程与铸件质量密切相关。铸造过程中产生的许多缺陷都与铸件的充型过程有着密不可分的联系。 但长期以来, 铸造过程的数值模拟主要集中在凝固过程的模拟研究上, 这就使得数值模拟只能对缩孔缩松等缺陷进行预测,而对于充型过程中产生的缺陷如浇不足、冷隔、夹渣等缺陷则不能很好地利用计算机模拟技术进行预测。 采用数值计算方法, 不仅可以模拟出液态金属在铸型中的流动状态, 并根据模拟得到液态金属的流动速度、 压力等变化规律优化浇冒口系统设计,防止浇道中吸气, 消除流股分离现象以避免氧化,减轻液态金属对铸型的冲蚀,而且可以模拟出液态金属的温度分布,从而预测浇不足、 冷隔等缺陷, 为后续的凝固过程模拟分析提供初始温度场条件。传统的凝固过程数值模拟是建立在“瞬时充满”的假设基础上,铸件各部分初始温度均为浇注温度。 对于厚大铸件而言, 这种假设是比较合理的, 但对于薄壁铸件, 这种假设则会带较大的计算误差。 因此, 在有些情况下必须考虑铸件的充型凝固过程, 对充型过程和伴随的温度降低,、金属凝固现象一并考虑,这样得到的初始温度分布可以为进一步的凝固过程模拟提供初始条件。可见,充型过程的数值模拟是铸造过程数值模拟技术的一个重要组成部分。虽然液态金属的充型过程模拟日益引起人们的重视,但充型过程不仅涉及流体的流动问题,而且还伴随着温度下降与金属凝固现象的发生,因而充型过程的数值模拟极为复杂。它涉及的控制方程多、计算量大而且迭代结果容易发散, 特别是自由表面的处理问题难度大,且模拟结果难于验证, 使充型过程的数值模拟工作与软件应用水平受到一定的阻力。 但随着计算机应用水平、 数值方法和实验技术的进步,铸件充型凝固过程的数值模拟工作已经越来越成熟铸件充型过程的数值模拟包括很多内容, 如充型过程中自由表面的处理、 流场中速度和压力的求解、 紊流流动现象的处理、 充型过程对凝固过程的影响、 充型过程对铸造缺陷形成的影响等。1.4.3铸件凝固过程数值模拟 在铸造成形方法中, 凝固过程是指高温液态金属由液相向固相的转变过程。 在这一过程中, 高温液态金属所含有的热量必须通过各种途径向铸型和周围环境传递, 逐步冷却并进行凝固, 最终形成铸件产品。 在此过程中热量的传递包括: 金属及铸型内部的热传导, 金属与大气间的辐射传热和对流传热等, 实际上包含了自然界所有的三种基本传热方式。 铸件凝固过程数值模拟的任务是建立铸件凝固过程中传热的数学模型, 并通过数值方法进行求解, 从而得到铸件凝固过程的规律, 预测铸件缺陷 (缩孔、 缩松) 产生的可能性及位置。 本章主要介绍应用有限差分法进行铸件凝固过程数值求解的方法及对铸件缩孔, 缩松缺陷的预测。1.5 3D打印3D打印技术是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维物理实体的技术总称。其基本过程是: 首先设计出所需零件的计算机三维模型 (数字模型, CAD模型), 然后根据工艺要求,按照一定的规律将该模型离散为一系列有序单元, 通常在Z向将其按一定厚度进行离散(习惯称为to hold分层),把原来的CAD模型变成一系列的层片,再根据每个层片的轮廓信息,输入加工参数,自动生成数控代码,最后由快速成形机生成一系列层片并自动将它们连接起来, 得到一个三维物理实体。 这样就将一个复杂的三维加工转变成对一系列二维层片的加工, 因此大大降低了加工难度, 并且成形过程的难度与待成形的物理实体形状和结构的复杂程度无关,即降维制造。 在3D打印技术的发展过程中,人们对该项技术的认识逐步深入,其内涵也在逐步扩大。3D打印技术主要采用了分层制造的思想, 实际上这一思想是自古即有的, 如房屋、 大坝等各种建筑都是分层制造的, 但它成为一项成形技术、 一个自动化的过程来制造零件则是计算机技术、 数控技术、 激光技术、 材料和机械科学等发展和集成的结果, 具有鲜明的时代特征。 在成形概念上它以离散/堆积成形为指导思想,在控制上以计算机和数控为基础,以最大柔性为目标。