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1、第一章 緒論 1.1選題背景及研究意義 氣門是車船的重要機(jī)構(gòu)之一，發(fā)動(dòng)機(jī)在工作的時(shí)候，氣門會(huì)進(jìn)行頻繁的打開和關(guān)閉。還會(huì)受到燃?xì)鈳?lái)的腐蝕和沖擊，很容易使其產(chǎn)生氧化、磨損、腐蝕等失效形式。鑒于此，氣門搖臂軸架支座需要具備良好的力學(xué)性能，而且要求其內(nèi)部裂紋與殘余應(yīng)力盡可能少。 熔模鑄造又稱失蠟鑄造，是一種少切削或無(wú)切削的精密鑄造技術(shù)。所謂熔模鑄造工藝，是用蠟制作所需零件的蠟?zāi)＃僭谙災(zāi)Ｉ贤恳阅突鹜苛辖?jīng)過(guò)干燥和硬化形成一個(gè)整體型殼，待型殼晾干后，放入熱水中將內(nèi)部蠟?zāi)Ｈ刍?，最后將鑄型放入焙燒爐中經(jīng)過(guò)高溫焙燒，再向其中澆注熔融金屬而得到鑄件的方法。其最大的優(yōu)點(diǎn)就是由于熔模鑄件

2、有著很高的尺寸精度和表面光潔度，所以可減少機(jī)械加工量，只是在零件上要求較高的部位留少許加工余量即可，甚至某些鑄件只留打磨、拋光余量，不必機(jī)械加工即可使用。本課題選用此方法對(duì)氣門搖臂軸架支座進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。 為了實(shí)現(xiàn)科學(xué)、高效的數(shù)字化設(shè)計(jì)，課題應(yīng)用了鑄造過(guò)程模擬仿真技術(shù)，該技術(shù)基于強(qiáng)大的有限元分析，可以準(zhǔn)確地模擬型腔的澆注過(guò)程，精確地描述凝固過(guò)程，通過(guò)模擬熔模鑄造的充型、凝固和冷卻過(guò)程，能夠預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的缺陷及殘余應(yīng)力，驗(yàn)證工藝的正確性，并優(yōu)化工藝參數(shù)。 同時(shí)，本課題運(yùn)用了3D打印技術(shù)。3D打印是一種新興的材料成型方法，與傳統(tǒng)的材料去除法或者變形成形法是不相同的，它采用的是材料逐漸累加的方法制

3、造實(shí)體零件。該技術(shù)以三維軟件為支撐，不需要傳統(tǒng)的工裝夾具、刀具或模具即可制造出任意復(fù)雜零部件，不僅設(shè)計(jì)修改相對(duì)靈活，而且成型周期短，可以在短時(shí)間內(nèi)快速轉(zhuǎn)化為實(shí)際生產(chǎn)中需要的樣件，因此該技術(shù)能夠縮短新產(chǎn)品的研制周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。 綜上所述，本課題將熔模鑄造的數(shù)值模擬技術(shù)與3D打印技術(shù)相結(jié)合，不僅可以優(yōu)化鑄造工藝，還可以對(duì)零件及熔模鑄造模樣進(jìn)行快速制作，實(shí)現(xiàn)短周期、低成本、高質(zhì)量的生產(chǎn)目的。此次設(shè)計(jì)過(guò)程是專業(yè)知識(shí)的一次綜合應(yīng)用，設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)同類型產(chǎn)品的生產(chǎn)具有一定的借鑒意義。 1.2熔模鑄造概述 1.2.1熔模鑄造定義及工藝特點(diǎn) 熔模鑄造又稱"失蠟鑄造"

4、;，通常是指在易熔材料制成模樣，在模樣面 包覆若干層耐火材料制成型殼，再將模樣熔化排出型殼，從而獲得無(wú)分型面的鑄型，經(jīng)高溫焙燒后即可填砂澆注的鑄造方案。由于模樣廣泛采用蠟質(zhì)材料來(lái)制造，故常將熔模鑄造稱為“失蠟鑄造”。 　　 熔模鑄造工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)熔模鑄件的尺寸精度高, 表面粗糙度小。 由于熔模鑄造采用尺寸精確、 表面光消的可熔性模, 而獲得了無(wú)分型面的整體型殼, 且避免了砂型鑄造中的起模、 下

5、芯、 合型等工序帶來(lái)的尺寸誤差, 熔模鑄件的棱角清晰、 尺寸精度可達(dá)到 CT4~6 級(jí), 表面粗糙度可達(dá)Ra0.8~1.25um. (2)適用于鑄造結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、精密的鑄件 熔模鑄造可鑄造出結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜、精密,并難于用其他方法生產(chǎn)加工的鑄件, 如各類渦輪、 葉輪、 空心葉片、 定向凝固葉片、 單晶葉片等,也可以鑄造壁厚為0.5mm,鑄孔最小為1mm的小鑄件,質(zhì)量小至1g,最大至1000kg,外形尺寸可達(dá)2000m m以上的鑄件, 還可以將原來(lái)由許多零件組合的部件, 進(jìn)行整體鑄造。 (3) 合金材料不受限制 各種合金材料, 例如碳鋼、 合金鋼、 不銹鋼、 高溫合金、 銅合金、 鋁合金、 鎂

6、合金、 鈦合金、 貴金屬、 鑄鐵等均可以應(yīng)用熔模鑄造方法生產(chǎn)鑄件, 特別是對(duì)于難以切削加工的合金材料,更適合于熔模鑄造工藝。 (4)大、小批量生產(chǎn)均可適用 熔模鑄造工藝由于普遍采用金屬壓型來(lái)制造熔模,故適用于大批量生產(chǎn), 但應(yīng)用價(jià)格低廉的石膏壓型、 易熔合金壓型或硅橡膠壓型 (常用于藝術(shù)品及首飾鑄造) 來(lái)制模, 則也可以適用于小批量生產(chǎn)或試生產(chǎn). 1.2.2熔模鑄造工藝過(guò)程 (1) 壓型設(shè)計(jì) 根據(jù)零件的鑄造工藝設(shè)計(jì)圖要求, 設(shè)計(jì)壓型。 (2) 制造壓型 根據(jù)壓型設(shè)計(jì)圖紙要求, 加工鋼材壓型或鋁合金壓型或其他材料壓型。 (3) 制造熔模 用液壓射蠟機(jī)或氣動(dòng)壓蠟機(jī),將糊膏狀或液狀蠟

7、料注入壓型,制成熔(蠟) 模。 (4) 焊接組裝模組 把蠟?zāi)：附踊蛘辰拥筋A(yù)制好的蠟棒 (或澆注系統(tǒng)) 上, 組合成模組。 (5)消脂 將模組浸人專用脫脂液中,使蠟?zāi)１砻娴挠椭⒚撃┏?以增加蠟?zāi)５耐繏煨浴? (6) 制造型殼 在模組表面浸涂上耐火涂料 (漿料), 并撒上一層砂 (鋯砂、 剛玉砂、 硅砂等), 再將已撒上砂粒的模組經(jīng) 過(guò)干燥硬化 (硅溶膠型殼), 在硬化劑中使涂層硬化 (水玻璃型殼) 或經(jīng)氨氣干燥硬化 (硅酸乙酯型殼), 然后取出在空氣中干燥, 這樣重復(fù)數(shù)次, 在模組表面結(jié)成一定厚度的型殼。 (7)熔失熔模 將已制成的型殼,放人蒸汽或熱水中加熱,將蠟?zāi)Ｈ咳刍?得

8、到內(nèi)部有空腔的型殼。 (8) 型殼焙燒 將型殼放入加熱爐中進(jìn)行高溫焙燒, 以燒去型殼中的殘余蠟料、 各種揮發(fā)物以及水分, 以增加型殼的透氣性和提高型殼的高溫強(qiáng)度。 (9) 液體金屬澆注 將已熔化的化學(xué)成分合格的高溫金屬液澆注到已焙燒充分的熱型殼中。 (10)脫殼與清理 用手工或震動(dòng)脫殼機(jī)脫殼、清砂、切割澆冒口后的鑄件, 再經(jīng)其他的 (11)檢驗(yàn) 鑄件最后須經(jīng)檢驗(yàn)合格,才可入庫(kù). 1.3熔模鑄造技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1.3.1熔模鑄造發(fā)展歷史 熔模鑄造又稱熔模精密鑄造,失蠟鑄造,是一種近凈形的液態(tài)金屬成型工藝,應(yīng)用該工藝獲得的每個(gè)鑄件都是經(jīng)多種工序,多種材料、多種技術(shù)共

