铸造工艺设计精选(九篇)

第1篇：铸造工艺设计范文

题

报

告

毕业设计（论文）题目

HT150铣刀箱体的铸造工艺设计

题目类型

工程设计（项目）

论文类

作品设计类

其他

一、选题简介、意义

高速切削技术是当今世界制造业中一项快速发展的先进实用的制造技术，具有强大的生命力和广阔的应用前景。随着高速切削技术的发展和高速镗铣加工中心等高性能机床的不断开发，高速铣削技术广泛应用于航空、航天、汽车和模具等制造行业，工序集约化和高速加工设备通用化使得高速铣削已经成为关键零部件高效、高精度加工首选工艺方案。目前，高速铣削作为提高企业敏捷力与柔性制造能力的核心技术，在金属切削加工领域取得了巨大的经济效益和社会效益，成为当今世界制造业重点发展的一项高新技术。

高速铣削最显著的特点和技术核心是采用可靠刀具，这就需要我们研究出非常可靠的刀具来使用，以高切削速度和高进给速度进行高精度和高表面质量加工，满足上述功能要求的高速铣刀成为实现高速铣削加工的关键。国内高速切削基础理论和高速刀具技术滞后于高速切削加工实际应用，在高速铣刀及其加工数据完整性和清晰度方面存在诸多问题，使得高速机床效能未能得到充分发挥，严重限制了高速铣削技术的应用范围。研究铣刀的箱体结构设计及其相关技术，对深刻认识铣刀的箱体结构设计，推动高速铣削技术的应用与发展具有重要理论价值和实际意义。

二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）

研究内容：

本文以常用HT150铣刀箱体为研究对象，在以下方面开展研究工作：

（1）

根据HT150铣刀箱体大小规格绘制二维和三维机械图；

（2）

根据HT150铣刀箱体大小规格设计铸造工艺图；

（3）

使用软件绘制箱体的铸造工艺图；

（4）

采用铸造仿真软件对设计的铸造工艺进行仿真模拟，分析仿真结果，找到最优的铣刀箱体铸造工艺设计。

研究方法：

（1）

铸造工艺设计

参考常用HT150铣刀箱体的规格尺寸，结合李弘英、赵成志主编的《铸造工艺设计》，设计铣刀箱体的铸造工艺过程

（2）

步骤

参考国内外对铣刀箱体铸造工艺的研究成果，

结合本科阶段所学的知识，对已有铣刀箱体铸造工艺进行大胆的改进，设计出几种不同的设计方案，通过绘制三维铸造工艺图，

并用

铸造仿真软件进行仿真模拟，分析仿真结果，得到最优的铣刀箱体铸造设计方案。

（3）

措施

查阅相关文献和书籍，在现有铣刀箱体铸造工艺基础上提出改进意见，设计改进的铸造工艺；将设计好的铸造工艺通过绘制工艺图以及铸造仿真软件对铸造工艺进行仿真模拟。

三、设计（论文）体系、结构（大纲）

第一章

引言

1.1研究的意义

1.2国内外相关研究

1.3研究内容和课题来源

第二章

HT150的概述

2.1HT150的简介

2.2HT150的基本结构

2.3HT150的工作原理

2.4HT150的特点

2.5HT150的应用

第三章

箱体的结构设计

3.1箱体的主要功能

3.2箱体的分类

3.3按箱体的制造方法

3.4设计的主要问题和设计要求

3.5箱体结构设计

第四章

HT150铣刀箱体的铸造工艺设计

4.1HT150的选取

4.2铣刀功能分解及其交互作用分析

4.3基于HT150设计的铣刀功能规划

4.4铣刀箱体设计优化设计方法研究

4.5铣刀箱体设计的设计与实验

结论

参考文献

指导教师意见：

签字：

院（系）审批意见：

年

月

日

签章：

年

第2篇：铸造工艺设计范文

1.1副车架结构特点如图1所示，副车架外形尺寸为940mm×560mm×230mm，结构上左右对称，两端结构复杂，中间段结构相对简单。铸件正面有较多的半封闭内腔结构。铸17件壁薄（平均壁厚约10mm），壁厚差大，最薄壁厚6mm，两侧安装孔位置壁厚达到40mm。铸件体积约5.6×10-3m3，总重约15kg。

1.2浇注系统设计浇道是合金液从冲头压室进入型腔的通道，浇注系统的设计，应该使金属液以一定的速度，平稳而顺序的充满型腔。浇注系统与金属液在型腔的流动，挤压力的传递，凝固过程的热平衡等密切相关。浇注系统设计的好坏直接影响到铸件的成形质量[10-11]。冲头压室的直径根据实际的挤压压力，金属液的容量等信息确定，副车架挤压铸造试制过程中冲头压室直径为Φ170mm。内浇道直接与型腔相连，其位置、形状和大小决定了进入型腔的金属液的流速和流向，影响产品的成形质量。由于副车架产品结构复杂，尺寸较大，设置多个内浇道有利于金属液的充型，并减少浇不足、冷隔等风险。副车架是一个左右对称的产品，因此内浇道在布置的时候也设计为左右对称。内浇道的位置位于铸件侧壁的边缘，方便浇注系统的去除。具体的浇注系统如图2所示，左右各布置10个内浇道，各浇道横截面积如表1所示，总面积为5778mm2。基于上述的浇注系统，清华大学使用其提出的热-力耦合模拟方法对铸件的凝固过程进行了计算，在模拟中考虑了热收缩和相变收缩，界面传热与变形之间的相互作用，以及材料凝固和受力状态下的力学行为，模拟结果如图3、图4所示。图3清晰的表示了挤压铸造凝固过程中冲头的位移。图4描述的是铸件凝固过程中液相的变化，其中深灰色的部分表示未凝固的部分。铸件中间部分由于结构较简单，壁厚较薄，凝固较快，而两侧结构相对复杂，凝固较慢。当t=17.5s时，铸件的大部分已经凝固，但是仍然有较多的孤立熔池，这些最后凝固的部分往往因为得不到有效地补缩而容易产生收缩缺陷。为了减少缩孔缩松缺陷，根据模拟结果对挤压铸造工艺过程进行了优化，增大1#和7#内浇道的横截面积（根据对称性，铸件右侧的相应位置的内浇道横截面积也增加），有利于挤压力的传递，同时在A、C、B、D四个位置实施局部加压，具体的做法是在金属液充满型腔但未完全凝固的时候，位于A、C、B、D四个位置的二次挤压冲头启动，实施局部多点挤压，局部加压的比压约为250MPa，在压射终了延时3～5s后启动。使得该位置的金属液能够保持在较高的压力下凝固，从而减少收缩缺陷。

1.3挤压铸造副车架的研制挤压铸造副车架产品的工艺流程为：合金熔炼—精炼除气—挤压铸造—T6热处理—机械加工—性能检测—表面处理。合金为A356铝合金，合金成分见表2。熔炼过程中使用N2精炼，同时加入一定量Al-Ti-B和Al-Sr分别用于细化晶粒和改善共晶硅的形貌。由于产品尺寸大、结构复杂，副车架的试制在SCV-2500型立式挤压铸造机上完成，该设备提供2500t的锁模力。挤压铸造过程中浇注温度约700℃，模温机设定的模具温度为250℃，冲头主压射比压约97MPa，保压时间20s，在充型过程中，冲头移动的速度为0.1m/min，充型末期，冲头移动速度可达到0.2m/min。局部加压的比压约250MPa，在压射终了延时3～5s后启动。对挤压铸造件做X光检测，观测位置如图5所示，由于结构的对称性，图中只在铸件的左半部分标注观测位置1-6。X光检测结果如图6-图9所示，从图6和图7可以看出，在初始工艺条件下，铸件在观测位置1，2，4，5，6都有不同程度的缩孔缩松缺陷，而这些区域正是模拟计算中对应的最后凝固的部位（如图3所示）。具体来看，参考GB/T9438－2013，铸件的缩孔缩松按照缺陷的等效圆直径可分为8级，1级最轻，8级最严重。关键区域位置1有不明显的2级缩孔，位置3无缺陷，位置4有3级缩孔，而对于一般区域，位置2存在3级缩孔，位置5存在3级缩孔，位置6存在4级缩孔。工艺优化后，由于扩大了位置1和位置6附近的内浇道截面积，有利于挤压力的传递，同时在位置4和位置6局部加压，使得该区域的金属液能保持在较高的压力下凝固，从X光检测结果来看，工艺优化后，位置4存在远离安装孔的1级缩孔，位置2存在1级缩孔，其他位置没有缺陷。优化工艺显著减少了副车架的缩孔缩松缺陷。