因此,只有在计算机技术和数控技术高度发展的今天, 才有可能产生3D 打印技术, CAD 技术实现了零件的曲面或实体造型, 能够进行精确的离散运算和繁杂的数据转换; 先进的数控技术为高速精确的二维扫描提供必要的基础,这是精准高效堆积材料的前提;而材料科学的发展则为3D打印技术奠定了坚实的基础,其每一项进步都将给3D打印技术带来新的发展机遇。目前,3D打印技术中材料的转移形式可以是自由添加、 去除、 添加和去除相结合等多种形式, 构成三维物理实体的每一层片一般为2.5维层片,即侧壁为直壁的层片,同时也出现了由3维层片构成实体的工艺。第二章 熔模铸造铸件工艺设计2.1零件结构的铸造工艺性分析零件三维模型图如图2-1所示图2- 1 铸件结构审查标准（1） 为防止缩孔、裂纹等缺陷，铸件壁厚应尽可能均匀，以减少热节，连接处应平缓逐渐过渡，壁与壁交界处应做成圆角。（2） 为防止变形、夹砂等，应该尽量避免大平面，或者适当设置工艺筋。（3） 为便于生产和减少缺陷，铸孔（槽）不应该太小和太窄。 （4） 铸件结构应该方便熔模从压型中取出。（5） 有利于熔模留在同一型块中。 表2-1 熔模铸件的最小壁厚 （单位：mm）铸件材质铸 件 轮 廓 尺 寸>10-50>50-100>100-200推荐值最小值推荐值最小值推荐值最小值铸铁1.5-2.01.02.0-3.51.52.5-4.02.0 碳钢2.0-2.51.52.5-4.02.03.0-5.02.5 表2-2 最小铸出孔的孔径与深度 （单位：mm）孔径最大孔深通孔不通孔3-55-10<55-1010-305-1510-2030-6015-2520-4060-12025-5040-60120-20050-8060-100200-30080-100>100300-350100-120通过零件结构分析可得零件共包含四个通孔，其中三个通孔大小分别为16mm、18mm以及22mm，根据表2-2分析可知所有孔均可铸出。但最后一个孔径为3，孔深为16mm，根据表2-2分析可知无法铸出。铸件材质选择为球墨铸铁, 零件基本尺寸为长X宽X高=83X45X62 单位：mm 零件表面积为16321.6mm2 零件体积为41135.4mm3球墨铸铁密度为7.3g/cm3，根据计算零件质量约为g2.2铸造工艺方案的确定2.2.1浇注位置确定确定浇注位置需要考虑以下原则：（1） 铸件重要部位应该尽量位于下方。（2） 重要加工面应该朝下或呈直立态。（3） 应需要保证浇注时金属液能充满铸件并且有利于铸件补缩。2.2.2铸件基准面的选择铸件划线、铸件机械加工都需要确定基准面。基准面选择原则为：应该尽可能让铸件基准面与设计和机械加工基准面一致；铸件基准面一般选择非加工面若选择加工面时，最好是加工量较少的面；基准面的数目应该能约束六个自由度、符合六点定位原则；基准面应该是尺寸比较稳定的平整、光洁表面。2.3铸造工艺参数的选择与计算2.3.1铸件尺寸公差熔模铸造铸件一般尺寸公差为CT4-7级。水玻璃型壳熔模铸造工艺所生产铸件尺寸公差为CT7-8级。表2-3 铸件尺寸公差值（GB/T6414-1999） （单位mm）铸件基本尺寸铸件尺寸公差等级 CT345678<30.140.200.280.400.560.80>3-60.160.240.320.480.640.90>6-100.180.260.360.520.741.0>10-160.200.280.380.540.781.1>16-250.220.300.420.580.821.2>25-400.240.320.460.640.901.3>40-630.260.360.5.0.701.001.4>63-1000.280.400.560.781.101.6本课题设计采用CT72.3.2铸件表面粗糙度 表2-4 熔模铸件表面粗糙度Ra （单位m）工艺方法铸态精整后水玻璃型壳工艺12.5-6.33.2硅溶胶、硅酸乙酯工艺6.3-3.21.6-0.82.3.3铸件加工余量 表2-5 熔模铸件单面加工余量 （单位:mm）铸件基本尺寸切削加工磨削加工冒口设置处<400.7-1.00.2-0.52.04.