閥蓋的鑄造工藝設計及模擬摘要本文完成了對鑄鋼件閥蓋的鑄造工藝方案設計，包括澆注位置、分型面的選擇，砂芯和各項鑄造工藝參數確實定以及澆注系統、砂箱、芯盒、模板的設計。根據鑄件小的特點，分為一箱四件，并采用封閉-開放式的澆注系統的方法。在利用華鑄CAE模擬的根底上，通過對凝固過程的溫度場和鑄造缺陷的分析，依據分析結果對工藝進行改良，最后設計出合理的鑄造工藝方案。鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產品的工藝實驗，能夠有效地防止可能出現的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產品的試制周期。關鍵詞：模擬；鑄造工藝設計；澆注系統ValveCoverCastingProcessDesignandSimulationAbstractThisarticlecompletesthecastvalvecovercastingtechnologydesign，includingthecastingchoiceoflocation，apartingsurface，sandcoresandthecastingpouringsystemfordeterminationofprocessparametersand，sandbox，box，templatedesign。Accordingtothecastingcharacteristicsofsmall，dividedintoaboxoffourpieces，andclosed-open-castmethodofthesystem。ChinacastingCAEsimulationonthebasisof，throughtheanalysisofsolidificationandtemperaturefieldofcastingdefects，analysisbasedonprocessimprovement，andfinallydeviseareasonablecastingtechnology。Computersimulationofcastingprocesstoreduceorcanceltheprocessofnewproduct，caneffectivelypreventpossiblecastingdefects，ensureprocessreliability，shortenthedevelopmentcycleofnewproducts。Keywords:valvecover;simulation;castingprocessdesign;pouringsystem目錄第1章緒論……………….11.1概述…………………11.2鑄造行業的現狀……………………11.3國內鑄造行業的現狀及開展趨勢………………….11.4興旺國家鑄造行業的現狀及開展趨勢…………….11.5本課題的研究內容………………….2第2章鑄造工藝方案的設計……………...32.1零件結構的鑄造工藝性…………….32.2造型和造芯方法的選擇…………….42.3澆注位置確實定……………………42.4分型面的選擇………………………52.5砂箱中鑄件的數量及排列方式……………………..6第3章鑄造工藝參數及砂芯的設計…………………….73.1鑄造工藝參數確實定……………….73.2砂芯的設計…………10第4章澆注系統的設計…………………154.1澆注系統類型的選擇………………154.2澆注時間……………154.2直澆道的設計............................................................................................................164.3橫澆道的設計………………………164.4內澆道的設計………………………164.5澆口杯的設計………………………164.6冒口的設計…………174.7冷鐵的設計…………17第5章鑄造工藝裝備設計………………185.1模樣的設計………………………..185.2砂箱的設計………………………..185.3芯盒的設計………………………..215.4模板的設計………………………..23第6章鑄造過程的凝固模擬…………...27結論與展望……………….28致謝……………………….29參考文獻………………….30附錄A:主要參考文獻摘要……………31附錄B:英文原文及翻譯………………33附錄C:鑄造工藝卡……………………56插圖清單圖2-1澆注位置示意圖……………………4圖2-2分型面方案一………………………5圖2-3分型面方案二………………………5圖3-1鑄件中砂芯的示意圖……………...11圖3-2垂直砂芯芯頭典型結構示意圖…………………..11圖3-3垂直芯頭各局部尺寸示意圖……………………..11圖3-4擴大下芯頭的垂直芯頭示意圖…………………..12圖3-5外砂芯示意圖……………………..14圖4-1鑄件在砂箱中的排布示意圖……………………..15圖4-2各個澆道的截面圖………………..16圖5-1下模樣示意圖……………………..18圖5-2砂箱箱壁形狀、定位銷以及銷套示意圖…………20圖5-3砂箱手把示意圖…………………..21圖5-4芯盒示意圖………………………..22圖5-5定位銷套結構尺寸示意圖………..22圖5-6定位銷結構尺寸示意圖…………..22圖5-7芯盒緊固及定位裝置圖…………..23圖5-8加強肋示意圖……………………..24圖5-9模板與砂箱的定位方式及定位銷示意圖………..24圖5-10定位銷耳示意圖…………………25圖5-11緊固耳示意圖……………………25圖6-1模擬結果圖……………………….27表格清單表2-1砂型鑄造時鑄件最小允許壁厚…………………….3表2-2按鑄件重量確定的吃沙量…………6表3-1鑄件的尺寸公差值…………………7表3-2鑄件質量公差數值…………………7表3-3用于成批或大量生產與鑄件尺寸公差配套使用的鑄件機械加工余量等級……8表3-4與鑄件尺寸公差配套使用的機械加工余量………8表3-5砂型鑄造普通合金鑄件的鑄造收縮率……………9表3-6起模斜度……………9表3-7鑄件的最小鑄出孔………………...10表3-8垂直芯頭的高度…………………..12表3-9垂直芯頭斜度……………………..13表3-10垂直芯頭與芯座之間的間隙……………………13表3-11壓環、防壓環和積砂槽…………13表4-1鑄鋼件內澆道截面積……………..15表4-2內澆道、橫澆道截面積尺寸………16表4-3普通漏斗形澆口杯尺寸…………..16表5-1砂箱及其附件的材料……………..19表5-2最小吃砂量………………………..19表5-3普通砂箱的規格…………………..19表5-4簡易砂箱轉角局部結構及尺寸…………………..20表5-5普通小型砂箱箱把局部的尺寸…………………..21表5-6加強肋間距………………………..24表5-7模底板上定位銷耳的尺寸………..25表5-8緊固耳的尺寸……………………..26引言隨著科技的進步與鑄造業的蓬勃開展，不同的鑄造方法有不同的鑄型準備內容。以應用最廣泛的砂型鑄造為例，鑄型準備包括造型材料準備和造型、造芯兩大項工作。砂型鑄造中用來造型、造芯的各種原材料，如鑄造原砂、型砂粘結劑和其他輔料，以及由它們配制成的型砂、芯砂、涂料等統稱為造型材料，造型材料準備的任務是按照鑄件的要求、金屬的性質，選擇適宜的原砂、粘結劑和輔料，然后按一定的比例把它們混合成具有一定性能的型砂和芯砂。