1.4挤压铸造副车架产品图10为工艺优化后的挤压铸造副车架产品，可以看出，铸件成形质量好，铸件正面的半封闭腔状结构以及其他筋板结构成形完整，没有出现冷隔，浇不足等铸造缺陷。表面光洁度高，除了一些必要的安装孔位置外，并不需要额外的机加工工序。

2组织观察与力学性能分析

将铸件做整体热处理，热处理工艺为T6，具体的工艺参数为固溶温度535℃，固溶时间4h，时效温度155℃，时效时间5h。按照图5所示的方案对副车架本体进行取样以分析其微观组织特征。金相试样经过粗磨、精磨、机械抛光后根据工艺的不同采取不同的腐蚀方案。铸态试样采用电解腐蚀方案，腐蚀剂为高氯酸与无水乙醇混合液，二者按照1∶9的体积比混合，电解参数为电压20V，电流0.5A，腐蚀时间约6s。热处理态试样采用苛性钠腐蚀方案，腐蚀剂为质量分数1%的NaOH水溶液，腐蚀时间约20s。腐蚀完成的试样经超声振动清洗后用AXIO金相显微系统进行组织观察。图11-图12分别为铸件铸态和热处理态不同取样位置的微观组织，图13为铸态和热处理态的共晶硅形貌。根据Al-Si二元合金相图，A356铝合金属于亚共晶合金，在凝固过程中先生成α-Al树枝晶（如图13a中的浅色部分），然后在枝晶间析出Al-Si共晶体[12-13]（如图13a中的深色部分）。从图11可以看出，不同位置的枝晶形貌相似，枝晶臂的大小和粗细基本一致，α-Al基体和共晶成分的比例也大致相当，说明铸件不同位置的组织一致性较好。在共晶温度下，Mg和Si在α-Al中的溶解度分别为1.17%和0.68%[14]，而Mg和Si在合金中的实际含量分别为0.35%和7.47%（见表2），因此，在固溶处理过程中，Mg基本上能溶入α-Al基体中，但是绝大部分的Si没有溶入基体而是存留在枝晶间，如图12中的深色部分，在固溶过程中，未溶解的共晶Si逐渐球化，由铸态的纤维状逐渐转变为颗粒状，如图13所示。此外，一般认为在时效处理中，α-Al基体中的Mg和Si因为溶解度下降以Mg2Si相弥散析出。直接从铸件本体取样以分析材料的力学性能，结果表明，经过T6热处理强化后，本体材料的抗拉强度可达到280MPa，屈服强度可达到225MPa，伸长率可达到8.1%，硬度为HB95。

3结束语

第3篇：铸造工艺设计范文

关键词：铸造工艺；设计；生产质量

近些年，铸造业的竞争越来越激烈，并且铸造业的利润越来越低，但是在此情况下，对铸造业还提出了更高的要求。铸造工艺是一个复杂的多工序组合的工艺过程，本文对其铸造工艺设计技术进行了分析。传统铸造工艺有很多质量问题，如底部夹砂严重，不好清理下芯子后底部，容易塌箱造型翻上盖箱，造型合箱操作困难等，为此，本文在第二部分重点对铸造生产质量控制进行了分析。本文所选用的铸件最大轮廓尺寸为3 500×1 450×1 770（mm），铸件壁厚变化较大，最大处壁厚为260 mm，最小处壁厚为130 mm，铸件重量12 000 kg，形状结构如图1所示，铸件材质为ZG20SiMn，调质处理HB 130～170，屈服强度σs≥295 MPa，抗拉强度σb≥490MPa，铸件制造难度较高。

图1 铸件结构结构图

铸造工艺设计技术

1.1确定铸造工艺参数

铸造工艺参数的确定主要从缩尺、加工余量、分型负数这三个方面进行。（1）缩尺。由于该铸件本身的特点，在凝固收缩过程中，整个铸件结构比较紧凑，将不会对受铸型的机械产生较大影响，因此，模样缩尺选择2%。（2）加工余量。为了能够更好的确保加工面精度，在选择上表面、下表面和侧面的加工余量时是不同的，加之铸件轮廓尺寸较大，因此，此时上表面加工余量选择12mm，而下面和侧面的加工余量则选择10mm。（3）分型负数。由于分模造型主要采用上箱和下箱，两种，在选择分型负数时采用3mm的，上下箱分布采用对称式。

1.2浇注系统的设计

为保证浇注系统充型平稳，减少金属液对型腔的冲击，避免出现夹砂、冲砂现象，采用底注式浇注系统，使金属液充型平稳，更好的保证铸件内部质量。为防止铸件浇不足和表面出现冷隔纹，浇注系统设计为开放底返式，直浇道采用φ100 mm一个，横浇道采用φ80 mm两道、从中间往两边分开，内浇道采用φ60mm八道，浇注系统设置如图2所示。

图2 浇注系统

1.3冒口及外冷铁设置

由于铸件局部热节较多，为保证形成由铸件向冒口的顺序凝固方式，保证铸件内部组织致密，探伤合格，通过凝固模拟分析，并依据实践经验，确定外冷铁和冒口设置方案如图3。采用φ120 mm圆暗冒口5个，腰圆型240 mm×360 mm×310 mm暗冒口一个，放置φ650 mm×φ450 mm圆冒口一只。为消除凸台及热节处的缩孔缩松缺陷，在凸台及热节处设置外冷铁。

图3 铸造冒口及外冷铁

2.铸造生产质量控制

2.1模样制作

在对模样进行制作时主要采用实样木模，实样木模在运营过程中不可变形，为了要确保整体强度和刚度。为了确保吊运起模时的安全性，模样要做出起模吊鼻。要从外模和芯盒中做出铸造圆角。造型和制芯人员在工作之前，要清楚认识图纸和工艺要求，一定要严格按照相关工艺要求进行。

2.2制芯

制芯前准备好芯骨，芯骨上焊接吊鼻或者备上铁丝作为吊鼻，两个大芯子内放适量填充物;后端的芯子尤其注意采取排气措施，芯骨强度足够，外缠草绳，芯骨长宽最大尺寸距离芯子外表面吃砂量大于30mm。型芯用来形成铸件内部空腔或局部外形。由于型芯的表面被高温金属液包围，长时间受到浮力作用和高温金属液的烘烤作用；铸件冷却凝固时，砂芯往往会阻碍铸件自由收缩；砂芯清理也比较困难。因此造芯用的芯砂要比型砂具有更高的强度、透气性、耐高温性、退让性和溃散性。各砂芯采用树脂砂制作，拐角处用铬铁矿砂制作，厚度10~20 mm。保证足够紧实度和表面光洁度。型砂由原砂、粘接剂和附加物组成。两个大芯子上焊接排气管，通到芯头的平面上，制芯时在各个筋板位置做出排气孔，直径φ10mm，数目两道。

2.3造型

浇注系统全部采用耐火砖管，注意浇口砖管之间的连接要紧密，防止型砂进入浇口内部。铸件的大冒口用保温板围成，后端的3个异形冒口用保温冒口。模样放入砂箱，预留好浇口管位置和冒口位置，模样表面涂刷脱模剂，利于脱模。铸件可以不受金属材料、尺寸大小和重量的限制。铸件材料可以是各种铸铁、铸钢、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、锌合金和各种特殊合金材料；铸件可以小至几克，大到数百吨；铸件壁厚可以从0．5毫米到1米左右；铸件长度可以从几毫米到十几米。面砂吃砂量大于100 mm，紧实度足够高而且要保证均匀。使用外冷铁以前，仔细检查外冷铁锈蚀情况，进行充分打磨除锈。起模后修型光洁，型腔内不得留有散砂。上箱造型时，适量增加吊棍数量，防止塌箱。修型后，砂型用二氧化碳适当硬化，防止上窑烘干及吊运过程中型腔变形。

