基于CADCAE的壳体铸件低压铸造工艺设计.pptx
合集下载
CAD CAE CAM 在铸造成型中的应用
CAD/CAE/CAM 在铸造成型中的应用
1
主要内容
铸造工艺概述 铸造CAD／CAE／CAM
2
1.铸造工艺概述
1）、铸造生产工艺：
将金属熔炼成具有一定化学成分、一定温度 的液态金属，在重力场或外力场(压力或离心力 等)的作用下，浇注到具有一定几何形状、尺寸 大小的铸型型腔中，待液态金属结晶、凝固并冷 却到一定温度后，从铸型型腔中取出，经过清理、 切除浇冒口而获得铸件。
7
2）铸件凝固过程CAE
在加工铸造模具和投入实际铸件生产之前，利用 计算机对铸件充型凝固过程进行模拟计算，预测 其缺陷所在，以便优化工艺设计。 研究内容： 铸件充型凝固过程的数值模拟及疏松、缩孔预测、 应力分析、微观组织模拟等方面。
8
3）铸造模具CAM
利用计算机对铸造模具的制造进行设计、监督、 控制和管理
9
实际铸造生产验证
实际生产对比结果基本可以得出结论：模拟结果 与实际情况较吻合，工艺方案虽有待于进一步优 化，但基本上较准确可行，达到了预期目标。
10
柔性制造
一是系统适应外部环境变化的能力,源自用系统满足 新产品要求的程度来衡量 二是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如 机器出现故障)情况下,系统的生产率与无干扰情 况下的生产率期望值之比来衡量
3
2）、传统铸造工艺流程图
对产品进行工艺分析，确定分 型面、砂芯结构，进行型板、 芯盒及浇注系统布置 工艺试制 试制品质量分析 浇注系统修改 产品是否符合技术要求 否
4
是
生产
特点：产品开发属于一种先试制的判别方法 ①需反复进行工艺改进，然后重新进行工艺 试验，而得到最终成熟合理的工艺 ②需耗费大量人力、物力，导致开发周期过 长，开发成本高 ③即使生产出的产品质量满足了用户要求， 但工艺是否是最合理的工艺，也无法予以 验证
1
主要内容
铸造工艺概述 铸造CAD／CAE／CAM
2
1.铸造工艺概述
1）、铸造生产工艺：
将金属熔炼成具有一定化学成分、一定温度 的液态金属，在重力场或外力场(压力或离心力 等)的作用下，浇注到具有一定几何形状、尺寸 大小的铸型型腔中，待液态金属结晶、凝固并冷 却到一定温度后，从铸型型腔中取出，经过清理、 切除浇冒口而获得铸件。
7
2）铸件凝固过程CAE
在加工铸造模具和投入实际铸件生产之前，利用 计算机对铸件充型凝固过程进行模拟计算，预测 其缺陷所在，以便优化工艺设计。 研究内容： 铸件充型凝固过程的数值模拟及疏松、缩孔预测、 应力分析、微观组织模拟等方面。
8
3）铸造模具CAM
利用计算机对铸造模具的制造进行设计、监督、 控制和管理
9
实际铸造生产验证
实际生产对比结果基本可以得出结论：模拟结果 与实际情况较吻合，工艺方案虽有待于进一步优 化，但基本上较准确可行，达到了预期目标。
10
柔性制造
一是系统适应外部环境变化的能力,源自用系统满足 新产品要求的程度来衡量 二是系统适应内部变化的能力,可用在有干扰(如 机器出现故障)情况下,系统的生产率与无干扰情 况下的生产率期望值之比来衡量
3
2）、传统铸造工艺流程图
对产品进行工艺分析，确定分 型面、砂芯结构，进行型板、 芯盒及浇注系统布置 工艺试制 试制品质量分析 浇注系统修改 产品是否符合技术要求 否
4
是
生产
特点：产品开发属于一种先试制的判别方法 ①需反复进行工艺改进，然后重新进行工艺 试验，而得到最终成熟合理的工艺 ②需耗费大量人力、物力，导致开发周期过 长，开发成本高 ③即使生产出的产品质量满足了用户要求， 但工艺是否是最合理的工艺，也无法予以 验证
铸造成型CAD CAE
下图是铸件凝固模拟计算结果，由此可以判定铸件的热 节位置和各部位的凝固顺序及可能出现缩松缺陷的位置。
a. 凝固经历时间15秒时的铸件色温
b. 凝固经历时间8秒时的液相分布
下图为压铸型的温度场切片显示结果，据此又可以优化 压铸模具冷却系统的设计，实现模具的热平衡。
a. 凝固经历时间15秒时的铸型色温切片1
利用传热学原 理，分析铸件 的传热过程， 模拟铸件的冷 却凝固进程， 预测缩孔、缩 松等缺陷。
利用流体力学 原理，分析铸 件的充型过程 ，可以优化浇 注系统，预测 卷气、夹渣、 冲砂等缺陷。
研究内容
应力场分析
利用力学原理 分析铸件的应 力分布，预测 热裂、冷裂、 变形等缺陷。
组织模拟
分宏观、中观 及微观组织模 拟，利用一些 数学模型来计 算形核、枝晶 长生速度、组 织转变、预测 铸件性能。
a. 凝固经历时间15秒时的铸件色温
b. 凝固经历时间8秒时的液相分布
模具设计与实际试浇