-1001.0-1.50.5-0.73.0100-2501.5-2.00.7-1.04.0250-5002.0-3.01.0-155.02.3.4综合线收缩率铸件壁厚/mm模料型壳分类综合线收缩率（%）自由收缩部分受阻收缩受阻收缩1-30.6-1.20.4-1.00.2-1.81.2-1.81.0-1.60.8-1.40.6-2.21.4-2.01.1-1.7>3-100.8-1.40.6-1.20.4-1.01.4-2.01.2-1.81.0-1.61.8-2.41.6-2.21.3-1.9>10-201.0-1.60.8-1.40.6-1.21.6-2.21.4-2.01.2-1.82.0-2.61.8-2.41.5-2.1>20-301.2-1.81.0-1.60.8-1.41.8-2.41.6-2.21.4-2.02.2-2.82.0-2.61.7-2.3>301.4-2.01.2-1.81.0-1.62.0-2.61.8-2.41.6-2.22.4-3.02.2-2.81.9-2.5注:低温模料，硅酸乙酯或硅溶胶-硅石粉涂料，多层型壳。-低温模料，水玻璃-硅石粉涂料，多层型壳。-中温模料，硅酸乙酯或硅溶胶-电熔刚玉涂料，多层型壳。2.4浇冒口系统的设计2.4.1浇冒口的作用浇冒口是指为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。浇冒口系统在熔模铸造中不仅能引导金属液充填型腔，而且在铸件凝固过程中它还能补缩铸件，在制作型壳过程中支撑型壳，脱蜡时作为脱蜡通道。浇冒口的型腔是存贮液态金属的容器，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不相同。浇冒口作用如下：1、对于凝固过程中体积收缩不大的合金(如灰铸铁)，或不产生集中缩孔的合金（如锡青铜），浇冒口的作用主要是排放型腔中的气体和收集液流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液，以减少铸件上的缺陷。2、对于要求控制显微组织的铸件，浇冒口可以收集液流前沿已冷却的金属液,避免铸件上出现过冷组织。3、对于凝固期间体积收缩量大而且趋向于形成集中缩孔的合金（如铸钢、锰黄铜及铝青铜等），浇冒口的主要作用是补偿金属液在型腔中的液态收缩和铸件凝固过程中的收缩，以获得没有缩孔的致密铸件。2.4.2浇冒口系统的结构形式常见浇冒口形式如下：(1)由浇口杯、直浇道和内浇道组成的浇注系统,直浇道兼有冒口的作用。不同铸件在直浇道周围按不同的数目和层次分布着。为便于生产组织、简化设计可将直浇道相应分成几种规格。为了保证直浇道有足够的补缩能力,根据经验,直浇道的断面积应为内浇道面积的1.4倍。为保证建立起有效的液体金属静压力,通常最上层的熔模与浇口杯顶面的距离不应小于60100m。为减轻液体金属的冲击作用和避兔产生飞溅现象,应使最下层熔模内浇道离直浇道底部有1020mm的距离,先进入下层内浇道以下的直浇道部分的液体金属在此处起液垫作用。(2)带横浇道的浇冒口系统如图2.4.2.1所示带横浇道的浇冒口系统1铸件 2一直浇道 3浇口杯 4一横浇道5一内浇道(3)由直浇道(或冒口)直接引入铸件的浇冒口系统,图2.4.2.2所示为整铸涡轮,外缘有14个叶片,液体金属由冒口引入铸件,球形冒口热模数口大,加上离心浇注,大大改善了充填和补缩能力,可得到合格铸件。 由冒口直接引入铸件的浇冒口系统 1-冒口 2-铸件(4)带补缩冒口的浇冒口系统对于中型、小型熔模铸件常用直浇道(横浇道)来实现补缩,一个模组有多铸件。