2.5下芯、合箱

在合箱之前，对型、芯尺寸进行仔细检查，检查没有问题之后才可进行下芯合箱。下芯合箱时首先要对各部壁厚度进行认真检查，看是否合适，不得将芯卡定位用于探伤部位，等到检查合格后，才可进行下一步。等到所有的芯子都下完后，再次清理型腔内散砂，同时对各部分的尺寸进行仔细检查，等到所有事情都确保无误后，再进行合箱操作。观察是否有砂块脱落现象是扣箱时首要步骤。

2.6熔炼、浇注

影响铸件的质量的因素有很多，其中一个较为重要的因素就是钢液的纯净度和浇注温度。钢液质量的控制主要是由某种技术来进行，即采用钢包底吹氩技术，进而进一步确保铸件质量控制。在冶炼时，主要按中限来控制成分，炉前脱氧，采用稀土硅在包内进行变质处理，对出钢温度也有一定的规定，一般规定其温度在1580~1610℃。浇注时应及时引火，同时也做好防火准备，预防火灾的发生。浇注主要采用慢浇、快浇和慢浇的顺序来进行，等到浇注完毕后，等待3分钟，充点冒口一次，再进行下一次充点冒口时要隔5分钟。钢包不要新砌的，要采用底注式浇包。

2.7精整与热处理

开箱后，检查冒口根部是否有残砂，对其存在的残砂进行清除，保证100℃以上热割冒口，注意在清除过程中要确保风铲与铸件表面不发生接触。退火一定要按照具体的铸件质量要求来进行。

2.8质量检验

首先必须认真仔细的检验钢液，在检验之前，要对标样的成分进行认真查对，确保一样，尤其是要注意S、P的含量，它们的含量一定要适度。其次，对铸件质量检验时一定不要忽视超声波探伤和磁粉探伤这部分的检验，在这个过程中，人员因素是非常重要的，因此，在检验之前，相关人员要非常熟悉超声波探伤检验文件。再次，对铸件的检验还需要对力学性能进行检验，此时，按照用户提供的试棒图纸来对试棒尺寸进行加工。最后，质量检验还需要进行低温冲击实验，此实验要在零下30℃进行。

总而言之，为了确保生产质量，对模样制作、制芯、造型、熔炼、浇注、精整与热处理以及质量检验都有相关规定，并且还要对外冷铁的尺寸和表面质量等进行严格监督。砂芯采用整体设计，以此来确保内圆的尺寸精度；确保钢液的上升速度；严格检查合箱前后对型腔、砂芯的表面质量，严格控制关键尺寸。

参考文献：

[1] 刘小华，杨才良.ZL101抽气罩铸造工艺设计[J].热加工工艺，2010，(21).

[2] 刘伏梅.活塞铸造工艺综述[J]内燃机配件，2002，(01).

[3] 林名升.铝活塞毛坯的制造[J]金属加工(热加工)， 2009，(19).

[4] 黄有信.柴油机350型铝活塞低压铸造[J].特种铸造及有色合金，1987，(01).

第4篇：铸造工艺设计范文

关键词：铸造工艺 教学内容 课程体系

中图分类号：G71 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（a）-0184-01

铸造是材料成型与控制专业的一个重要的方向之一，也是促进本科生就业的一个重要的方向，《铸造工艺与设备》是铸造专业方向的主干课程，本课程讲授铸造工程师必备的工艺理论和基础知识，使学生了解和掌握铸件生产的过程；铸造工艺及工装设计的基础知识[1]；掌握铸造生产过程中铸造工艺理论和基本操作技能，促进知识向技能转化；对铸造生产的铸件进行具体设计。

1 该课程的现状

（1）课程体系不完整，该课所涉及的领域较多，必须先修完金属学、传热学、流体力学、材料力学、铸件凝固原理等基础课和专业基础课，才能很好的理解和学习铸造工艺学。也是铸造工艺学是一门理论性与实践性兼备的课程。例如，流体力学就没有这门课程，在学习《铸造工艺与设备》中相关浇道系统设计时，就要用到伯努力流体力学方程，就造成了学生的理解困难[2]。另外还缺少《合金熔炼与设计》课程。铸造专业方向作为材料成型与控制专业的方向之一，其专业基础课程和其它方向有其显著特点。需要抓紧铸造的课程体系建设，对本课程体系进一步的调研和调整。

（2）缺乏实验环节，目前实验室建设在初级阶段，没有专门的实验室及实验人员。铸造合金性能、造型材料检测、铸件无损检测、铸造CAE等实验都没有条件开展[3]。缺乏和理论课程相配套的实验。其中造型材料检测系列实验不仅是铸造方向必备，在科研上的应用也是相当好。

2 采取的措施

在当前教学条件极其有限的情况下，针对课程特点采取了一些措施。

（1）课程内容的选取。

课程的内容安排上，从工程实际出发，既保证理论内容的完整和严密性，又不拘泥于烦琐和枯燥的理论推导。按照从铸件工艺性分析到材料对工艺性影响因素的分析、从工艺方案选择到浇注系统设计、从现代铸件设计方法到工厂的铸造工艺设计、从传统的造型材料到现代造型材料顺序循序渐进安排教学内容，由浅入深，由简单到复杂，符合学生的认知规律[4]。

在教学内容上，根据最新科技发展状况及时加入一些新内容，转移侧重点，删除一些过时的内容，使学生能够及时了解和掌握实用的专业知识和本专业科学技术发展最前沿的动态[5]。将一些计算机模拟结果引进浇注系统和冒口的设计中。调整与其它课程的关系，避免内容上的重复，与整个教学体系融为一体。例如，在本课程的“金属-铸型的相互作用”的内容有大量的内容与《材料成型原理》的“凝固原理”里面的内容重复。把铸造工艺设计与工厂实际生产挂钩，挑选一些有代表性的实用零件进行工艺分析和设计。以工厂目前实践中应用的最具有代表性铸件为背景内容进行介绍，使得学生很容易掌握本专业设计前沿技术，同时也掌握工程应用中的一些非常重要的概念和结论。例如，将学生生产实习过程中（东风公司）看到的铸件为课堂实例进行讲解。

（2）建立铸造工艺资料库，为保证《铸造工艺与设备》课程以及课程设计、毕业设计的顺利进行，提高教学质量，提高学生铸造工艺设计能力，弥补铸造工程实践的不足[6～7]。在互联网上收集了大量的铸造工艺图片、视频，得到大量的工厂实际工艺设计实例，以及大量适合于铸造工艺设计的机器零件图，且可以满足学生毕业设计和课程设计的题目需求。

（3）建立网络学习环境，目前本课程的电子教案和电子网络课件进入“网络课程综合平台”上运行，学生可以在网上阅读和下载与教学相关的资料，同时也可以通过网络对学习中遇到的问题进行交流和讨论。今后将继续对本课程的网上资源进行补充和完善。

3 建议

为加强本方向的实践环节作以下建议：（1）加快引进具有高级职称的人才或者对年轻教师进行企业培训；铸造方向需要加紧人才引进。在适当的时候应该选派青年教师到重点高校或者企业进行专业性培训，使得在专业上得到更快的成长。（2）加快铸造工艺实验室的建设和规划；参与铸造工艺设计大赛，中国机械工程学会、中国机械工程学会铸造分会举办的“中国大学生铸造工艺设计大赛”，清华大学、华中科技大学、重庆大学等国内知名大学参与，有大量的硕士与本科生参赛，并且取得较好成绩。建议参与比赛，以压力铸造为主，结合“压铸工艺”课程、三维建模软件UG、AnyCasting计算机模拟软件，结合实际开发的压铸模具与工艺。

4 结语

本文就本课程的教学现状，教学课程体系、在教学内容、教学资料整理等方面做了一些探讨。并且为加强实践教学，提出了一些本专业方向建设的建议，以求促进本专业的学习与工程实践更进一步紧密结合。

参考文献

[1] 刘全坤.材科成形基本原理[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2] 何茂农，王玉蜂.分段武模块化教学模式探索[J].中国培训，2006（11）：52-53.

