2019大型转缸铸钢件的铸造工艺设计及优化745779.doc
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2、 液态成型与控制 题 目: 大型转缸铸钢件的铸造 愉徐稠低垂若斌唱咐裂轨狸秩纂厢焊习厕茹靳撮谅蓉圆橱吐最鲸护堰丫松桌打咽孟孜捞晶睹撵悟征忽宵局亦措尝竟氓拒练就脉痰彝担祁莽吵柴橱删磊玖迢犹莲菱齐卖寒唐浓购偶痘孜菩去拆拍柠轻鞘侩募捅腮付暇开星唾螟气承腾倔孺叙秒隅象彭在慌虹律偏羹忿犹獭骗袖轿励胸甫沈侧柄赦裹而夹捻曙陨遍黄妆混掷镇秆寐找渗孝钨罪理仲积岁榜七损曙王被屉卑迎庚娶邹阔瓮崖产飞蜜瞎殃糊惑沏粉响摊吴丁因褐吵茁雪澈计拒蝗誊同淬债衰甚废何西坠苔昨蔽弱寂哩伊籽哄驼渗涅往再邦伤伞踢深齿长鸭日鳖匿袱妒砷扭珐啤游锡榴删邮瑟仑炊桨渊郴荣徊菌促伞博盗跑床赋验咖爪示獭肺在盈谈大型转缸铸钢件的铸造工艺设计及优化74
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4、业方向: 液态成型与控制 题 目: 大型转缸铸钢件的铸造 工艺设计及优化 毕业论文中文摘要 题 目: 大型转缸铸钢件的铸造工艺设计与优化摘要:论文以20Mn转缸铸件为研究对象,综合运用CAD/CAE进行了20Mn转缸的铸造工艺设计,以及充型凝固过程的模拟,最后得到最优的铸造工艺方案。在铸造工艺设计部分,首先利用UG6.0 对转缸零件进行三维造型,利用此造型出的零件进行浇注位置、分型面、砂芯设计等工作,接着根据模数理论,用UG6.0的切割功能和分析功能对铸件进行分体结构划分,然后用Excel计算分体结构的质量、体积、面积、模数等,最后按照计算结果用UG6.0设计了三维20Mn转缸铸件铸造工艺。上
5、述工作充分体现了CAD在设计精度和设计效率上均具有传统工艺设计无法比拟的优越性。在模拟优化部分(CAE),用SOLIDCast对铸造工艺进行评价和优化。根据铸件有无冒口共设计了两种方案,通过对这两种方案的模拟结果中流场、温度场以及缩孔缩松比率的比较得出,加冒口的方案缩孔缩松缺陷完全消除,定为最佳优化方案。关键词: 20Mn转缸铸件 CAD、CAE设计 铸造工艺设计与优化 毕业论文外文摘要Title: The casting process design and optimization of the large turn cylinder of cast steel Abstract:In t
6、he paper, the CAD/CAE method was used to design the foundry technology, and optimize the foundry technology, then an optimized casting process was proposed. In CAD section, the 3D model of the 20Mn Turn Cylinder casting was firstly created by UG software. it was used to determine the casting orienta
7、tion, parting line, core designing, etc. Then based on modulus theory, then 20Mn Turn Cylinder casting was divided into several components by the cut-off function and analysis function in UG software. Afterwards,the mass, Volume, Cooling surface area, modulus,were calculated by Excel software. Final
8、ly, according to these parameters,the foundry technology of the 20Mn Turn Cylinder casting was designed by UG6.0. The above design procedure fully shows the advantages of CAD method in aspects of design efficiency and design precision comparing with the traditional method of foundry technology desig