但对尺寸较大、形状复杂且又有多个热节的铸件,或质量要求高的铸件,往往需要一个铸件单独设置浇冒口系统,如图2.4.2.3所示。冒口有顶冒口、侧面口明冒口、暗冒口几种形式。带冒口的模组1- 铸件 2-明冒口 3-连接桥 4-浇口杯5-直浇道 6-横浇道 7-内浇口 8-暗冒口2.4.3浇注系统计算2.4.3.1浇注系统的类型和适用范围浇注系统的分类有两种方法:-种是根据各组元的断面积比例关系不同，即阻流断面位置"的不同，大致分为封闭式和开放式等浇注系统;另一种是按内浇道在铸件上的相对位置不同，分为顶注式、底注式、中间注人式和分层注人式等几种浇注系统。()按断面积比例关系 分类(1)封闭式浇注系统封闭式浇注系统的阻流截面是内浇道，各组元断面积的比例关系是: A杯>A直>A横>A内其中，A杯、A直、A横、A内分别表示浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道各组元最小处的总截面积。封闭式浇注系统的特点是:浇注开始后，金属液容易充满浇注系统;其挡渣能力较强，但充型液流的速度较快，冲刷力大，易产生喷溅;金属液消耗少，且清理方便。适用于铸铁湿型小件及干型中、大铸件。(2)开放式浇注系统开放式浇注系统的阻流截面在直浇道上端(或浇口杯底孔)。各组元断面积的比例关系是:A直上<A直下<A横<A内其中，A直上、A直下分别表示直浇道上端(或浇口杯底孔)、直浇道下端总截面积。开放式浇注系统的特点是:当各单元开放比例较大时，金属液不易充满浇注系统，呈无压流动状态，充型平稳，对型腔冲刷力小;挡渣能力较差;金属液消耗量较多，不利于清理常用于有色合金、球墨铸铁及铸钢等易氧化金属铸件，灰铸铁件上很少应用。(3)半封闭式浇注系统 半封闭式浇注系统各断面的比例关系是:A横>A直>A内半封闭式浇注系统的特点是:阻流截面在内浇道上，横浇道截面积最大;浇注中，浇注系统能充满，但较封闭式浇注系统晚;具有一定的挡渣能力;由于横浇道截面积大，金属液在横浇道中流速减小，故又称为“缓流封闭式浇注系统”。适用于各类灰铸铁件及球铁件。(4)封闭-开放式浇注系统封闭-开放式浇注系统各断面积的比例关系是:A杯>A直<A横<A内A杯>A直> A集渣包出口A直>A阻<A横后<A内 A直>A阻<A内<A横后其中，A阻指阻流片处总截面积;A横后指阻流断面之后横浇道截面积。这种浇注系统的特点是:阻流截面设在直浇道下端，或在横浇道中，或在集渣包出会，或在内浇道之前设置的阻流挡渣装置处;阻流截面之前封闭，其后开放，故既有利于挡江，又使充型平稳，兼有封闭式和开放式浇注系统的优点。适用于各类铸铁件，在中、小件上应用较多，特别是在一 箱多件时应用广泛。()按内浇道的位置分类 (1)顶注式浇注系统 顶注式浇注系统的特点是内浇道设在铸件的顶部。顶注式浇注系统有如下几种形式: 一般浇口，用于要求不高的简单小件; 楔形浇口，浇道窄而长，断面积大，适用于薄壁容器类铸件; 搭边浇口，金属液沿型壁流入，充型快而平稳，适用于薄壁铸铁件和铝合金铸件; 压边浇口，金属液经压边窄缝进人型腔，充型慢，有一-定补缩和挡渣作用，结构简单、易于清除，多用于中小型厚壁铸铁件; 淋式浇口，金属液经型腔顶部许多小内浇道进人型腔，与其他顶注式浇注系统相比，对型腔的冲击力小，适用于要求较高的筒类铸件，如缸套、机床卡盘、柴油机缸体等。 顶注式浇注系统有如下特点:型腔易于充满，可减少薄壁铸件浇不足、冷隔等缺陷;浇注系统的结构简单而紧凑，便于造型，金属消耗量也少;型腔充满后，铸件的上部温度高于底部，有利于铸件自下而上的顺序凝固和冒口的补缩，可以减小轴向缩松倾向及冒口体积;液流对铸型底部的冲击力较大，流股与空气接触面积大，金属液会产生激溅、氧化，易造成砂眼、铁豆、气孔、氧化夹渣等缺陷。(2)底注式浇注系统内浇道设在铸件底部的浇注系统称为底注式浇注系统。底注式浇注系统有如下几种形式。-般形式浇口。内浇道在铸件底部，金属液引人平稳，冲击力小，利于排气。