熔模鑄造技術

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1、第一章 緒論 1.1選題背景及研究意義 氣門是車船的重要機構之一，發(fā)動機在工作的時候，氣門會進行頻繁的打開和關閉。還會受到燃氣帶來的腐蝕和沖擊，很容易使其產生氧化、磨損、腐蝕等失效形式。鑒于此，氣門搖臂軸架支座需要具備良好的力學性能，而且要求其內部裂紋與殘余應力盡可能少。 熔模鑄造又稱失蠟鑄造，是一種少切削或無切削的精密鑄造技術。所謂熔模鑄造工藝，是用蠟制作所需零件的蠟模，再在蠟模上涂以耐火涂料經過干燥和硬化形成一個整體型殼，待型殼晾干后，放入熱水中將內部蠟模熔化，最后將鑄型放入焙燒爐中經過高溫焙燒，再向其中澆注熔融金屬而得到鑄件的方法。其最大的優(yōu)點就是由于熔模鑄件

2、有著很高的尺寸精度和表面光潔度，所以可減少機械加工量，只是在零件上要求較高的部位留少許加工余量即可，甚至某些鑄件只留打磨、拋光余量，不必機械加工即可使用。本課題選用此方法對氣門搖臂軸架支座進行工藝設計。 為了實現(xiàn)科學、高效的數字化設計，課題應用了鑄造過程模擬仿真技術，該技術基于強大的有限元分析，可以準確地模擬型腔的澆注過程，精確地描述凝固過程，通過模擬熔模鑄造的充型、凝固和冷卻過程，能夠預測可能出現(xiàn)的缺陷及殘余應力，驗證工藝的正確性，并優(yōu)化工藝參數。 同時，本課題運用了3D打印技術。3D打印是一種新興的材料成型方法，與傳統(tǒng)的材料去除法或者變形成形法是不相同的，它采用的是材料逐漸累加的方法制

3、造實體零件。該技術以三維軟件為支撐，不需要傳統(tǒng)的工裝夾具、刀具或模具即可制造出任意復雜零部件，不僅設計修改相對靈活，而且成型周期短，可以在短時間內快速轉化為實際生產中需要的樣件，因此該技術能夠縮短新產品的研制周期，降低產品的開發(fā)成本和風險。 綜上所述，本課題將熔模鑄造的數值模擬技術與3D打印技術相結合，不僅可以優(yōu)化鑄造工藝，還可以對零件及熔模鑄造模樣進行快速制作，實現(xiàn)短周期、低成本、高質量的生產目的。此次設計過程是專業(yè)知識的一次綜合應用，設計結果對同類型產品的生產具有一定的借鑒意義。 1.2熔模鑄造概述 1.2.1熔模鑄造定義及工藝特點 熔模鑄造又稱"失蠟鑄造"

4、;，通常是指在易熔材料制成模樣，在模樣面 包覆若干層耐火材料制成型殼，再將模樣熔化排出型殼，從而獲得無分型面的鑄型，經高溫焙燒后即可填砂澆注的鑄造方案。由于模樣廣泛采用蠟質材料來制造，故常將熔模鑄造稱為“失蠟鑄造”。 　　 熔模鑄造工藝具有以下優(yōu)點： (1)熔模鑄件的尺寸精度高, 表面粗糙度小。 由于熔模鑄造采用尺寸精確、 表面光消的可熔性模, 而獲得了無分型面的整體型殼, 且避免了砂型鑄造中的起模、 下

5、芯、 合型等工序帶來的尺寸誤差, 熔模鑄件的棱角清晰、 尺寸精度可達到 CT4~6 級, 表面粗糙度可達Ra0.8~1.25um. (2)適用于鑄造結構形狀復雜、精密的鑄件 熔模鑄造可鑄造出結構形狀復雜、精密,并難于用其他方法生產加工的鑄件, 如各類渦輪、 葉輪、 空心葉片、 定向凝固葉片、 單晶葉片等,也可以鑄造壁厚為0.5mm,鑄孔最小為1mm的小鑄件,質量小至1g,最大至1000kg,外形尺寸可達2000m m以上的鑄件, 還可以將原來由許多零件組合的部件, 進行整體鑄造。 (3) 合金材料不受限制 各種合金材料, 例如碳鋼、 合金鋼、 不銹鋼、 高溫合金、 銅合金、 鋁合金、 鎂

6、合金、 鈦合金、 貴金屬、 鑄鐵等均可以應用熔模鑄造方法生產鑄件, 特別是對于難以切削加工的合金材料,更適合于熔模鑄造工藝。 (4)大、小批量生產均可適用 熔模鑄造工藝由于普遍采用金屬壓型來制造熔模,故適用于大批量生產, 但應用價格低廉的石膏壓型、 易熔合金壓型或硅橡膠壓型 (常用于藝術品及首飾鑄造) 來制模, 則也可以適用于小批量生產或試生產. 1.2.2熔模鑄造工藝過程 (1) 壓型設計 根據零件的鑄造工藝設計圖要求, 設計壓型。 (2) 制造壓型 根據壓型設計圖紙要求, 加工鋼材壓型或鋁合金壓型或其他材料壓型。 (3) 制造熔模 用液壓射蠟機或氣動壓蠟機,將糊膏狀或液狀蠟

7、料注入壓型,制成熔(蠟) 模。 (4) 焊接組裝模組 把蠟模焊接或粘接到預制好的蠟棒 (或澆注系統(tǒng)) 上, 組合成模組。 (5)消脂 將模組浸人專用脫脂液中,使蠟模表面的油脂、脫模劑除去,以增加蠟模的涂掛性。 (6) 制造型殼 在模組表面浸涂上耐火涂料 (漿料), 并撒上一層砂 (鋯砂、 剛玉砂、 硅砂等), 再將已撒上砂粒的模組經 過干燥硬化 (硅溶膠型殼), 在硬化劑中使涂層硬化 (水玻璃型殼) 或經氨氣干燥硬化 (硅酸乙酯型殼), 然后取出在空氣中干燥, 這樣重復數次, 在模組表面結成一定厚度的型殼。 (7)熔失熔模 將已制成的型殼,放人蒸汽或熱水中加熱,將蠟模全部熔化,得

8、到內部有空腔的型殼。 (8) 型殼焙燒 將型殼放入加熱爐中進行高溫焙燒, 以燒去型殼中的殘余蠟料、 各種揮發(fā)物以及水分, 以增加型殼的透氣性和提高型殼的高溫強度。 (9) 液體金屬澆注 將已熔化的化學成分合格的高溫金屬液澆注到已焙燒充分的熱型殼中。 (10)脫殼與清理 用手工或震動脫殼機脫殼、清砂、切割澆冒口后的鑄件, 再經其他的 (11)檢驗 鑄件最后須經檢驗合格,才可入庫. 1.3熔模鑄造技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 1.3.1熔模鑄造發(fā)展歷史 熔模鑄造又稱熔模精密鑄造,失蠟鑄造,是一種近凈形的液態(tài)金屬成型工藝,應用該工藝獲得的每個鑄件都是經多種工序,多種材料、多種技術共