在模具实际制造时考虑到将来与模拟结果作对比分析,厂家仍然先按原 设计方案生产。试模时共压铸了四件产品。首件由于合金液不足未浇满， 后三件均出现了大致相似的问题：铸件顶面中部靠内浇口一侧产生了夹渣、 冷隔，并造成顶面中部出现了一条大约200mm长的细裂纹；铸件最后填充的 区域也有冷隔和裂纹的出现。下图所示为铸件实物上的一些缺陷（图中黑 色箭头所指）。
铸造成形过程数值模拟发展
目前，数值模拟软件被广泛认为是优化工艺设计的必备工 具。美国、德国、日本等国的镁合金压铸企业十分重视镁合 金CAD/CAE技术在产品生产工艺设计上的应用，并取得了一定 成果。如美国芝加哥White Metal铸造公司采用CAE软件获取 薄壁家电产品机壳流场、温度场的各种信息，据此进行浇道、 溢流槽和冷却系统优化设计。利用模拟结果绘制PQ² 图，综合 考虑多种因素的影响，最终确定生产工艺中采用的最佳工艺 参数值。
基于CADCAE的壳体铸件低压铸造工艺设计
图9开模状态
5．6模座及定位元件的设计
一般而言，模座的构件大部分可 利用拉伸(Protrusion)、旋转 (Revolve)及剪切(Cut)等简易的实 体特征来建构，这里不做叙述， 设计完成后的模具装配图见图10。
图10装配图
小结：
这次作业中我选择的课题是壳体铸 件的设计与制造过程中CAD/CAE技 术的运用。通过这次作业我了解
到了壳体铸件的整个从设计到制造 的一系列过程，也了解到CAD/CAE 技术在壳体铸件设计制造过程中的 重要性。
谢谢老师！
材控一班 杨超 20072732
•
每一次的加油，每一次的努力都是为 了下一 次更好 的自己 。20.12.720.12.7Monday, December 07, 2020
•
天生我材必有用，千金散尽还复来。20:16:2920:16:2920:1612/7/2020 8:16:29 PM
图8分型面生成
5．5 建立模具体积块(Mold Volume)及模 具元件（Mold Comp) 分型面完成之后，接着就要分割工件，建
立模具体积块。首先利用型芯分型面分割 出5个型芯，然后用主分型面分割出上下两 半型，这样将坯料拆为7个模型体积块，并 将其抽取为模具元件。利用刚生成的模具 元件顺利生成模拟浇注件(M01ding)，说明 拆模流程正确。关闭参考零件、坯料及分 型面，利用Pr0／E的模具开启(Mold Opening)功能展示出开模状态，见图9。通 过做干涉检查(Inte如rence Check)，该模 具在拔模时不会发生干涉。
根据以上原则和铸件参考模型的尺寸， 分析计算得到以下工艺
参数和加压规范(见图3)。 合金浇注温度(680±20)℃ 外模预热温度(240±20)℃ 金属芯预热温度(240±20)℃ 浇口预热温度(310±20)℃
CAD技术材料加工的CADCAECAM的实际应用PPT课件
图2 原工艺冷铁布置
第10页/共43页
一次浇注成功的燃气轮机缸体
图3 原工艺充型模拟 图4 原工艺凝固模拟结果 模拟发现，原工艺铸件小半径端柱面内存在大面 积的缩孔缩松危险区。需要加大原工艺此处放置冷 铁的密度和厚度，经多个方案的模拟对比，优化出 一个合适的冷铁布置方案。
第11页/共43页
克服康明斯机体的夹渣问题
第42页/共43页
感谢您的观看。
第43页/共43页
学 集成化注射模CAD系统；浙江大学 精密注射模CAD/CAM系统。
第36页/共43页
注射成型CAE
❖ 目前，注射模CAE限于注射过程的计算机分析，即模拟注射成型中熔体充 模、保压与冷却过程以及预测塑料制品在脱模后的翘曲变形。
第37页/共43页
华中科技大学模具技术国家重点实验室成功开 发了三维真实感流动模拟软件HSCAE 3DRF
第30页/共43页
焊接CAE应用实例
一个简单的T型梁纵向收缩引起 的弯曲变形
图1 T型梁焊接变形图
第31页/共43页
空调压缩机焊接变形 与应力分析
管板焊接
图2 压缩机焊接的残余变形
图3 管板焊接过程中某一 时刻的温度场
第32页/共43页
高精度液力变矩器
图4 液力变矩器的焊接变形
第33页/共43页
图5 康明斯机体原工艺 图6 康明斯机体改进工艺
第12页/共43页
克服康明斯机体的夹渣问题
图7 原工艺流动前沿 雨淋形态
图8 改进工艺流动前沿 整齐而不零乱
第13页/共43页
一次浇注成功的大型铸钢件校直机机架
图9 机架原工艺凝固模拟结果 图10 机架改进工艺模拟结果 经模拟，发现该件四角处的四个冒口补缩通道先于铸件
低压铸造 ppt课件
21.04.2020
4）铸件成型性好。金属液在外力作用下强 迫流动，提高了金属的充填能力，有利于形成 轮廓清晰，表面光洁的铸件，少切削或零切削， 对薄壁件铸造尤其有利；
5）压力下结晶，铸件组织致密，机械性能 高；
6）金属收得率高（80％～98％），节省补 缩冒口，金属利用率高达90-98%；
7）劳动强度低，劳动条件好，容易数控自 动化。
21.04.2020
低压铸造的工艺特点 有利于创造铸件顺序凝固的条件
低压铸造时铸件的凝固过程 21.04.2020