铸件下部温度高，不利于补缩，因此对凝固体收缩率大的合金，一般要点浇冒口。适用于高度不大的铸钢件、铝合金铸件、无锡青铜和黄铜铸件。也用于质量要求较高、形状复杂的铸铁件。底雨淋式浇口。型内金属液上升平稳且不发生旋转运动，可减少金属液氧化和飞溅，熔渣不易黏附在侧壁上，不利于补缩。适用于要求较高、形状复杂的板类和大型机床床身等铸二铁件，黄铜与无锡青铜蜗轮、活塞体、轴衬等铸件上也广泛应用。牛角式浇口。常与过滤网配合使用，使金属液平稳地充型。用于各种铸造齿轮、有砂芯的盘形铸件以及有色金属小铸件。为避免出现“喷泉”现象，可将牛角倒置，采用反牛角形浇注系统。底注式浇注系统的特点是:内浇道基本上在淹没状态下工作，充型平稳，可避免金属液发生激溅、氧化及由已巴形成的铸件缺陷;无论浇口比是多大，横浇道基本工作在充满状态下，有利于挡渣，型腔内的气体容易顺序排出;型腔充满后，金属的温度分布不利于顺序凝固和冒口补缩。内浇道附近容易过热，导致缩孔、缩松和晶粒粗大等缺陷:金属液面在上升中容易结皮，难于保证高大的薄壁铸件充满，易形成浇不到、 冷隔等缺陷，金属消耗较大。为了克服这些缺点，采用快浇和分散的多内浇道，使用冷铁、安放冒口或用高温金属补浇冒口等措施，常可收到满意的结果。(3)中间注人式浇注系统两箱造型是生产中、小型铸件最常用的造型方法，而且大多数在分型面上开设横浇道、内浇道，铸件位于上下两箱中，如图4-26所示，这种浇注系统称为中间注人式浇注系统。对内浇道以下的型腔来说，相当于顶注式浇注系统;对内浇道以上的型腔来说，相当于底注式浇注系统。故它兼有顶注式和底注式浇注系统的优缺点。由于内浇道在分型面上开设，故极为方便，广为应用。适用于高度不大的中等壁厚(铸钢件壁厚约50mm, 灰铸铁件20mm) 铸件。中间注人式浇注系统主要有如下几种形式。- -般形式的浇注系统 内浇道开设在铸件中部某一高度上， 金属液从分型面注人，恭有顶注式和底注式的优缺点。生产中应用广泛，适用于壁厚较均匀、高度不太大的各类中、小型铸件。阻流式浇注系统 分为水平阻流式和垂直阻流式两类。由于阻流片很窄(4-7mm)，从浇口杯到阻流片这一段封闭性强，有利于挡渣。从阻流片流出的金属液进人宽大的横浇道，流速减慢有利于夹杂物上浮。缓流式浇注系统利用在分型面上、 下安置的多级横浇道，增加金属在流动过程中的阻力，使之充型平稳。当F直>F内时能挡渣，如果同时使用过滤器，可增强挡渣能力。与阻流式相比，对型砂质量要求较低，适用于成批或大量生产的较重要的、复杂的中、小铸件。(4)分层注人式浇注系统采用分层注人式浇注系统时，金属液自下而上分层进入型腔，见图4-27。采用这种浇注系统，金属液的冲击力小，充型平稳.分层注人式浇注系统主要有两种形式。阶梯式浇注系统 在铸件不同高度上开设多层内浇道的浇注系统称为阶梯式浇注系统。阶梯式浇注系统具有以下优点:金属液首先由最底层内浇道进人型腔，随着型内液面上升，自下而上、顺序地流经各层内浇道，因而充型平稳，型腔内气体排出顺利;充型后，上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和冒口的补缩，铸件组织致密，能避免缩孔、缩松、冷隔及浇不到等铸造缺陷;利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。主要缺点是:造型复杂，有时要求几个水平分型面，要求正确的计算和结构设计，否则容易出现上下各层内浇道同时进人金属液的“乱浇”现象，或底层进人的金属液过多，形成下部温度高的不理想的温度分布。阶梯式浇注系统适用于高度大的中、大型铸件，具有垂直分型面的中大件可优先采用。垂直缝隙式浇注系统充满。其充型过程平稳，有利于排气和顺序凝固，获得的铸件组织致密。适用于小型、质量要求较高的非铁合金及铸钢件，也适用于一些高度较大的铸铁实体件和垂直分型铸件。总之，选择浇注系统类型时要综合考虑多种因素，包括铸件的浇注位置、分型面、铸件的结构、尺寸、合金的铸造性能以及是否应用冒口、冷铁等。