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    基于CAD/CAE的壳体铸件低压铸造工艺设计
    发布日期:2020-04-13  来源:特种铸造及有色合金  作者:郭凌刘锦益闰福冯义宏  浏览次数:347
    核心提示: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Pn0/E软件的低压铸件三维CAD模型设计和Anycastin
          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Pn0/E软件的低压铸件三维CAD模型设计和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,提高工装模具结构的合理性和准确性 。

    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¨ 。

    1铸件结构工艺性分析

    1.1主要技术要求

    该壳体属于复杂重要零件,承受一定的静载荷和不确定的动载荷,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 。

    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 。

    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 。

    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10mm×0.15mm的排气道,初始工艺模型示意图见图2 。

     

     

    2.3模具型腔的材料

    型腔模块材料选用QT500-7,该材料热稳定性好,图l 壳体铸件的Pr 。/E三维实体造型不易变形 。通过以上分析,发现由于该壳体是一种尺寸精度要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0.014MPa/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:P充=P:=μHγ

    (1)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;y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 。

    充型速度无量纲计算公式:

    (2)式中,υ充min:为金属液在铸型中的(最小允许)平均上升速度(沿铸件高度),mm/s;h为铸件高度,mm;δ为铸件壁厚,mm;t浇为合金液的浇注温度,℃ 。

    3.3结壳时间岛的确定一般地说,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5s 。

    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 。

    增压压力 经验公式:

    (3)式中,P充为充型压力 ,MPa;k₁为增压系数,对于金属型取后k₁=1.5—2.0 。对于金属型铸件,其增压结晶阶段的加压速度应快,以保证铸件及时结晶补缩,增压速度一般控制在0.005~0.010 MPa/s 。

    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 。目前我厂使用的低压铸造机型号为J453E,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)℃
     

    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 。

    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 。

    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、模具开启以及干涉检查等 。

    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(Thickness Check)、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 。

    5.3设定收缩率(AppIy Shrinkage)

    不同的材料有不同的收缩率,为了补正体积收缩上的误差,必须将参照模型放大 。Pro/E针对这个需要提供了一套设定收缩率的工具,根据该件的材料及低压铸造特征选用1%的收缩率 。

    5.4建立分型面(Parting Surface)

    建立分型面时首先定义各型芯分型面,最后定义主分型面 。一般都是先用增加(Add)一复制(C叩y)一选择(select)一单独曲面(Indiv Su以)复制模型外表面,以生成初步的分型面,再用Modify—Add/Flat及Modi-fy-Add/Extlllde来建立破孔面,形成不带破孔的分型面,最后将所有曲面合并(Merge)在一起 。在所有分型面都做完后,需要延拓到工件表面 。该壳体铸件模型共6个分型面,5个圆柱芯在复制完模型表面后,均再做一个封闭旋转曲面合并后生成 。主分型面比较难做的是左侧法兰分型面的分割,要用到曲线和侧像投影,然后做一个平整面合并而成,见图8 。

    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 。

    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(Protru—sion)、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 。

    6结 语
           该模具设计完成后,直接转入CAM数控加工,仅用20天时间完成了模具制造 。该壳体首次试模,共试制9件,经过化学成分分析和力 学性能鉴定,其综合性能已经超出产品的设计要求 。经破坏性解剖4件,内部没有缺陷,其余5件经试加装配完全达到产品的使用要求 。

    参考文献

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    3柳百成.铸造工程的模拟仿真与质量控制.:机械工业出版社,2001.

    4李新雷,郝启堂,王继昌,等.大型分体式反重力 铸造设备的研制.铸造,2005,54(3):268~270

    5李平,蔡启舟,魏伯康,等.华铸cAE软件在壳型铸造激冷铸铁凸轮轴工艺优化中的应用.铸造,2004,53(7):55l~554

    6董秀琦.低压及差压铸造理论与实践.:机械工业出版社,2003.

    7詹友刚.Pro/E2001教程.:清华大学出版社,2003.

    8张丽桃,罗峰.Pr0/E在鼠标模具设计中的应用.cAD/cAM与制造业信息化,2004(4):4l~4

    作者:郭凌   刘锦益   闰福   冯义宏
    作者单位:北方重工业集团有限公司
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