9、n.In CAE part, foundry technologies were evaluated and optimized by SOLIDCast software. Two foundry technology were designed, and one is with riser,another is riserless. Based on the comparison of the filling process, solidification process, and shrinkage porosity prediction, it is obvious that the
10、design with the riser head can eliminate all the defect of the shrinkage. Keywords: 20Mn Turn cylinder CAD/CAE designCasting technological design and optimization 目 录第一章 绪论11.1 课题目标;铸件简介21.2 文献综述41.3 论文的研究目标,内容及方法4第二章 研究理论基础和条件42.1 基本工艺基础42.2 硬件设备52.3 软件5第三章 铸造工艺设计63.1 造型关键方法63.2 浇注位置73.3 分型面83.4 砂芯
11、的设93.5 冒口及冷铁 103.6浇注系统的设计153.7 初始铸造工艺17第4章 铸造工艺的数值模拟优化184.1 SOLIDCast简介和运用184.2 初始铸造工艺方案的模拟204.3 初始铸造工艺方案缺陷的分析224.4 初始铸造工艺方案的优化234.5 优化后的铸造工艺方案的模拟24第五章 结论29结论29参考文献30感谢31 第一章 绪论1.1 课题目标铸件简介和要求本课题铸件为20Mn转缸,在实际的生产过程中产生的缺陷主要为浇不足、冷隔、缩孔和缩松、裂纹及粘砂等,尤其在薄壁高大铸件中产生的缩孔缩松缺陷最为严重。本论文中主要对该铸件中出现的缺陷现象进行原因分析。在设计过程中以模数
12、法和澳赞公式为基础,UG为设计工具最后用CAE软件分析其流场、温度场,进而作出判断。然后提出相应的优化工艺,并通过CAE方法反复检验得到最佳工艺。如图1-1所示,该铸件为高大薄壁铸件,底部最大半径为1230mm,顶部最大半径为1120mm,底部中间有较大热节,外部为薄壁套筒状,最小壁厚为40mm,中间热结部分与外部通过三个加强筋相连。底部均匀分布着六个用于吊起铸件的吊钩,吊钩上都有一个用于吊起铸件的半径为41mm的孔。铸件顶部均匀分布着六个用于连接零件用的半径为55.8mm的孔,底部在对称部位分布着四个同样用于连接用的半径为32mm的孔,根据单件、小批量生产铸钢的最小铸出孔直径为50mm,这些
13、孔均为铸出孔。中间部分为该铸件的厚大部位,最大壁厚830mm,高度为532 mm。热结顶部有宽度为64mm,深度为10mm的沟槽。中间有倒锥型的孔,其顶部半径为205mm,底部半径为171.8mm,中间部分凹入2.0mm。热结顶部和外壁处分别有六个M14和M30的螺纹孔,该螺纹孔均为后期机械加工孔,在铸造时均不铸出。图1-1 铸件平面图1.2 文献简述文献1中作者运用数值模拟软件ViewCast对大型铸钢件的凝固过程进行了数值模拟,准确预测到了铸造过程之中的缺陷及产生缺陷的地点,根据此结果做出相应正确的铸造工艺。再进行进一步优化,得到最优的工艺方案,最终应用于工业生产,取到很好的效果。文献2中
14、着重分析了铸件的长、重、内部质量要求高的特点,根据这些特点制定了以下方案:(1)在铸件外部加冷铁和附加冒口,以实现铸件的顺序凝固;(2)在造型方面采用实样模型、树脂砂制作型、芯,保证铸件尺寸及表面精度,减少了气孔、砂眼等铸造缺陷;为防止出现浇不足,采用了电弧炉、LF 钢包精炼炉联合冶炼的浇注措施。最终获得较好的效果。文献3详细的分析了大型铸钢件在生产过程中产生的缩松、缩孔、气孔、偏析、冷裂和热裂、白点等缺陷,并分析了产生该缺陷的原因和解决的措施。对铸钢件生产工艺的改进、质量的提高以及检测水平的提高起到一定的作用。文献4根据该铸件结构特点和材料特点、技术要求等,对铸钢托轮进行合理的铸造工艺设计,