浇口设在铸件的壁厚部位 21.04.2020
21.04.2020
21.04.2020
2、主要缺点： 升液管寿命短，且在保温过程中金属液易氧 化和产生夹渣。
与压力铸造相比： 1）质量不低于压力铸造； 2）设备简单，投资少，生产成本低； 3）可制作大型零部件；
21.04.2020
低压铸造工艺过程： 合型 升液 充型 卸压冷却 开型
增压凝固
21.04.2020
2、低压铸造的工艺
1）充型和增压 升液压力是指当金属液面上升到浇口，附所需要的
压力。金属液在升液管内的上升速度应尽可能缓慢，以 便有利于型腔内气体的排出，同时也可使金属液在进入 浇口时不致产生喷溅。 2）充型压力和充型速度
浇注温度一般比重力铸造低10～20℃；
21.04.2020
6）涂料 金属型低压铸造时，为了提高其寿命及
铸件质量，必须刷涂料；涂料应均匀，涂料厚 度要根据铸件表面光洁度及铸件结构来决定。
21.04.2020
6.3 低压铸造的特点及应用
1、低压铸造独特的优点： 1）浇注压力和速度可调，适应各种铸型、合 金和铸件大小； 2）液态金属充型平稳，夹杂缺陷减少；--底 注式平稳充型，无飞溅、气体卷入和型壁冲刷 等弊病，铸件合格率提高； 3）型腔内液流与气流方向一致，减少了产生 气孔的可能性；
4）铸件成型性好。金属液在外力作用下强 迫流动，提高了金属的充填能力，有利于形成 轮廓清晰，表面光洁的铸件，少切削或零切削， 对薄壁件铸造尤其有利；
5）压力下结晶，铸件组织致密，机械性能 高；
6）金属收得率高（80％～98％），节省补 缩冒口，金属利用率高达90-98%；
7）劳动强度低，劳动条件好，容易数控自 动化。
21.04.2020
低压铸造的工艺特点 有利于创造铸件顺序凝固的条件
低压铸造时铸件的凝固过程 21.04.2020
浇口设在铸件的壁厚部位 21.04.2020
21.04.2020
21.04.2020
2、主要缺点： 升液管寿命短，且在保温过程中金属液易氧 化和产生夹渣。
与压力铸造相比： 1）质量不低于压力铸造； 2）设备简单，投资少，生产成本低； 3）可制作大型零部件；
21.04.2020
低压铸造工艺过程： 合型 升液 充型 卸压冷却 开型
增压凝固
21.04.2020
2、低压铸造的工艺
1）充型和增压 升液压力是指当金属液面上升到浇口，附所需要的
压力。金属液在升液管内的上升速度应尽可能缓慢，以 便有利于型腔内气体的排出，同时也可使金属液在进入 浇口时不致产生喷溅。 2）充型压力和充型速度
浇注温度一般比重力铸造低10～20℃；
21.04.2020
6）涂料 金属型低压铸造时，为了提高其寿命及
铸件质量，必须刷涂料；涂料应均匀，涂料厚 度要根据铸件表面光洁度及铸件结构来决定。
21.04.2020
6.3 低压铸造的特点及应用
1、低压铸造独特的优点： 1）浇注压力和速度可调，适应各种铸型、合 金和铸件大小； 2）液态金属充型平稳，夹杂缺陷减少；--底 注式平稳充型，无飞溅、气体卷入和型壁冲刷 等弊病，铸件合格率提高； 3）型腔内液流与气流方向一致，减少了产生 气孔的可能性；
铸造工艺图及设计实例PPT课件(PPT31页)
1.日 本 那 些 再 现曲 水宴的 表演， 有着不 少“中 国元素 ”，但 是由于 现代年 轻人对 古代中 国文化 了解甚 少，并 不知道 哪些元 素来自 中国。 2.本 着 保 证 校 车安 全的原 则，公 安机关 将会同 教育行 政等部 门对校 车驾驶 人进行 逐一审 查，坚 决清退 不符合 安全规 定的校 车驾驶 人。 3.山 寨 文 化 是 一种 平民文 化、草 根文化 ，自然 有其存 在的意 义和价 值，但 山寨产 品的泛 滥则是 中国知 识产权 意识不 足的揭 露与讽 刺。 4.神 舟 7号 宇 宙 飞船 载着三 位航天 英雄胜 利返回 地球， 这艘宇 宙飞船 是我们 国家自 行研制 的，每 一个中 国人不 能不为 之骄傲 。 5.这 家 工 厂 虽 然规 模不大 ，但曾 两次荣 获省科 学大会 奖，三 次被授 予省优 质产品 称号， 产品远 销全国 各地和 东南亚 地区。
6.杭 州 湾 跨 海 大桥 是一座 由我国 自行建 造、自 行设计 、自行 管理、 自行投 资的特 大型交 通基础 设施， 是我国 跨海大 桥建设 史上的 一个重 要里程 碑。 7、 为 防 止 东 南亚 地区发 生的禽 流感传 入我国 ，国家 质检总 局和农 业部今 天联合 发出通 知，自 即日暂 行禁止 进口来 自疫区 的禽类 及其产 品。
注意事项
(6)所标注的各种工艺尺寸或数据，不要盖住 产品图上的数据，应方便工人操作，符合工厂 的实际条件。例如标注拔模斜度，对于手工木 模，则应尽量标注尺寸(毫米)或比例(1/50);对 于金属模则应标注角度，而且所注角度应和工 厂常用铣刀角度相对应。
铸件图( 毛坯图)
铸件图的用途：