常用的混砂設備有碾輪式混砂機、逆流式混砂機和連續式混砂機。后者是專為混合化學自硬砂設計的，連續混合，混砂速度快。鑄造工藝可分為三個根本局部，即鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理。鑄造金屬是指鑄造生產中用于澆注鑄件的金屬材料，它是以一種金屬元素為主要成分，并參加其他金屬或非金屬元素而組成的合金，習慣上稱為鑄造合金，主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。造型、造芯是根據鑄造工藝要求，在確定好造型方法，準備好造型材料的根底上進行的。鑄件的精度和全部生產過程的經濟效果，主要取決于這道工序。在很多現代化的鑄造車間里，造型、造芯都實現了機械化或自動化。常用的砂型造型造芯設備有高、中、低壓造型機、氣沖造型機、無箱射壓造型機、冷芯盒制芯機和熱芯盒制芯機、覆膜砂制芯機等。造型造芯是根據鑄造工藝要求，在確定好造型方法，準備好造型材料的根底上進行的。鑄件的精度和全部生產過程的經濟效果，主要取決于這道工序。在很多現代化的鑄造車間里，造型造芯都實現了機械化或自動化。常用的砂型造型造芯設備有高、中、低壓造型機、拋砂機、無箱射壓造型機、射芯機、冷和熱芯盒機等。鑄件自澆注冷卻的鑄型中取出后，有澆口、冒口及金屬毛刺披縫，砂型鑄造的鑄件還粘附著砂子，因此必須經過清理工序。進行這種工作的設備有拋丸機、澆口冒口切割機等。有些鑄件因特殊要求，還要經鑄件后處理，如熱處理、整形、防銹處理、粗加工等。鑄造的零件尺寸和重量的適應范圍很寬，金屬種類幾乎不受限制；零件在具有一般機械性能的同時，還具有耐磨、耐腐蝕、吸震等綜合性能，是其他金屬成形方法如鍛、軋、焊、沖等所做不到的。鑄造產品開展的趨勢是要求鑄件有更好的綜合性能，更高的精度，更少的余量和更光潔的外表。此外，節能的要求和社會對恢復自然環境的呼聲也越來越高。為適應這些要求，新的鑄造合金將得到開發，冶煉新工藝和新設備將相應出現。鑄造生產的機械化自動化程度在不斷提高的同時，將更多地向柔性生產方面開展，以擴大對不同批量和多品種生產的適應性。節約能源和原材料的新技術將會得到優先開展，少產生或不產生污染的新工藝新設備將首先受到重視。質量控制技術在各道工序的檢測和無損探傷、應力測定方面，將有新的開展。第1章緒論1.1概述鑄造生產是用液態合金形成產品的方法，將液態合金注入鑄型中使之冷卻、凝固，這種制造金屬制品的過程稱為鑄造生產，簡稱鑄造，所鑄出的金屬制品稱為鑄件。絕大多數鑄件用作毛坯，需要經過機械加工后才能成為各種機器零件；少數鑄件當到達使用的尺寸精度和外表粗糙度要求時，可作為成品或零件而直接應用。1.2鑄造行業的現狀鑄造毛坯因近乎成形，而到達免機械加工或少量加工的目的降低了本錢并在一定程度上減少了制作時間．鑄造是現代裝置制造工業的根底工藝之一。鑄造產品開展的趨勢是要求鑄件有更好的綜合性能，更高的精度，更少的加工余量和更光潔的外表。此外，節能的要求和社會對恢復自然環境的呼聲也越來越高。為適應這些要求，新的鑄造合金將得到開發，冶煉新工藝和新設備將相應出現。1.3國內鑄造行業的現狀及開展趨勢鑄造工藝是機械制造工業的根底工藝之一，因此鑄造業的開展標志著一個國家的生產實力。有資料說明[1]，我國鑄造生產中。材料和能源的投人之比可占到產值的55％到70％。我國目前已經成為世界鑄造機械大國之一，在鑄造機械制造行業近年來取得了很大的成績。我國是鑄造大國，在十五期間，隨著國民經濟的高速開展．我國鑄件年產量一直居世界鑄件生產大國榜首。從數量上來看．整個形勢是喜人的．但鑄造生產的粗放特征沒有得到根本改變。我國的鑄件質量與國外先進水平相比有較大差距。鑄件尺寸精度普遍低1～2級，外表粗糙度差1～2級，鑄件壁厚也厚得多。中國的鑄件材料仍以灰鑄鐵為主，約占鑄件總產量的61.9％(其中HT250以下牌號約占70％)，球墨鑄鐵占16.7％，比世界平均值20％低，遠低于日本(30．8％)、美國(29．6％)。合金鋼在鑄鋼件中的比例，中國為25％，國外先進水平為42％～60％。有色金屬鑄件．中國為7.9％，國外先進水平為11％～20％[2]。此外，材料成分、組織和性能的一致性、穩定性與興旺國家相比也有差距[3]。1.4興旺國家鑄造業現狀及開展趨勢興旺國家總體上鑄造技術先進、產品質量好、生產效率高、環境污染少、原輔材料已形成商品化系列化供給，如在歐洲已建立跨國效勞系統。生產普遍實現機械化、自動化、智能化〔計算機控制、機器人操作〕。鑄鐵熔煉使用大型、高效、除塵、微機測控、外熱送風無爐襯水冷連續作業沖天爐，普遍使用鑄造焦，沖天爐或電爐與沖天爐雙聯熔煉，采用氮氣連續脫硫或搖包脫硫使鐵液中硫含量達0。01%以下；熔煉合金鋼精煉多用AOD、VOD等設備，使鋼液中H、O、N到達幾個或幾十個10-6的水平。在重要鑄件生產中，對材質要求高，采用先進的無損檢測技術有效控制鑄件質量。普遍采用液態金屬過濾技術，過濾器可適應高溫諸如鈷基、鎳基合金及不銹鋼液的過濾。過濾后的鋼鑄件射線探傷A級合格率提高13個百分點，鋁鎂合金經過濾，抗拉強度提高50%、伸長率提高100%以上[4]。廣泛應用合金包芯線處理技術，使球鐵、蠕鐵和孕育鑄鐵工藝穩定、合金元素收得率高、處理過程無污染，實現了微機自動化控制。

鋁基復合材料以其優越性能被廣泛重視并日益轉向工業規模應用，如汽車驅動桿、缸體、缸套、活塞、連桿等各種重要部件都可用鋁基復合材料制作，并已在高級賽車上應用；在汽車向輕量化開展的進程中，用鎂合金材料制作各種重要汽車部件的量已僅次于鋁合金。

在大批量中小鑄件的生產中[5]，大多采用微機控制的高密度靜壓、射壓或氣沖造型機械化、自動化高效流水線濕型砂造型工藝，砂處理采用高效連續混砂機、人工智能型砂在線控制專家系統，制芯工藝普遍采用樹脂砂熱、溫芯盒法和冷芯盒法。熔模鑄造普遍用硅溶膠和硅酸乙酯做粘結劑的制殼工藝。

用自動化壓鑄機生產鑄鋁缸體[6]、缸蓋；已經建成多條鐵基合金低壓鑄造生產線。用差壓鑄造生產特種鑄鋼件。所生產的各種口徑的離心球墨鑄鐵管占鑄鐵管總量95%以上，球鐵管占球鐵年產量30%-50%。鑄造生產全過程主動、從嚴執行技術標準，鑄件廢品率僅2%-5%；標準更新快〔標齡4-5年〕；普遍進行ISO9000、ISO14000等認證。

重視開發使用互聯網技術，紛紛建立自己的主頁、站點。鑄造業的電子商務、遠程設計與制造、虛擬鑄造工廠通過使用身臨其境的虛擬環境系統，可以學習通過多媒體先進的產品技術和體驗的技巧和訣竅通過虛擬技術實現，這些新元素都在飛速開展。很明顯[7]，中國現有的資源和能源已無法滿足傳統經濟模式下高速開展的要求，大力開展循環經濟，使中國經濟和社會可持續開展，是中國經濟開展模式的必然選擇。我們應加大鑄造業中循環經濟的新技術、新工藝、新材料、新設備的研究和應用，以科學的開展觀來開展中國的鑄造業。1.5本課題的研究內容本次畢業設計的題目是：閥蓋的鑄造工藝設計及模擬。我查閱了相關資料和書籍后，主要進行了鑄造工藝性分析、鑄造工藝設計及鑄造工藝裝備設計。這個過程看似一目了然，但具體工作卻十分繁瑣，首先，我們要確定這個零件是否適合鑄造工藝性的要求；其次，我們還要確定澆注位置，分型面以及造型、造芯的方法；然后，開始鑄造工藝參數的選擇以及砂芯的設計；再然后，我們要進行澆注系統的設計；最后，要對鑄造工藝裝備進行選擇和設計。當這一切完成后，我們還要在華鑄CAE上進行模擬，利用計算機模擬的幫助，修改工藝參數并選擇較為合理的方案。