2.4.3.2 浇注系统参数计算(1)浇注速度的计算V(Kg/s)v=kL其中 L薄壁铸件的最大薄壁长度(mm) 薄壁铸件的壁厚(mm) K系数，顶注，K=0.05；侧注，K=0.06；底注，K=0.08根据计算得出浇注速度为0.34Kg/s(2)确定控制浇注速度单元的截面积A0 和压力头hp A0=23vphp hp=23vpA02本课题省略了横浇道横浇道横截面积Aru =(0.7-0.9)As代替冒口起主要补缩作用时：Aru =(1.0-1.3)As(3)浇道面积的计算此件表面积约为16321.6mm2，由图2.4.3-1查得矩形内浇道截面积约为116mm2， 图2.4.3-1表面积与内浇道截面积的关系 1矩形、椭圆形 2圆形 a细长杆，或者=6-10mm的铸件 b: <5mm的铸件由图2.4.3-2查得直浇道截面积约为510mm2，内浇道中心距约为45mm图2.4.3-2 内浇道与直(横)浇道截面积、内浇道中心距的关系 1横浇道 2直浇道设计直浇道和浇口杯如图所示，取D=25mm、D1= 23mm则D2=58mm、D3=70mm、h=250mm、h1=10mm、R=5mm如图所示确定内浇道尺寸为H1=10mm、 H2=8mm、高为10mm以及2mm2.4.3.3气门摇臂轴支座浇注温度的确定合理的浇注温度是提高气门摇臂轴支座铸件质量的保障。提高浇注温度能增强合金液体的流动性，使得金属液完全的充满空腔，但是过高的浇注温度会使得铸件收缩增大，铸件会产生缩孔等缺陷；但是浇注温度过低，将会降低高温合金的流动性，使得金属液不能完整充满型腔，铸件容易产生浇不足等缺陷。 所以设置合理的浇注温度参数能够保证铸件的质量。根据生产经验一般浇注温度高于合金液相线温度100-150。结合本课题的气门摇臂轴支座结构，材料合金性能等，将浇注温度确定为1450。2.6型壳的设计与制造2.6.1型壳概述熔模铸造采用的铸型常称为型壳，型壳与铸件质量有密切的关系。型壳按制造过程可分为：实体型壳和多层型壳两种。现在采用较多的为多层型壳；再生产薄壁件或要求铸型有一定温度的高温合金铸件时可把多层型壳放置于有底砂箱内，填充干砂造型，形成干法实体型壳使用。从宏观上看，型壳除硅凝胶和耐火粉、砂这些固体外，还存在着气体和空隙。从微观上看，型壳有多种化学成分以及矿相组织，它们在高温下主要形成晶相和非晶相两种物相。总之，从宏观到微观型壳都是一种多相非均匀体系。一般中小型铸件型壳以整体型壳较佳，分层型壳适合于大型铸件2.6.2型壳材料的选择2.6.2.1制作型壳用耐火材料耐火材料是型壳的基本材料,占型壳重量90%以上,对其性能有影响。按用途耐火材料可分为涂料浆使用的粉状料,作为增强型壳的撒砂材料,以及制造陶瓷型芯用耐火材料三种。 对熔模铸造用耐火材料,要求有足够的耐火度、小而均匀的热膨胀系数、好的热化学稳定性、合适的粒度、价廉而无毒等。常用制壳耐火材料性能及应用耐火材料名称化学性质熔点/耐火度/密度/ (g/cm3)线膨胀系数X10-6-1硅砂酸性171316802.6512.5熔融石英酸性17132.20.51电熔刚玉两性205020004.08.6莫来石两性18103.165.4高岭石类熟料1700-17902.655铝矾土类熟料18003.46锆砂弱酸性<19484.84.62.6.2.2制作型壳用粘接剂粘结剂影响着型壳性能、铸件质量和成本。 国内生产中使用硅溶胶、水玻璃和硅酸乙酯三种粘结剂。水基硅溶胶粘结剂的黏度低,所配涂料粉液比高,制壳时涂层致密,生产的铸件表面光洁;硅溶胶型壳高温强度高,抗变形能力强,所生产铸件精确,是一种优质制壳粘结剂。 同时,硅溶胶可直接配涂料,制壳时只需水分蒸发、型壳干燥,工序简单和环保,是一种绿色制壳粘结剂,使用在增加。 但水分蒸发速度慢、型壳湿强度低、制壳周期长。 近年来,随着快干增强硅溶胶的应用和制壳工艺的发展,硅溶胶型壳生产效率已大为提高。