（1）是铸件验收的依据。 （2）是冷加工车间进行铸件加工工装设计的 重要依据
基于CAE技术的铸件的工艺设计及优化
摘要工程中的许多零件的生产都离不开铸造，采用铸造的方式可以生产许多大型的、复杂的零件。
采用铸造方法进行生产的关键是进行模具设计，模具中的浇注系统和铸造工艺参数等因素直接影响铸件最终的质量，若工艺不当，则会在铸件中产生缺陷，极大地影响了铸件的性能。
传统的铸造工艺的确定采用经验确定，若在试制件中产生缺陷时，往往通过经验不断的修模，更改工艺参数，直至产生比较满意的结果。
显然，这样的方法极大的降低了工作效率，增加了成本，且产生的结果未必能达到满意的效果。
随着计算机硬件性能的不断提高，软件的不断开发、扩展，CAE技术不断应用到铸造生产中去。
应用CAE技术彻底的改变了传统的修正方法，仅仅借助于商业化的CAE 软件就可以分析、模拟出铸件在成型过程中的真实情况，尽管未必能百分之百的反映整个成型过程，但是由于数值算法的不断改进，尤其是大量性能强大的商业化的专业软件的不断涌现，模拟情况越来越接近真实水平，同时，通过将模拟分析的改进运用到工程当中确实起到了很好的效果。
数值模拟技术为铸造过程中的工艺优化起到了很好的指导作用。
本文通过在CAD软件中建立产品的三维模型及铸造工艺图，将其导入到CAE软基金暗中进行仿真模拟。
重点分析了所选择的铸件浇注系统的设计过程，并利用铸造专业软件华铸CAE分析了其充型和凝固过程，通过软件的后置处理程序分析了缺陷产生的位置，根据理论分析采取相应的工艺进行改进，改进后确实减少和消除了缺陷的产生，最终形成了一套合理的工艺。
可见，CAE技术对铸造工艺的设计和优化有着极大的作用。
关键词：铸造；数值模拟；优化；CAE第一章绪论1.1 课题背景及意义任何机械产品毛坯的产生都离不开铸造，铸造使生产机械产品毛坯的主要方法，它在国民经济中扮演着极其重要的作用。
各行各业都离不开铸件，如大到航空航天中的运载火箭，航海中的船舶，陆上交通运输中的火车、汽车等，小到人们日常生活中的五金、小家电等都需要铸件[1]。
铸造即是指将熔融的金属液注入事先准备好的型腔中使之冷却、凝固成型的方法[2]。
《铸造工艺CAE技术》说课
一 序 号 课程名称 学分 总学时 15
二 11.5 12
三 15
四 6
五
六 备注
1 2 3 4 5
工程材料与热处理 铸件成形原理 铸造有色合金及其熔炼 铸造钢铁合金熔炼及其控制 铸造生产及工艺工装设计 特种铸造 铸造工艺CAE技术 技术 铸造工艺 。。。。。。
5 3 3 4.5 5
80 48 48 72 80
技术》 《铸造工艺CAE技术》详述 铸造工艺 技术
二、本课程的开发设计思路
《铸造生产实训2》进行调整后 铸造生产实训 》 的工艺实际验证
根 据 工 作 流 程 设 计 的 子 学 习 单 元
缩孔和缩松的 预测 浇不足缺陷的 预测 流动平稳性的 预测 纯凝固过程模 拟计算
球铁件的模拟
课 程 单 元
铸钢件的模拟
技术》 《铸造工艺CAE技术》详述 铸造工艺 技术 4.典型专业岗位 4.典型专业岗位
技术岗位、生产管理岗位、 技术岗位、生产管理岗位、生产操作岗位和产品营销岗位等其他 岗位 已就业高职毕业生从事的就业和拓展的主要工作岗位： 已就业高职毕业生从事的就业和拓展的主要工作岗位：生产操作 岗位（造型制芯、熔炼浇注等）、技术岗位（现场技术服务、 ）、技术岗位 岗位（造型制芯、熔炼浇注等）、技术岗位（现场技术服务、工艺工装 设计）、生产管理（班组长、工段长、车间主任、调度员等）； ）、生产管理 ）；次要工 设计）、生产管理（班组长、工段长、车间主任、调度员等）；次要工 作岗位有—质量检验与控制 铸件热处理、模型制造；相关工作岗位— 质量检验与控制、 作岗位有 质量检验与控制、铸件热处理、模型制造；相关工作岗位 营销、机械加工；其中65%从事砂型铸造（主要是树脂砂），35%从事特 65%从事砂型铸造 ），35% 营销、机械加工；其中65%从事砂型铸造（主要是树脂砂），35%从事特 种铸造。 种铸造。
最新1.3铸造工艺设计课件教学讲义ppt
✓指合金液能充满型腔的最小厚度，小于最小壁 厚易产生浇不足、冷隔等缺陷。
✓铸件最小壁厚与 合金种类、铸件尺 寸等因素有关。
19
1.3 铸造工艺设计 铸件壁厚不易过厚 ✓ 过大的壁厚会引起铸件晶粒粗大，强度下降，
产生缩孔、缩松等缺陷
20
1.3 铸造工艺设计 ➢2、铸件壁厚尽量均匀 ✓壁厚不均易产生缩孔和缩松，内应力和变形、开 裂等缺陷。
30
1.3 铸造工艺设计
❖ 浇注位置选择原则 ➢ 重要面朝下 ➢ 大平面朝下 ➢ 薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或 倾斜位置 ➢ 厚大部分朝上或侧面 ➢ 型芯少而稳定
31
1.3 铸造工艺设计 ➢ 重要面朝下 ✓ 铸件上部易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，且晶