9、同協(xié)作綜合的結(jié)果。熔模鑄造是在可熔(溶)性模的表面重復(fù)浸涂上數(shù)層耐火漿料,經(jīng)過(guò)逐層撒砂、干燥和硬化后,用蒸汽或熱水等加熱方法將其中的熔模去除而制成整體型殼,然后進(jìn)行高溫焙燒、澆注而獲得鑄件的一種鑄造方法。由于用這種方法所得到鑄件的尺寸精確、棱角清晰、表面光滑、接近于零件的最終形狀, 因此是一種近凈形鑄造工藝方法, 故又稱為精密鑄造. 世界失蠟鑄造技術(shù)遠(yuǎn)在4000多年前就已經(jīng)出現(xiàn),最早應(yīng)用失蠟法的是西亞(蘇美爾人)、古代中國(guó),埃及和印度。我國(guó)的失蠟鑄造技術(shù),最早應(yīng)用于春秋早、中期,用來(lái)鑄造生產(chǎn)各種青銅器皿,鐘鼎及藝術(shù)品,其造型復(fù)雜華麗、紋飾細(xì)致精巧,銘文美觀清晰,充分顯示出當(dāng)時(shí)我國(guó)的失蠟鑄造技

10、術(shù)及冶煉工藝就已有了高度發(fā)展. 我國(guó)古代的失蠟鑄造藝術(shù)珍品十分豐富, 如隋代開皇四年, 董欽造鎏金銅佛壇, 壇高41cm,座長(zhǎng)24.7cm,寬24cm,整座佛壇為青銅鎏金,明代永樂,大威德金剛亥母鎏金佛像,高41.5cm,銅鎏金。 現(xiàn)代熔模鑄造工藝在20世紀(jì)開始形成,最初是牙科醫(yī)生用熔模制造方法澆注金銀假牙齒、制作珠寶首飾。第二次世界大戰(zhàn)期間,用熔模鑄造工藝生產(chǎn)出噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、渦輪增壓器等形狀復(fù)雜,尺寸精確、表面質(zhì)量很高且不易加工的鑄件.此后,熔模鑄造以其工藝及技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)進(jìn)人航空,國(guó)防及機(jī)械制造工業(yè)領(lǐng)域. 進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),世界各地的熔模鑄件的質(zhì)量、產(chǎn)量、產(chǎn)值都有較大增長(zhǎng)和提高。

11、當(dāng)前熔模精密鑄造業(yè)正向精密,復(fù)雜、大型、部件整鑄的方向發(fā)展,這樣也就更能充分發(fā)揮熔模鑄造所具有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力。從近10多年世界各國(guó)的熔模鑄造業(yè)的發(fā)展和增長(zhǎng)趨勢(shì)及國(guó)際市場(chǎng)對(duì)熔模鑄件的質(zhì)量和需求量不斷提升的情況看,今后若干年的發(fā)展速度仍將較快.。 1.3.2國(guó)內(nèi)熔模鑄造發(fā)展 我國(guó)的熔模鑄造在20世紀(jì)50年代從蘇聯(lián)引進(jìn)水玻璃黏結(jié)劑制殼工藝,開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn),經(jīng)過(guò)數(shù)十年的努力,二十年來(lái),新型優(yōu)質(zhì)黏結(jié)劑、新技術(shù),新工藝、新設(shè)備、新材料的應(yīng)用, 使我國(guó)的熔模鑄造有了較優(yōu)迅速的發(fā)展, 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。 目前熔模鑄造工藝已在航空, 航天, 機(jī)械制造、 汽車 船舶、 醫(yī)療、 體育, 電子、 石油、

12、化工、 核能、 兵器等幾乎所有工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。 近年來(lái), 在制殼機(jī)械化及自動(dòng)化方面也有一定的進(jìn)展, 懸鏈?zhǔn)竭B續(xù)制殼和干燥線及機(jī)械手自動(dòng)沾漿、 撒砂制殼生產(chǎn)線, 已開始投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用. 近十年來(lái), 我國(guó)的熔模鑄造在繼承古代傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上, 應(yīng)用現(xiàn)代的工藝技術(shù), 復(fù)制出精美的古仿物及藝術(shù)品, 使精鑄工藝技術(shù)重現(xiàn)光輝, 展示出廣闊的前景. 1.3.3國(guó)外熔模鑄造發(fā)展趨勢(shì) 信息技術(shù)對(duì)各行各業(yè)的發(fā)展是非常重要的，對(duì)壓鑄模具業(yè)的發(fā)展更是如此，開發(fā)并利用好信息資源，使生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)借助信息的及時(shí)處理、順暢流通而高質(zhì)量、高效率的運(yùn)作，才能使行業(yè)更好更快的發(fā)展。從國(guó)家的宏觀政策、行業(yè)發(fā)展、國(guó)際和

13、國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)容量來(lái)看，大型精密復(fù)雜熔模鑄造模具和壓鑄模具的國(guó)際、國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)很大，僅世界汽車工業(yè)巨頭美國(guó)克萊斯勒一家在中國(guó)尋找模具設(shè)計(jì)制造意向的模具訂單有3億元人民幣，只要合作公司技術(shù)設(shè)備實(shí)力就有可能拿到訂單，同時(shí)，我國(guó)的熔模鑄造模具用料考究、制作精良、尺寸精度高、符合客戶標(biāo)準(zhǔn)要求、使用壽命和鑄件質(zhì)量達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。 我國(guó)出口的熔模鑄造模具集中在歐洲、北美、日本、韓國(guó)等地，部分企業(yè)的出口模具量已占總產(chǎn)值的30%以上。投資大型精密模具項(xiàng)目有理論和實(shí)踐根據(jù)，才能不至于盲目，才有可能獲得更好的收益。 據(jù)悉，我國(guó)模具出口到歐洲的汽車油底盤壓鑄模由于價(jià)格優(yōu)勢(shì)強(qiáng)、設(shè)計(jì)先進(jìn)、制

14、作精湛等優(yōu)點(diǎn)，一再得到外商認(rèn)可，一再追加訂單?？梢娢覈?guó)的熔模鑄造模具產(chǎn)業(yè)的海外市場(chǎng)發(fā)展非常火速，未來(lái)定會(huì)步步高升。 1.4數(shù)值模擬與仿真 1.4.1數(shù)值模擬技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)值算法是鑄造過(guò)程數(shù)值模擬的計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 常用的數(shù)值算法包括有限差分法 (Finite Difference Method, FDM) 有限元法 (FiniteElement Method, FEM) 和邊界元法 (Boundary Element Method, BEM)等。 新的數(shù)值計(jì)算方法與技術(shù), 如無(wú)單元法 (Element Free Method,EFM) 并行計(jì)算技術(shù)等不斷涌現(xiàn)。 數(shù)值計(jì)算

15、是基于對(duì)計(jì)算域的離散。不同數(shù)值方法對(duì)應(yīng)的計(jì)算域的離散方法不同。 同時(shí)不同數(shù)值算法對(duì)邊界的處理也不同, 計(jì)算效率和計(jì)算精度也存在差異。 總之, 各種方法都有其適用范圍, 這也是新方法產(chǎn)生的動(dòng)力。 如在鑄造過(guò)程數(shù)值模擬中有限差分法廣泛應(yīng)用于鑄件凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)計(jì)算、 充型過(guò)程數(shù)值模擬等方面, 相對(duì)來(lái)說(shuō), 簡(jiǎn)便實(shí)用。 而有限元法主要應(yīng)用于應(yīng)力分析, 也有用于溫度場(chǎng)計(jì)算和流動(dòng)場(chǎng)分析的。 1.4.2鑄件充型過(guò)程數(shù)值模擬 鑄件充型過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氧化,傳熱、熱損失,沖擊破壞等一系列化學(xué)和物理的變化,因此充型過(guò)程與鑄件質(zhì)量密切相關(guān)。鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的許多缺陷都與鑄件的充型過(guò)程有著密不可分的聯(lián)系。 但長(zhǎng)期以來(lái)