9、同協(xié)作綜合的結果。熔模鑄造是在可熔(溶)性模的表面重復浸涂上數層耐火漿料,經過逐層撒砂、干燥和硬化后,用蒸汽或熱水等加熱方法將其中的熔模去除而制成整體型殼,然后進行高溫焙燒、澆注而獲得鑄件的一種鑄造方法。由于用這種方法所得到鑄件的尺寸精確、棱角清晰、表面光滑、接近于零件的最終形狀, 因此是一種近凈形鑄造工藝方法, 故又稱為精密鑄造. 世界失蠟鑄造技術遠在4000多年前就已經出現(xiàn),最早應用失蠟法的是西亞(蘇美爾人)、古代中國,埃及和印度。我國的失蠟鑄造技術,最早應用于春秋早、中期,用來鑄造生產各種青銅器皿,鐘鼎及藝術品,其造型復雜華麗、紋飾細致精巧,銘文美觀清晰,充分顯示出當時我國的失蠟鑄造技

10、術及冶煉工藝就已有了高度發(fā)展. 我國古代的失蠟鑄造藝術珍品十分豐富, 如隋代開皇四年, 董欽造鎏金銅佛壇, 壇高41cm,座長24.7cm,寬24cm,整座佛壇為青銅鎏金,明代永樂,大威德金剛亥母鎏金佛像,高41.5cm,銅鎏金。 現(xiàn)代熔模鑄造工藝在20世紀開始形成,最初是牙科醫(yī)生用熔模制造方法澆注金銀假牙齒、制作珠寶首飾。第二次世界大戰(zhàn)期間,用熔模鑄造工藝生產出噴氣渦輪發(fā)動機葉片、渦輪增壓器等形狀復雜,尺寸精確、表面質量很高且不易加工的鑄件.此后,熔模鑄造以其工藝及技術上的優(yōu)勢進人航空,國防及機械制造工業(yè)領域. 進入21世紀以來,世界各地的熔模鑄件的質量、產量、產值都有較大增長和提高。

11、當前熔模精密鑄造業(yè)正向精密,復雜、大型、部件整鑄的方向發(fā)展,這樣也就更能充分發(fā)揮熔模鑄造所具有的技術優(yōu)勢和競爭力。從近10多年世界各國的熔模鑄造業(yè)的發(fā)展和增長趨勢及國際市場對熔模鑄件的質量和需求量不斷提升的情況看,今后若干年的發(fā)展速度仍將較快.。 1.3.2國內熔模鑄造發(fā)展 我國的熔模鑄造在20世紀50年代從蘇聯(lián)引進水玻璃黏結劑制殼工藝,開始應用于工業(yè)生產,經過數十年的努力,二十年來,新型優(yōu)質黏結劑、新技術,新工藝、新設備、新材料的應用, 使我國的熔模鑄造有了較優(yōu)迅速的發(fā)展, 應用范圍不斷擴大。 目前熔模鑄造工藝已在航空, 航天, 機械制造、 汽車 船舶、 醫(yī)療、 體育, 電子、 石油、

12、化工、 核能、 兵器等幾乎所有工業(yè)部門中得到廣泛應用。 近年來, 在制殼機械化及自動化方面也有一定的進展, 懸鏈式連續(xù)制殼和干燥線及機械手自動沾漿、 撒砂制殼生產線, 已開始投入實際生產應用. 近十年來, 我國的熔模鑄造在繼承古代傳統(tǒng)工藝的基礎上, 應用現(xiàn)代的工藝技術, 復制出精美的古仿物及藝術品, 使精鑄工藝技術重現(xiàn)光輝, 展示出廣闊的前景. 1.3.3國外熔模鑄造發(fā)展趨勢 信息技術對各行各業(yè)的發(fā)展是非常重要的，對壓鑄模具業(yè)的發(fā)展更是如此，開發(fā)并利用好信息資源，使生產經營活動借助信息的及時處理、順暢流通而高質量、高效率的運作，才能使行業(yè)更好更快的發(fā)展。從國家的宏觀政策、行業(yè)發(fā)展、國際和

13、國內的市場容量來看，大型精密復雜熔模鑄造模具和壓鑄模具的國際、國內的市場很大，僅世界汽車工業(yè)巨頭美國克萊斯勒一家在中國尋找模具設計制造意向的模具訂單有3億元人民幣，只要合作公司技術設備實力就有可能拿到訂單，同時，我國的熔模鑄造模具用料考究、制作精良、尺寸精度高、符合客戶標準要求、使用壽命和鑄件質量達到了國際先進水平，同時具有明顯的價格優(yōu)勢。 我國出口的熔模鑄造模具集中在歐洲、北美、日本、韓國等地，部分企業(yè)的出口模具量已占總產值的30%以上。投資大型精密模具項目有理論和實踐根據，才能不至于盲目，才有可能獲得更好的收益。 據悉，我國模具出口到歐洲的汽車油底盤壓鑄模由于價格優(yōu)勢強、設計先進、制

14、作精湛等優(yōu)點，一再得到外商認可，一再追加訂單。可見我國的熔模鑄造模具產業(yè)的海外市場發(fā)展非?；鹚伲磥矶〞讲礁呱?。 1.4數值模擬與仿真 1.4.1數值模擬技術基礎 數值算法是鑄造過程數值模擬的計算機數學基礎。 常用的數值算法包括有限差分法 (Finite Difference Method, FDM) 有限元法 (FiniteElement Method, FEM) 和邊界元法 (Boundary Element Method, BEM)等。 新的數值計算方法與技術, 如無單元法 (Element Free Method,EFM) 并行計算技術等不斷涌現(xiàn)。 數值計算

15、是基于對計算域的離散。不同數值方法對應的計算域的離散方法不同。 同時不同數值算法對邊界的處理也不同, 計算效率和計算精度也存在差異。 總之, 各種方法都有其適用范圍, 這也是新方法產生的動力。 如在鑄造過程數值模擬中有限差分法廣泛應用于鑄件凝固過程的溫度場計算、 充型過程數值模擬等方面, 相對來說, 簡便實用。 而有限元法主要應用于應力分析, 也有用于溫度場計算和流動場分析的。 1.4.2鑄件充型過程數值模擬 鑄件充型過程中會產生氧化,傳熱、熱損失,沖擊破壞等一系列化學和物理的變化,因此充型過程與鑄件質量密切相關。鑄造過程中產生的許多缺陷都與鑄件的充型過程有著密不可分的聯(lián)系。 但長期以來