[3] 王素玉，刘桦.模块化教学的应用设计与实践[J].山东工业大学学报：社会科学版，2000（5）：79-92.

[4] 孟延军，关昕，陈涛.材料工程技术专业整体教学改革与实践[J].中国成人教育，2008（7）：164-165.

[5] 陈平昌.材料成型原理[M].北京：机械工业出版社，2000.

第5篇：铸造工艺设计范文

摘要：本文介绍了CA精密铸造工艺。重点阐述了计算机辅助工程，包括三维CAD、凝固过程数值模拟等在精密铸件研制过程中的应用。IDEAS可以方便地进行三维设计或逆向工程，获得三维模型，然后通过快速成型技术，能迅速得到铸造原型;用ProCast对铸件的浇注工艺进行模拟，以优化浇注参数，消除铸造缺陷。

关键词：CA精密铸造计算机辅助工程

1引言：

精密铸造是用可溶(熔)性一次模型使铸件成型的方法。精密铸造的最大优点是表面光洁，尺寸精确，而缺点是工艺过程复杂，生产周期长，影响铸件质量的因素多，生产中对材料和工艺要求很严[1]。在生产过程中，模具设计和制造占很长的周期。一个复杂薄壁件模具的设计和制造可能需一年或更长的时间。随着世界工业的进步和人们生活水平的提高，产品的研发周期越来越短，设计要求响应时间短。特别是结构设计需做些修改时，前期的模具制造费用和制造工期都白白地浪费了。因而模具设计和制造成为新产品开发的瓶颈。计算机辅助工程的发展，使得传统产业与新技术的融合成为可能。三维CAD可以把设计从画图板中解放出来，大大简化了设计者的设计过程，减少出错的几率。并且随着快速成型(RP)技术，特别是激光选区烧结工艺(SLS)的发展[2,3,4]，三维模型可以通过RP设备，快速转变成精密铸造所需的原型，打破了模具设计的瓶颈。另外在传统铸造中，开发一个新的铸件，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。采用凝固过程数值模拟，可以指导浇注工艺参数优化，预测缺陷数量及位置，有效地提高铸件成品率。CA精密铸造技术就是将计算机辅助工程应用到精密铸造过程中，并结合其他先进的铸造技术，以高质量、低成本、短周期来完成复杂产品的研发和试制。目前，利用CA精铸技术，已完成多种航天、航空、兵器等关键部件的试制，取得满意的效果。

2材料与实验方法

CA精铸可应用于不锈钢、耐热钢、高温合金、铝合金等多种合金，CA精铸工艺流程见图1。三维模型可采用IDEAS、UGII、PROE等三维设计软件进行设计，工艺结构和模型转换采用MagicRp进行处理和修复，在AFSMZ320自动成型系统上进行原型制作，采用熔体浸润进行原型表面处理，凝固过程数值模拟采用PROCAST和有限差分软件进行计算。

3CA精密铸造工艺的关键问题及相关技术讨论

近年来，与CA精铸技术相关的三维CAD设计、反求工程、快速成型、浇注系统CAD、铸造过程数值模拟(CPS)以及特种铸造等单体技术取得了长足的进步，这些成就的取得为集成化的CA精铸技术的形成奠定了基础，促进了CA精铸技术的迅猛发展和应用。为了使各单体技术成功地用于CA精铸，必须消除彼此之间的界面，将这些技术有机地结合起来。从而在产品开发中做到真正意义上的先进设计+先进材料+先进制造。

3.1三维模型的生成与电子文档交换

如何得到部件精确的电子数据模型，是CA精铸至关重要的第一步。随着三维CAD软件、逆向工程等技术的发展，这项工作变得简单而且迅捷。在此主要介绍利用IDEAS进行实体建模和数据转换的过程。IDEAS9集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过MasterModeler模块可以得到复杂模型(见图2)，既可以进行全几何约束的参数化设计，又可进行任意几何与工程约束的自由创新设计;曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲面等多种自由曲面的造型功能。逆向工程Freeform可将数字化仪采集的点云信息进行处理，创建出曲线和曲面，进行设计，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可传回主建模模块进行处理(见图4)。实体文件生成后需转变成STL文件(见图3)以作为RP设备的输入。转换过程应注意选择成型设备名称，通常选用SLA500，三角片输出精度在0.005~0.01之间。采用MagicRp处理时应注意乘上25.4，得到实际设计尺寸。

3.2凝固过程的数值模拟

3.2.1凝固过程的数值模拟原理

铸造是一个液态金属充填型腔、并在其中凝固和冷却的过程，其中包含了许多对铸件质量产生影响的复杂现象。实际生产中往往靠经验评价一个工艺是否可行。对一个铸件而言，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。

铸造过程虽然很复杂，偶然因素很多，但仍遵循基本科学理论，如流体力学、传热学、金属凝固、固体力学等。这样，铸造过程可以抽象成求解液态金属流动、凝固及温度变化的问题，就是要在给定的初始条件和边界条件下，求解付立叶热传导方程、弹塑性方程。计算机技术的发展，使得求解物理过程的数值解成为可能。应用计算机数值模拟，可对极其复杂的铸造过程进行定量的描述。

通过数学物理方法抽象，铸造过程可表征成几类方程的耦合：

1热能守恒方程： 2连续性方程： 3动量方程： 常用的数值模拟方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法数学模型简单，推导简单易于理解，占用内存较少。但计算精度一般，当铸件具有复杂边界形状时，误差较大，应力分析时需将差分网格转换成有限元网格进行计算。有限元法技术根据变分原理对单元进行计算，然后进行单元总体合成，模拟精度高，可解决形状复杂的铸件问题。无论采用什么数值方法，铸造过程的数值模拟软件应包括三个部分：前处理、中间计算和后处理。前处理主要为中间计算提供铸件、型壳的几何信息;铸件和型壳的各种物理参数和铸造工艺信息。中间计算主要根据铸造过程设计的物理场，为数值计算提供计算模型，并根据铸件质量或缺陷与物理场的关系预测铸件质量。后处理是指把计算所得结果直观地以图形方式表达出来。图5是铸造过程的数值模拟系统组成。

铸造过程流场、温度场计算的主要目的时就是对铸件中可能产生的缩孔缩松进行预测，优化工艺设计，控制铸件内部质量。

通过在计算机上进行铸造过程的模拟，可以得到各个阶段铸件温度场、流场、应力场的分布，预测缺陷的产生和位置。对多种工艺方案实施对比，选择最优工艺，能大幅提高产品质量，提高产品成品率。

3.2.2铸造过程数值模拟软件[5]

经过多年的研究和开发，世界上已有一大批商品化的铸造过程数值模拟软件，表明这项技术已经趋于成熟。这些软件大都可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造和压力铸造等工艺进行温度场、应力场和流场的数值模拟，可预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷和铸件各部位的纤维组织、并且与CAD实体模型有数据转换接口，可将实体文件用于有限元分析。

ProCAST是目前应用比较成功的铸造过程模拟软件。在研制和生产复杂、薄壁铸件和近净型铸件中尤能发挥其作用。是目前唯一能对铸造过程进行传热-流动-应力耦合分析的系统。该软件主要由八大模块组成：有限元网格剖分，传热分析及前后处理，流动分析，应力分析，热辐射分析，显微组织分析，电磁感应分析，反向求解等。

它能够模拟铸造过程中绝大多数问题和物理现象。在对技术充型过程的分析方面，能提供考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能构模拟出消失模铸造、低压铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程，并对注塑、压蜡模和压制粉末材料等的充型过程进行模拟。ProCAST能对热传导、对流和热辐射三类传热问题进行求解，尤其通过“灰体净辐射法”模型，使得它更擅长解决精铸尤其是单晶铸造问题。应力方面采用弹塑性和粘塑性模型，使其具有分析铸件应力、变形的能力。