粒较粗大。重要加工面应朝下或位于侧面；重要 加工面有数个时，应将较大的平面朝下。
➢ 选择浇注系统类型。 ➢ 确定内交道在铸件上的位置、数目和金属液引入方
向。 ➢ 决定直浇道的位置和高度。 ➢ 计算浇注时间并核算金属上升速度。 ➢ 计算阻流截面积S阻。 ➢ 确定浇口比并计算各组员截面积。 ➢ 绘出浇注系统图。
42
1.3 铸造工艺设计 2.铸件分型面的选择 ✓ 指上、下、左、右砂型间的接触面，应能在保
简化内腔自带型芯
13
1.3 铸造工艺设计
框形与肋板结构
肋板与框架立体图
14
✓ 型芯在铸型中应支撑牢固
1.3 铸造工艺设计
内腔是否连通立体图 内腔连通不连通零件图
内腔连通不连通型芯放置
15
1.3 铸造工艺设计
✓ 增加型芯头或工艺孔，以固定型芯，同时便于 型芯固排清
封闭内腔立体图
封闭内腔零件图 封闭内腔型芯无法取出
➢ 浇口杯 ➢ 直浇道 ➢ 横浇道 ➢ 内浇道
✓铸件最小壁厚与 合金种类、铸件尺 寸等因素有关。
19
1.3 铸造工艺设计 铸件壁厚不易过厚 ✓ 过大的壁厚会引起铸件晶粒粗大，强度下降，
产生缩孔、缩松等缺陷
20
1.3 铸造工艺设计 ➢2、铸件壁厚尽量均匀 ✓壁厚不均易产生缩孔和缩松，内应力和变形、开 裂等缺陷。
30
1.3 铸造工艺设计
❖ 浇注位置选择原则 ➢ 重要面朝下 ➢ 大平面朝下 ➢ 薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或 倾斜位置 ➢ 厚大部分朝上或侧面 ➢ 型芯少而稳定
31
1.3 铸造工艺设计 ➢ 重要面朝下 ✓ 铸件上部易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，且晶
粒较粗大。重要加工面应朝下或位于侧面；重要 加工面有数个时，应将较大的平面朝下。
➢ 选择浇注系统类型。 ➢ 确定内交道在铸件上的位置、数目和金属液引入方
向。 ➢ 决定直浇道的位置和高度。 ➢ 计算浇注时间并核算金属上升速度。 ➢ 计算阻流截面积S阻。 ➢ 确定浇口比并计算各组员截面积。 ➢ 绘出浇注系统图。
42
1.3 铸造工艺设计 2.铸件分型面的选择 ✓ 指上、下、左、右砂型间的接触面，应能在保
简化内腔自带型芯
13
1.3 铸造工艺设计
框形与肋板结构
肋板与框架立体图
14
✓ 型芯在铸型中应支撑牢固
1.3 铸造工艺设计
内腔是否连通立体图 内腔连通不连通零件图
内腔连通不连通型芯放置
15
1.3 铸造工艺设计
✓ 增加型芯头或工艺孔，以固定型芯，同时便于 型芯固排清
封闭内腔立体图
封闭内腔零件图 封闭内腔型芯无法取出
➢ 浇口杯 ➢ 直浇道 ➢ 横浇道 ➢ 内浇道
CADCAE技术在铸造工艺设计及优化中的应用
ＣＡＤ／ＣＡＥ技术在铸造工艺设计及优化中的应用黑玉龙１ 陈日军２ 宋 彬３（１．齐齐哈尔北方机器有限责任公司冶金技术中心；２．中国北方发动机研究所；３．北京北方恒利科技发展有限公司）摘 要 利用铸造工艺设计及工艺模拟软件Ｃａｓｔｓｏｆｔ ＣＡＤ／ＣＡＥ技术对铸件毛坯模数、工艺热节、浇冒口系统、浇注过程、凝固过程进行计算从而对铸件毛坯进行工艺设计和铸造缺陷分析。
依据分析结果对工艺进行改进，最后设计出合理的铸造工艺。
铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺试验，有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。
关键词 ＣＡＤ／ＣＡＥ，浇注过程凝固过程温度场工艺优化中图分类号 ＴＰ３１１ 文献标志码 Ａ 文章编号 １００１－２２４９（２０１１）１０－０９２１－０３ＤＯＩ：１０．３８７０／ｔｚｚｚ．２０１１．１０．０１１Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＣＡＤ／ＣＡＥ ｉｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｃａｓｔｉｎｇ ＰｒｏｃｅｓｓＨｅｉ Ｙｕｌｏｎｇ１，Ｃｈｅｎ Ｒｉｊｕｎ２，Ｓｏｎｇ Ｂｉｎ３（１．Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｑｉｑｉｈａｒ Ｎｏｒｔｈｅｒｎ Ｍａｃｈｉｎｅ Ｃｏ．，Ｌｔｄ；２．Ｃｈｉｎａ ＮｏｒｔｈＥｎｇｉｎｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ；３．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｂｅｉｆａｎｇ Ｈｅｎｇｌｉ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏ．