第一届铸造工艺设计大赛

“永冠杯”首届中国大学生铸造工艺设计大赛

作品名称：气动水泥卷钉枪枪头精铸

工艺设计与优化

参赛人姓名：

指导老师：

气动水泥卷钉枪枪头精铸工艺设计与优化

本次大赛所选零件来自于某精铸企业，由于零件尺寸小，结构复杂，壁厚较小且不均匀，材料为铸钢，故采用熔模铸造工艺进行生产。首先针对零件的结构进行工艺分析，初步制定工艺方案，然后应用Procast对工艺方案进行数值模拟，根据模拟结果对初始方案进行优化设计，并进行数值模拟。由模拟结果可知优化方案可以继续被优化，优化之后进行模拟验证，得到最终工艺方案。

1.产品信息

零件名称：气动水泥卷钉枪枪头

用途：用于气动水泥卷钉枪枪头（如图1所示）

图1.气动水泥卷钉枪枪头

材质：ZG40Cr

零件要求：基本上受力较大，不能出现缩孔缩松。而且由于是气动工具，法兰端面与气缸配合，所以，气密性要求较高，零件加工后不能出现缩孔缩松。

工艺方法：熔模铸造

2.产品模型及工艺设计

产品模型见图2.1。铸件最大长度为100mm，宽度为100mm，壁厚为15mm，位于铸件上部法兰端面，最薄处为3mm，位于铸件中部。该铸件结构复杂，壁厚不均匀，材料为ZG40Cr。铸件不允许出现缩孔、缩松，内外表面不允许有气孔、砂眼、夹砂等

注式浇注系统，有利于金属液的充型和补缩，但金属液对型壁冲击力较大，易飞溅，使铸件产生夹渣和气孔等缺陷。考虑到该铸件高度较低，结果复杂，金属液对型壁的冲击力较小，飞溅倾向小。浇注位置位于铸件圆形法兰端面，该面为较大平面，易于浇道的清理，对铸件表面质量影响不大。

图2.1 产品模型图2.2 工艺方案

3.凝固过程数值模拟流程

Procast模拟流程如图2.1所示。

4.凝固模拟前处理 4.1建立模型及网格划分

为了便于分析，将实际生产时的浇注系统进行简化，取单个铸件进行模拟分析，如图4.1。首先使用Pro/E 软件进行铸件的三维建模。建模完毕以后，将文件转换为可被Procast 接受的文件格式，如STEP(STP)。将STEP(STP)文件导入Procast 软件自带的网格划分工具MeshCAST ，进行网格划分的剖分，见图4.2和图4.3。铸件与型壳总结点数为77511个，总单元体数为343461个。从图4.2可以看到，零件网格划分比浇注系统部分致密，这是为了保证零件部位模拟的准确性。

图3. Procast 软件模拟流程

改进

图4.1 简化模型图4.2 铸件网格模型图4.3 型壳网格模型

4.2热物性参数

模拟中铸件材料为40Cr，其热物性参数主要包括热导率λ、比热C、热焓H、密度ρ等，见表4.1。这些参数一般均随温度的变化而变化，所以称为变热物性参数。40Cr 的液相线温度为1491℃，固相线温度为1429℃。耐火材料是制造型壳的主要材料。型壳的一些主要性能都与耐火材料的物理、化学性质有关。实际生产及模拟分析时，表面层和加固层的型壳材料分别选为锆英石和莫来石，其材料的物理、化学性质如表4.2所示。

表4.1 40Cr热物性参数

物性参数200℃400℃600℃800℃1000℃1200℃1400℃1600℃密度/(kg/m3) 7690 7670 7660 7640 7635 7620 7610 7275 热焓/ (KJ/Kg) 70 195 295 580 630 795 930 1310 比热/(KJ/Kg/K) 0.52 0.61 0.75 0.96 0.65 0.66 0.71 0.79 热导率/(W/m/K) 49 42 35 26 28 30 31 24

表4.2 制壳所用耐火材料的物理、化学性质

材料名称分子式化学性质

熔化温度

（℃）

比重

(g/cm3)

线膨胀系数

a(1/℃)

20~1000℃

导热系数λ

（K/cm·s·℃）

400℃1200℃

锆英石ZrO2·SiO2两性1810 3.16 4.5x10-60.0029 0.0037 莫来石3AL2O3·2SiO2弱酸性1775 4.5 5.1x10-60.005

4.3初始条件及边界条件

模拟的初始条件和边界条件与工厂实际生产相同，具体数据如下：金属液浇注温度为1550℃；型壳焙烧温度为1000℃；浇注时间为3s；重力加速度9.8m/s2。铸件与型壳的传热系数为300 W/m2/K。型壳与周围空气的传热系数为10W/m2/K。

5模拟分析结果与生产实际结果对比

5.1铸件充型时的固相率分析

图 5.1为铸件凝固过程中内部金属液的固相率分布图。从图 5.1中可以看出，当time=42.9s时，铸件左侧金属液通道被隔断。当time=48.4s时，铸件左侧底部出现了孤立的液相区，将此部位称为1处。该处金属液凝固时，体积收缩无法得到补缩，易产生缩孔、缩松缺陷。同样，当time=92.6s时，铸件右侧金属液通道被隔断。当time=96.9s 时，铸件右侧底部出现孤立的液相区，将此部位称为2处。该处金属液凝固时，体积收缩无法得到补缩，易产生缩孔、缩松缺陷。

（a）time=42.9s （b）time=48.4s

（c）time=92.9s（d）time=96.9s

图5.1铸件充型时的固相率变化

5.2模拟结果与实际生产的对比

从模拟结果分析可知，图5.2（a）中铸件左侧两壁相接处即1处，易产生缩孔、缩松缺陷。而从图5.2（b）中箭头所指部位，实际生产中产生缩松缺陷概率相当大，已达到60%。由模拟结果分析可知，图5.2（c）中铸件右侧底部即2处，易产生缩孔、缩松缺陷。对铸件做剖切处理，从图5.2（d）中白线圈处，产生了缩孔缺陷。可以得出：此次数值模拟分析结果与实际生产结果基本吻合。

（a）模拟结果1处（b）实际结果1处

（c）模拟结果2处（d）实际结果2处

图5.2 模拟结果与实际结果对比