16、, 鑄造過程的數值模擬主要集中在凝固過程的模擬研究上, 這就使得數值模擬只能對縮孔縮松等缺陷進行預測,而對于充型過程中產生的缺陷如澆不足、冷隔、夾渣等缺陷則不能很好地利用計算機模擬技術進行預測。 采用數值計算方法, 不僅可以模擬出液態(tài)金屬在鑄型中的流動狀態(tài), 并根據模擬得到液態(tài)金屬的流動速度、 壓力等變化規(guī)律優(yōu)化澆冒口系統(tǒng)設計,防止?jié)驳乐形鼩? 消除流股分離現(xiàn)象以避免氧化,減輕液態(tài)金屬對鑄型的沖蝕,而且可以模擬出液態(tài)金屬的溫度分布,從而預測澆不足、 冷隔等缺陷, 為后續(xù)的凝固過程模擬分析提供初始溫度場條件。 傳統(tǒng)的凝固過程數值模擬是建立在“瞬時充滿”的假設基礎上,鑄件各部分初始溫度均為澆注溫

17、度。 對于厚大鑄件而言, 這種假設是比較合理的, 但對于薄壁鑄件, 這種假設則會帶較大的計算誤差。 因此, 在有些情況下必須考慮鑄件的充型凝固過程, 對充型過程和伴隨的溫度降低,、金屬凝固現(xiàn)象一并考慮,這樣得到的初始溫度分布可以為進一步的凝固過程模擬提供初始條件?？梢?充型過程的數值模擬是鑄造過程數值模擬技術的一個重要組成部分。 雖然液態(tài)金屬的充型過程模擬日益引起人們的重視,但充型過程不僅涉及流體的流動問題,而且還伴隨著溫度下降與金屬凝固現(xiàn)象的發(fā)生,因而充型過程的數值模擬極為復雜。它涉及的控制方程多、計算量大而且迭代結果容易發(fā)散, 特別是自由表面的處理問題難度大,且模擬結果難于驗證, 使充型

18、過程的數值模擬工作與軟件應用水平受到一定的阻力。 但隨著計算機應用水平、 數值方法和實驗技術的進步,鑄件充型凝固過程的數值模擬工作已經越來越成熟鑄件充型過程的數值模擬包括很多內容, 如充型過程中自由表面的處理、 流場中速度和壓力的求解、 紊流流動現(xiàn)象的處理、 充型過程對凝固過程的影響、 充型過程對鑄造缺陷形成的影響等。。 1.4.3鑄件凝固過程數值模擬 在鑄造成形方法中, 凝固過程是指高溫液態(tài)金屬由液相向固相的轉變過程。 在這一過程中, 高溫液態(tài)金屬所含有的熱量必須通過各種途徑向鑄型和周圍環(huán)境傳遞, 逐步冷卻并進行凝固, 最終形成鑄件產品。 在此過程中熱量的傳遞包括: 金屬及鑄型內部的熱

19、傳導, 金屬與大氣間的輻射傳熱和對流傳熱等, 實際上包含了自然界所有的三種基本傳熱方式。 鑄件凝固過程數值模擬的任務是建立鑄件凝固過程中傳熱的數學模型, 并通過數值方法進行求解, 從而得到鑄件凝固過程的規(guī)律, 預測鑄件缺陷 (縮孔、 縮松) 產生的可能性及位置。 本章主要介紹應用有限差分法進行鑄件凝固過程數值求解的方法及對鑄件縮孔, 縮松缺陷的預測。 1.5 3D打印 3D打印技術是由CAD模型直接驅動的快速制造任意復雜形狀三維物理實體的技術總稱。其基本過程是: 首先設計出所需零件的計算機三維模型 (數字模型, CAD模型), 然后根據工藝要求,按照一定的規(guī)律將該模型離散為一系列有序單元,

20、 通常在Z向將其按一定厚度進行離散(習慣稱為to hold分層),把原來的CAD模型變成一系列的層片,再根據每個層片的輪廓信息,輸入加工參數,自動生成數控代碼,最后由快速成形機生成一系列層片并自動將它們連接起來, 得到一個三維物理實體。 這樣就將一個復雜的三維加工轉變成對一系列二維層片的加工, 因此大大降低了加工難度, 并且成形過程的難度與待成形的物理實體形狀和結構的復雜程度無關,即降維制造。 在3D打印技術的發(fā)展過程中,人們對該項技術的認識逐步深入,其內涵也在逐步擴大。3D打印技術主要采用了分層制造的思想, 實際上這一思想是自古即有的, 如房屋、 大壩等各種建筑都是分層制造的, 但它成為

21、一項成形技術、 一個自動化的過程來制造零件則是計算機技術、 數控技術、 激光技術、 材料和機械科學等發(fā)展和集成的結果, 具有鮮明的時代特征。 在成形概念上它以離散/堆積成形為指導思想,在控制上以計算機和數控為基礎,以最大柔性為目標。因此,只有在計算機技術和數控技術高度發(fā)展的今天, 才有可能產生3D 打印技術, CAD 技術實現(xiàn)了零件的曲面或實體造型, 能夠進行精確的離散運算和繁雜的數據轉換; 先進的數控技術為高速精確的二維掃描提供必要的基礎,這是精準高效堆積材料的前提;而材料科學的發(fā)展則為3D打印技術奠定了堅實的基礎,其每一項進步都將給3D打印技術帶來新的發(fā)展機遇。目前,3D打印技術中材料的轉

22、移形式可以是自由添加、 去除、 添加和去除相結合等多種形式, 構成三維物理實體的每一層片一般為2.5維層片,即側壁為直壁的層片,同時也出現(xiàn)了由3維層片構成實體的工藝。 第二章 熔模鑄造鑄件工藝設計 2.1零件結構的鑄造工藝性分析 零件三維模型圖如圖2-1所示 圖2- 1 鑄件結構審查標準 （1） 為防止縮孔、裂紋等缺陷，鑄件壁厚應盡可能均勻，以減少熱節(jié)，連接處應平緩逐漸過渡，壁與壁交界處應做成圓角。 （2） 為防止變形、夾砂等，應該盡量避免大平面，或者適當設置工藝筋。 （3） 為便于生產和減少缺陷，鑄孔（槽）不應該太小和太窄。 （4） 鑄件結構應該方便熔模從壓

23、型中取出。 （5） 有利于熔模留在同一型塊中。 表2-1 熔模鑄件的最小壁厚 （單位：mm） 鑄件材質 鑄 件 輪 廓 尺 寸 >10-50 >50-100 >100-200 推薦值 最小值 推薦值 最小值 推薦值 最小值 鑄鐵 1.5-2.0 1.0 2.0-3.5 1.5 2.5-4.0 2.0 碳鋼 2.0-2.5 1.5 2.5-4.0 2.0 3.0-5.0