第2章鑄造工藝方案的設計2.1零件結構的鑄造工藝性砂型鑄造工藝方案通常包括以下內容：造型、造芯方法和鑄型種類的選擇，澆注位置及分型面確實定等。要想定出最正確工藝方案，首先應對零件的結構有詳細的鑄造工藝性分析。零件結構的鑄造工藝性指的是零件的結構應符合鑄造生產的要求，易于保證鑄件品質，簡化鑄造工藝過程，降低生產本錢。為了保證零件具有良好的鑄造工藝性，在設計零件時應考慮以下幾個方面的問題：鑄件應有適宜的壁厚為了防止澆不到、冷隔等缺陷，鑄件不應太薄。本次設計的閥蓋使用的材料是ZG230-450，為碳素鋼。密度為7830kg/m3，屈服強度為230Mpa，抗拉強度為450Mpa。此類鑄鋼件壁厚的選擇參考表2-1[8]。表2-1砂型鑄造時鑄件最小允許壁厚由于本次設計的零件整體最大輪廓尺寸小于200mm，而且為鑄鋼件。根據表1-1得，鑄造允許最小壁厚為8mm。由零件圖知，本次設計閥蓋的最小壁厚為6mm。貌似不合理，其實還需要把加工余量計算在內，這樣鑄件的最小壁厚就大于8mm，所以是合理的。〔2〕鑄造結構不應造成嚴重的收縮障礙，注意壁厚和圓角；〔3〕鑄件內壁應薄于外壁；〔4〕壁厚力求均勻，減少肥厚局部，防止形成熱節；〔5〕利于實現補縮和順序凝固；〔6〕防止鑄件翹曲變形；〔7〕防止澆注位置上有水平的大平面結構本次設計閥蓋采用圓角過渡，防止了因應力集中導致的裂紋缺陷。2.2造型和造芯方法的選擇造型和造芯方法的選擇可參照以下原那么：優先采用濕型；造型和造芯方法與生產批量相適應；造型方法應適合工廠條件本次設計的鑄鋼件閥蓋為小型鑄件，大批量生產，鑄件不高，無需長時間等待，也無需放置冷鐵，應選用濕型砂。由于是小型、大批量生產，那么選用機器造型、造芯、金屬模、砂箱造型。雖然本錢高，但由于是大批量生產，故合理。2.3澆注位置確實定鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在型內所處的狀態和位置。根據對合金凝固理論的研究和生產經驗，確定澆注位置時，應考慮以下原那么：鑄件的重要部位應盡量置于下部；重要加工面應朝下或呈直立狀；鑄件大平面朝下，防止夾砂結疤類缺陷；應保證鑄件能充滿；應有利于鑄件的補縮；防止吊砂、吊芯或懸臂式砂；應使合箱位置、澆注位置和鑄件冷卻位置相一致綜合考慮以上原那么，本次設計的閥蓋的澆注位置應選在如圖2-1所示法蘭盤朝上的大平面位置上。圖2-1澆注位置示意圖2.4分型面的選擇分型面是指兩半鑄型相互接觸的外表。生產中，澆注位置和分型面有時是同時確定的。分型面的優劣，在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、本錢和生產率。分型面的選擇應盡量與澆注位置一致，以防止合型后翻轉砂箱。在選擇時，應注意以下原那么：〔1〕盡量將鑄件的全部或大局部放在同一箱內，以減少錯型和不便驗型造成的尺寸偏差；〔2〕盡量將加工定位面和主要加工面放在同一箱內，以減少加工定位的尺寸偏差；〔3〕盡量減少分型面數量，在機器造型中一般采用一個分型面；〔4〕盡量減少砂芯數量；〔5〕盡量使分型面為平面；〔6〕為了方便起模，分型面應在鑄件的最大截面積處；〔7〕注意減輕鑄件清理和機械加工；綜合上述原那么，現有以下兩種方案：圖2-2分型面方案一圖2-3分型面方案二方案一：如圖1-2所示，分型面選在閥蓋法蘭盤的大平面上，這樣就保證了鑄件的大局部都在同一個半型內，而且是重要部位盡量置于下箱，這樣的話，下部金屬液就會在上部金屬液的靜壓力下形成致密的組織，保證了重要部位的質量。這種分型方法，貌似起模不方便，而且大平面的精度不易保證。但是這都可以通過一些措施補救，大平面是要留有加工余量的，所以不用擔憂精度問題。而且不易起模的局部，我們可以不鑄出，用機加工把它加工出來。這樣以上問題就解決了。這樣分型很明顯的一點優勢就是可以保證圓柱外表的粗糙度和圓柱的垂直度。方案二：如圖1-3，分型面選在對稱的面上，起模相當方便。但圓柱內壁的精度不能保證，而且澆注位置也不易確定。圓柱必須垂直澆注，方能保證精度，假設水平放置，澆注時圓柱壁易遭沖刷，造成缺陷，圓柱的垂直度也不易保證。而圓柱內壁的加工又不方便，費工費時。綜上兩種方案，還是選擇方案一，雖免不了有些不合理的地方，但總體來講還是要優于方案二，應選擇方案一。2.5砂箱中鑄件的數量及排列方式鑄件輪廓尺寸為75mm×75mm×48mm，單件質量約為0.74kg，屬于小型鑄件，由于是大批量生產，采用的是機器造型、造芯，因此選擇一箱四件。查表2-2[9]得：鑄件與箱壁的距離為c=40mm，鑄件與砂箱底部的距離為b=40mm，澆注系統內澆道的長度為f=30mm。表2-2按鑄件重量確定的吃沙量〔單位：mm〕但這些數據也要根據實際情況來具體修改，以上數據在選擇砂箱的時候可能會有所變動。因為在選擇砂箱時，砂箱的尺寸是有規格的，所以會有相應的調整。鑄造工藝參數及砂芯的設計3.1鑄造工藝參數確實定鑄造工藝設計參數通常是指鑄型工藝設計時需要確定的某些數據，它包括了鑄造收縮率〔縮尺〕、機械加工余量、起模斜度、最小鑄出孔的尺寸、工藝補正量、分型負數、反變形量、非加工壁厚的負裕量、砂芯負數〔砂芯減量〕及分芯負數。這些工藝數據一般都與模樣和芯盒尺寸有關，即與鑄件的精度有密切關系，同時也與造型、制芯、下芯及合箱的工藝過程有關。鑄件尺寸公差鑄件尺寸公差是指鑄件各局部尺寸允許的極限偏差，它取決于鑄造工藝方法等多種因素。在本次設計中，零件的鑄造工藝為砂型鑄造，大批量生產的鑄鋼件，查得[8]：鑄件的尺寸公差等級為CT8-CT12，取CT10。零件根本尺寸為75mm，查表3-1[9]得，允許最大偏差為3.2mm。表3-1鑄件的尺寸公差值〔單位：mm〕鑄件重量公差鑄件質量公差定義為以占鑄件公稱質量的百分率為單位的鑄件質量變動的允許值。按照規定，質量公差應與尺寸公差同級，所以，鑄件重量公差等級為MT10，查表3-2[10]得，本次設計的鑄件的質量公差數值為18%。表3-2鑄件質量公差數值機械加工余量機械加工余量是鑄件為了保證其加工面尺寸和精度，應有加工余量，即在鑄造工藝設計時預先增加的，而在機械加工時又被切除的金屬層厚度。在本次設計中，尺寸公差等級為CT10，查表3-3[8]得，鑄鋼件成批大量生產的機器造型的加工余量等級為H級。表3-3用于成批或大量生產與鑄件尺寸公差配套使用的鑄件機械加工余量等級但在實際零件當中，還有些特殊要求，由于本次設計零件尺寸為75mm，屬于小于100mm的范疇，查表3-4[8]得，本次設計的單側加工余量為4.0mm，雙側為3.0mm。表3-4與鑄件尺寸公差配套使用的機械加工余量鑄造收縮率查表3-5[8]可知：鑄鋼件的受阻收縮率選為2%。表3-5砂型鑄造普通合金鑄件的鑄造收縮率起模斜度為了方便起模，在模樣、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免損壞砂型或砂芯。這個斜度，稱為起模斜度。查表3-6[10]得：對于外側非加工外表，由于壁厚小于10mm因此選用增加鑄件壁厚的方法，另外，同一鑄件應盡量選用同一起模斜度，以免加工模樣時頻繁更換刀具，所以選用同一起模斜度α=1°10′，a=0.8mm；對于外側的加工外表，起模斜度也選擇α=1°10′，a=0.8mm；對于內外表的起模斜度，由于是加工外表。因此，選擇增加壁厚的方法，起模斜度仍選α=1°10′，a=0.8mm。表3-6起模斜度最小鑄出孔及槽在本次設計中，鑄件的法蘭盤上有四個直徑為14mm的通孔，中心處也有一個直徑為20mm的通孔。