16、, 鑄造過(guò)程的數(shù)值模擬主要集中在凝固過(guò)程的模擬研究上, 這就使得數(shù)值模擬只能對(duì)縮孔縮松等缺陷進(jìn)行預(yù)測(cè),而對(duì)于充型過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷如澆不足、冷隔、夾渣等缺陷則不能很好地利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。 采用數(shù)值計(jì)算方法, 不僅可以模擬出液態(tài)金屬在鑄型中的流動(dòng)狀態(tài), 并根據(jù)模擬得到液態(tài)金屬的流動(dòng)速度、 壓力等變化規(guī)律優(yōu)化澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì),防止?jié)驳乐形鼩? 消除流股分離現(xiàn)象以避免氧化,減輕液態(tài)金屬對(duì)鑄型的沖蝕,而且可以模擬出液態(tài)金屬的溫度分布,從而預(yù)測(cè)澆不足、 冷隔等缺陷, 為后續(xù)的凝固過(guò)程模擬分析提供初始溫度場(chǎng)條件。 傳統(tǒng)的凝固過(guò)程數(shù)值模擬是建立在“瞬時(shí)充滿”的假設(shè)基礎(chǔ)上,鑄件各部分初始溫度均為澆注溫

17、度。 對(duì)于厚大鑄件而言, 這種假設(shè)是比較合理的, 但對(duì)于薄壁鑄件, 這種假設(shè)則會(huì)帶較大的計(jì)算誤差。 因此, 在有些情況下必須考慮鑄件的充型凝固過(guò)程, 對(duì)充型過(guò)程和伴隨的溫度降低,、金屬凝固現(xiàn)象一并考慮,這樣得到的初始溫度分布可以為進(jìn)一步的凝固過(guò)程模擬提供初始條件?？梢?充型過(guò)程的數(shù)值模擬是鑄造過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。 雖然液態(tài)金屬的充型過(guò)程模擬日益引起人們的重視,但充型過(guò)程不僅涉及流體的流動(dòng)問題,而且還伴隨著溫度下降與金屬凝固現(xiàn)象的發(fā)生,因而充型過(guò)程的數(shù)值模擬極為復(fù)雜。它涉及的控制方程多、計(jì)算量大而且迭代結(jié)果容易發(fā)散, 特別是自由表面的處理問題難度大,且模擬結(jié)果難于驗(yàn)證, 使充型

18、過(guò)程的數(shù)值模擬工作與軟件應(yīng)用水平受到一定的阻力。 但隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用水平、 數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步,鑄件充型凝固過(guò)程的數(shù)值模擬工作已經(jīng)越來(lái)越成熟鑄件充型過(guò)程的數(shù)值模擬包括很多內(nèi)容, 如充型過(guò)程中自由表面的處理、 流場(chǎng)中速度和壓力的求解、 紊流流動(dòng)現(xiàn)象的處理、 充型過(guò)程對(duì)凝固過(guò)程的影響、 充型過(guò)程對(duì)鑄造缺陷形成的影響等。。 1.4.3鑄件凝固過(guò)程數(shù)值模擬 在鑄造成形方法中, 凝固過(guò)程是指高溫液態(tài)金屬由液相向固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。 在這一過(guò)程中, 高溫液態(tài)金屬所含有的熱量必須通過(guò)各種途徑向鑄型和周圍環(huán)境傳遞, 逐步冷卻并進(jìn)行凝固, 最終形成鑄件產(chǎn)品。 在此過(guò)程中熱量的傳遞包括: 金屬及鑄型內(nèi)部的熱

19、傳導(dǎo), 金屬與大氣間的輻射傳熱和對(duì)流傳熱等, 實(shí)際上包含了自然界所有的三種基本傳熱方式。 鑄件凝固過(guò)程數(shù)值模擬的任務(wù)是建立鑄件凝固過(guò)程中傳熱的數(shù)學(xué)模型, 并通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行求解, 從而得到鑄件凝固過(guò)程的規(guī)律, 預(yù)測(cè)鑄件缺陷 (縮孔、 縮松) 產(chǎn)生的可能性及位置。 本章主要介紹應(yīng)用有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過(guò)程數(shù)值求解的方法及對(duì)鑄件縮孔, 縮松缺陷的預(yù)測(cè)。 1.5 3D打印 3D打印技術(shù)是由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)的快速制造任意復(fù)雜形狀三維物理實(shí)體的技術(shù)總稱。其基本過(guò)程是: 首先設(shè)計(jì)出所需零件的計(jì)算機(jī)三維模型 (數(shù)字模型, CAD模型), 然后根據(jù)工藝要求,按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序單元,

20、 通常在Z向?qū)⑵浒匆欢ê穸冗M(jìn)行離散(習(xí)慣稱為to hold分層),把原來(lái)的CAD模型變成一系列的層片,再根據(jù)每個(gè)層片的輪廓信息,輸入加工參數(shù),自動(dòng)生成數(shù)控代碼,最后由快速成形機(jī)生成一系列層片并自動(dòng)將它們連接起來(lái), 得到一個(gè)三維物理實(shí)體。 這樣就將一個(gè)復(fù)雜的三維加工轉(zhuǎn)變成對(duì)一系列二維層片的加工, 因此大大降低了加工難度, 并且成形過(guò)程的難度與待成形的物理實(shí)體形狀和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度無(wú)關(guān),即降維制造。 在3D打印技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中,人們對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的認(rèn)識(shí)逐步深入,其內(nèi)涵也在逐步擴(kuò)大。3D打印技術(shù)主要采用了分層制造的思想, 實(shí)際上這一思想是自古即有的, 如房屋、 大壩等各種建筑都是分層制造的, 但它成為

21、一項(xiàng)成形技術(shù)、 一個(gè)自動(dòng)化的過(guò)程來(lái)制造零件則是計(jì)算機(jī)技術(shù)、 數(shù)控技術(shù)、 激光技術(shù)、 材料和機(jī)械科學(xué)等發(fā)展和集成的結(jié)果, 具有鮮明的時(shí)代特征。 在成形概念上它以離散/堆積成形為指導(dǎo)思想,在控制上以計(jì)算機(jī)和數(shù)控為基礎(chǔ),以最大柔性為目標(biāo)。因此,只有在計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)控技術(shù)高度發(fā)展的今天, 才有可能產(chǎn)生3D 打印技術(shù), CAD 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了零件的曲面或?qū)嶓w造型, 能夠進(jìn)行精確的離散運(yùn)算和繁雜的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換; 先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)為高速精確的二維掃描提供必要的基礎(chǔ),這是精準(zhǔn)高效堆積材料的前提;而材料科學(xué)的發(fā)展則為3D打印技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ),其每一項(xiàng)進(jìn)步都將給3D打印技術(shù)帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。目前,3D打印技術(shù)中材料的轉(zhuǎn)

22、移形式可以是自由添加、 去除、 添加和去除相結(jié)合等多種形式, 構(gòu)成三維物理實(shí)體的每一層片一般為2.5維層片,即側(cè)壁為直壁的層片,同時(shí)也出現(xiàn)了由3維層片構(gòu)成實(shí)體的工藝。 第二章 熔模鑄造鑄件工藝設(shè)計(jì) 2.1零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性分析 零件三維模型圖如圖2-1所示 圖2- 1 鑄件結(jié)構(gòu)審查標(biāo)準(zhǔn) （1） 為防止縮孔、裂紋等缺陷，鑄件壁厚應(yīng)盡可能均勻，以減少熱節(jié)，連接處應(yīng)平緩逐漸過(guò)渡，壁與壁交界處應(yīng)做成圓角。 （2） 為防止變形、夾砂等，應(yīng)該盡量避免大平面，或者適當(dāng)設(shè)置工藝筋。 （3） 為便于生產(chǎn)和減少缺陷，鑄孔（槽）不應(yīng)該太小和太窄。 （4） 鑄件結(jié)構(gòu)應(yīng)該方便熔模從壓