24、2.5 表2-2 最小鑄出孔的孔徑與深度 （單位：mm） 孔徑 最大孔深 通孔 不通孔 3-5 5-10 <5 5-10 10-30 5-15 10-20 30-60 15-25 20-40 60-120 25-50 40-60 120-200 50-80 60-100 200-300 80-100 >100 300-350 100-120 通過零件結構分析可得零件共包含四個通孔，其中三個通孔大小分別為Ф16mm、Ф18mm以及Ф22mm，根據

25、表2-2分析可知所有孔均可鑄出。但最后一個孔徑為Ф3，孔深為16mm，根據表2-2分析可知無法鑄出。 鑄件材質選擇為球墨鑄鐵, 零件基本尺寸為長X寬X高=83X45X62 單位：mm 零件表面積為16321.6mm2 零件體積為41135.4mm3 球墨鑄鐵密度為7.3g/cm3，根據計算零件質量約為g 2.2鑄造工藝方案的確定 2.2.1澆注位置確定 確定澆注位置需要考慮以下原則： （1） 鑄件重要部位應該盡量位于下方。 （2） 重要加工面應該朝下或呈直立態(tài)。 （3） 應需要保證澆注時金屬液能充滿鑄件并且有利于鑄件補縮。 2.2.2鑄件基

26、準面的選擇 鑄件劃線、鑄件機械加工都需要確定基準面。基準面選擇原則為：①應該盡可能讓鑄件基準面與設計和機械加工基準面一致；②鑄件基準面一般選擇非加工面若選擇加工面時，最好是加工量較少的面；③基準面的數目應該能約束六個自由度、符合六點定位原則；④基準面應該是尺寸比較穩(wěn)定的平整、光潔表面。 2.3鑄造工藝參數的選擇與計算 2.3.1鑄件尺寸公差 熔模鑄造鑄件一般尺寸公差為CT4-7級。 水玻璃型殼熔模鑄造工藝所生產鑄件尺寸公差為CT7-8級。 表2-3 鑄件尺寸公差值（GB/T6414-1999） （單位mm） 鑄件基本尺寸 鑄件尺寸公差等級 CT 3 4

27、5 6 7 8 <3 0.14 0.20 0.28 0.40 0.56 0.80 >3-6 0.16 0.24 0.32 0.48 0.64 0.90 >6-10 0.18 0.26 0.36 0.52 0.74 1.0 >10-16 0.20 0.28 0.38 0.54 0.78 1.1 >16-25 0.22 0.30 0.42 0.58 0.82 1.2 >25-40 0.24 0.32 0.46 0.64 0.90 1.3 >40-63 0.26

28、0.36 0.5. 0.70 1.00 1.4 >63-100 0.28 0.40 0.56 0.78 1.10 1.6 本課題設計采用CT7 2.3.2鑄件表面粗糙度 表2-4 熔模鑄件表面粗糙度Ra （單位μm） 工藝方法 鑄態(tài) 精整后 水玻璃型殼工藝 12.5-6.3 3.2 硅溶膠、硅酸乙酯工藝 6.3-3.2 1.6-0.8 2.3.3鑄件加工余量 表2-5 熔模鑄件單面加工余量 （單位:mm）

29、鑄件基本尺寸 切削加工 磨削加工 冒口設置處 <40 0.7-1.0 0.2-0.5 2.0 4.-100 1.0-1.5 0.5-0.7 3.0 100-250 1.5-2.0 0.7-1.0 4.0 250-500 2.0-3.0 1.0-15 5.0 2.3.4綜合線收縮率 鑄件壁厚/mm 模料型殼分類 綜合線收縮率（%） 自由收縮 部分受阻收縮 受阻收縮 1-3 Ⅰ 0.6-1.2 0.4-1.0 0.2-1.8 Ⅱ 1.2-1.8 1.0-1.6 0.8-1.4 Ⅲ 0.6-2.2 1.4-2.0 1

30、.1-1.7 >3-10 Ⅰ 0.8-1.4 0.6-1.2 0.4-1.0 Ⅱ 1.4-2.0 1.2-1.8 1.0-1.6 Ⅲ 1.8-2.4 1.6-2.2 1.3-1.9 >10-20 Ⅰ 1.0-1.6 0.8-1.4 0.6-1.2 Ⅱ 1.6-2.2 1.4-2.0 1.2-1.8 Ⅲ 2.0-2.6 1.8-2.4 1.5-2.1 >20-30 Ⅰ 1.2-1.8 1.0-1.6 0.8-1.4 Ⅱ 1.8-2.4 1.6-2.2 1.4-2.0 Ⅲ 2.2-2.8 2.0-2.6

31、 1.7-2.3 >30 Ⅰ 1.4-2.0 1.2-1.8 1.0-1.6 Ⅱ 2.0-2.6 1.8-2.4 1.6-2.2 Ⅲ 2.4-3.0 2.2-2.8 1.9-2.5 [注]: Ⅰ—低溫模料，硅酸乙酯或硅溶膠-硅石粉涂料，多層型殼。 Ⅱ-低溫模料，水玻璃-硅石粉涂料，多層型殼。 Ⅲ-中溫模料，硅酸乙酯或硅溶膠-電熔剛玉涂料，多層型殼。 2.4澆冒口系統(tǒng)的設計 2.4.1澆冒口的作用 澆冒口是指為避免鑄件出現(xiàn)缺陷而附加在鑄件上方或側面的補充部分。澆冒口系統(tǒng)在熔模鑄造中不僅能引導金屬液充填型腔，而且在鑄件凝固過程中它還能補縮鑄件，在制作型

32、殼過程中支撐型殼，脫蠟時作為脫蠟通道。澆冒口的型腔是存貯液態(tài)金屬的容器，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和開設位置均不相同。 澆冒口作用如下： 1、對于凝固過程中體積收縮不大的合金(如灰鑄鐵)，或不產生集中縮孔的合金（如錫青銅），澆冒口的作用主要是排放型腔中的氣體和收集液流前沿混有夾雜物或氧化膜的金屬液，以減少鑄件上的缺陷。 2、對于要求控制顯微組織的鑄件，澆冒口可以收集液流前沿已冷卻的金屬液,避免鑄件上出現(xiàn)過冷組織。 3、對于凝固期間體積收縮量大而且趨向于形成集中縮孔的合金（如鑄鋼、錳黃銅及鋁青銅等），澆冒口的主要作用是補償金屬液在型腔中的液態(tài)收縮和鑄件凝固過程中的收縮