对铸件进行分析时，简单的模型网格可以直接在ProCAST生成。复杂模型可以由IDEAS等软件生成，划分网格后输出*.unv通用交换文件，该文件应带有节点和单元信息。Meshcast模块读入网格文件后输出四面体单元用于前处理。PreCast对模型进行材料、界面传热、边界条件、浇注速度等参量进行定义，最后由ProCAST模块完成计算。

应用IDEAS与ProCAST，我们对某发动机部件进行了凝固过程模拟。该部件由于有一个方向尺寸较薄，浇注过程中极易发生裂纹与变形，通过模拟，对浇注系统结构进行了优化，减少应力集中，防止变形和开裂，取得明显的效果。

结论：

1.计算机辅助工程与精密铸造结合而成的CA精密铸造技术具有很强的通用性，可以缩短研制周期，节约开发成本;

2.IDEAS与RPOCAST的配合，可以对复杂件进行铸造过程数值模拟;

第6篇：铸造工艺设计范文

关键词：铸造成本 敏感性分析 关键控制点 降成本

铸造企业加工工序复杂，需经过砂处理、造型、制芯、熔炼、浇注、清理等几大工序，每大工序又由较多细分工序组成，生产工序中生产资料流从投入到产出不如冷加工企业消耗对象化、很直观和清晰，加之铸造工艺专业性较强，铸造用材料品种复杂且用量不易控制，造成铸造成本分析难度大，成本控制难度大。

低成本制造是企业重要竞争力。那么，铸造企业如何加强内部成本管理与控制，有效降低制造成本，是铸造企业面临的重要问题。

对成本进行科学分析找到影响成本的关键控制点，有的放矢的系统开展降成本工作，挖掘降成本的潜力，对降低成本将起到重要意义。

一、铸造成本归集与核算

铸造成本核算通常采用定额成本法，使用工艺定额、工时定额、能源消耗定额、费用定额，对实际成本进行科学合理的分摊。

（二）原材料

原材料成本通过铁水成本归集，要核算原材料成本，应先核算铁水成本，现假定铁水成本为Coy。

为便于进行计算与下一步分析，对产品的工艺出品率、废品率、残值做以下假定：

铸件工艺出品率为G，发生的废品率为N，（本文仅讨论内废），废品及回炉料的残值为Z元/吨。

假定原材料成本为C1（元/吨），则C1 = ｛Coy-Z*（1-G）-Z*G*N｝/｛G*（1-N） ｝

（二）辅助材料

产品辅助材料成本由各种辅助材料按照工艺定额配比组成，假定产品全工序配比辅料成本为Cof，吨铸件辅助材料成本为C2。则C2 = Cof/｛G*（1-N） ｝

（三）动能成本

能、工、费成本由单位消耗费率与工时核算。设每吨铸件能、工、费成本合计为C3，每小时单位能耗为Dd，每小时人工成本为Dr，每小时制造费率为Df，设备工时为HS/件，人工工时为Hr/件，产品重量为M，则C3 =（Dd*Hs+ Dr*Hr+ Df*Hs ）/ M

（四）废品损失成本

设废品损失成本为C4，则C4 =（C1 +C2+C3-Z）*N/（1-N）

（五）铸件产品总吨成本：

产品总吨成本Cp =C1 +C2+C3+ C4

二、铸造成本核算模拟

为进行具体分析，现以灰铸铁HT250（CU）某柴油机框架为例，假定各期产品库存均衡，对铸造成本进行模拟核算。

该产品铸件工艺出品率为72.54%，废品率5%，残值单价3100元/吨，设备工时0.85/件，人工工时4.1/件。

（一）原材料成本

通过上表，得出每吨HT250（CU）铁水成本Coy为4004.46元/吨，由此得出 C1 = 4412.47元/吨。

（二）辅料成本

由此得出Cof=1848.3元/吨， C2 =2682.1元/吨。

（三）能、工、费成本

每小时单位能耗为57.8元，每小时人工成本为16.7元，每小时制造费率为55.8元，得出C3 =2472元/吨。

（四）废品损失成本

计算得出C4 = 340.35元/吨。

（五）单位吨总成本Cp

由上计算得出Cp =9906.92元/吨。

三、铸造成本敏感性分析

以上述核算模拟为基准，对铸件成本进行敏感性分析。

Cp的敏感性分析

影响四个成本项目的指标因素较多，其中出品率、废品率、铁水成本、辅料配比直接影响C1 、C2、 C4，工时直接影响C3、 C4，这些因素是企业内部成本管理的可控因素，在此做进一步分析：

四、铸造成本控制

通过以上敏感性分析，得出结论：铸造原材料成本在铸件总成本中所占的比例最大，对总成本的影响也最大，因而控制影响原材料成本的因素是成本控制的重点，也是降低成本的最有效途径。

同时，通过进一步分析，了解铁水成本、工艺出品率、辅料配比、废品率因素对成本的影响较大，设备运转工时、人工工时因素对成本的影响次之。

对以上成本重要影响因素，制定针对性措施进行成本控制：

（一）降低铁水成本、调整辅料配比

通过优化工艺设计，科学合理进行材料配比， 做到以最低的成本配制所需铁水、砂芯、砂型。

注重生产现场材料使用的节约，提高材料的利用率。

创新性地使用新材料，降低材料配比成本。

（二）提高工艺出品率

影响铸件出品率的因素有两个， 即工艺设计和现场管理。

对工艺设计因素可通过以下措施进行改善：

工艺设计注重成本优化，铸件在正式批量投产前务必进行持续工艺验证， 在保证产品性能、质量达到标准的前提下，找出成本性最佳的铸造工艺。

注重培养高素质的工艺人员队伍。老的铸造企业，因开发新产品较少，往往认为工艺设计环节已不是关键，不再注重培养和发展工艺设计人员。其实，这种观点是错误的。工艺改进与优化是持续性的，通过不断创新，运用新工艺，既能提高产品性能，又可有效地降低产品成本，对企业发展至关重要。

优化现场管理能够直接提高铁水利用率，可采取以下措施：

提高浇注工的浇注准确度。保证既不浪费铁水， 也不会因铁水不足而报废产品。

通过现场流程优化，缩短铁水运转时间，减少低温铁水，提高一次浇注率。

（三）降低废品率

影响产品质量的因素很多，主要谈三点：

优化工艺设计。通过可靠的工艺设计并经过持续验证，保证产品质量。

保证材料质量。材料质量已是影响产品质量的越来越重要的因素，市场材料质量参差不齐，必须采取措施，从选择供应商、材料运输、进厂检验、库存仓储、投料炉前检验等环节进行严格控制。材料质量不合格，杜绝使用。

提高操作者技能水平。操作者技能水平是影响铸件质量的重要因素。通过岗前严格培训，班前培训、操作技能比武、操作质量检查及质量考核等形式，不断提高操作者技能水平。

五、结束语

企业的竞争优势一是低成本，二是差异化。我国铸造企业普遍缺乏核心技术，创新力不够，产品差异化优势不明显，在价格竞争成为普遍的竞争手段的情况下，成本领先就成为赢得竞争优势的最重要手段。特别是铸造行业原材料价格持续上涨的情况下，企业如何控制内部成本直接关系到企业的生存和发展。

通过对成本进行敏感性分析，找到成本的关键控制点，有的放矢的进行成本控制，不断降低企业成本，提升企业竞争力，促进铸造企业持续快速、健康发展。

参考文献：

[1]许晓燕.浅谈铸造企业成本核算分析与管理[J].现代铸铁，2010

[2]魏改林，张学志.铸造企业生产成本分析及控制[J].河北机电学院学报，1997

[3]张宝学.谈铸造车间成本管理[J].机械工人（热加工），2001

第7篇：铸造工艺设计范文

关键词：铝合金铸铝件产品；重力铸造技术；工艺；装备；产学研

引言

进入21世纪，随着社会经济的发展，环境和能源问题的日益严峻，以高速度、大容量、低污染、低能耗、安全可靠著称的高速铁路作为适应现代文明和社会进步的高科技产品将大大降低交通运输的社会成本，缩短了时空距离，从而产生巨大的社会经济效益。