大批量生產的鑄鋼件，其最小鑄出孔直徑查表3-7[9]得[30，50]。于是法蘭盤上的四個直徑為14mm的通孔可以不鑄出。中心通孔雖然也可以不鑄出，但是考慮到機械加工不易，故鑄出。表3-7鑄件的最小鑄出孔工藝補正量工藝補正量可按照以下公式進行計算：(1)在本次的設計中，由于鑄件的尺寸較小，可不考慮工藝補正量的影響。分型負數本次設計屬于尺寸較小的濕型，分型負數較小，可不考慮。其它工藝參數的設計在本次設計中可不考慮其它如“反變形量〞、“砂芯負數〞、“非加工壁厚的負余量〞、“分芯負數〞的影響。3.2砂芯的設計砂芯的功能是形成鑄件的內腔、孔和鑄件外形不能出砂的部位。砂型局部要求特殊性能的局部，有時也用砂芯。選用砂芯的總原那么是：使制芯到下芯的整個過程方便，鑄件內腔尺寸精確，不致造成氣孔等缺陷，使芯盒結構簡單。具體原那么如下：保證鑄件內腔尺寸精度；保證操作方便；保證壁厚均勻；應盡量減少砂芯數目；填砂面應寬敞，烘干支撐面是平面；砂芯形狀適應造型、制芯方法本次設計要鑄出一個孔，故需一個砂芯。綜合考慮，選用垂直砂芯，為了制芯和下芯的方便，零件的一些局部改成機械加工。根據本次設計中所選取的分型面及澆注位置，為了能夠順利取出模樣，應該在鑄件無法取出的部位設置一個外芯。最終的砂芯在零件中的模樣就如圖2-1所示。圖3-1鑄件中砂芯的示意圖芯頭的設計芯頭：伸出鑄件以外不與金屬接觸的砂芯局部。對芯頭的要求：〔1〕定位和固定砂芯，使砂芯在鑄造中有準確的位置，并能承受砂芯重力及澆〔2〕注時液體金屬對砂芯的浮力，使之不被破壞；〔3〕芯頭應能及時排出澆注后砂芯所產生的氣體至鑄型外；〔4〕上下芯頭及芯號容易識別，不致下錯方向或芯號；〔5〕下芯、合型方便，芯頭應有適當斜度和間隙。第一種砂芯：本次設計的第一個是垂直砂芯，其芯頭典型的結構見圖3-2。圖3-2垂直砂芯芯頭典型結構示意圖包括：芯頭長度、斜度、間隙、壓環、防壓環和積砂槽等結構。芯頭長度砂芯伸入鑄型局部的長度〔露出鑄件外部的長度〕，垂直芯頭的長度稱為芯頭高度。如圖3-3〔a〕中的h〔下芯頭高度〕、h1〔上芯頭高度〕。圖3-3垂直芯頭各局部尺寸示意圖垂直芯頭的高度查表3-8[11]，得芯頭高度為20~25mm，具體是上芯頭高度h1為20mm，下芯頭高度為25mm。表3-8垂直芯頭的高度〔單位：mm〕對于垂直芯頭，由于L:D2大于2.5，所以下芯頭要加大直徑。取D1=1.5D2，D2=14mm，那么D1=21mm。如圖3-4所示。圖3-4擴大下芯頭的垂直芯頭示意圖芯頭斜度對垂直芯頭，上、下芯頭都應設有斜度。查表3-9[11]知，上芯頭斜度10o，下芯頭斜度5o。表3-9垂直芯頭斜度〔單位：mm〕芯頭間隙查表3-10[11]得，垂直芯頭間隙s=0.5mm。表3-10垂直芯頭與芯座之間的間隙〔單位：mm〕壓環、防壓環和集砂槽壓環的作用：合箱后它能把砂芯壓緊，防止金屬液沿間隙鉆入芯頭防壓環的作用：下芯、合箱時，它可防止此處砂型被壓塌，因而可以防止掉砂。集砂槽的作用：用來存放個別的散落砂粒，這樣就可以加快下芯速度。查表3-11[11]知，垂直芯頭e=1.5mm，f=3mm，r=1.5mm。表3-11壓環、防壓環和積砂槽〔單位：mm〕第二種砂芯：為方便起模，增設的外芯。如圖3-5所示。圖3-5外砂芯示意圖芯骨的設計為了保證砂芯的制造、搬運、配型和澆注中不開裂、不變形、不被金屬液沖擊折斷，生產中常在砂芯中埋置芯骨，以提高其強度和剛度。在本次設計中，由于砂芯尺寸較小，而且采用樹脂砂，砂芯強度較好，因此砂芯內不用放置芯骨。第4章澆注系統的設計4.1澆注系統類型的選擇澆注系統分為開放式、封閉式、半封閉式和封閉-開放式。本次設計的閥蓋為小型鑄鋼件，宜選用封閉-開放式澆注系統。而且鑄件高度不高，結構比擬簡單，因此采用頂注式澆注。又根據鑄件形狀，采用頂注式澆注系統中的搭邊式澆注系統。封閉-開放式澆注系統：以轉包澆注的小鑄件，其內澆道面積可查表3-1，表中d的計算式：d=GL/V〔kg/dm3〕，GL是鑄件澆注重量，V是鑄件輪廓體積，是鑄件三維最大尺寸的乘積。可以從表3-2選取Ag和Aru的截面尺寸。澆注系統各組元的截面積比為內澆道：橫澆道：直澆道=1：〔0.8~0.9〕：〔1.1~1.2〕，取為1：0.9：1.1。鑄件澆注重量GL為0.74kg，計算得d=2.74kg/dm3。查表4-1[9]得內澆道〔Ag〕截面積尺寸為1.8cm2，那么橫澆道截面積為1.6cm2，直澆道截面積為2.0cm2。表4-1鑄鋼件內澆道截面積本次設計采用一箱四件，排布如圖4-1所示，因此要設計4個內澆道，1個橫澆道和1個直澆道。圖4-1鑄件在砂箱中的排布示意圖4.2澆注時間鑄鋼件的澆注時間，可用經驗數據決定澆注時間，本次設計的鑄鋼件由于太小，所以澆注時間暫取t=3s。4.3直澆道的設計本次設計采用最普通的圓柱形直澆道，如圖4-2所示。前面已經得出直澆道截面積為2.0cm2。那么通過計算得直徑d=16mm，長度視砂箱尺寸而定，取100mm。直澆道窩長度取5mm。圖4-2各個澆道的截面圖〔mm〕4.4橫澆道的設計本次設計采用截面是梯形的橫澆道，如圖4-2所示。截面積為1.6cm2。查表4-2知，取a=13.5mm，b=10.5mm，h=13.5，長度視砂箱尺寸而定，取220mm。4.5內澆道的設計本次設計的內澆道截面同樣采用梯形，如圖4-2所示。截面積為1.8cm2。查表4-2[9]知，取a=31mm，b=28mm，h=6.0mm，長度視砂箱尺寸而定，取92mm。表4-2內澆道、橫澆道截面積尺寸〔單位：mm〕4.6澆口杯的設計本次設計選用普通漏斗形澆口杯，直澆道下端直徑d=16mm。查表4-3[9]知，D1=58mm，D2=54mm，h=42mm。由于是一箱四件，所以要加大澆口杯尺寸，其體積要乘以4，最終尺寸得出D1=89mm，D2=82mm，h=63mm。表4-3普通漏斗形澆口杯尺寸4.7冒口的設計冒口是鑄型內用以儲存金屬液的空腔，在逐漸形成時補給金屬，有防止縮孔、縮松、排氣和集渣的作用。本次設計的鑄鋼件為小型鑄鋼件，尺寸為75mmX75mmX48mm，由于鑄件太小，無需補縮，所以不設置冒口。4.8冷鐵的設計為了增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內部及工作外表安放的金屬塊稱為冷鐵。本次設計鑄鋼件，結構簡單，壁厚很小，無需設置冷鐵。第5章鑄造工藝裝備設計5.1模樣的設計金屬模樣的材料本次設計的模樣為大批量生產的鑄鋼件，為小鑄件，故宜選用鋁合金模樣。機器造型使用壽命達90000~130000次。它質輕，易加工，加工后外表光滑，具有良好的耐蝕外表。模樣類型本次設計選用分開模樣，造型簡便，沿分型面分為上下模樣。模樣尺寸的計算A模=〔A件+A藝〕〔1+K〕(2)式中A模—模樣的工作尺寸；A件—產品零件尺寸；A藝—零件鑄造工藝附加尺寸〔加工余量+起模斜度+其它工藝與量〕；K—鑄造的收縮率壁厚及加強肋本次設計為小型鑄鋼件，上下模樣尺寸很小，可制成實心模樣，故不必選擇壁厚和加強肋。模樣的形狀由于外芯的存在，遂將外芯與下模樣本體造成一個整體，如圖5-1所示。圖4-1下模樣示意圖5.2砂箱的設計設計和選用砂箱的根本原那么：滿足鑄造工藝要求。如砂箱和模樣間應有足夠的吃砂量，箱帶不阻礙澆冒口的安放、不嚴重阻礙鑄件收縮等；尺寸和結構應符合造型機、起重設備、烘干設備的要求；有足夠的強度和剛度，使用中保證不斷裂或發生大變形；對砂型有足夠的附著力，使用中不掉砂或塌箱，但又要便于落砂。