23、型中取出。 （5） 有利于熔模留在同一型塊中。 表2-1 熔模鑄件的最小壁厚 （單位：mm） 鑄件材質(zhì) 鑄 件 輪 廓 尺 寸 >10-50 >50-100 >100-200 推薦值 最小值 推薦值 最小值 推薦值 最小值 鑄鐵 1.5-2.0 1.0 2.0-3.5 1.5 2.5-4.0 2.0 碳鋼 2.0-2.5 1.5 2.5-4.0 2.0 3.0-5.0

24、2.5 表2-2 最小鑄出孔的孔徑與深度 （單位：mm） 孔徑 最大孔深 通孔 不通孔 3-5 5-10 <5 5-10 10-30 5-15 10-20 30-60 15-25 20-40 60-120 25-50 40-60 120-200 50-80 60-100 200-300 80-100 >100 300-350 100-120 通過(guò)零件結(jié)構(gòu)分析可得零件共包含四個(gè)通孔，其中三個(gè)通孔大小分別為Ф16mm、Ф18mm以及Ф22mm，根據(jù)

25、表2-2分析可知所有孔均可鑄出。但最后一個(gè)孔徑為Ф3，孔深為16mm，根據(jù)表2-2分析可知無(wú)法鑄出。 鑄件材質(zhì)選擇為球墨鑄鐵, 零件基本尺寸為長(zhǎng)X寬X高=83X45X62 單位：mm 零件表面積為16321.6mm2 零件體積為41135.4mm3 球墨鑄鐵密度為7.3g/cm3，根據(jù)計(jì)算零件質(zhì)量約為g 2.2鑄造工藝方案的確定 2.2.1澆注位置確定 確定澆注位置需要考慮以下原則： （1） 鑄件重要部位應(yīng)該盡量位于下方。 （2） 重要加工面應(yīng)該朝下或呈直立態(tài)。 （3） 應(yīng)需要保證澆注時(shí)金屬液能充滿鑄件并且有利于鑄件補(bǔ)縮。 2.2.2鑄件基

26、準(zhǔn)面的選擇 鑄件劃線、鑄件機(jī)械加工都需要確定基準(zhǔn)面?；鶞?zhǔn)面選擇原則為：①應(yīng)該盡可能讓鑄件基準(zhǔn)面與設(shè)計(jì)和機(jī)械加工基準(zhǔn)面一致；②鑄件基準(zhǔn)面一般選擇非加工面若選擇加工面時(shí)，最好是加工量較少的面；③基準(zhǔn)面的數(shù)目應(yīng)該能約束六個(gè)自由度、符合六點(diǎn)定位原則；④基準(zhǔn)面應(yīng)該是尺寸比較穩(wěn)定的平整、光潔表面。 2.3鑄造工藝參數(shù)的選擇與計(jì)算 2.3.1鑄件尺寸公差 熔模鑄造鑄件一般尺寸公差為CT4-7級(jí)。 水玻璃型殼熔模鑄造工藝所生產(chǎn)鑄件尺寸公差為CT7-8級(jí)。 表2-3 鑄件尺寸公差值（GB/T6414-1999） （單位mm） 鑄件基本尺寸 鑄件尺寸公差等級(jí) CT 3 4

27、5 6 7 8 <3 0.14 0.20 0.28 0.40 0.56 0.80 >3-6 0.16 0.24 0.32 0.48 0.64 0.90 >6-10 0.18 0.26 0.36 0.52 0.74 1.0 >10-16 0.20 0.28 0.38 0.54 0.78 1.1 >16-25 0.22 0.30 0.42 0.58 0.82 1.2 >25-40 0.24 0.32 0.46 0.64 0.90 1.3 >40-63 0.26

28、0.36 0.5. 0.70 1.00 1.4 >63-100 0.28 0.40 0.56 0.78 1.10 1.6 本課題設(shè)計(jì)采用CT7 2.3.2鑄件表面粗糙度 表2-4 熔模鑄件表面粗糙度Ra （單位μm） 工藝方法 鑄態(tài) 精整后 水玻璃型殼工藝 12.5-6.3 3.2 硅溶膠、硅酸乙酯工藝 6.3-3.2 1.6-0.8 2.3.3鑄件加工余量 表2-5 熔模鑄件單面加工余量 （單位:mm）

29、鑄件基本尺寸 切削加工 磨削加工 冒口設(shè)置處 <40 0.7-1.0 0.2-0.5 2.0 4.-100 1.0-1.5 0.5-0.7 3.0 100-250 1.5-2.0 0.7-1.0 4.0 250-500 2.0-3.0 1.0-15 5.0 2.3.4綜合線收縮率 鑄件壁厚/mm 模料型殼分類 綜合線收縮率（%） 自由收縮 部分受阻收縮 受阻收縮 1-3 Ⅰ 0.6-1.2 0.4-1.0 0.2-1.8 Ⅱ 1.2-1.8 1.0-1.6 0.8-1.4 Ⅲ 0.6-2.2 1.4-2.0 1

30、.1-1.7 >3-10 Ⅰ 0.8-1.4 0.6-1.2 0.4-1.0 Ⅱ 1.4-2.0 1.2-1.8 1.0-1.6 Ⅲ 1.8-2.4 1.6-2.2 1.3-1.9 >10-20 Ⅰ 1.0-1.6 0.8-1.4 0.6-1.2 Ⅱ 1.6-2.2 1.4-2.0 1.2-1.8 Ⅲ 2.0-2.6 1.8-2.4 1.5-2.1 >20-30 Ⅰ 1.2-1.8 1.0-1.6 0.8-1.4 Ⅱ 1.8-2.4 1.6-2.2 1.4-2.0 Ⅲ 2.2-2.8 2.0-2.6

31、 1.7-2.3 >30 Ⅰ 1.4-2.0 1.2-1.8 1.0-1.6 Ⅱ 2.0-2.6 1.8-2.4 1.6-2.2 Ⅲ 2.4-3.0 2.2-2.8 1.9-2.5 [注]: Ⅰ—低溫模料，硅酸乙酯或硅溶膠-硅石粉涂料，多層型殼。 Ⅱ-低溫模料，水玻璃-硅石粉涂料，多層型殼。 Ⅲ-中溫模料，硅酸乙酯或硅溶膠-電熔剛玉涂料，多層型殼。 2.4澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.4.1澆冒口的作用 澆冒口是指為避免鑄件出現(xiàn)缺陷而附加在鑄件上方或側(cè)面的補(bǔ)充部分。澆冒口系統(tǒng)在熔模鑄造中不僅能引導(dǎo)金屬液充填型腔，而且在鑄件凝固過(guò)程中它還能補(bǔ)縮鑄件，在制作型

32、殼過(guò)程中支撐型殼，脫蠟時(shí)作為脫蠟通道。澆冒口的型腔是存貯液態(tài)金屬的容器，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和開設(shè)位置均不相同。 澆冒口作用如下： 1、對(duì)于凝固過(guò)程中體積收縮不大的合金(如灰鑄鐵)，或不產(chǎn)生集中縮孔的合金（如錫青銅），澆冒口的作用主要是排放型腔中的氣體和收集液流前沿混有夾雜物或氧化膜的金屬液，以減少鑄件上的缺陷。 2、對(duì)于要求控制顯微組織的鑄件，澆冒口可以收集液流前沿已冷卻的金屬液,避免鑄件上出現(xiàn)過(guò)冷組織。 3、對(duì)于凝固期間體積收縮量大而且趨向于形成集中縮孔的合金（如鑄鋼、錳黃銅及鋁青銅等），澆冒口的主要作用是補(bǔ)償金屬液在型腔中的液態(tài)收縮和鑄件凝固過(guò)程中的收縮

33、，以獲得沒有縮孔的致密鑄件。 2.4.2澆冒口系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式 常見澆冒口形式如下： (1)由澆口杯、直澆道和內(nèi)澆道組成的澆注系統(tǒng),直澆道兼有冒口的作用。不同鑄件在直澆道周圍按不同的數(shù)目和層次分布著。為便于生產(chǎn)組織、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)可將直澆道相應(yīng)分成幾種規(guī)格。 為了保證直澆道有足夠的補(bǔ)縮能力,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),直澆道的斷面積應(yīng)為內(nèi)澆道面積的1.4倍。為保證建立起有效的液體金屬靜壓力,通常最上層的熔模與澆口杯頂面的距離不應(yīng)小于60~100m。為減輕液體金屬的沖擊作用和避兔產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象,應(yīng)使最下層熔模內(nèi)澆道離直澆道底部有10~20mm的距離,先進(jìn)入下層內(nèi)澆道以下的直澆道部分的液體金屬在此處起液墊作用。