33、，以獲得沒有縮孔的致密鑄件。 2.4.2澆冒口系統(tǒng)的結構形式 常見澆冒口形式如下： (1)由澆口杯、直澆道和內澆道組成的澆注系統(tǒng),直澆道兼有冒口的作用。不同鑄件在直澆道周圍按不同的數目和層次分布著。為便于生產組織、簡化設計可將直澆道相應分成幾種規(guī)格。 為了保證直澆道有足夠的補縮能力,根據經驗,直澆道的斷面積應為內澆道面積的1.4倍。為保證建立起有效的液體金屬靜壓力,通常最上層的熔模與澆口杯頂面的距離不應小于60~100m。為減輕液體金屬的沖擊作用和避兔產生飛濺現(xiàn)象,應使最下層熔模內澆道離直澆道底部有10~20mm的距離,先進入下層內澆道以下的直澆道部分的液體金屬在此處起液墊作用。

34、 (2)帶橫澆道的澆冒口系統(tǒng) 如圖2.4.2.1所示 帶橫澆道的澆冒口系統(tǒng) 1—鑄件 2一直澆道 3—澆口杯 4一橫澆道5一內澆道 (3)由直澆道(或冒口)直接引入鑄件的澆冒口系統(tǒng),圖2.4.2.2所示為整鑄渦輪,外緣有14個葉片,液體金屬由冒口引入鑄件,球形冒口熱模數口大,加上離心澆注,大大改善了充填和補縮能力,可得到合格鑄件。 由冒口直接引入鑄件的澆冒口系統(tǒng) 1-冒口 2-鑄件 (4)帶補縮冒口的澆冒口系統(tǒng) 對于中型、小型熔模鑄件常用直澆道(橫澆道)來實現(xiàn)補縮,一個模組有多鑄件。但

35、對尺寸較大、形狀復雜且又有多個熱節(jié)的鑄件,或質量要求高的鑄件,往往需要一個鑄件單獨設置澆冒口系統(tǒng),如圖2.4.2.3所示。冒口有頂冒口、側面口明冒口、暗冒口幾種形式。 帶冒口的模組 1- 鑄件 2-明冒口 3-連接橋 4-澆口杯 5-直澆道 6-橫澆道 7-內澆口 8-暗冒口 2.4.3澆注系統(tǒng)計算 2.4.3.1澆注系統(tǒng)的類型和適用范圍 澆注系統(tǒng)的分類有兩種方法:-種是根據各組元的斷面積比例關系不同，即阻流斷面位置"的不同，大致分為封閉式和開放式等澆注系統(tǒng);另一種是按內澆道在鑄件上的相對位置不同，分為頂注式、底注式、中間注人式和分層注人式等幾種澆注系統(tǒng)。 (Ⅰ

36、)按斷面積比例關系 分類 (1)封閉式澆注系統(tǒng) 封閉式澆注系統(tǒng)的阻流截面是內澆道，各組元斷面積的比例關系是: A杯>A直>A橫>A內 其中，A杯、A直、A橫、A內分別表示澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道各組元最小處的總截面積。 封閉式澆注系統(tǒng)的特點是:澆注開始后，金屬液容易充滿澆注系統(tǒng);其擋渣能力較強，但充型液流的速度較快，沖刷力大，易產生噴濺;金屬液消耗少，且清理方便。適用于鑄鐵濕型小件及干型中、大鑄件。 (2)開放式澆注系統(tǒng) 開放式澆注系統(tǒng)的阻流截面在直澆道上端(或澆口杯底孔)。各組元斷面積的比例關系是: A直上<A直下&l

37、t;A橫<A內 其中，A直上、A直下分別表示直澆道上端(或澆口杯底孔)、直澆道下端總截面積。 開放式澆注系統(tǒng)的特點是:當各單元開放比例較大時，金屬液不易充滿澆注系統(tǒng)，呈無壓流動狀態(tài)，充型平穩(wěn)，對型腔沖刷力小;擋渣能力較差;金屬液消耗量較多，不利于清理常用于有色合金、球墨鑄鐵及鑄鋼等易氧化金屬鑄件，灰鑄鐵件上很少應用。 (3)半封閉式澆注系統(tǒng) 半封閉式澆注系統(tǒng)各斷面的比例關系是: A橫>A直>A內 半封閉式澆注系統(tǒng)的特點是:阻流截面在內澆道上，橫澆道截面積最大;澆注中，澆注系統(tǒng)能充滿，但較封閉式澆注系統(tǒng)晚;具有一定的擋渣能力;由于橫澆道截面積大，金屬液在橫澆道

38、中流速減小，故又稱為“緩流封閉式澆注系統(tǒng)”。適用于各類灰鑄鐵件及球鐵件。 (4)封閉-開放式澆注系統(tǒng) 封閉-開放式澆注系統(tǒng)各斷面積的比例關系是: A杯>A直<A橫<A內 A杯>A直> A集渣包出口 A直>A阻<A橫后<A內 A直>A阻<A內<A橫后 其中，A阻指阻流片處總截面積;A橫后指阻流斷面之后橫澆道截面積。 這種澆注系統(tǒng)的特點是:阻流截面設在直澆道下端，或在橫澆道中，或在集渣包出會，或在內澆道之前設置的阻流擋渣裝置處;阻流截面之前封閉，其后開放，故既有利于擋江，又使充型平穩(wěn)，兼有封閉式和開放式澆注系統(tǒng)的優(yōu)

39、點。適用于各類鑄鐵件，在中、小件上應用較多，特別是在一 箱多件時應用廣泛。 (Ⅱ)按內澆道的位置分類 (1)頂注式澆注系統(tǒng) 頂注式澆注系統(tǒng)的特點是內澆道設在鑄件的頂部。頂注式澆注系統(tǒng)有如下幾種形式: ①一般澆口，用于要求不高的簡單小件; ②楔形澆口，澆道窄而長，斷面積大，適用于薄壁容器類鑄件; ③搭邊澆口，金屬液沿型壁流入，充型快而平穩(wěn)，適用于薄壁鑄鐵件和鋁合金鑄件; ④壓邊澆口，金屬液經壓邊窄縫進人型腔，充型慢，有一-定補縮和擋渣作用，結構簡單、易于清除，多用于中小型厚壁鑄鐵件; ⑤淋式澆口，

40、金屬液經型腔頂部許多小內澆道進人型腔，與其他頂注式澆注系統(tǒng)相比，對型腔的沖擊力小，適用于要求較高的筒類鑄件，如缸套、機床卡盤、柴油機缸體等。 頂注式澆注系統(tǒng)有如下特點: ①型腔易于充滿，可減少薄壁鑄件澆不足、冷隔等缺陷;澆注系統(tǒng)的結構簡單而緊湊，便于造型，金屬消耗量也少; ②型腔充滿后，鑄件的上部溫度高于底部，有利于鑄件自下而上的順序凝固和冒口的補縮，可以減小軸向縮松傾向及冒口體積; ③液流對鑄型底部的沖擊力較大，流股與空氣接觸面積大，金屬液會產生激濺、氧化，易造成砂眼、鐵豆、氣孔、氧化夾渣等缺陷。 (2)底注式澆注系統(tǒng) 內澆道設在鑄件底部的澆注系統(tǒng)稱為底注式澆注系統(tǒng)。