，Ｌｔｄ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ ＣＡＳＴｓｏｆｔ ＣＡＤ／ＣＡＥ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｃａｓｔｉｎｇ ｂｉｌｌｅｔ ｍｏｄｕｌｕｓ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｈｏｔｓｐｏｔ，ｇａｔｉｎｇ－ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ，ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇｓｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｗａｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｃａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｏｒ ｅｌｉｍｉｎａｔｅ ｐｏｓｓｉｂｌｅ ｄｅｆｅｃｔｓ，ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｒｉａｌ－ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ，ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ＣＡＤ／ＣＡＥ，Ｆｉｌｌｉｎｇ，Ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ，Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ收稿日期：２０１１－０５－０７；修改稿收到日期：２０１１－０７－２０第一作者简介：黑玉龙，男，１９６８年出生，高级工程师，齐齐哈尔北方机器有限责任公司冶金技术中心，黑龙江齐齐哈尔龙华路２１０号（１６１０００），电话：１３８３６２２１８３８，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｅｉｙｌ１２６＠１２６．ｃｏｍ 目前，大多数铸造企业采用传统工艺试错法进行铸件生产［１，２］。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
工装模具结构的合理性和准确性。
引言
运用CAD／CAE技术对某壳体铸件进行低 压铸造工艺设计和模拟，和传统铸造工艺设计 手段相比，三维CAD能够使设计者比较直观和 容易地进行铸造工艺工装设计，CAE模拟能够 使设计者在工艺设计阶段预测缺陷部位，从而 及时改进工艺，提高工装模具结构的合理性和 准确性，有效缩短产品开发周期，保证铸件质 量，满足产品使用要求，降低试制成本。
3．5 保压时间t5的确定 保压时间不足，铸件的凝固得不
到充分的补缩，易出现缩孔、缩松 缺陷。若保压时间过长，轻则使生 产周期长、生产率下降，严重时使 上部“冻住”，造成流通困难，甚 至停产。生产上多以铸件浇口残余 长度为依据，凭经验控制保压时间。
3．6浇注温度和模具温度的确定 目前使用的低压铸造机型号为J453E，
2．2浇口设计 一般来说，低压铸件的加工余量为1—2 mm，为增加补缩通道，在浇道处中心 孔内圆加工余量为10 mm，由枷O mm 变成弘0 mm，在浇道起始平面加工余量 为8mm，浇道大端直径为拍5 mm，起 模斜度为5。。在分型面设置随形集渣包， 使得最先流人的冷金属积聚到集
渣包，该处开10 mm×0．15 mm的排 气道，初始工艺模型示意图见图2。
图l 壳体铸件的Pro／E三维实体造型
2 工艺方案CAD设计 2．1分型面和浇注位置的确定 根据该壳体结构及低压铸造的工艺要求，分 型面应选在大端面处，这样外形由下模形成， 内腔由主型芯形成，模具整体性好，有利于 保证尺寸精度，同时利于排气和提高模具寿 命。根据分型面及低压铸造的特点，浇道位 置选在下模的底部中心孔平面，这样有利于 充型和补缩。侧法兰外缘和内孔由一侧芯整 体形成。
1．2铸件结构分析 图1为该壳体铸件的Pro／E三维实体 造型。外形尺寸约为320 mm x 190 mm×150 mm，该零件结构复杂，最 小壁厚为8 mm，法兰台较多，左边有 一斜侧法兰，有3个方向的斜度，给工 艺工装设计带来一定的难度。右边耳 轴为明显局部厚大部位，厚达20 mm， 因此造成了壁厚的不均匀性。通过以 上分析，发现由于该壳体是一种尺寸 精度要求高、形状复杂、受力大、可 靠性要求较高的铸件，故选用金属型 低压铸造工艺。