為此，只有在大的砂箱中才設置箱帶；經久耐用，便于制造；應盡可能的標準化，系列化和通用化本次設計選用通用砂箱—整鑄式—機器造型用砂箱。砂箱材質和名義尺寸查表5-1[12]知：砂箱的材料選擇HT200，進行自然實效或退火處理。表5-1砂箱及其附件的材料砂箱名義尺寸是指分型面上砂箱內框尺寸〔長度X寬度〕乘以砂箱高度。確定砂箱尺寸時要考慮一箱內放置鑄件的個數和吃砂量。吃砂量的選擇參照表5-2[8]，得出最小吃砂量為35mm。表5-2最小吃砂量〔單位：mm〕初步估算砂箱長度為270mm，寬度為270mm，高度為86mm。由于所設計的砂箱長度和寬度應是50或100mm的倍數，高度應是20或50mm的倍數。所以根據表5-3[13]得出，砂箱的長度為350mm，寬度為300mm，高度為100mm。最終砂箱的尺寸確定為350mmX300mmX100mm。表5-3普通砂箱的規格〔單位：mm〕箱壁本次設計選用機器造型沙箱。如圖5-1〔a〕所示，底部設置突緣，防止塌箱，保證剛性，便于落砂。本次設計箱壁壁厚取10mm。圓角尺寸簡易砂箱的轉角一般不作圓弧過渡，而是做成直角或內壁轉角加厚，以增加轉角的強度。查表5-4[13]知，b=20mm~25mm，取b＝22mm。表5-4簡易砂箱轉角局部結構及尺寸〔單位：mm〕〔a〕〔b〕〔c〕圖5-1砂箱箱壁形狀、定位銷以及銷套示意圖〔mm〕砂箱定位本次設計采用機器造型，采用定位銷定位，需要銷套。本次設計選用插銷定位砂箱。如圖5-1〔b〕所示，選用M20的定位銷。銷套如圖5-1〔c〕所示。新砂箱用標準套〔外徑D〕；第一次更換采用銷套I，外徑為D+0.2mm；第二次更換用銷套II，外徑為D+0.4mm。箱帶箱帶用于中、大型砂箱內，平均內框小于500mm的可不設箱帶。本次設計砂箱內框尺寸為350mmX300mmX100mm，故無需設置箱帶。砂箱外壁加強肋的布置和尺寸對于內框尺寸小于750mm的鑄鐵件，可以不設計加強肋。砂箱壁排氣孔的形式和尺寸由于砂箱的尺寸較小，僅靠插砂排氣即可滿足要求，因此砂箱壁不需設排氣孔。搬運、翻箱結構本次設計為小型砂箱，采用手把作為搬運、翻箱結構。一般采用鑄接法同砂箱相連。手把如圖5-2所示，查表5-5[13]可知各局部尺寸。圖5-2砂箱手把示意圖d=40mm，D=60mm，D1=75mm，L=110mm，H=10mm，r=16mm，r1=5mm表5-5普通小型砂箱箱把局部的尺寸〔單位：mm〕砂箱的緊固為防止脹箱、跑火等缺陷，上下砂箱應緊固。本次設計為小型鑄件，采用壓鐵法緊固即可。5.3芯盒的設計芯盒是制芯工藝過程中所必需的工藝設備，為了提高砂芯精度和芯盒的耐用性，采用金屬芯盒。鋁質，ZL104。分盒面的設計由于砂芯是圓柱回轉體，所以采用水平分盒面。芯盒內腔尺寸確實定芯盒內腔尺寸=〔零件尺寸+/-工藝尺寸〕X〔1+零件的鑄造收縮率〕，通過計算得砂芯直徑為14.24mm，取14.3mm；砂芯長度57.12mm，取芯盒主體結構的設計芯盒主體結構如圖5-3所示。圖5-3芯盒示意圖根據芯盒的平均輪廓尺寸〔A+B〕/2及芯盒材質來確定壁厚。本次設計的芯壁較小，小于200，鋁質，所以取壁厚7mm。定位采用定位銷和定位銷套，在芯盒的兩端各設置一個。定位銷套的尺寸如圖5-4[13]所示。定位銷的結構尺寸如圖5-5[13]所示，與定位銷套的裝配示意圖如圖5-6〔c〕[13]所示。圖5-4定位銷套結構尺寸示意圖圖5-5定位銷結構尺寸示意圖芯盒的夾緊裝置采用快速螺桿。其下螺母用來調整松緊程度，上螺母用來併緊下螺母。此裝置結構簡單，緊湊，夾緊效果好，磨損后便于調節、操作方便。常用于小芯盒上，是工廠中使用較多的一種。其結構尺寸如圖5-6〔a〕所示，與其配合的墊片如圖5-6〔b〕所示。〔a〕〔b〕〔c〕圖5-6芯盒緊固及定位裝置圖芯盒與耐磨護板確實定為了增加芯盒邊緣的強度和剛度，芯盒邊緣要加寬加厚，并且為了增加芯盒刮砂面的耐磨性，特在刮砂面上設置防磨片芯盒邊緣及耐磨片。耐磨片用30鋼制成，用沉頭螺釘固定在盒體邊緣上，耐磨片的厚度為3mm。5.4模板的設計模板的類型本次設計的模板采用裝配式單面模板。單面模板采取的是頂桿式，模底板材料決定為灰鑄鐵〔HT150〕。造型機的選用本次設計選用的Z145A造型機為可調節頂桿式起模的鎮壓式造型機，頂桿起模行程為150mm。Z145A造型機砂箱最大內形尺寸為500X400mm。砂箱最大尺寸適合，且其內放四個模樣，造型選用的砂箱尺寸350X300X100mm。材料為鑄鐵。確定模板尺寸模板尺寸A0=A+2b(3)B0=B+2b(4)式中A0—模板的長度；B0—模板的寬度；砂箱內框長度；砂箱內框寬度；砂箱平均尺寸<500mm，高度<200mm，查表得b=18mm。其配合的模底板尺寸：A0=A+2b=386mm，B0=B+2b=336mm。模底板的材料為鑄鐵，高度在80~150mm，取80mm，小于頂桿的起模行程。模底板定位銷孔中心距應根據所配用砂箱銷套的中心距C來確定，用同一鉆模鉆出。砂箱銷套的中心距為430mm，故C=430mm。加強肋壁厚與間距本次設計的模板，加強肋如圖5-7所示，其中t=12mm，t2=10mm。加強肋間距參考表5-6[13]。圖5-7加強肋示意圖表5-6加強肋間距〔單位：mm〕由于模底板尺寸，現將K，K1適當調整。其中K=163mm；K1=138mm。模板與砂箱的定位本次設計中，模板與砂箱的定位采用直接定位法，如圖5-8〔a〕。模底板與砂箱之間常常用定位銷和銷套定位，此處只設計定位銷。在造型過程中為使砂箱不被卡死常將兩個定位銷分別做成圓形的和帶有平面的，分別為定位銷和導向銷。本設計中選用M20的定位銷，其配套螺母選用M16。模底板上的定位銷安放在銷耳上，設在沿中心線長度方向的兩端，樣式如圖5-8〔b〕所示。〔a〕(b)圖5-8模板與砂箱的定位方式及定位銷示意圖定位銷耳的結構如圖5-9所示，其尺寸參考表5-7[13]。圖5-9定位銷耳示意圖表5-7模底板上定位銷耳的尺寸〔單位：mm〕模板的緊固裝置模板用螺栓固定在造型機工作臺上，這時應設置緊固耳。其位置要和造型機工作臺上臺面上的T型槽相對應，緊固耳數為4。其結構如圖5-10所示。模底板平均輪廓尺寸小于500mm。尺寸參考表5-8[13]，緊固螺釘的規格為M12。圖5-10緊固耳示意圖表5-8緊固耳的尺寸〔單位：mm〕模樣在底面上的裝配(1)模樣在模底板上的放置形式以簡單方便節約本錢考慮，采取平放式將模板平放在模底板上，模底板不必挖槽。(2)模樣在模底板上的定位和緊固模樣在模底板上常用定位銷來定位，定位銷采取的是圓柱銷，定位銷將模樣裝配在模底板上的形式如圖5-11所示。定位銷類型選擇不淬硬鋼圓柱銷。a、直澆道模樣在模底板的裝配本次設計直澆道上下大小一致，可在起模時直接從鑄型頂部拔出。因此這類模樣并不用緊固，只用銷子定位。b、橫澆道、內澆道和直澆道窩模樣在模底板上的裝配這類模樣高度都不大，選用螺釘和鉚釘直接緊固在模底板上。c、裝配式芯頭模樣的定位和緊固為了加工制造模樣方便，芯頭往往單獨加工制作，然后再與鑄件模樣裝配成一體。本次設計為垂直芯頭，尺寸較小，選用螺紋直接擰入模樣本體。第6章鑄造過程的凝固模擬“華鑄CAE〞鑄造工藝分析軟件是分析和優化鑄造工藝的重要工具，是華中科技大學〔原華中理工大學〕經20多年研究開發，并在長期的生產實踐中不斷改良，完善起來的集成軟件系統，目前發行的版本是V10.0。它以鑄件充型、凝固過程數值模擬技術為核心對鑄件的成型過程進行工藝分析和質量預測，從而協助工藝人員完成鑄件的工藝優化工作。