41、底注式澆注系統(tǒng)有如下幾種形式。 ①-般形式澆口。內澆道在鑄件底部，金屬液引人平穩(wěn)，沖擊力小，利于排氣。鑄件下部溫度高，不利于補縮，因此對凝固體收縮率大的合金，一般要點澆冒口。適用于高度不大的鑄鋼件、鋁合金鑄件、無錫青銅和黃銅鑄件。也用于質量要求較高、形狀復雜的鑄鐵件。 ②底雨淋式澆口。型內金屬液上升平穩(wěn)且不發(fā)生旋轉運動，可減少金屬液氧化和飛濺，熔渣不易黏附在側壁上，不利于補縮。適用于要求較高、形狀復雜的板類和大型機床床身等鑄二鐵件，黃銅與無錫青銅蝸輪、活塞體、軸襯等鑄件上也廣泛應用。 ③牛角式澆口。常與過濾網配合使用，使金屬液平穩(wěn)地充型。用于各種鑄造齒輪、有砂芯的盤形鑄件以及有色金屬小鑄

42、件。為避免出現(xiàn)“噴泉”現(xiàn)象，可將牛角倒置，采用反牛角形澆注系統(tǒng)。 底注式澆注系統(tǒng)的特點是: ①內澆道基本上在淹沒狀態(tài)下工作，充型平穩(wěn)，可避免金屬液發(fā)生激濺、氧化及由已巴形成的鑄件缺陷; ②無論澆口比是多大，橫澆道基本工作在充滿狀態(tài)下，有利于擋渣，型腔內的氣體容易順序排出; ③型腔充滿后，金屬的溫度分布不利于順序凝固和冒口補縮。 內澆道附近容易過熱，導致縮孔、縮松和晶粒粗大等缺陷:金屬液面在上升中容易結皮，難于保證高大的薄壁鑄件充滿，易形成澆不到、 冷隔等缺陷，金屬消耗較大。為了克服這些缺點，采用快澆和分散的多內澆道，使用冷鐵、安放冒口或用高溫金屬補澆冒口等措施，常可收到滿意的結果

43、。 (3)中間注人式澆注系統(tǒng) 兩箱造型是生產中、小型鑄件最常用的造型方法，而且大多數在分型面上開設橫澆道、內澆道，鑄件位于上下兩箱中，如圖4-26所示，這種澆注系統(tǒng)稱為中間注人式澆注系統(tǒng)。對內澆道以下的型腔來說，相當于頂注式澆注系統(tǒng);對內澆道以上的型腔來說，相當于底注式澆注系統(tǒng)。故它兼有頂注式和底注式澆注系統(tǒng)的優(yōu)缺點。由于內澆道在分型面上開設，故極為方便，廣為應用。適用于高度不大的中等壁厚(鑄鋼件壁厚約50mm, 灰鑄鐵件20mm) 鑄件。 中間注人式澆注系統(tǒng)主要有如下幾種形式。 ①- -般形式的澆注系統(tǒng) 內澆道開設在鑄件中部某一高度上， 金屬液從分型面注人，恭有頂注式和底注式的優(yōu)缺

44、點。生產中應用廣泛，適用于壁厚較均勻、高度不太大的各類中、小型鑄件。 ②阻流式澆注系統(tǒng) 分為水平阻流式和垂直阻流式兩類。由于阻流片很窄(4-7mm)，從澆口杯到阻流片這一段封閉性強，有利于擋渣。從阻流片流出的金屬液進人寬大的橫澆道，流速減慢有利于夾雜物上浮。 ③緩流式澆注系統(tǒng)利用在分型面上、 下安置的多級橫澆道，增加金屬在流動過程中的阻力，使之充型平穩(wěn)。當F直>F內時能擋渣，如果同時使用過濾器，可增強擋渣能力。與阻流式相比，對型砂質量要求較低，適用于成批或大量生產的較重要的、復雜的中、小鑄件。 (4)分層注人式澆注系統(tǒng) 采用分層注人式澆注系統(tǒng)時，金屬液自下而上分層進入型腔，

45、見圖4-27。采用這種澆注系統(tǒng)，金屬液的沖擊力小，充型平穩(wěn). 分層注人式澆注系統(tǒng)主要有兩種形式。 ①階梯式澆注系統(tǒng) 在鑄件不同高度上開設多層內澆道的澆注系統(tǒng)稱為階梯式澆注系統(tǒng)。階梯式澆注系統(tǒng)具有以下優(yōu)點:金屬液首先由最底層內澆道進人型腔，隨著型內液面上升，自下而上、順序地流經各層內澆道，因而充型平穩(wěn)，型腔內氣體排出順利;充型后，上部金屬液溫度高于下部，有利于順序凝固和冒口的補縮，鑄件組織致密，能避免縮孔、縮松、冷隔及澆不到等鑄造缺陷;利用多內澆道，可減輕內澆道附近的局部過熱現(xiàn)象。主要缺點是:造型復雜，有時要求幾個水平分型面，要求正確的計算和結構設計，否則容易出現(xiàn)上下各層內澆道同時進人金屬

46、液的“亂澆”現(xiàn)象，或底層進人的金屬液過多，形成下部溫度高的不理想的溫度分布。階梯式澆注系統(tǒng)適用于高度大的中、大型鑄件，具有垂直分型面的中大件可優(yōu)先采用。 ②垂直縫隙式澆注系統(tǒng) 充滿。其充型過程平穩(wěn)，有利于排氣和順序凝固，獲得的鑄件組織致密。適用于小型、質量要求較高的非鐵合金及鑄鋼件，也適用于一些高度較大的鑄鐵實體件和垂直分型鑄件。 總之，選擇澆注系統(tǒng)類型時要綜合考慮多種因素，包括鑄件的澆注位置、分型面、鑄件的結構、尺寸、合金的鑄造性能以及是否應用冒口、冷鐵等。 2.4.3.2 澆注系統(tǒng)參數計算 (1)澆注速度的計算V(Kg/s) v=kLδ 其中 L—薄壁鑄件的最大薄壁長度(mm

47、) δ—薄壁鑄件的壁厚(mm) K—系數，頂注，K=0.05；側注，K=0.06；底注，K=0.08 根據計算得出澆注速度為0.34Kg/s (2)確定控制澆注速度單元的截面積A0 和壓力頭hp A0=23vμphp hp=23vμpA02 本課題省略了橫澆道 橫澆道橫截面積Aru =(0.7-0.9)As 代替冒口起主要補縮作用時： Aru =(1.0-1.3)As (3)澆道面積的計算 ①此件表面積約為16321.6mm2，由圖2.4.3-1查得矩形內澆道截面積約為116mm2