34、 (2)帶橫澆道的澆冒口系統(tǒng) 如圖2.4.2.1所示 帶橫澆道的澆冒口系統(tǒng) 1—鑄件 2一直澆道 3—澆口杯 4一橫澆道5一內(nèi)澆道 (3)由直澆道(或冒口)直接引入鑄件的澆冒口系統(tǒng),圖2.4.2.2所示為整鑄渦輪,外緣有14個(gè)葉片,液體金屬由冒口引入鑄件,球形冒口熱模數(shù)口大,加上離心澆注,大大改善了充填和補(bǔ)縮能力,可得到合格鑄件。 由冒口直接引入鑄件的澆冒口系統(tǒng) 1-冒口 2-鑄件 (4)帶補(bǔ)縮冒口的澆冒口系統(tǒng) 對(duì)于中型、小型熔模鑄件常用直澆道(橫澆道)來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)縮,一個(gè)模組有多鑄件。但

35、對(duì)尺寸較大、形狀復(fù)雜且又有多個(gè)熱節(jié)的鑄件,或質(zhì)量要求高的鑄件,往往需要一個(gè)鑄件單獨(dú)設(shè)置澆冒口系統(tǒng),如圖2.4.2.3所示。冒口有頂冒口、側(cè)面口明冒口、暗冒口幾種形式。 帶冒口的模組 1- 鑄件 2-明冒口 3-連接橋 4-澆口杯 5-直澆道 6-橫澆道 7-內(nèi)澆口 8-暗冒口 2.4.3澆注系統(tǒng)計(jì)算 2.4.3.1澆注系統(tǒng)的類型和適用范圍 澆注系統(tǒng)的分類有兩種方法:-種是根據(jù)各組元的斷面積比例關(guān)系不同，即阻流斷面位置"的不同，大致分為封閉式和開放式等澆注系統(tǒng);另一種是按內(nèi)澆道在鑄件上的相對(duì)位置不同，分為頂注式、底注式、中間注人式和分層注人式等幾種澆注系統(tǒng)。 (Ⅰ

36、)按斷面積比例關(guān)系 分類 (1)封閉式澆注系統(tǒng) 封閉式澆注系統(tǒng)的阻流截面是內(nèi)澆道，各組元斷面積的比例關(guān)系是: A杯>A直>A橫>A內(nèi) 其中，A杯、A直、A橫、A內(nèi)分別表示澆口杯、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道各組元最小處的總截面積。 封閉式澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)是:澆注開始后，金屬液容易充滿澆注系統(tǒng);其擋渣能力較強(qiáng)，但充型液流的速度較快，沖刷力大，易產(chǎn)生噴濺;金屬液消耗少，且清理方便。適用于鑄鐵濕型小件及干型中、大鑄件。 (2)開放式澆注系統(tǒng) 開放式澆注系統(tǒng)的阻流截面在直澆道上端(或澆口杯底孔)。各組元斷面積的比例關(guān)系是: A直上<A直下&l

37、t;A橫<A內(nèi) 其中，A直上、A直下分別表示直澆道上端(或澆口杯底孔)、直澆道下端總截面積。 開放式澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)是:當(dāng)各單元開放比例較大時(shí)，金屬液不易充滿澆注系統(tǒng)，呈無(wú)壓流動(dòng)狀態(tài)，充型平穩(wěn)，對(duì)型腔沖刷力小;擋渣能力較差;金屬液消耗量較多，不利于清理常用于有色合金、球墨鑄鐵及鑄鋼等易氧化金屬鑄件，灰鑄鐵件上很少應(yīng)用。 (3)半封閉式澆注系統(tǒng) 半封閉式澆注系統(tǒng)各斷面的比例關(guān)系是: A橫>A直>A內(nèi) 半封閉式澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)是:阻流截面在內(nèi)澆道上，橫澆道截面積最大;澆注中，澆注系統(tǒng)能充滿，但較封閉式澆注系統(tǒng)晚;具有一定的擋渣能力;由于橫澆道截面積大，金屬液在橫澆道

38、中流速減小，故又稱為“緩流封閉式澆注系統(tǒng)”。適用于各類灰鑄鐵件及球鐵件。 (4)封閉-開放式澆注系統(tǒng) 封閉-開放式澆注系統(tǒng)各斷面積的比例關(guān)系是: A杯>A直<A橫<A內(nèi) A杯>A直> A集渣包出口 A直>A阻<A橫后<A內(nèi) A直>A阻<A內(nèi)<A橫后 其中，A阻指阻流片處總截面積;A橫后指阻流斷面之后橫澆道截面積。 這種澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)是:阻流截面設(shè)在直澆道下端，或在橫澆道中，或在集渣包出會(huì)，或在內(nèi)澆道之前設(shè)置的阻流擋渣裝置處;阻流截面之前封閉，其后開放，故既有利于擋江，又使充型平穩(wěn)，兼有封閉式和開放式澆注系統(tǒng)的優(yōu)

39、點(diǎn)。適用于各類鑄鐵件，在中、小件上應(yīng)用較多，特別是在一 箱多件時(shí)應(yīng)用廣泛。 (Ⅱ)按內(nèi)澆道的位置分類 (1)頂注式澆注系統(tǒng) 頂注式澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)是內(nèi)澆道設(shè)在鑄件的頂部。頂注式澆注系統(tǒng)有如下幾種形式: ①一般澆口，用于要求不高的簡(jiǎn)單小件; ②楔形澆口，澆道窄而長(zhǎng)，斷面積大，適用于薄壁容器類鑄件; ③搭邊澆口，金屬液沿型壁流入，充型快而平穩(wěn)，適用于薄壁鑄鐵件和鋁合金鑄件; ④壓邊澆口，金屬液經(jīng)壓邊窄縫進(jìn)人型腔，充型慢，有一-定補(bǔ)縮和擋渣作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于清除，多用于中小型厚壁鑄鐵件; ⑤淋式澆口，

40、金屬液經(jīng)型腔頂部許多小內(nèi)澆道進(jìn)人型腔，與其他頂注式澆注系統(tǒng)相比，對(duì)型腔的沖擊力小，適用于要求較高的筒類鑄件，如缸套、機(jī)床卡盤、柴油機(jī)缸體等。 頂注式澆注系統(tǒng)有如下特點(diǎn): ①型腔易于充滿，可減少薄壁鑄件澆不足、冷隔等缺陷;澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而緊湊，便于造型，金屬消耗量也少; ②型腔充滿后，鑄件的上部溫度高于底部，有利于鑄件自下而上的順序凝固和冒口的補(bǔ)縮，可以減小軸向縮松傾向及冒口體積; ③液流對(duì)鑄型底部的沖擊力較大，流股與空氣接觸面積大，金屬液會(huì)產(chǎn)生激濺、氧化，易造成砂眼、鐵豆、氣孔、氧化夾渣等缺陷。 (2)底注式澆注系統(tǒng) 內(nèi)澆道設(shè)在鑄件底部的澆注系統(tǒng)稱為底注式澆注系統(tǒng)。

41、底注式澆注系統(tǒng)有如下幾種形式。 ①-般形式澆口。內(nèi)澆道在鑄件底部，金屬液引人平穩(wěn)，沖擊力小，利于排氣。鑄件下部溫度高，不利于補(bǔ)縮，因此對(duì)凝固體收縮率大的合金，一般要點(diǎn)澆冒口。適用于高度不大的鑄鋼件、鋁合金鑄件、無(wú)錫青銅和黃銅鑄件。也用于質(zhì)量要求較高、形狀復(fù)雜的鑄鐵件。 ②底雨淋式澆口。型內(nèi)金屬液上升平穩(wěn)且不發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可減少金屬液氧化和飛濺，熔渣不易黏附在側(cè)壁上，不利于補(bǔ)縮。適用于要求較高、形狀復(fù)雜的板類和大型機(jī)床床身等鑄二鐵件，黃銅與無(wú)錫青銅蝸輪、活塞體、軸襯等鑄件上也廣泛應(yīng)用。 ③牛角式澆口。常與過(guò)濾網(wǎng)配合使用，使金屬液平穩(wěn)地充型。用于各種鑄造齒輪、有砂芯的盤形鑄件以及有色金屬小鑄