接触网是铁路客运专线和高速铁路牵引供电系统的主体和关键，在接触网中铝合金零部件又是其核心技术产品，它直接关系到客运专线和高速铁路的可靠性、稳定性和安全性，轻量化、耐腐蚀是铝合金铸铝件发展的强大动力，发展铝合金铸造是顺应高速电气化铁路发展的必然所在。

1 工艺为产品服务

1.1 系统分析开发铝合金零部件铸造工艺

科学的铸造技术见图1

图1 科学的铸造技术

1.2 铸造凝固模拟技术的应用

在进行重力铸造模具设计的时候，传统铸件的生产设计往往依靠技术人员的实际工作经验，缺乏科学的理论依据，特别是对于复杂件及重要受力的铝合金腕臂系统铸铝件，生产中往往要反复的修改铸件结构或铸造工艺来达到最终的技术要求，这种“经验+试验”的工艺方法，导致出现研制周期长、成本高、质量不稳定等弊端，运用铸造专业模拟软件可以对铸件凝固过程进行数值模拟，根据铸件的需要，输入合适的边界参数，对铸件充型、排气、凝固状态进行模拟，直观预测铸件的质量及可能发生的缺陷，以帮助获得最终的最优秀的工艺设计，如图2所示。

图2 典型铸铝件定位制作凝固模拟浇铸及有限元分析

1.3 模具温度场的控制调节

模具与铝液之间热交换关系非常密切，模具温度场的分布和稳定与否，对铸件质量、模具寿命和生产效率等都有着重要的影响，直接关系到铸造生产的生产成本和经济效益，铝合金重力铸造可采用天然气加热系统，温度控制在300～350℃左右，通过手持式热电偶可以测模具实时温度，但是由于季节因素模具温度容易受周围环境温度影响，为了防止铸铝件产生气孔、冷隔、浇不足和缩孔缺陷，在模具上建立可人为调控的模具温度场，通过设置风冷及水冷系统、控制加热系统，用于模具的加热冷却。

倾转浇注是模具在倾转重力浇铸机上进行倾转浇注的一种先进的浇注工艺，由于倾转浇注时合金液流平稳，对模具型腔的冲刷力小，避免了合金液流在浇道中或型腔内的紊流或飞溅，能实现合金液流在模具型腔中的层流充填，因而可得到组织致密、机械性能较高的铸件，目前如腕臂系统关键受力件70支撑线夹本体、42-55定位支座本体等铸铝件，通过倾转工艺的实施，铝合金液体在模具中的充型和排气良好，有效的减少了气孔和缩孔现象的发生。

2 装备为产品服务

2.1 倾转式铸机与产品的融合

针对铝合金腕臂系统铸铝件结构的需要和工艺的需求，要求重力铸造设备的设计制造能够满足不同产品工艺需要，目前铸造车间使用的是倾转重力铸造机，其主要由底座、床身、左右开合型及顶出机构、下顶出机构、前后抽芯机构、液压控制系统、电气控制系统及冷却系统等组成，在倾转机构的作用下，床身可整体向前倾转最大45角度的随意倾转，主界面可实现多种铸造工艺、自动模温控制、快速装卸模具等各项功能。

2.2 高质量的模具设计与制造技术

准确全面的CAD设计是模具制造技术的基础，采用三维造型与断面剖析技术，能准确地反映出产品的几何要求，将砂芯的三维造型组装在模具结构的三维造型中，能直观准确地设计出符合设备及产品要求的模具结构。用专业的CAM编程软件对模具的流道装置及型腔进行编程计算，并采用世界先进的多轴高速铣和高速雕刻加工中心等现代化设备，制造出高质量的优质模具。

2.3 精确零活的制芯设备

随着热芯盒制芯工艺在有色铸造上的成熟普遍应用，近几年热芯盒制芯工艺在铝合金腕臂系统铸铝件的铸造上得到了很大发展，通过将由液态热固性树脂黏结剂和催化剂配置成的覆膜砂，填入加热到一定温度的芯盒内，贴近芯盒表面的砂芯受热，其黏结剂在很短时间即可缩聚而硬化，而且只要砂芯的表层有数毫米结成硬壳即可自芯盒取出，中心部分的砂芯利用余热和硬化反应放出的热量可自行硬化。

2.4 工业机器人自动化重力铸造

目前高铁铝合金腕臂系统零部件基本采用重力铸造进行产品生产，浇注仍采用手工浇注，工作环境较艰苦，产品工艺与人员的技能经验关联密切。

未来采用工业机器人代替人工浇注能给企业的成本、人力资源、安全生产、品质管理带来帮助，能使企业在激烈的市场竞争处于相对优势地位，同时也是自动化发展的必然要求，采用现代化的重力铸造技术，实现机器人的下芯、浇注、取件三个功能，还可与铸件输送冷却系统等设备组成自动生产线。

2.5 设备的配套开发技术

为满足高铁铝合金腕臂系统铸铝件重力铸造工艺的需要，铸造车间不仅要大力推广应用上述的先进核心重力铸造装备，还需使用一些配套的先进技术装备，贯穿所有铸造环节，形成完善、实用的重力铸造生产线。目前已引进和联系厂家制造出下述的配套设备：引进铝合金旋转净化仪，用于铝液的精炼及除气，引进德国IDECO公司铝合金密度当量测试仪，通过采用缺陷放大原理，测试终端试验密度从而可以反映出铝合金的缺陷程度；引进德国IDECO公司铝合金热分析仪，用于全自动分析和检测铝合金的变质和晶粒细化程度；引进美国GE公司无损X射线探伤机；协助开发熔炼保温炉快接插头，快速转换保温炉体，确保用电安全；协助开发多功能倾转铸机，未来可考虑引进砂芯除芯机等设备从而减少人工除芯带来环境、安全及质量问题。

3 产学研为铸造车间提供一流的解决方案

随着我国高速电气化铁路事业的蓬勃发展，接触网零部件制造企业已全面实现高速电气化铁路接触网关键零件的国产化，但企业在试制开发生产铝合金铸铝件和新建车间过程中面临诸多困难，例如企业缺乏建造铝合金重力铸造车间的知识、缺乏国外牌号铝合金铸铝件重力铸造生产经验、不熟悉现代化的重力铸造先进技术、没有铸件试制开发能力或手段、不能和研发设计单位同步开发铸件等等。因此这就需要通过企业、科研院所和高等学校之间的合作，高校和企业自主联合科技攻关与人才培养，共建研究中心、研究所和实验室，一方面不仅为企业用户提供信息咨询和策划重力铸造车间的建造，而且还可以提供一流的熔炼设备、制芯设备、重力铸造设备、模具设计、工艺制造为一体的核心解决方案；另一方面是利用铸件样件的试制开发手段和技术，为企业搭建铝合金重力铸造的孵化器，提供生产工艺培训、小批量生产供货服务。

为了推动铝合金腕臂系统铸铝件重力铸造事业的发展，通过产学研的战略合作模式，可以为重力铸造企业提供如下的一流的完美解决方案：（1）提供新产品的工艺开发咨询服务――解决小批量产品试制问题，为产品设计研发提供同步开发服务，国外零件国产化的试制开发；（2）提供批量化生产的全套工艺与装备的交钥匙工程服务，实现产品快速批量化投产； （3）提供增值服务为导向的多种合作模式――小批量试生产合作，试制开发费用的合资与合作，批量生产车间的同步规划与提供。

4 结束语

近年来，通过引进消化吸收再创新国外先进设计制造管理技术，我们已全面实现了高速电气化接触网关键零件国产化，铝合金腕臂系统铸铝件重力铸造工艺产品质量已经比较成熟，同时和国内一些高校科研院所进行了多种模式的合作，取得了良好的效果，特别是上百万件铸铝件大规模批量投产并广泛应用于国内众多线路如京沪、哈大等高速铁路的腕臂装置、定位装置等，提升了我国电气化铁道牵引供电系统设备质量水平，为实现我国高铁事业的宏伟蓝图做出了一定的贡献。

参考文献

[1]田荣璋.铸造铝合金[M].湖南：中南大学出版社，2006.