多年來在提高產品質量，降低廢品，減少消耗，縮短試制周期，贏得外商訂單等方面為眾多的廠家創造了顯著的經濟效益，在行業內享有廣泛的聲譽和信譽。隨著計算機硬件條件的改善,鑄造過程數值模擬技術有了長足的進步和開展,國內外此類商品化軟件不斷完善并對實際生產起著越來越重要的作用。本次華鑄CAE軟件在實際生產中的一些應用,應用說明該軟件能夠很好地預測充型。華鑄CAE凝固過程模擬包括前置處理、后置處理等內容。在設計完以上內容后，我們進行了鑄造工藝的計算機模擬。我們用華鑄CAE模擬了鑄件的充型和凝固過程，發現了一些問題，縮孔和縮松現象比擬明顯。所以修改了一些參數，最終模擬的結果如圖6-1所示。圖6-1模擬結果圖由圖6-1可以看出縮孔縮松現象主要出現在澆口杯處，鑄件上的縮孔與縮松現象微乎其微，符合鑄造精度的要求，故設計的方案比擬合理。結論與展望本次設計主要是研究鑄造中的砂型鑄造，其主要內容是鑄造工藝性分析、分型面的選擇、澆注位置的選擇、鑄造工藝參數選擇；砂芯的設計、澆注系統的設計以及砂箱、芯盒和模板的設計。完成這些內容需要翻閱打了資料，這個過程使我的知識更加系統化，收獲頗多。在設計過程中，我們要畫出相關的圖紙，包括手繪砂箱圖，利用UG畫出鑄件的三維圖以及使用AutoCAD畫出合箱圖、模板圖，芯盒圖、鑄造工藝圖等。這使得我熟悉并會使用這些計算機做圖軟件。在使用華鑄CAE模擬的過程中，我們也進一步驗證了鑄造的充型理論和純凝固理論，以及了解了縮孔縮松現象易發生的部位。通過本次設計，我對砂型鑄造有了進一步的認識。砂型鑄造是一種以砂作為主要造型材料，制作鑄型的傳統鑄造工藝。砂型鑄造的適應性很廣，小件、大件，簡單件、復雜件，單件、大批量都可采用。砂型鑄造用的模具，以前多用木材制作，通稱木模。為改變木模易變形、易損壞等弊病，除單件生產的砂型鑄件外，全部改為尺寸精度較高，并且使用壽命較長的鋁合金模具或樹脂模具。但是，砂型鑄造也有一些缺乏之處：因為每個砂質鑄型只能澆注一次，獲得鑄件后鑄型即損壞，必須重新造型，所以砂型鑄造的生產效率較低；又因為砂的整體性質軟而多孔，所以砂型鑄造的鑄件尺寸精度較低，外表也較粗糙。進入21世紀以來，我國的鑄件總產量在全球穩坐第一把交椅。可是從環保、節能減排及搞“低碳經濟〞的現狀來說，這個“第一〞并非好事[14]。長期以來，我國鑄造業存在著嚴重的環境污染和資源消耗，顯然，在這樣條件下生產的鑄件越多，那么對環境的污染損害越大，對國家自然資源的消耗越多，所欠下的“環境債〞也就越多。我國鑄造業要獲得科學、可持續開展，必須正視行業嚴峻的環境問題之現實，審時度勢，摒棄那種求一時的“繁榮〞卻以犧牲環境和大量資源為代價、盲目求“開展〞的落后觀念，而應當以冷靜、科學、積極、對環境負責的態度求開展。假設把妥善實施低碳經濟與鑄造業協調開展定義為“綠色鑄造〞，那么，我國綠色鑄造技術開展的根本戰略目標應當是――從鑄造生產的所有環節抓起，全面研究和開發那些符合清潔生產和低碳經濟要求的鑄造技術，以提升產品技術附加值，提高生產率，降低資源和能源消耗[15]。除需強化法制和管理之外，從科技創新及科研成果轉化方面來說，當著力從鑄造技術本身出發，加緊研發和采用一系列有益于環境保護和低碳經濟的鑄造新材料、新工藝、新設備。為實現真正意義上的綠色鑄造戰略目標，不能等到污染產生和資源浪費到無法繼續進行再生產時才去被動地治理，而應明智地采用符合低碳經濟的鑄造先進、適用技術，防止和減少環境問題，以獲得生產與環保、低碳經濟的雙贏。致謝首先，我要感謝我的導師朱先琦副教授，她嚴謹細致、一絲不茍的作風一直是我工作、學習中的典范，給了起到了指明燈的作用；她循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，讓我很快就感受到了設計的快樂并融入其中。其次我要感謝同組同學對我的幫助和指點，沒有他們的幫助和提供資料，沒有他們的鼓勵和加油，這次畢業設計就不會如此的順利進行。此次畢業設計歷時三個月，是我大學學習中遇到過的時段最長、涉及內容最廣、工作量最大的一次設計。用老師的一句話概括就是這次畢業設計相當如是把以前的小課程設計綜合在一起的過程，只要把握住每個小課設的精華、環環緊扣、增強邏輯，那么這次的任務也就不難了。在校圖書館查找資料的時候，圖書館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導過我的各位老師表示最中心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學者。本文引用了數位學者的研究文獻，如果沒有各位學者的研究成果的幫助和啟發，我將很難完本錢篇論文的寫作。感謝我的同學和朋友，在我寫論文的過程中給予我了很多你問素材，還在論文的撰寫和排版燈過程中提供熱情的幫助。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!最后我還要感謝機械與汽車工程學院和我的母校安徽工程大學四年來對我的栽培。由于我的學術水平有限，所寫論文難免有缺乏之處，懇請各位老師和學友批評和指正！張海超2012年6月13日參考文獻[1]中國鑄造協會．中國金屬鑄件年度產量[J]．北京：中國鑄鑄造協會.2004[2]張立波，葛晨光，田世江．關于我國鑄造業走自主創新道路的思考[J].鑄造．2006，5(55)：429—432．[3]魯永杰．鑄造行業綠色鑄造技術開展戰略[J]．鑄造，1999(S1)：70～76．[4]田世江，楊麗君，王玉杰．我國開展節約型鑄造業的思考[J]．特種鑄造及有色合金．2005，25(12)：727—728．[5]顏愛民．中國鑄造行業現狀及開展對策[J]．鑄造技術．2003，24(2)：77-79．[6]柳百成．21世紀鑄造技術的開展趨勢[J]．鑄造世界報．2001，(6)：15—16．[7]李新亞，等鑄造行業國內外生產技術現狀及開展方向[J].鑄造，1999：3-11[8]王文清，李魁盛.鑄造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2023[9]李弘英，趙成志.鑄造工藝設計[M].北京：機械工業出版社，2005[10]中國機械工程學會鑄造專業學會.鑄造手冊〔第五卷—鑄造工藝〕[M].北京：機械工業出版社，1994[11葉榮茂.鑄造工藝課程設計手冊[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1995[12]中國鑄造協會，鑄造工程師手冊編寫組編.鑄造工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，1997[13]吳光峰，錢紹富，張秉華.鑄造工藝裝備設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1989[14]RohallahTavakoliandParvizDavami.Automaticoptimalfeederdesigninsteelcastingprocess[J].197(2023)921–932[15]R.W.Lewis,M.T.Manzari,R.S.Ransing,D.T.Gethin.Castingshapeoptimisationviaprocessmodelling,Mater[J].Des.21(4)(2000)381–386.附錄A:主要參考文獻摘要[1]中國鑄造協會．中國金屬鑄件年度產量[J]．