改进方案：左边采用曲面分型，让法兰外缘直接 带入上下型腔，只有内部圆柱芯采用侧抽，有利 于排气，在中心浇口处增加3处放射状内浇道，见 图6，使金属液完全能至下而上实现平稳充型，且 加大补缩通道。按改进后方案对该铸件进行模拟 分析没有发现缺陷，凝固模拟结果见图7。
图4初始方案充型模型
图5 凝固模拟
图6改进方案
材料成型CAD/CAE/CAM作业
基于CAD／CAE的壳体铸件低压铸造 工艺设计
主讲人：杨超
摘要
主要介绍壳体铸件运用CAD／CAE计算机 技术进行低压铸造工艺设计的过程、基于PRO ／E软件的低压铸件三维CAD模型设计Any— casting铸造模拟软件的CAE工艺模拟。三维 CAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造 工艺工装设计，CAD模拟能够使设计者在工艺 阶段预测缺陷部位，从而及时改进工艺，提高
P充=P2=μHγ 式中，P充为充型压力，MPa；H为型腔 顶部与坩埚中金属液面的距离，mm；γ 为金属液重度(N／mm3)；μ为充型阻力 系数，一般取1．2～1．5。充型速度是 指充型过程中，金属液面在型腔中的平
均上升速度，一般稍高于升液速度。控 制不良会形成气孔和氧化夹渣，因此正 确地控制加压速度是获得良好铸件的关 键。
正文
1铸件结构工艺性分析
1．1主要技术要求 壳体属于复杂重要零件，承受一定的静载荷
和确定的动载荷，材料为高强度铝合金，要求 铸件力学性能吼≥300 MPa，65≥1．5％， HBS≥100，试块力学性能为0rb≥334 MPa， 良≥2．0％，HBs≥100，重要部位不允许存在 任何铸造缺陷，见图1中的1、2、3部位，铸造 尺寸公差要求为GB／T6414 C，17级。
根据以上原则和铸件参考模型的尺寸， 分析计算得到以下工艺
参数和加压规范(见图3)。 240±20)℃ 金属芯预热温度(240±20)℃ 浇口预热温度(310±20)℃
图3加压规范示意图
4 CAE工艺模拟 初始方案充型模拟见图4，凝固模拟见图5。结果 显示法兰端部为最后充型部位，容易窝气；左边 厚大部位内部有一处明显缩孔。
图7凝固模拟结果
5 Pr0／E模具设计 对改进后的工艺模型(在Pr0／E里称之为参 考模型)，经过拆模转化成型腔、型芯、浇 注系统等模具零部件，再与设计好的模座 装配成一套注射模具。同时Pro/E在拆模过 程中还提供了一些必要的分析功能，如起 模检测，厚度检查，模具开启及干涉检查 等.
5．1 建立工件(Workpiece) 参考模型之后要建立工件(workpiece)， 一个简单的拉伸特征就可完成，即将 来形成型腔实体的部分。 5．2 模型检验(Model Check） 必须先检验模型的厚度 (ThicknessCheck)、起模斜度(Dr出 check)等几何特征，以确认成品的厚 度及起模斜度是否符合设计要求。若 不符合，便可及早发现并修改。
3．3 结壳时间t3的确定 一般地说，采用金属型时结壳 时间比较短，有时可以取消结 壳时间，直接增压，但考虑到 该壳体有厚大部位，结壳时间 选择5 s。
3．4 增压压力只及增压速度的确定
液态金属在一定压力下进行结晶，是低压 铸造的特点之一，因此增压压力也称为结 晶压力，即充型结束后，在充型压力的基 础上，再使压力增加一定数值，有利于铸 件补缩，可有效地消除缩孔、缩松，提高 组织的致密度，但由于铸型及设备条件等 因素的限制，增压压力也不能太高。
(a)凸模
(b)凹模
图2初始工艺模型示意图
3 低压铸造工艺参数的选择 3．1升液速度的确定 其中升液阶段的加压速度应使合 金液平稳上升，升液速度一般控 制在50 mm／s左右，所需加压速 度为0．014 MPa／s，升液时间 视充型压力而定。
3．2充型压力和充型速度的确定 一般根据帕斯卡原理来计算其充型压力 值：
引言
运用CAD／CAE技术对某壳体铸件进行低 压铸造工艺设计和模拟，和传统铸造工艺设计 手段相比，三维CAD能够使设计者比较直观和 容易地进行铸造工艺工装设计，CAE模拟能够 使设计者在工艺设计阶段预测缺陷部位，从而 及时改进工艺，提高工装模具结构的合理性和 准确性，有效缩短产品开发周期，保证铸件质 量，满足产品使用要求，降低试制成本。
3．5 保压时间t5的确定 保压时间不足，铸件的凝固得不
到充分的补缩，易出现缩孔、缩松 缺陷。若保压时间过长，轻则使生 产周期长、生产率下降，严重时使 上部“冻住”，造成流通困难，甚 至停产。生产上多以铸件浇口残余 长度为依据，凭经验控制保压时间。
3．6浇注温度和模具温度的确定 目前使用的低压铸造机型号为J453E，
2．2浇口设计 一般来说，低压铸件的加工余量为1—2 mm，为增加补缩通道，在浇道处中心 孔内圆加工余量为10 mm，由枷O mm 变成弘0 mm，在浇道起始平面加工余量 为8mm，浇道大端直径为拍5 mm，起 模斜度为5。。在分型面设置随形集渣包， 使得最先流人的冷金属积聚到集