[2]耿浩然，姜青河，李长龙，等.实用铸件重力成形技术[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3]聂小武.实用有色合金铸造技术[M].辽宁：辽宁科学技术出版社，2009.

第8篇：铸造工艺设计范文

关键词：快速原型；铸造技术；集成成形制造；CAD技术；RP技术；CAE技术 文献标识码：A

中图分类号：TG249 文章编号：1009-2374（2016）10-0072-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.10.035

1 概述

快速原型技术（RP技术）综合了材料技术、激光技术、机械工程技术、数控技术、CAD技术等学科技术，能够精确、自动、快速、直接地将CAD模型直接制造出模具/零件，不再需要耗资、费时地进行机械加工、工具设计、模具设计，能够使产品的研发周期得以大幅度缩短，进而提高制造的柔性度和生产效率。从目前来看，机械行业通常都是利用机械加工方法来制造压型、模样、芯盒、模板等，甚至有时还需要技术熟练的钳工来帮助修整，特别是汽车缸体、飞机发动机叶片、汽车缸盖、船用螺旋桨等造型复杂的薄壁铸件更加难以制造。快速原型与铸造技术的集成成形制造为快速制造小批量、单件模具/零件提供了广阔的发展前景。本文就快速原型与铸造技术的集成成形制造进行探讨。

2 典型的快速原型技术

从目前来看，3DP、SL、SLS、FDM、LOM等技术都是全球应用较为成熟的快速成形工艺，这些工艺可分为两大类，分别是基于微滴的数字喷射成形工艺和基于激光的快速成形工艺。基于微滴的数字喷射成形工艺是指利用微滴技术来将黏结剂微滴化黏结成形或者将成形材料微滴化堆积成形，而基于激光的快速成形工艺是指利用激光技术来黏结、分离、固化、熔化可成形的材料。

2.1 典型的激光快速成形工艺

（1）DLF工艺（直接光成形工艺）――DLF工艺是一种直接金属型成形工艺，对金属粉末进行选择性烧结，而后再将其逐层叠加堆积成形，烧结所用能源为高能激光；（2）SL工艺（立体光刻工艺）――SL工艺利用紫外光或者紫外激光来固化树脂，并且使之堆积成形；（3）SGC工艺（实体轮廓固化工艺）――SGC工艺利用紫外激光来固化树脂，并且使之堆积成形，所利用的技术为掩膜版技术；（4）LENS工艺（激光近净成形工艺）――LENS工艺对金属粉末进行选择性烧结，而后再将其逐层叠加堆积成形，烧结所用能源为高能激光；（5）LOM工艺（分层实体制造工艺）――LOM工艺对金属板材、纸材等箔材利用激光切割方法来进行选择性烧结，并且将其逐层叠加堆积成形；（6）SLS工艺（选择性激光烧结工艺）――SLS工艺对树脂砂、金属粉末、塑料粉、蜡粉等粉末材料利用CO2激光来进行选择性烧结，并且将其逐层叠加堆积成形。

2.2 典型的微滴数字喷射成形工艺

（1）3DP工艺（三维印刷工艺）――3DP工艺从喷头中喷出黏结剂来将粉末材料予以黏结，并且将其逐层叠加堆积成形；（2）EFF工艺（自由挤出制造工艺）――EFF工艺对多种不同材料的混合比例进行实时调节，并且利用连续微滴技术来使之逐步堆积为梯度材料零件；（3）SDM工艺（沉积成形制造工艺）――SDM工艺是一种将熔融金属微滴堆积成形与切削去除成形相结合的直接金属型成形工艺；（4）PCM工艺（无模铸型制造工艺）――PCM工艺在砂层上不断喷射黏结剂，黏结型砂堆积成形；（5）3DW工艺（三维焊接工艺）――3DW工艺将金属丝线利用堆焊原理来进行堆积成形；（6）MJS工艺（多喷头喷射成形工艺）――MJS工艺将熔融材料利用活塞挤压方式来使之挤出喷嘴，再通过连续微滴技术来使之形成丝材堆积成形；（7）BPM工艺（弹道粒子制造工艺）――BPM工艺对熔融材料利用喷头喷射的方式来予以堆积成形，值得注意的是，所采用的喷头具有五轴自由度；（8）UDS工艺（均匀微滴喷射工艺）――UDS工艺对熔融材料利用电磁场控制的方式来予以堆积成形；（9）FDM工艺（熔融沉积制造工艺）――FDM工艺在喷头内加热尼龙、蜡、塑料等材料，并且利用细微的喷管来予以连续微滴喷出，使之形成丝材堆积成形；（10）CC工艺（轮廓成形）――CC工艺采用熔融材料浇铸和轮廓堆积结合的方式来予以堆积成形。

3 RP与铸造工艺集成

RP技术与铸造工艺集成产生的快速零件/模具制造技术，是铸造技术、CAD技术、RP技术、CAE技术、CAM技术等的集成，具有较高的技术集成度，能够在短时间之内将CAD模型转换为物理实体模型，能够有效地降低生产成本和制造周期。值得注意的是，利用这种工艺流程所制造出来的模具/零件的尺寸精度会受到较多因素的影响，其中最为主要的影响因素为金属在铸造过程中的收缩率。为了能够让成形金属模具/零件的精度更高，需要对金属的收缩率予以准确的确定。本文通过对铸件凝固过程进行数值分析，进而优化铸造工艺参数以满足零件/模具尺寸精度的技术要求。

从目前来看，国内关于铸件凝固过程的数值模拟工作主要是铸件应力场分析、铸件温度场分析以及预测铸件在凝固过程的热裂、缩松、缩孔等一系列缺陷，但仍然鲜有研究凝固过程中铸件尺寸精度的数值模拟。铸件应力场和铸件温度场在铸造凝固过程中通常都属于相互影响的状态，铸造凝固过程分析属于典型的热力耦合范畴，过去很多的研究都对热力耦合求解问题予以了简化，也没有考虑应力变形做功所造成的温度变化，并且对耦合分析计算时间予以了缩短，这种简化方式并不会影响到铸件应力场分析、铸件温度场分析以及计算铸件在凝固过程的热裂、缩松、缩孔情况，但是会对铸件尺寸精度造成影响。

将有限元模拟技术与CAD数据予以有机地结合，能够定性模拟模具/零件尺寸变化的凝固，也能够对模具/零件在凝固过程中尺寸变化规律予以有效地预测，逐步实现优化CAD模型的目的。与此同时，还能够将精密铸造、RP原型等工艺转换时所出现的尺寸误差能够在三维CAD建模时予以补偿，进而实现误差数据的补偿和反馈。此外，还能够有机地集成材料技术、激光技术、有限元模拟技术、RP技术、CAD技术等来快速制造金属模具、金属零件。由于是利用计算机控制来实现原型成型过程，所以都是通过计算机技术来完成相关的生产过程、设计过程，并且能够实现高品质原型部件的快速制造。与其他制造工艺不同，快速原型与铸造技术的集成成形制造能够利用计算机技术实时修改CAD模型来补偿尺寸收缩、尺寸精度控制、几何变形等尺寸误差，以此来确保所制造出来的零件/模具均为高品质的。

3.1 CAD模型直接驱动铸型成形的金属零件/模具制造

CAD可在不需要芯盒或者模样的情况下来直接驱动制造铸型，所选用的型壳造型材料都是各个制造企业铸造车间所通用的材料，零件模型在CAD环境下能够被直接转换为铸型。非零件部分在成形过程中需要黏结或者烧结，而零件部分在成形过程中依然是粉末。在完成了成形工序之后倾倒出粉末，即可开始对砂型、砂芯进行直接制造，这样一来，能够不再向过去传统精密铸造一样需要制作大量的泡沫塑料模、蜡型，有效地节约了时间和成本费用，尤其是对于复杂零件、小批量零件的生产极为有效。目前主要的工艺有直接壳型铸造DSPC、SLS砂型烧结和PCM无木模成形工艺。这些工艺能够实现一体化制造砂芯和铸型，也不会存在着砂芯和铸型二者之间的装配关系，特别适合复杂零件、小批量零件的生产。