48、， 圖2.4.3-1表面積與內澆道截面積的關系 1—矩形、橢圓形 2—圓形 a—細長桿，或者δ=6-10mm的鑄件 b: δ<5mm的鑄件 ②由圖2.4.3-2查得直澆道截面積約為510mm2，內澆道中心距約為45mm 圖2.4.3-2 內澆道與直(橫)澆道截面積、內澆道中心距的關系 1—橫澆道 2—直澆道 ③設計直澆道和澆口杯 如圖所示，取D=25mm、D1= 23mm則D2=58mm、D3=70mm、h=250mm、h1=

49、10mm、R=5mm 如圖所示確定內澆道尺寸為H1=10mm、 H2=8mm、高為10mm以及2mm 2.4.3.3氣門搖臂軸支座澆注溫度的確定 合理的澆注溫度是提高氣門搖臂軸支座鑄件質量的保障。提高澆注溫度能增強合金液體的流動性，使得金屬液完全的充滿空腔，但是過高的澆注溫度會使得鑄件收縮增大，鑄件會產生縮孔等缺陷；但是澆注溫度過低，將會降低高溫合金的流動性，使得金屬液不能完整充滿型腔，鑄件容易產生澆不足等缺陷。 所以設置合理的澆注溫度參數能夠保證鑄件的質量。根據生產經驗一般澆注溫度高于合金液相線溫度100-150℃。結合本課題的氣門搖臂軸支座結構，材料合金性能等，將澆注溫度

50、確定為1450℃。 2.6型殼的設計與制造 2.6.1型殼概述 熔模鑄造采用的鑄型常稱為型殼，型殼與鑄件質量有密切的關系。 型殼按制造過程可分為：實體型殼和多層型殼兩種?，F(xiàn)在采用較多的為多層型殼；再生產薄壁件或要求鑄型有一定溫度的高溫合金鑄件時可把多層型殼放置于有底砂箱內，填充干砂造型，形成干法實體型殼使用。 從宏觀上看，型殼除硅凝膠和耐火粉、砂這些固體外，還存在著氣體和空隙。從微觀上看，型殼有多種化學成分以及礦相組織，它們在高溫下主要形成晶相和非晶相兩種物相?？傊?，從宏觀到微觀型殼都是一種多相非均勻體系。一般中小型鑄件型殼以整體型殼較佳，分層型殼適合于大型鑄件

51、 2.6.2型殼材料的選擇 2.6.2.1制作型殼用耐火材料 耐火材料是型殼的基本材料,占型殼重量90%以上,對其性能有影響。按用途耐火材料可分為涂料漿使用的粉狀料,作為增強型殼的撒砂材料,以及制造陶瓷型芯用耐火材料三種。 對熔模鑄造用耐火材料,要求有足夠的耐火度、小而均勻的熱膨脹系數、好的熱化學穩(wěn)定性、合適的粒度、價廉而無毒等。 常用制殼耐火材料性能及應用 耐火材料名稱 化學性質 熔點/℃ 耐火度/℃ 密度/ (g/cm3) 線膨脹系數X10-6℃-1 硅砂 酸性 1713 1680 2.65 12

52、.5 熔融石英 酸性 1713 — 2.2 0.51 電熔剛玉 兩性 2050 2000 4.0 8.6 莫來石 兩性 1810 — 3.16 5.4 高嶺石類熟料 — — 1700-1790 2.65 5 鋁礬土類熟料 — 1800 — 3.4 6 鋯砂 弱酸性 <1948 — 4.8 4.6 2.6.2.2制作型殼用粘接劑 粘結劑影響著型殼性能、鑄件質量和成本。 國內生產中使用硅溶膠、水玻璃和硅酸乙酯三種粘結劑。水基硅溶膠粘結劑的黏度低,所配涂料粉液比高,制殼時涂層致密,生產的鑄件表面光潔;硅溶膠型殼高溫強度

53、高,抗變形能力強,所生產鑄件精確,是一種優(yōu)質制殼粘結劑。 同時,硅溶膠可直接配涂料,制殼時只需水分蒸發(fā)、型殼干燥,工序簡單和環(huán)保,是一種綠色制殼粘結劑,使用在增加。 但水分蒸發(fā)速度慢、型殼濕強度低、制殼周期長。 近年來,隨著快干增強硅溶膠的應用和制殼工藝的發(fā)展,硅溶膠型殼生產效率已大為提高。 水基水玻璃粘結劑黏度很大,涂料粉液比低,涂層不致密,所生產的鑄件表面 粗糙,由于水玻璃型殼高溫強度低,生產的鑄件精度也差,主要用于生產低精度鑄件上。 三種型殼的比較 型殼名稱 優(yōu)點 缺點 應用范圍 水玻璃型殼 制殼周期短,成本低 型殼高溫強度低、抗變形能力差,所生產

54、鑄件尺寸精度低,表面粗糙度值大 不用化學硬化法制殼,勞動環(huán)境差 用于生產精度低的鑄件,主要用于碳素鋼、低合金鋼、鋁合金和銅合金精度低的鑄件中 硅溶膠型殼 型殼高溫強度好,抗 變形能力強,所生鑄 件尺寸精度高,表面粗糙度值小。型殼存放時內表面不產生“白霜”,制殼間環(huán)境好 制殼周期較長 用于生產精度要求高的鑄件?，F(xiàn)廣泛用于生產各種合金高質量鑄件中 硅酸乙酯型殼 型殼性能較好,所生 產鑄件尺寸精度高,表面粗糙度值小 型殼存放時內表面易產生“白霜” 制殼間空氣中有乙醇,不環(huán)保 用于生產精度要求高的鑄件,但因環(huán)保問題近年來應用有下降趨勢 第三

55、章 氣門搖臂軸架支座熔模鑄造充型凝固過程數值模擬 3.1氣門搖臂軸架支座數值模擬與前處理參數設置 將利用Creo參數化建模軟件繪制的鑄件及其澆注系統(tǒng)的三維模型圖保存為igs格式文件并導入ProCAST2018版。進入Mesh界面檢查模型并合并裝配面，接下來對模型進行面網格劃分。將網格大小設置為3mm,在2Dmesh選項卡中點擊shelling對模型進行掛殼將殼厚度設置為9mm。最后對模型及型殼進行體網格的劃分，圖示為劃分完體網格后的澆注系統(tǒng)。 3.1.1材料熱物性參數設定 球墨鑄鐵是一種高強度鑄鐵材料，他的綜合性能接近于鋼，適用于鑄造一些受力復雜，強度、韌性、耐磨性要求較高的零件。