渣包，该处开10 mm×0．15 mm的排 气道，初始工艺模型示意图见图2。
图l 壳体铸件的Pro／E三维实体造型
2 工艺方案CAD设计 2．1分型面和浇注位置的确定 根据该壳体结构及低压铸造的工艺要求，分 型面应选在大端面处，这样外形由下模形成， 内腔由主型芯形成，模具整体性好，有利于 保证尺寸精度，同时利于排气和提高模具寿 命。根据分型面及低压铸造的特点，浇道位 置选在下模的底部中心孔平面，这样有利于 充型和补缩。侧法兰外缘和内孔由一侧芯整 体形成。
1．2铸件结构分析 图1为该壳体铸件的Pro／E三维实体 造型。外形尺寸约为320 mm x 190 mm×150 mm，该零件结构复杂，最 小壁厚为8 mm，法兰台较多，左边有 一斜侧法兰，有3个方向的斜度，给工 艺工装设计带来一定的难度。右边耳 轴为明显局部厚大部位，厚达20 mm， 因此造成了壁厚的不均匀性。通过以 上分析，发现由于该壳体是一种尺寸 精度要求高、形状复杂、受力大、可 靠性要求较高的铸件，故选用金属型 低压铸造工艺。
改进方案：左边采用曲面分型，让法兰外缘直接 带入上下型腔，只有内部圆柱芯采用侧抽，有利 于排气，在中心浇口处增加3处放射状内浇道，见 图6，使金属液完全能至下而上实现平稳充型，且 加大补缩通道。按改进后方案对该铸件进行模拟 分析没有发现缺陷，凝固模拟结果见图7。
图4初始方案充型模型
图5 凝固模拟
图6改进方案
材料成型CAD/CAE/CAM作业
基于CAD／CAE的壳体铸件低压铸造 工艺设计
主讲人：杨超
摘要
主要介绍壳体铸件运用CAD／CAE计算机 技术进行低压铸造工艺设计的过程、基于PRO ／E软件的低压铸件三维CAD模型设计Any— casting铸造模拟软件的CAE工艺模拟。三维 CAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造 工艺工装设计，CAD模拟能够使设计者在工艺 阶段预测缺陷部位，从而及时改进工艺，提高
P充=P2=μHγ 式中，P充为充型压力，MPa；H为型腔 顶部与坩埚中金属液面的距离，mm；γ 为金属液重度(N／mm3)；μ为充型阻力 系数，一般取1．2～1．5。充型速度是 指充型过程中，金属液面在型腔中的平
均上升速度，一般稍高于升液速度。控 制不良会形成气孔和氧化夹渣，因此正 确地控制加压速度是获得良好铸件的关 键。
正文
1铸件结构工艺性分析
1．1主要技术要求 壳体属于复杂重要零件，承受一定的静载荷
和确定的动载荷，材料为高强度铝合金，要求 铸件力学性能吼≥300 MPa，65≥1．5％， HBS≥100，试块力学性能为0rb≥334 MPa， 良≥2．0％，HBs≥100，重要部位不允许存在 任何铸造缺陷，见图1中的1、2、3部位，铸造 尺寸公差要求为GB／T6414 C，17级。
根据以上原则和铸件参考模型的尺寸， 分析计算得到以下工艺
参数和加压规范(见图3)。 240±20)℃ 金属芯预热温度(240±20)℃ 浇口预热温度(310±20)℃
图3加压规范示意图
4 CAE工艺模拟 初始方案充型模拟见图4，凝固模拟见图5。结果 显示法兰端部为最后充型部位，容易窝气；左边 厚大部位内部有一处明显缩孔。
图7凝固模拟结果
5 Pr0／E模具设计 对改进后的工艺模型(在Pr0／E里称之为参 考模型)，经过拆模转化成型腔、型芯、浇 注系统等模具零部件，再与设计好的模座 装配成一套注射模具。同时Pro/E在拆模过 程中还提供了一些必要的分析功能，如起 模检测，厚度检查，模具开启及干涉检查 等.
5．1 建立工件(Workpiece) 参考模型之后要建立工件(workpiece)， 一个简单的拉伸特征就可完成，即将 来形成型腔实体的部分。 5．2 模型检验(Model Check） 必须先检验模型的厚度 (ThicknessCheck)、起模斜度(Dr出 check)等几何特征，以确认成品的厚 度及起模斜度是否符合设计要求。若 不符合，便可及早发现并修改。
3．3 结壳时间t3的确定 一般地说，采用金属型时结壳 时间比较短，有时可以取消结 壳时间，直接增压，但考虑到 该壳体有厚大部位，结壳时间 选择5 s。
3．4 增压压力只及增压速度的确定
液态金属在一定压力下进行结晶，是低压 铸造的特点之一，因此增压压力也称为结 晶压力，即充型结束后，在充型压力的基 础上，再使压力增加一定数值，有利于铸 件补缩，可有效地消除缩孔、缩松，提高 组织的致密度，但由于铸型及设备条件等 因素的限制，增压压力也不能太高。
(a)凸模
(b)凹模
图2初始工艺模型示意图
3 低压铸造工艺参数的选择 3．1升液速度的确定 其中升液阶段的加压速度应使合 金液平稳上升，升液速度一般控 制在50 mm／s左右，所需加压速 度为0．014 MPa／s，升液时间 视充型压力而定。
3．2充型压力和充型速度的确定 一般根据帕斯卡原理来计算其充型压力 值：