水基水玻璃粘结剂黏度很大,涂料粉液比低,涂层不致密,所生产的铸件表面粗糙,由于水玻璃型壳高温强度低,生产的铸件精度也差,主要用于生产低精度铸件上。三种型壳的比较型壳名称优点缺点应用范围水玻璃型壳制壳周期短,成本低型壳高温强度低、抗变形能力差,所生产铸件尺寸精度低,表面粗糙度值大不用化学硬化法制壳,劳动环境差用于生产精度低的铸件,主要用于碳素钢、低合金钢、铝合金和铜合金精度低的铸件中硅溶胶型壳型壳高温强度好,抗变形能力强,所生铸件尺寸精度高,表面粗糙度值小。型壳存放时内表面不产生“白霜”,制壳间环境好制壳周期较长用于生产精度要求高的铸件。现广泛用于生产各种合金高质量铸件中硅酸乙酯型壳型壳性能较好,所生产铸件尺寸精度高,表面粗糙度值小型壳存放时内表面易产生“白霜”制壳间空气中有乙醇,不环保用于生产精度要求高的铸件,但因环保问题近年来应用有下降趋势第三章 气门摇臂轴架支座熔模铸造充型凝固过程数值模拟3.1气门摇臂轴架支座数值模拟与前处理参数设置将利用Creo参数化建模软件绘制的铸件及其浇注系统的三维模型图保存为igs格式文件并导入ProCAST2018版。进入Mesh界面检查模型并合并装配面，接下来对模型进行面网格划分。将网格大小设置为3mm,在2Dmesh选项卡中点击shelling对模型进行挂壳将壳厚度设置为9mm。最后对模型及型壳进行体网格的划分，图示为划分完体网格后的浇注系统。3.1.1材料热物性参数设定球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，他的综合性能接近于钢，适用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。本课题调用了ProCAST的材料热力学数据，选择了牌号3.1.2边界条件和初始条件设置3.1.2.1界面换热系数设置界面热交换系数表示热量在“铸件铸型环境”两两之间热交换快慢的程度，在浇注过程中面积较小，整个浇注过程热辐射影响不强烈。本课题主要考虑金属与铸型之间的热交换系数，查阅相关文献后设置界面换热系数为500W/m2 ，设置参数截图如下。3.1.2.2工艺参数的设置 在mesh界面完成面网格、体网格划分以及型壳制作后，保存模型并进入cast界面进行浇注参数的设置。（1）将重力方向修改为与浇注系统相同的方向。（2）分别选择铸件和型壳的类型、材料、初始温度。为方便添加条件，将除了型壳的部分单独留下外，将其他部分合并为一个“组”，如下图： （3）添加边界条件，如图所示：（4）将仿真参数中的充型方式修改为重力充型，如图所示：（5）检查参数设置，没有错误后点击“Run”进行模拟，并通过监视器观察，等待浇注结束后进行后处理，如图所示：3.2数值模拟结果及分析3.2.1充型过程模拟及分析运用ProCAST软件进行对初始工艺进行分析，观察合金充型是的液体流动状态和冷却状态下的固相分布，为修改浇注方案奠定基础。气门摇臂轴架支座充型过程合金的流动和分布如图所示：分别表示在1s、2s、3s、9s时候的充型状态和温度场示意图。合金开始充型是沿着浇道首先到达直浇道的低端（即浇口窝），逐渐向上充满型腔的过程中，相同水平面截面的充型状态并不相同，合金液体液面高低不平，平稳性较差，容易造成合金液的氧化以及形成卷气等缺陷。由图可知合金液首先由浇口杯进入直浇道，随后一层一层分别充型，图（C）表示铸件已经基本充型完毕，图（D）表示铸件已经完全充型，并且已经完成补缩。如图可知，充型过程顺利完成。 图（A）t=1s 图（B）t=2s 图（C）t=3s 图（D）t=9s3.2.2凝固过程模拟及分析 凝固阶段主要通过固相率变化来反映凝固变化的过程，合金液体充型完成后随着温度的降低逐渐冷却至室温。在铸造成形方法中,凝固过程是指高温液态金属由液相向固相的转变过程。 在这一过程中,高温液态金属所含有的热量必须通过各种途径向铸型和周围环境传递,逐步冷却并进行凝固,最终形成铸件产品。