北京：中國鑄鑄造協會.2004摘要：中國鑄造協會自1989年以來，在有關部門和地方協會(學會)的支持下，逐年統計我國金屬鑄件的產量，并每年通過《現代鑄造》(MODERNCASTING)向全世界公布。[2]張立波，葛晨光，田世江．關于我國鑄造業走自主創新道路的思考[J].鑄造．2006，5(55)：429—432．摘要：宏觀分析了我國鑄造業自主創新的必要性和緊迫性,指出了影響自主創新的主要障礙、危害和形成原因,提出了有關鑄造行業走自主創新道路的一些宏觀性建議。[3]魯永杰．鑄造行業綠色鑄造技術開展戰略[J]．鑄造，1999(S1)：70～76．摘要：人們正以新的觀念、新的技術面向21世紀。人口、資源、環境將成為新世紀的三大主題,未來經濟與社會的開展,將給以消耗資源、能源為代價,承受巨大環境壓力的鑄造技術提出更高的要求。在第63屆世界鑄造會議上,權威人士指出:“鑄造工作者必須滿足社會生態要求,純粹的守勢是不行的,應主動正視環境問題,合理地使用能源并減少污染〞。因此制訂適應新世紀開展方向的鑄造技術開展戰略,對于我國鑄造業意義十分重大。[4]田世江，楊麗君，王玉杰．我國開展節約型鑄造業的思考[J]．特種鑄造及有色合金．2005，25(12)：727—728．摘要：闡述了節約對于我國鑄造業實現可持續開展目標的至關重要性,分析了我國鑄造業開展節約、循環經濟的歷程、面臨的挑戰和存在的主要問題;提出了建立法制保障、應采用的節能技術措施等在我國鑄造業開展節約、循環經濟的假設干建議。[7]李新亞，等鑄造行業國內外生產技術現狀及開展方向[J].鑄造，1999：3-11摘要：論述了國內外鑄造行業在鑄件的內外質量、節能節材環保及計算機應用等的生產技術現狀;分析了我國鑄造行業在上述諸方面存在的問題及與興旺國家的差距;為了縮小與興旺國家的技術差距和適應當前科技的快速開展形勢及我國現代化建設的需要,指出了我國鑄造生產技術的開展方向,所要開展的研制工作,必須開發、采用和推廣的先進生產技術。[8]王文清，李魁盛編.鑄造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2023摘要：本書主要講述了鑄造的各種造型、造芯方法，以及澆注系統的分類，鑄造工藝裝備設計等內容。[9]李弘英，趙成志.鑄造工藝設計[M].北京：機械工業出版社，2005摘要：本書包含鑄鐵件、鑄鋼件和非鐵合金鑄件和鑄造工藝設計內容及工藝參數、澆注系統設計、補縮系統設計、出氣孔設計、激冷系統設計、特種鑄造工藝及鑄造工藝新技術等內容。全書理論聯系實際，書中的工藝舉例均采用經過生產驗證的實例，圖文并茂，為工藝設計提供了理論依據和實用手段。本書在介紹傳統鑄造工藝設計方法的根底上，又介紹了較先進、較成熟的凝固模數法鑄造工藝設計。在模數法上有所開展，在鑄造工藝CAD上有所前進。[10]中國機械工程學會鑄造專業學會.鑄造手冊〔第五卷—鑄造工藝〕[M].北京：機械工業出版社，1994摘要：本書分別介紹了鑄造工藝的開展簡史、前景與展望；液態金屬的充型能力，凝固、結晶、收縮的控制和鑄件中的氣體、非金屬夾雜物；砂型造型、制芯工藝方案設計，工藝參數選擇，澆注系統、冒口、冷鐵和出氣孔設計及砂型〔芯〕的烘干與裝配，并給出了應用實例；模樣、模板、芯盒和砂箱的設計；鑄件的落砂除芯，澆冒口、飛翅和毛刺的去除，鑄件的外表清理，鑄件缺陷的產生原因和防止方法，鑄件的矯形和挽救，內應力消除和防銹涂裝；鑄件質量檢驗；計算機技術在鑄造中的應用和快速成形、無模化鑄型、適流澆注系統設計等新技術。[11葉榮茂.鑄造工藝課程設計手冊[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，1995摘要：本書是為適應高等院校鑄造專業學生進行砂型鑄造工藝設計的需要而編寫的教學參考書。編寫過程中，參考了國內主要的鑄造工藝設計經驗材料和各高等院校的鑄造工藝設計手冊。[12]中國鑄造協會，鑄造工程師手冊編寫組編.鑄造工程師手冊[M].北京：機械工業出版社，1997摘要：本書是綜合性鑄造專業技術手冊，除提供大量信息和數據外，也簡略地提到一些根本的理論知識和技術觀點，具有較強的實用性和可讀性。內容包括：各種鑄造合金〔鑄鋼、鑄鐵和鑄造有色合金〕的特性和熔煉工藝要點；造型材料；鑄造工藝和鑄造工藝裝備的設計；各種特種鑄造工藝的特點以及鑄件的品質〔質量〕指標和主要檢測方法等。附錄B:英文原文及翻譯鑄鋼過程中最正確冒口的自動化設計

DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,SharifUniversityofTechnology,P.O.Box11365-9466,Availableonline6October2007摘要：

鑄鋼過程中最正確冒口的自動化設計方法。最初的設計是鑄造的一局部〔無冒口〕,它被放在一個適宜的模具中。每個支線的設計包含以下步驟：冒口頸部的測定,鑄件外表的連接點的設計,初始冒口設計,冒口形狀優化和冒口拓撲優化。完成該方法設計的首架支線后,再設計下一個,如果需要,將重復同樣的工作。根據此方法設計的冒口按它們根據大小呈降序排列。

關鍵詞：拓撲優化冒口設計鑄造工藝優化,形狀優化；介紹由于熔融金屬凝固過程中在模具型腔中的體積收縮，新鮮熔化的金屬局部應使之充型收縮。然而，由于新鮮的熔融金屬不能被送入隔離的金屬周圍使之完全凝固，就會形成一個空腔和其他的空白地區，如其中的孔隙度缺陷就是作為熔融金屬的收縮而形成。從而形成了的腔被稱為縮孔，這是一個嚴重的鑄造缺陷。饋線追加到為了補償凝固收縮鑄造和提供〔鑄造的定向凝固冒口〕進行最后的凝固點，以使出線。因此冒口要設計在在最后凝固點附近。冒口被切斷后完成完整的回收凝固。因此，適當的設計〔冒口的數量，位置，大小和形狀〕是一個健全的鑄件生產的關鍵。此外，它需要通過減少冒口來降低生產量本錢。

近年來，鑄造業中縮孔被廣泛用于鑄造模擬設計評估和預測。現在鑄造模擬系統是為代工用戶提供軟件程序，由用戶設計，然后分析設計的可能性作出預測缺陷。一旦分析已經完成，用戶查看分析結果，如果鑄件內一個潛在領域發現了缺陷，那么用戶需要做一些邏輯設計修改和重復仿真，直到得到所需的結果。因此，傳統的試驗和錯誤鑄造的設計周期已被計算機取代。但仿真軟件包往往用在過于棘手的和需要在CAD以及實體建模冒口的設計原那么上。此外，引導設計是沒有本質的優化它的質量，所以功能用戶需要很有耐心。

近年來已發表大量的論文報告，數值優化成功地運用在最正確冒口設計領域的方法上。[29,19]。這些作品在最正確冒口設計制定的形狀優化問題上，直接運用靈敏度分析解決梯度的最小化方法。目標函數被定義為冒口量和約束定義，使沿線的一些先驗的定向凝固來定義冒口路徑。[11,10,13]作者不用同樣的方法，而是用一種特殊的〔計算廉價〕有限差分法。[22]內側基于軸的插補方法〔見[21]〕為加快凝固分析優化過程。鑄造工藝優化相關的其他作品通常處理的邊界優化條件或熱界面傳熱系數，是為了滿足理想的目標溫度軌跡[33,25]和預期目標凝固路徑[12,17]。雖然上述作品成功展示確定應用為最正確優化過程冒口設計，但沒有實現自動上料機設計，因為他們依靠近可行的初步設計〔冒口的數量，位置和形狀〕，在不容易的三維幾何的情況下，他們也需要一些先驗來定義冒口路徑。本研究提出鑄鋼工藝最正確冒口自動化設計的新方法。這方法作為輸入鑄造〔不含支線〕其冒口，使最終的設計是收縮缺陷的幾何設計〔或保持缺陷免費比定義的閾值較小〕。冒口設計的概念可以很容易地包含在用戶的奉獻原那么所提出的方法。