CAD模型直接驱动铸型成形的金属模具/零件制造包括了冒口三维数字模型、浇口三维数字模型等，首先，能够模拟金属凝固的收缩率；其次，能够对CAD模型进行优化修改；再次，能够分层模型，能够对快速原型机予以驱动，使得铸型可被直接制造出来；最后，利用焙烧铸型等后续工艺技术处理后，就能够对金属合金予以浇铸，制造出金属模具/零件。

3.2 CAD模型间接驱动铸型成形的金属零件/模具制造

首先，将金属模具/零件的三维CAD模型设计出来，并且还需要一起设计出冒口、浇口，以便能够更好地模拟金属收缩率的凝固过程；其次，对金属收缩率的凝固过程用MARC软件来予以模拟试验，并且对零件与铸型之间的工艺参数和边界条件进行优化，以便能够更好地确定出金属的收缩率，特别是能够实现实时跟踪关键尺寸，进而有效地保障了最终设计出来的金属模具/零件的尺寸精度；最后，对CAD模型进行优化，并且用来驱动制造出所需要的铸造用模样和快速原型。

有机地结合铸造技术和快速原形技术，能够实现小批量试制金属零件的低成本、快速制造。利用BMP工艺、FDM工艺、SGC工艺、SLS工艺能够直接CAD驱动制造蜡模原型，并且将其应用于熔模铸造工艺中。例如：基于FDM原型快速制造金属模具/零件，将熔模铸造中的蜡模用FDM原型来予以代替，并且将耐火浆料直接涂挂在FDM模上；当固化耐火浆料之后，再将FDM原型予以培烧除去，待其只余下铸造用型壳之后进行铸注，特别适合应用于中小型、复杂程度居中的金属零件/模具制造生产。

快速原型技术（RP技术）也能够与陶瓷型铸造、石膏型铸造、砂型铸造等进行直接结合，制造出具有高机械强度、高硬度的金属零件/模具，而且所制造出来的原型具有高耐用性，变形、收缩小，不会出现翘曲现象，内部应力小。

4 结语

总之，快速原型与铸造技术的集成成形制造能够最大化地发挥出铸造技术和快速成型技术的优点，能够对缺陷予以预先消除，成本低、制造速度快，能够对复杂零件予以快速制造，值得推广应用。

参考文献

[1] 闻天佑，等.快速成型技术及其在铸造中的应用[J].铸造，1995，22（2）.

[2] 姜不居，等.快速金属模具制造[J].特种金属及有色合金，1999，23（1）.

第9篇：铸造工艺设计范文

关键词：无冒口；球铁铸件；冷铁

1 铸件结构特点

箱体结构，内部中空，由多个隔板分隔，上下为两个大平板，上板较大，使用时承载其上的部件，板上有螺纹孔和油槽用于固定和，下板通过螺纹孔与下部固定。侧壁倾斜并内凹。在上平板上有四个对称分布，呈工字型的油槽，用于将重物放于其上时的，防止该移动板与其他重物接触时因力量过大而产生磨损。

隔板与外壁相交处散热较难，易产生热节，产生缩松，在工艺设计时应注意应用冷铁等措施改进这些部位的散热。

最大壁厚50mm，最小壁厚30mm，该铸件为大型厚壁铸件，壁厚较均匀且与铸件尺寸相适应。生产经验表明：具有较大平板的铸件，如机床床身等，会因为结构的刚度差，或由于铸件各表面冷却条件的差别产生的内应力，产生翘曲变形。该件内腔多处为隔板，能够起到拉肋的作用，因此在一定程度上避免了翘曲变形。

2 无冒口铸造工艺原理

球墨铸铁中的碳以球形石墨的形态存在，流动性和线收缩与灰铸铁相近，体收缩及形成内应力倾向较大，易产生缩松和裂纹。

在铁水凝固过程中，具有石墨化膨胀的特点，适宜采用均衡凝固方式，要求砂型的刚度较高，在铸件膨胀时约束铸件，对其产生反作用力，形成自补缩。自补缩不足的部分可以利用冒口进行补缩，冒口的补缩量和补缩时间均较小，可以有效提高铸件的工艺出品率。本件为厚大球铁件，适用于无冒口铸造的工艺。

3 铸造工艺设计

3.1 分型面与浇注位置的选择

采用卧浇卧冷，使合型位置、浇注位置、冷却位置相同。将零件上部的大平板置于铸型下部。此方案有点有铸件上部的大平板位于铸型下部，可有效减少此处缺陷；下芯方便；浇注后不需翻转，保持原位不动，可防止铸件因石墨化膨胀而胀大。

3.2 浇注系统

铸件材质为球墨铸铁，为利用球墨铸铁件的自补缩的作用，浇注系统应有利于铸件均衡凝固；为减轻铸件浇注缺陷，需平稳快速冲型；因球墨铸铁易产生渣滓，浇注系统需具有良好的挡渣能力；使造型尽量简单，降低工艺难度。

选择封闭式浇注系统，本件的热节部位较多且分散，故需设计浇注快速且平稳的浇注系统以避免缩松、缩孔的产生。而球墨铸铁的石墨化膨胀产生自补缩作用能良好的改善缩松缩孔倾向。为利用球墨铸铁的这种自补缩性质，先凝固的必须是内浇道，有助于将铸件连同冒口封闭起来，避免随后的石墨化膨胀压力松弛。封闭式浇注系统内浇道横截面积较小，能防止渣滓进入型腔内部，起到良好的挡渣效果；同时由于内浇道横截面积较小能保证其首先凝固，能够满足本件的需求，故选择封闭式浇注系统。

内浇道开在分型面上，容易实现；隔板处为铁液流动提供了顺畅的通路，防止冲砂；开设在铸型下部，充型平稳，减少夹杂物。

3.3 冒口冷铁设计

在设计方案时可以考虑利用其石墨化膨胀自补缩的作用，进行无冒口铸造。不用冒口可以提高工艺出品率，省去冒口清理工时。

选择浇注温度为1320℃；内浇道厚度为16mm，铸型砂为呋喃树脂砂（具有铸型刚度高，尺寸精确高的优点）。满足使用无冒口铸造工艺的条件，尝试使用无冒口铸造工艺。

4 数值模拟与铸造缺陷分析

浇注温度设置为1320℃，初始浇注速度为38.98kg/s，砂箱及冷铁的初始温度设置为20℃。砂箱与铸件间的热交换系数为500w/（m2·k）。

内浇道凝固早，达到了预期中使内浇道先凝固的要求，将铸型连同冒口一起封闭，防止了石墨化压力松弛，提高了石墨化膨胀利用率。

铸造缺陷主要为缩松、缩孔，隔板与外壁相交处凝固时间最长，此处散热最慢，为热节，多且分散。在这些热节处产生缩松缩孔缺陷。铁水最后到达的上壁处由于排气与凝固收缩出现大面积的缩孔。

5 工艺方案改进

本铸件较大，金属液在凝固过程中铁液收缩量较大，且大多数收缩集中于铸型上部，

而内浇道凝固较早，金属液补给不足，金属液最后流到的地方出现大面积的缩孔。

结合本件的结构特点及球墨铸铁的自补缩特性，选择在上平面放置压边冒口。压边冒口相当于冒口颈长度为零的冒口。用于球墨铸铁的压边缝隙宽窄要适宜，宽度太小则铸件还处于液态时缝隙口就已凝固封闭，起不到液态补缩作用；过大则由于铸件进行石墨化膨胀时缝隙口尚未凝固，致使一部分浆状金属液从这里挤出来，即造成所谓的“倒缩”反馈现象，结果在此位置形成缩孔。因此，压边宽度应能是缝隙口在铸件接触部位液态收缩后石墨化膨胀之前凝固[4]。

考虑到本件内浇道距离下部热节较近，而冒口距离上部热节较近，为不影响内浇道的铁水注入和冒口的补缩效果，将冷铁贴放在内部隔板的侧壁上。