在此过程中热量的传递包括:金属及铸型内部的热传导,金属与大气间的辐射传热和对流传热等,实际上包含了自然界所有的三种基本传热方式。 铸件凝固过程数值模拟的任务是建立铸件凝固过程中传热的数学模型,并通过数值方法进行求解,从而得到铸件凝固过程的规律,预测铸件缺陷(缩孔,缩松)产生的可能性及位置。 本章主要介绍应用有限差分法进行铸件凝固过程数值求解的方法及对铸件缩孔,缩松缺陷的预测。如图所示为充型完成后铸件及浇注系统的固相率随时间变化的过程，总体凝固顺序是从底部到顶部凝固。由图可知t=22s时，铸件刚完成充型不久，合金液仍然具有很高的温度，但是铸件与型壳接触的部分温度迅速降低，铸件边缘已经开始凝固；t=52s的时候铸件基本已经凝固完毕，浇注系统中仍然存在一些固液混合物；t=102s时，铸件已经完全凝固，成为固态，浇口杯仍然存在一部分液相与固相；t=512s的时候，铸型及浇注系统均已经完成凝固全部成为固态，浇口棒部位由于铸件液态收缩、凝固收缩以及固态收缩形成孔洞，金属液未能充填完整，但不存在与铸件上，不影响铸件品质。 图（A）t=22s 图（B）t=52S 图（C）t=102s 图（D）t=512s 3.2.3缩孔缩松缺陷分析铸件成形过程通常经历液态冷却、固液转变利碳固后的继续冷却过程。其中液态冷却和固液转变一般产生较大的收缩。 在铸件凝固初期,金属的液态收缩和固液转变所产生的收缩如果得不到有效的补缩,就会在铸件中产生缩孔。 一般缩孔表现为一次缩孔、二次缩孔等。 而在铸件凝固后期,最后凝固部分的液态金属由于温度梯度很小,将以同时凝固方式进行凝固。开始是在整个液态金属内出现许多细小的晶粒。 随着温度降低和晶粒的长大以及新晶粒的产生,最后凝固部分将出现许多被晶粒所隔离的孤立的液态金属,这些液态金属在凝固时，将产生更多更细小的孔洞，形成微观缩松。如图所示，气门摇臂轴架支座在初始设计的浇注系统存在着缩孔与缩松缺陷，其中位于铸件上的缩孔与缩松将会导致铸件在加工成为零件使用时出现问题，证明初始设计存在问题，需要在后期进行优化。 3.3 改进后数值模拟及结果分析3.3.1改进后浇注系统设计从原始方案的设计和模拟结果可以分析得出，原来的浇注方案存在的缺陷主要体现在：充型不平稳，并且由于中间第二层的铸件与第一层以及第三层铸件之间仅存在60°的夹角，使得铸件在浇注时候平稳性不容易控制，危险性较大。根据以上缺点重新考虑设计使得获得较好的充型和凝固效果，将扁平的内浇道修改为短粗形状内浇道，并且将每组铸件之间的角度修改为120°，如图所示：3.3.2改进后充型过程分析重新设计浇注系统后，使用原有浇注参数进行数值模拟，气门摇臂轴架支座的充型过程液体流动和温度场变化如图所示，分别表示1.1s、2s、3s、10.8s时候的合金液充型温度和流动状态分布图。从图中可以看出采用新的改进方案的浇注方案能够顺利进行，合金液体从底部经过浇口窝流入空腔后，开始依次向上充填，在底部充型完成后，金属液流汇合后继续充完其余空腔，最终充型完成，实现了顺讯充型，因此该方案充型过程良好。 图（A）t=1.1s 图（B）t=2.0s 图（C）t=3.0s 图（D）t=10.8s3.3.3改进后凝固过程分析如图所示为气门摇臂轴架支座熔模铸造凝固过程温度变化和固相率变化分布图。由图可知，当t=20.8s时铸件部分区域已经开始凝固，但是整体大部分仍然处于液相状态；当t=70.3s时铸件已经基本凝固完毕，由于浇注系统散热较慢，所以大部分浇道内仍然存在着液体金属；当t=110.3s的时候，铸件已经全部凝固完成，浇注系统大部分已经凝固；t=590.3s时，铸件及浇注系统已经完全凝固。 图（A）t=20.8s 图（B）t=70.3s 图（C）t=110.3s 图（D）t=590.3s第四章 零件快速成型工艺（3D打印）4.1 3D打印技术简介4.2零件模型3D打印第五章 总结与展望5.1本文的主要工作总结5.2前景与展望参考文献致谢