42、件。為避免出現(xiàn)“噴泉”現(xiàn)象，可將牛角倒置，采用反牛角形澆注系統(tǒng)。 底注式澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)是: ①內(nèi)澆道基本上在淹沒狀態(tài)下工作，充型平穩(wěn)，可避免金屬液發(fā)生激濺、氧化及由已巴形成的鑄件缺陷; ②無(wú)論澆口比是多大，橫澆道基本工作在充滿狀態(tài)下，有利于擋渣，型腔內(nèi)的氣體容易順序排出; ③型腔充滿后，金屬的溫度分布不利于順序凝固和冒口補(bǔ)縮。 內(nèi)澆道附近容易過(guò)熱，導(dǎo)致縮孔、縮松和晶粒粗大等缺陷:金屬液面在上升中容易結(jié)皮，難于保證高大的薄壁鑄件充滿，易形成澆不到、 冷隔等缺陷，金屬消耗較大。為了克服這些缺點(diǎn)，采用快澆和分散的多內(nèi)澆道，使用冷鐵、安放冒口或用高溫金屬補(bǔ)澆冒口等措施，?？墒盏綕M意的結(jié)果

43、。 (3)中間注人式澆注系統(tǒng) 兩箱造型是生產(chǎn)中、小型鑄件最常用的造型方法，而且大多數(shù)在分型面上開設(shè)橫澆道、內(nèi)澆道，鑄件位于上下兩箱中，如圖4-26所示，這種澆注系統(tǒng)稱為中間注人式澆注系統(tǒng)。對(duì)內(nèi)澆道以下的型腔來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于頂注式澆注系統(tǒng);對(duì)內(nèi)澆道以上的型腔來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于底注式澆注系統(tǒng)。故它兼有頂注式和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。由于內(nèi)澆道在分型面上開設(shè)，故極為方便，廣為應(yīng)用。適用于高度不大的中等壁厚(鑄鋼件壁厚約50mm, 灰鑄鐵件20mm) 鑄件。 中間注人式澆注系統(tǒng)主要有如下幾種形式。 ①- -般形式的澆注系統(tǒng) 內(nèi)澆道開設(shè)在鑄件中部某一高度上， 金屬液從分型面注人，恭有頂注式和底注式的優(yōu)缺

44、點(diǎn)。生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，適用于壁厚較均勻、高度不太大的各類中、小型鑄件。 ②阻流式澆注系統(tǒng) 分為水平阻流式和垂直阻流式兩類。由于阻流片很窄(4-7mm)，從澆口杯到阻流片這一段封閉性強(qiáng)，有利于擋渣。從阻流片流出的金屬液進(jìn)人寬大的橫澆道，流速減慢有利于夾雜物上浮。 ③緩流式澆注系統(tǒng)利用在分型面上、 下安置的多級(jí)橫澆道，增加金屬在流動(dòng)過(guò)程中的阻力，使之充型平穩(wěn)。當(dāng)F直>F內(nèi)時(shí)能擋渣，如果同時(shí)使用過(guò)濾器，可增強(qiáng)擋渣能力。與阻流式相比，對(duì)型砂質(zhì)量要求較低，適用于成批或大量生產(chǎn)的較重要的、復(fù)雜的中、小鑄件。 (4)分層注人式澆注系統(tǒng) 采用分層注人式澆注系統(tǒng)時(shí)，金屬液自下而上分層進(jìn)入型腔，

45、見圖4-27。采用這種澆注系統(tǒng)，金屬液的沖擊力小，充型平穩(wěn). 分層注人式澆注系統(tǒng)主要有兩種形式。 ①階梯式澆注系統(tǒng) 在鑄件不同高度上開設(shè)多層內(nèi)澆道的澆注系統(tǒng)稱為階梯式澆注系統(tǒng)。階梯式澆注系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn):金屬液首先由最底層內(nèi)澆道進(jìn)人型腔，隨著型內(nèi)液面上升，自下而上、順序地流經(jīng)各層內(nèi)澆道，因而充型平穩(wěn)，型腔內(nèi)氣體排出順利;充型后，上部金屬液溫度高于下部，有利于順序凝固和冒口的補(bǔ)縮，鑄件組織致密，能避免縮孔、縮松、冷隔及澆不到等鑄造缺陷;利用多內(nèi)澆道，可減輕內(nèi)澆道附近的局部過(guò)熱現(xiàn)象。主要缺點(diǎn)是:造型復(fù)雜，有時(shí)要求幾個(gè)水平分型面，要求正確的計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，否則容易出現(xiàn)上下各層內(nèi)澆道同時(shí)進(jìn)人金屬

46、液的“亂澆”現(xiàn)象，或底層進(jìn)人的金屬液過(guò)多，形成下部溫度高的不理想的溫度分布。階梯式澆注系統(tǒng)適用于高度大的中、大型鑄件，具有垂直分型面的中大件可優(yōu)先采用。 ②垂直縫隙式澆注系統(tǒng) 充滿。其充型過(guò)程平穩(wěn)，有利于排氣和順序凝固，獲得的鑄件組織致密。適用于小型、質(zhì)量要求較高的非鐵合金及鑄鋼件，也適用于一些高度較大的鑄鐵實(shí)體件和垂直分型鑄件。 總之，選擇澆注系統(tǒng)類型時(shí)要綜合考慮多種因素，包括鑄件的澆注位置、分型面、鑄件的結(jié)構(gòu)、尺寸、合金的鑄造性能以及是否應(yīng)用冒口、冷鐵等。 2.4.3.2 澆注系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算 (1)澆注速度的計(jì)算V(Kg/s) v=kLδ 其中 L—薄壁鑄件的最大薄壁長(zhǎng)度(mm

47、) δ—薄壁鑄件的壁厚(mm) K—系數(shù)，頂注，K=0.05；側(cè)注，K=0.06；底注，K=0.08 根據(jù)計(jì)算得出澆注速度為0.34Kg/s (2)確定控制澆注速度單元的截面積A0 和壓力頭hp A0=23vμphp hp=23vμpA02 本課題省略了橫澆道 橫澆道橫截面積Aru =(0.7-0.9)As 代替冒口起主要補(bǔ)縮作用時(shí)： Aru =(1.0-1.3)As (3)澆道面積的計(jì)算 ①此件表面積約為16321.6mm2，由圖2.4.3-1查得矩形內(nèi)澆道截面積約為116mm2

48、， 圖2.4.3-1表面積與內(nèi)澆道截面積的關(guān)系 1—矩形、橢圓形 2—圓形 a—細(xì)長(zhǎng)桿，或者δ=6-10mm的鑄件 b: δ<5mm的鑄件 ②由圖2.4.3-2查得直澆道截面積約為510mm2，內(nèi)澆道中心距約為45mm 圖2.4.3-2 內(nèi)澆道與直(橫)澆道截面積、內(nèi)澆道中心距的關(guān)系 1—橫澆道 2—直澆道 ③設(shè)計(jì)直澆道和澆口杯 如圖所示，取D=25mm、D1= 23mm則D2=58mm、D3=70mm、h=250mm、h1=

49、10mm、R=5mm 如圖所示確定內(nèi)澆道尺寸為H1=10mm、 H2=8mm、高為10mm以及2mm 2.4.3.3氣門搖臂軸支座澆注溫度的確定 合理的澆注溫度是提高氣門搖臂軸支座鑄件質(zhì)量的保障。提高澆注溫度能增強(qiáng)合金液體的流動(dòng)性，使得金屬液完全的充滿空腔，但是過(guò)高的澆注溫度會(huì)使得鑄件收縮增大，鑄件會(huì)產(chǎn)生縮孔等缺陷；但是澆注溫度過(guò)低，將會(huì)降低高溫合金的流動(dòng)性，使得金屬液不能完整充滿型腔，鑄件容易產(chǎn)生澆不足等缺陷。 所以設(shè)置合理的澆注溫度參數(shù)能夠保證鑄件的質(zhì)量。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)一般澆注溫度高于合金液相線溫度100-150℃。結(jié)合本課題的氣門搖臂軸支座結(jié)構(gòu)，材料合金性能等，將澆注溫度