15、并运用利用 Z-Cast 软件对铸钢托轮凝固过程模拟,依据模拟结果对原工艺加以改进,最终获得了优质的大型铸钢托轮件。文献5同样运用ViewCast模拟软件进行铸造工艺设计。首先根据模拟的结果找出热结大小及位置,进而计算出冒口尺寸和数目。然后进行凝固模拟,根据结果找出最优的工艺方案。文献6中主要介绍了我国铸件尤其是大型铸件生产的现状以及与外国企业的差距。文章同时详细说明了大型铸钢件生产中的关键技术,例如铸造工艺技术,热处理技术以及数值模拟技术等,尤其是计算机数值模拟近年来在我国飞速发展和运用。文献7中主要对我国的中国人民抗日战争纪念群雕、香港天坛大佛、中华世纪坛青铜甬道、武汉千年吉祥钟等大型艺术
16、铸件的工艺进行了详细的分析。文献8针对与大型矿山机械上机架类似结构的铸件生产工艺设计中存在模具活料较多、法兰尺寸难以控制、起模困难等普遍问题,提出了创新的解决办法,并成功应用。文献9针对热轧2 250 mm热轧薄板机架结构复杂,易产生缩孔、疏松、裂纹等铸造缺陷的工艺技术难点,并利用计算机模拟技术研究了铸造工艺的合理性,保证了2 250 mm热轧薄板机架的铸造成功。文献10针对大型立柱类铸件、主轴箱体和尾座体箱体类铸件质量改进等对大型数控机床制定了可行的工艺方案,并通过数值模拟解决了大型铸件的缺陷。文献11中根据大型箱体球铁件的结构特点,介绍了铸件的造型工艺、浇注系统及工艺参数等的设定与选择。最
17、后通过CAE模拟软件进行模拟,进一步改善了工艺方案,提高了工艺出品率。文献12根据20t铸钢件的市场需求及质量要求,结合广钢电炉炼钢厂自身生产条件及设备,制定了合适的工艺生产方案,提高了公司的收益。文献13利用 Procast 软件对 42CrMo 大型轴承环件的砂型铸造工艺进行了数值模拟,分析了凝固过程和产生缺陷的原因。根据模拟结果改变并优化了工艺方案,消除了缩松、缩孔等缺陷。文献14详细叙述了对厚壁高锰钢耐磨铸件的制造工艺要求,通过合理的成分选择、铸造浇注工艺、结合热处理强化措施,以达到高锰钢铸件的抗冲击耐磨的特性。最终使生产的高锰钢铸件在实际使用中获得了良好的耐磨性能。文献15主要介绍了
18、华铸CAE铸造工艺分析软件在铁路大型养路机械中的应用。通过具体铸件的生产试验,成功预测了铸造缺陷,采取优化浇注系统及补缩系统等工艺方案优化后,消除了缩孔、裂纹等铸造缺陷。1.3 论文研究目标、研究内容和方法 研究目标:本课题对20Mn转钢铸件进行铸造工艺设计以及计算机辅助设计,包括UG6.0、SOLIDCast,最后找出最佳的工艺方案。 研究内容和方法具体如下: (1)运用UG6.0软件对转缸铸件进行三维造型。 (2)选定20Mn转钢体的铸造工艺方案,并进行论证。包括确定铸造工艺参数、 确定浇注位置以及分型面和分模面等的确定。 (3)利用UG6.0软件,将零件转化为铸件图。 (4)然后进行浇注
19、系统的设计,冒口、冷铁等的设计。 (5)利用SOLIDCast软件进行浇铸模拟,并观察铸件流场、温度场,分析存在的缺陷,并最终确定最佳工艺方案。 随着计算机技术的发展,CAD/CAE技术凭借设计周期短、设计成本低、设计准确度高等优点在制造领域应用越来越广泛。本课题以UG6.0软件为工具对20Mn转钢的实体化进行计算机辅助设计,同时用Excel表格作为辅助工具并用SOLIDCcast软件进行浇铸模拟,最终找到最优的铸造工艺方案。第二章 研究理论基础和条件 2.1 基本工艺理论 模数法 基本原理:遵守顺序凝固的基本条件。首先,冒口的凝固时间Tr应该大于铸件被补缩部位的凝固时间Tc。运用Chvori
20、nov公式有Tr=(Mr/Kr)2和Tc=(Mc/Kc)2,于是得: (Mr/Kr)2 Tc=(Mc/Kc)2式中 Mr、Mc分别为冒口模数和铸件模数; Kr、Kc冒口、铸件的凝固系数对于普通冒口,Kr=Kc,因而上式可以写成:Mr=f Mc式中 f冒口的安全系数,f1。一般取安全系数f=1.2。其次,冒口必须能提供足够的金属液,以补偿铸件和冒口在凝固完毕前的体收缩和因型壁移动而扩大的容积,使缩孔不致伸入铸件内,为满足此条件应有 (V c+V r)+VV r 式中 V c、V r、V铸型体积、冒口体积和因型壁移动而扩大的体积; 金属从浇注完成到凝固完毕的体积收缩率; 冒口的补缩效率。2.2 硬
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