所提出的另一個特點方法是有效的數值實現，這使得它成為一個現實世界的情況下可行的設計工具。鑄造的數學和數值模擬凝固從宏觀的角度來看，如果在凝固過程中無視效果熔體的流動，那么凝固管轄與相由非線性熱傳導方程改變。為解決這有幾種方法方程〔見良好的調查[8,14]〕。其中選擇這些方法所需的精度和可用功能計算資源。作為數值優化一個反復的過程，合理有效的數值方法精度是更為可取的。[28]穩定明確傳導的有限差分法為主提出了相變問題。這計算方法與一個明確的方法的本錢相同〔每時間步長〕，由于穩定性標準，它是不受時間步長的限制。[27]相變求解延長模擬真實世界鑄件的凝固方法，其效率的提高，包括域分解法。為了演示簡潔，我們有興趣的讀者請參考文獻。[27,28]的詳細信息關于數學和數值模擬鑄造在本研究中使用的凝固方法。3.凝固誘導缺陷預測正如在第1條，支線的主要目的設計無缺陷的鑄件生產〔尤其是宏觀收縮〕。因此，在這項研究中，預測凝固合理精度的缺陷是一個重要的階段。3.1.宏觀收縮預測由于金屬的凝固收縮，數值模型可以預測大孔隙的形成。通常有三種類型，第一個[18]涉及流體力學方程的完整的系統解決方案〔Navier-Stokes方程與能量方程耦合〕。雖然這種模式用一個正確的工具來研究孔隙形成的現象，這可能是計算比擬昂貴，因為每次加強數值算法完整的解決方案涉及的勢頭和能量方程。在第二個模型[1,2]，在自由外表全流體力學方程系統一并解決以ALE為液態金屬的直接跟蹤方法。糊狀的熱機械行為區域和固體區域還包括準確預測的縮孔。前一種方法計算本錢高，因此，它不適合我們的要求。第三種模式，簡化收縮模型[9]，是基于解決方案的能量流體流動方程。在鑄造區在每一個時間步，孔隙度預測評價是在每個孤立的液體凝固收縮量上。此卷是按照上方的液體地區液態金屬量減去從細胞流體被刪除的量。液體地區的“頂級〞定義重力的方向和自由外表在每個隔離區域的液體被認為是水平的。這種方法的相關性支持，在許多情況下，金屬液體流動忽略。因此，孔隙的形成是由金屬冷卻和重力的影響。透氣性限制液態金屬之間的糊狀區可以很容易地納入在這個模型。這種模式的實施基于對價。[9]在本研究中使用。因為在這模型，大局部的CPU時間局部被消耗，標志著孤立液體區域。一個基于新的孤立液體快速行進的區域標記算法[24]中介紹了目前的研究〔見附錄A〕3.2.微觀收縮預測微收縮缺陷是另一個問題，應考慮冒口設計，尤其是與合金大的凝固時間間隔。丹山，[20]一個簡單的預測鋼中的微收縮措施的鑄造工藝。丹山標準被定義為，G/√R其中G為溫度梯度，R是在凝固冷卻速率〔固相線溫度〕。基于的丹山結果，任何鑄造點丹山標準是低于一個臨界值的微收縮缺陷發生。臨界值的G/√R級是合金成分的功〔775K-1/2S-1/2M-1丹山報告某些類型的鋼合金〕。用解決方案來評價這個標準是足夠的能量方程，因此它不施加相當大的額外費用。因此它是適合我們的目的的。如今Niyama的標準被廣泛應用于商業軟件包預測微收縮。4.最正確冒口自動化設計在本節中，我們提出我們的方法，那就是自動鑄鋼過程中的最優冒口設計。在這項研究中所提出的的方法包括以下主要步驟：〔1〕初始化，〔2〕缺陷預測，〔3〕缺陷分布并尋找適宜的位置接駁頸部連接，〔4〕冒口和冒口頸部設計，〔5〕形狀添加冒口的優化，〔6〕拓撲優化添加冒口〔如果需要的話〕，〔7〕要加強2，重復相同的步驟，直到在鑄造過程中殘存的缺陷成為低于定義的閾值〔或其他定義阻止條件得到滿足〕。如果只有一個主要的熱點內的鑄造，應把冒口連接到最接近的鑄造面熱點。據位于兩個或多個孤立的熱點除了需要多個冒口。如果有幾個熱點，不同的凝固，倍，可接最初設計為最熱的一個，通過分析，以驗證是否遵循相同的冒口。也可以在任何其他的熱點上設置冒口。冒口設計是未來最大的熱點，等等[23]。目前的研究說明冒口頸部連接位置是缺陷分布的第一步。當我們有多個不同的凝固時間的熱點，這一步是必不可少的。自動考慮到上述原那么提出的算法，即首架支線。這是最重要的單個最大收縮缺陷的鑄件的局部設計。在同一的方式下，設計的第二接點是排名最大的接點，最后的設計冒口是最小的那個。在此方法中，假定的小冒口沒有凝固相當大的區域，其相應的為更大的冒口條件〔冒口設計前〕。這是一個可行假設，原來的鑄造需要一些各種尺寸的冒口，或多個大致相同大小的冒口，需要在這些冒口有不凝固的相當大的影響對方的條件〔例如，有一些光節鑄件之間的沉重局部〕。如果這個假設是不可行的，最終的設計不是最正確的冒口〔見第5節〕，它可能是次優的〔不是最終設計生產的鑄造〕。該方法的整體流程圖所示圖1。在以下小節中討論上述步驟的細節。圖1.最正確冒口自動化設計過程的流程圖4.1.初始化在這一步鑄造幾何〔不含支線〕，表示用戶屬性和邊界條件。然后輸入幾何體被嵌入在一個適宜的模具離散框和模具盒〔包括鑄造〕。根據定義網用戶一個統一的笛卡爾網格大小。每個笛卡爾網格稱為像素。目前研究的OpenSource網格發電CartGen[26]為此目的而使用。我們有一個三維數組，F存儲類型像素〔而非CAD幾何〕。在本研究中我們有兩個像素類型：鑄鐵體素，F=1和模具像素F=0。從模具外表使鑄造模具盒維數被選中，具有至少一個最小距離。vqmin值，是一個用戶定義的參數是根據鑄件重量/正式選定最大鑄件厚度。像素大小應該根據鑄件的幾何形狀的復雜性來確定〔和選擇通常的用戶體驗〕。小像素尺寸導致計算本錢高，大像素程序大小導致誤差。請注意，在優化過程模框大小〔由于另外的冒口〕等總像素的數量正在逐步增加。在初始化步驟的另一個任務是外表設計空間的定義。外表設計空間，Cdesign，定義作為一個子集鑄件的外表，Ccast，這是可行的連接冒口脖頸。作為一般規那么，連接冒口頸部小于絕對的鑄鐵外表曲率值是可取的。特別是連接冒口頸部凹面〔外表帶有負應防止盡可能曲率〕〔考慮去毛刺，切割和加工程序，通常需要鑄造后〕。可以是曲面的曲率從CAD模型中提取以下關系：其中，k是局部曲率，n是本地向外鑄件外表的法線向量。請注意，在實際應用更復雜的外表幾何推理適合Cdesign定義至關重要。因此，使用智能幾何推理模塊來根本一致的定義Cdesign。要生成一個切實可行的設計，用戶定義的奉獻有可能從中受益Cdesign。用戶可以通過這種方式排除一些不可行外表形成Cdesign。Cdesign在voxelized幾何，外表名單像素，與Cdesign有非空訂閱。“外表體素是那些至少有一個模具在其附近的像素。在本研究中存在相鄰像素時，他們兩個像素被稱為一個共享的面孔。4.2.缺陷預測在這個階段，是由能量方程解與宏觀或微觀缺陷預測方法來確定鑄造場〔原鑄造缺陷+添加冒口，如果在以前添加一些冒口周期〕。4.3.缺陷分布冒口設計過程中主要的重要步驟之一是選擇適宜的鑄件外表上冒口頸部的連接點。如果只有一個主要內熱點鑄造，選擇溫度最高的點〔或與最高點局部凝固時間〕鑄件外表成員的Cdesign是一個可行的選擇。但是，當我們有孤立的兩個或兩個以上不同的凝固熱點時，自動選擇冒口頸部的連接點是非常困難的。為此，我們順利和分發中投量的缺餡領域，使他們的影響以適宜的方式傳送到鑄鐵外表。“這一步的應用在缺陷領域是預測的缺陷的方法之一：宏觀或微觀〔類型是用戶選定的參數〕。以下Helmhotlz類方程用于分發缺陷在目前的研究領域〔2〕：其中d是預測的缺陷領域，是分布式〔平滑〕的缺陷磁場，>0是一個縮放控制擴散尺度〔在這項研究中=1〕，是空間變量的缺陷擴散系和的是空間域的局部，僅包含原始鑄造〔不接駁〕。請注意，我們不喜歡的各向同性分布的缺陷，但我們更愿意有更多溫暖的局部缺陷擴