50、確定為1450℃。 2.6型殼的設(shè)計(jì)與制造 2.6.1型殼概述 熔模鑄造采用的鑄型常稱為型殼，型殼與鑄件質(zhì)量有密切的關(guān)系。 型殼按制造過(guò)程可分為：實(shí)體型殼和多層型殼兩種?，F(xiàn)在采用較多的為多層型殼；再生產(chǎn)薄壁件或要求鑄型有一定溫度的高溫合金鑄件時(shí)可把多層型殼放置于有底砂箱內(nèi)，填充干砂造型，形成干法實(shí)體型殼使用。 從宏觀上看，型殼除硅凝膠和耐火粉、砂這些固體外，還存在著氣體和空隙。從微觀上看，型殼有多種化學(xué)成分以及礦相組織，它們?cè)诟邷叵轮饕纬删嗪头蔷鄡煞N物相。總之，從宏觀到微觀型殼都是一種多相非均勻體系。一般中小型鑄件型殼以整體型殼較佳，分層型殼適合于大型鑄件

51、 2.6.2型殼材料的選擇 2.6.2.1制作型殼用耐火材料 耐火材料是型殼的基本材料,占型殼重量90%以上,對(duì)其性能有影響。按用途耐火材料可分為涂料漿使用的粉狀料,作為增強(qiáng)型殼的撒砂材料,以及制造陶瓷型芯用耐火材料三種。 對(duì)熔模鑄造用耐火材料,要求有足夠的耐火度、小而均勻的熱膨脹系數(shù)、好的熱化學(xué)穩(wěn)定性、合適的粒度、價(jià)廉而無(wú)毒等。 常用制殼耐火材料性能及應(yīng)用 耐火材料名稱 化學(xué)性質(zhì) 熔點(diǎn)/℃ 耐火度/℃ 密度/ (g/cm3) 線膨脹系數(shù)X10-6℃-1 硅砂 酸性 1713 1680 2.65 12

52、.5 熔融石英 酸性 1713 — 2.2 0.51 電熔剛玉 兩性 2050 2000 4.0 8.6 莫來(lái)石 兩性 1810 — 3.16 5.4 高嶺石類熟料 — — 1700-1790 2.65 5 鋁礬土類熟料 — 1800 — 3.4 6 鋯砂 弱酸性 <1948 — 4.8 4.6 2.6.2.2制作型殼用粘接劑 粘結(jié)劑影響著型殼性能、鑄件質(zhì)量和成本。 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)中使用硅溶膠、水玻璃和硅酸乙酯三種粘結(jié)劑。水基硅溶膠粘結(jié)劑的黏度低,所配涂料粉液比高,制殼時(shí)涂層致密,生產(chǎn)的鑄件表面光潔;硅溶膠型殼高溫強(qiáng)度

53、高,抗變形能力強(qiáng),所生產(chǎn)鑄件精確,是一種優(yōu)質(zhì)制殼粘結(jié)劑。 同時(shí),硅溶膠可直接配涂料,制殼時(shí)只需水分蒸發(fā)、型殼干燥,工序簡(jiǎn)單和環(huán)保,是一種綠色制殼粘結(jié)劑,使用在增加。 但水分蒸發(fā)速度慢、型殼濕強(qiáng)度低、制殼周期長(zhǎng)。 近年來(lái),隨著快干增強(qiáng)硅溶膠的應(yīng)用和制殼工藝的發(fā)展,硅溶膠型殼生產(chǎn)效率已大為提高。 水基水玻璃粘結(jié)劑黏度很大,涂料粉液比低,涂層不致密,所生產(chǎn)的鑄件表面 粗糙,由于水玻璃型殼高溫強(qiáng)度低,生產(chǎn)的鑄件精度也差,主要用于生產(chǎn)低精度鑄件上。 三種型殼的比較 型殼名稱 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 應(yīng)用范圍 水玻璃型殼 制殼周期短,成本低 型殼高溫強(qiáng)度低、抗變形能力差,所生產(chǎn)

54、鑄件尺寸精度低,表面粗糙度值大 不用化學(xué)硬化法制殼,勞動(dòng)環(huán)境差 用于生產(chǎn)精度低的鑄件,主要用于碳素鋼、低合金鋼、鋁合金和銅合金精度低的鑄件中 硅溶膠型殼 型殼高溫強(qiáng)度好,抗 變形能力強(qiáng),所生鑄 件尺寸精度高,表面粗糙度值小。型殼存放時(shí)內(nèi)表面不產(chǎn)生“白霜”,制殼間環(huán)境好 制殼周期較長(zhǎng) 用于生產(chǎn)精度要求高的鑄件?，F(xiàn)廣泛用于生產(chǎn)各種合金高質(zhì)量鑄件中 硅酸乙酯型殼 型殼性能較好,所生 產(chǎn)鑄件尺寸精度高,表面粗糙度值小 型殼存放時(shí)內(nèi)表面易產(chǎn)生“白霜” 制殼間空氣中有乙醇,不環(huán)保 用于生產(chǎn)精度要求高的鑄件,但因環(huán)保問題近年來(lái)應(yīng)用有下降趨勢(shì) 第三

55、章 氣門搖臂軸架支座熔模鑄造充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬 3.1氣門搖臂軸架支座數(shù)值模擬與前處理參數(shù)設(shè)置 將利用Creo參數(shù)化建模軟件繪制的鑄件及其澆注系統(tǒng)的三維模型圖保存為igs格式文件并導(dǎo)入ProCAST2018版。進(jìn)入Mesh界面檢查模型并合并裝配面，接下來(lái)對(duì)模型進(jìn)行面網(wǎng)格劃分。將網(wǎng)格大小設(shè)置為3mm,在2Dmesh選項(xiàng)卡中點(diǎn)擊shelling對(duì)模型進(jìn)行掛殼將殼厚度設(shè)置為9mm。最后對(duì)模型及型殼進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，圖示為劃分完體網(wǎng)格后的澆注系統(tǒng)。 3.1.1材料熱物性參數(shù)設(shè)定 球墨鑄鐵是一種高強(qiáng)度鑄鐵材料，他的綜合性能接近于鋼，適用于鑄造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、韌性、耐磨性要求較高的零件。

56、本課題調(diào)用了ProCAST的材料熱力學(xué)數(shù)據(jù)，選擇了牌號(hào) 3.1.2邊界條件和初始條件設(shè)置 3.1.2.1界面換熱系數(shù)設(shè)置 界面熱交換系數(shù)表示熱量在“鑄件—鑄型—環(huán)境”兩兩之間熱交換快慢的程度，在澆注過(guò)程中面積較小，整個(gè)澆注過(guò)程熱輻射影響不強(qiáng)烈。本課題主要考慮金屬與鑄型之間的熱交換系數(shù)，查閱相關(guān)文獻(xiàn)后設(shè)置界面換熱系數(shù)為500W/m2 ，設(shè)置參數(shù)截圖如下。 3.1.2.2工藝參數(shù)的設(shè)置 在mesh界面完成面網(wǎng)格、體網(wǎng)格劃分以及型殼制作后，保存模型并進(jìn)入cast界面進(jìn)行澆注參數(shù)的設(shè)置。 （1）將重力方向修改為與澆注系統(tǒng)相同的方向。 （2）分別選擇鑄件和型殼的類型、材料、初始溫

57、度。為方便添加條件，將除了型殼的部分單獨(dú)留下外，將其他部分合并為一個(gè)“組”，如下圖： （3）添加邊界條件，如圖所示： （4）將仿真參數(shù)中的充型方式修改為重力充型，如圖所示： （5）檢查參數(shù)設(shè)置，沒有錯(cuò)誤后點(diǎn)擊“Run”進(jìn)行模擬，并通過(guò)監(jiān)視器觀察，等待澆注結(jié)束后進(jìn)行后處理，如圖所示： 3.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析 3.2.1充型過(guò)程模擬及分析 運(yùn)用ProCAST軟件進(jìn)行對(duì)初始工藝進(jìn)行分析，觀察合金充型是的液體流動(dòng)狀態(tài)和冷卻狀態(tài)下的固相分布，為修改澆注方案奠定基礎(chǔ)。 氣門搖臂軸架支座充型過(guò)程合金的流動(dòng)和分布如圖所示：分別表示在1s、2s、3s

58、、9s時(shí)候的充型狀態(tài)和溫度場(chǎng)示意圖。合金開始充型是沿著澆道首先到達(dá)直澆道的低端（即澆口窩），逐漸向上充滿型腔的過(guò)程中，相同水平面截面的充型狀態(tài)并不相同，合金液體液面高低不平，平穩(wěn)性較差，容易造成合金液的氧化以及形成卷氣等缺陷。由圖可知合金液首先由澆口杯進(jìn)入直澆道，隨后一層一層分別充型，圖（C）表示鑄件已經(jīng)基本充型完畢，圖（D）表示鑄件已經(jīng)完全充型，并且已經(jīng)完成補(bǔ)縮。如圖可知，充型過(guò)程順利完成。 圖（A）t=1s 圖（B）t=2s 圖（C）t=3s 圖（D）t=9s 3.

59、2.2凝固過(guò)程模擬及分析 凝固階段主要通過(guò)固相率變化來(lái)反映凝固變化的過(guò)程，合金液體充型完成后隨著溫度的降低逐漸冷卻至室溫。在鑄造成形方法中,凝固過(guò)程是指高溫液態(tài)金屬由液相向固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程。 在這一過(guò)程中,高溫液態(tài)金屬所含有的熱量必須通過(guò)各種途徑向鑄型和周圍環(huán)境傳遞,逐步冷卻并進(jìn)行凝固,最終形成鑄件產(chǎn)品。在此過(guò)程中熱量的傳遞包括:金屬及鑄型內(nèi)部的熱傳導(dǎo),金屬與大氣間的輻射傳熱和對(duì)流傳熱等,實(shí)際上包含了自然界所有的三種基本傳熱方式。 鑄件凝固過(guò)程數(shù)值模擬的任務(wù)是建立鑄件凝固過(guò)程中傳熱的數(shù)學(xué)模型,并通過(guò)數(shù)值方法進(jìn)行求解,從而得到鑄件凝固過(guò)程的規(guī)律,預(yù)測(cè)鑄件缺陷(縮孔,縮松)產(chǎn)生的可能性及位置。

60、本章主要介紹應(yīng)用有限差分法進(jìn)行鑄件凝固過(guò)程數(shù)值求解的方法及對(duì)鑄件縮孔,縮松缺陷的預(yù)測(cè)。 如圖所示為充型完成后鑄件及澆注系統(tǒng)的固相率隨時(shí)間變化的過(guò)程，總體凝固順序是從底部到頂部凝固。由圖可知t=22s時(shí)，鑄件剛完成充型不久，合金液仍然具有很高的溫度，但是鑄件與型殼接觸的部分溫度迅速降低，鑄件邊緣已經(jīng)開始凝固；t=52s的時(shí)候鑄件基本已經(jīng)凝固完畢，澆注系統(tǒng)中仍然存在一些固液混合物；t=102s時(shí)，鑄件已經(jīng)完全凝固，成為固態(tài)，澆口杯仍然存在一部分液相與固相；t=512s的時(shí)候，鑄型及澆注系統(tǒng)均已經(jīng)完成凝固全部成為固態(tài)，澆口棒部位由于鑄件液態(tài)收縮、凝固收縮以及固態(tài)收縮形成孔洞，金屬液未能充填完整，但

61、不存在與鑄件上，不影響鑄件品質(zhì)。 圖（A）t=22s 圖（B）t=52S 圖（C）t=102s 圖（D）t=512s 3.2.3縮孔縮松缺陷分析 鑄件成形過(guò)程通常經(jīng)歷液態(tài)冷卻、固液轉(zhuǎn)變利碳固后的繼續(xù)冷卻過(guò)程。其中液態(tài)冷卻和固液轉(zhuǎn)變一般產(chǎn)生較大的收縮。 在鑄件凝固初期,金屬的液態(tài)收縮和固液轉(zhuǎn)變所產(chǎn)生的收縮如果得不到有效的補(bǔ)縮,就會(huì)在鑄件中產(chǎn)生縮孔。 一般縮孔表現(xiàn)為一次縮孔、二次縮孔等。 而在鑄件凝固后期,最后凝固部分的液態(tài)金屬由于溫度梯度很小,將以同時(shí)凝固方式進(jìn)行凝固。開始是在整個(gè)液態(tài)金屬內(nèi)出現(xiàn)許多細(xì)

62、小的晶粒。 隨著溫度降低和晶粒的長(zhǎng)大以及新晶粒的產(chǎn)生,最后凝固部分將出現(xiàn)許多被晶粒所隔離的孤立的液態(tài)金屬,這些液態(tài)金屬在凝固時(shí)，將產(chǎn)生更多更細(xì)小的孔洞，形成微觀縮松。 如圖所示，氣門搖臂軸架支座在初始設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)存在著縮孔與縮松缺陷，其中位于鑄件上的縮孔與縮松將會(huì)導(dǎo)致鑄件在加工成為零件使用時(shí)出現(xiàn)問題，證明初始設(shè)計(jì)存在問題，需要在后期進(jìn)行優(yōu)化。 3.3 改進(jìn)后數(shù)值模擬及結(jié)果分析 3.3.1改進(jìn)后澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 從原始方案的設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果可以分析得出，原來(lái)的澆注方案存在的缺陷主要體現(xiàn)在：充型不平穩(wěn)，并且由于中間第二層的鑄件與第一層以及第三層鑄件之間僅存在60°的夾角，使得鑄

63、件在澆注時(shí)候平穩(wěn)性不容易控制，危險(xiǎn)性較大。根據(jù)以上缺點(diǎn)重新考慮設(shè)計(jì)使得獲得較好的充型和凝固效果，將扁平的內(nèi)澆道修改為短粗形狀內(nèi)澆道，并且將每組鑄件之間的角度修改為120°，如圖所示： 3.3.2改進(jìn)后充型過(guò)程分析 重新設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)后，使用原有澆注參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，氣門搖臂軸架支座的充型過(guò)程液體流動(dòng)和溫度場(chǎng)變化如圖所示，分別表示1.1s、2s、3s、10.8s時(shí)候的合金液充型溫度和流動(dòng)狀態(tài)分布圖。從圖中可以看出采用新的改進(jìn)方案的澆注方案能夠順利進(jìn)行，合金液體從底部經(jīng)過(guò)澆口窩流入空腔后，開始依次向上充填，在底部充型完成后，金屬液流匯合后繼續(xù)充完其余空腔，最終充型完成，實(shí)現(xiàn)了順

64、訊充型，因此該方案充型過(guò)程良好。 圖（A）t=1.1s 圖（B）t=2.0s 圖（C）t=3.0s 圖（D）t=10.8s 3.3.3改進(jìn)后凝固過(guò)程分析 如圖所示為氣門搖臂軸架支座熔模鑄造凝固過(guò)程溫度變化和固相率變化分布圖。由圖可知，當(dāng)t=20.8s時(shí)鑄件部分區(qū)域已經(jīng)開始凝固，但是整體大部分仍然處于液相狀態(tài)；當(dāng)t=70.3s時(shí)鑄件已經(jīng)基本凝固完畢，由于澆注系統(tǒng)散熱較慢，所以大部分澆道內(nèi)仍然存在著液體金屬；當(dāng)t=110.3s的時(shí)候，鑄件已經(jīng)全部凝固完成，澆注系統(tǒng)大部分已經(jīng)凝固；t=590.3s時(shí)，鑄件及澆注系統(tǒng)已經(jīng)完全凝固。 圖（A）t=20.8s 圖（B）t=70.3s 圖（C）t=110.3s 圖（D）t=590.3s 第四章 零件快速成型工藝（3D打?。? 4.1 3D打印技術(shù)簡(jiǎn)介 4.2零件模型3D打印 第五章 總結(jié)與展望 5.1本文的主要工作總結(jié) 5.2前景與展望 參考文獻(xiàn) 致謝