56、本課題調用了ProCAST的材料熱力學數據，選擇了牌號 3.1.2邊界條件和初始條件設置 3.1.2.1界面換熱系數設置 界面熱交換系數表示熱量在“鑄件—鑄型—環(huán)境”兩兩之間熱交換快慢的程度，在澆注過程中面積較小，整個澆注過程熱輻射影響不強烈。本課題主要考慮金屬與鑄型之間的熱交換系數，查閱相關文獻后設置界面換熱系數為500W/m2 ，設置參數截圖如下。 3.1.2.2工藝參數的設置 在mesh界面完成面網格、體網格劃分以及型殼制作后，保存模型并進入cast界面進行澆注參數的設置。 （1）將重力方向修改為與澆注系統(tǒng)相同的方向。 （2）分別選擇鑄件和型殼的類型、材料、初始溫

57、度。為方便添加條件，將除了型殼的部分單獨留下外，將其他部分合并為一個“組”，如下圖： （3）添加邊界條件，如圖所示： （4）將仿真參數中的充型方式修改為重力充型，如圖所示： （5）檢查參數設置，沒有錯誤后點擊“Run”進行模擬，并通過監(jiān)視器觀察，等待澆注結束后進行后處理，如圖所示： 3.2數值模擬結果及分析 3.2.1充型過程模擬及分析 運用ProCAST軟件進行對初始工藝進行分析，觀察合金充型是的液體流動狀態(tài)和冷卻狀態(tài)下的固相分布，為修改澆注方案奠定基礎。 氣門搖臂軸架支座充型過程合金的流動和分布如圖所示：分別表示在1s、2s、3s

58、、9s時候的充型狀態(tài)和溫度場示意圖。合金開始充型是沿著澆道首先到達直澆道的低端（即澆口窩），逐漸向上充滿型腔的過程中，相同水平面截面的充型狀態(tài)并不相同，合金液體液面高低不平，平穩(wěn)性較差，容易造成合金液的氧化以及形成卷氣等缺陷。由圖可知合金液首先由澆口杯進入直澆道，隨后一層一層分別充型，圖（C）表示鑄件已經基本充型完畢，圖（D）表示鑄件已經完全充型，并且已經完成補縮。如圖可知，充型過程順利完成。 圖（A）t=1s 圖（B）t=2s 圖（C）t=3s 圖（D）t=9s 3.

59、2.2凝固過程模擬及分析 凝固階段主要通過固相率變化來反映凝固變化的過程，合金液體充型完成后隨著溫度的降低逐漸冷卻至室溫。在鑄造成形方法中,凝固過程是指高溫液態(tài)金屬由液相向固相的轉變過程。 在這一過程中,高溫液態(tài)金屬所含有的熱量必須通過各種途徑向鑄型和周圍環(huán)境傳遞,逐步冷卻并進行凝固,最終形成鑄件產品。在此過程中熱量的傳遞包括:金屬及鑄型內部的熱傳導,金屬與大氣間的輻射傳熱和對流傳熱等,實際上包含了自然界所有的三種基本傳熱方式。 鑄件凝固過程數值模擬的任務是建立鑄件凝固過程中傳熱的數學模型,并通過數值方法進行求解,從而得到鑄件凝固過程的規(guī)律,預測鑄件缺陷(縮孔,縮松)產生的可能性及位置。

60、本章主要介紹應用有限差分法進行鑄件凝固過程數值求解的方法及對鑄件縮孔,縮松缺陷的預測。 如圖所示為充型完成后鑄件及澆注系統(tǒng)的固相率隨時間變化的過程，總體凝固順序是從底部到頂部凝固。由圖可知t=22s時，鑄件剛完成充型不久，合金液仍然具有很高的溫度，但是鑄件與型殼接觸的部分溫度迅速降低，鑄件邊緣已經開始凝固；t=52s的時候鑄件基本已經凝固完畢，澆注系統(tǒng)中仍然存在一些固液混合物；t=102s時，鑄件已經完全凝固，成為固態(tài)，澆口杯仍然存在一部分液相與固相；t=512s的時候，鑄型及澆注系統(tǒng)均已經完成凝固全部成為固態(tài)，澆口棒部位由于鑄件液態(tài)收縮、凝固收縮以及固態(tài)收縮形成孔洞，金屬液未能充填完整，但

61、不存在與鑄件上，不影響鑄件品質。 圖（A）t=22s 圖（B）t=52S 圖（C）t=102s 圖（D）t=512s 3.2.3縮孔縮松缺陷分析 鑄件成形過程通常經歷液態(tài)冷卻、固液轉變利碳固后的繼續(xù)冷卻過程。其中液態(tài)冷卻和固液轉變一般產生較大的收縮。 在鑄件凝固初期,金屬的液態(tài)收縮和固液轉變所產生的收縮如果得不到有效的補縮,就會在鑄件中產生縮孔。 一般縮孔表現(xiàn)為一次縮孔、二次縮孔等。 而在鑄件凝固后期,最后凝固部分的液態(tài)金屬由于溫度梯度很小,將以同時凝固方式進行凝固。開始是在整個液態(tài)金屬內出現(xiàn)許多細

62、小的晶粒。 隨著溫度降低和晶粒的長大以及新晶粒的產生,最后凝固部分將出現(xiàn)許多被晶粒所隔離的孤立的液態(tài)金屬,這些液態(tài)金屬在凝固時，將產生更多更細小的孔洞，形成微觀縮松。 如圖所示，氣門搖臂軸架支座在初始設計的澆注系統(tǒng)存在著縮孔與縮松缺陷，其中位于鑄件上的縮孔與縮松將會導致鑄件在加工成為零件使用時出現(xiàn)問題，證明初始設計存在問題，需要在后期進行優(yōu)化。 3.3 改進后數值模擬及結果分析 3.3.1改進后澆注系統(tǒng)設計 從原始方案的設計和模擬結果可以分析得出，原來的澆注方案存在的缺陷主要體現(xiàn)在：充型不平穩(wěn)，并且由于中間第二層的鑄件與第一層以及第三層鑄件之間僅存在60°的夾角，使得鑄

63、件在澆注時候平穩(wěn)性不容易控制，危險性較大。根據以上缺點重新考慮設計使得獲得較好的充型和凝固效果，將扁平的內澆道修改為短粗形狀內澆道，并且將每組鑄件之間的角度修改為120°，如圖所示： 3.3.2改進后充型過程分析 重新設計澆注系統(tǒng)后，使用原有澆注參數進行數值模擬，氣門搖臂軸架支座的充型過程液體流動和溫度場變化如圖所示，分別表示1.1s、2s、3s、10.8s時候的合金液充型溫度和流動狀態(tài)分布圖。從圖中可以看出采用新的改進方案的澆注方案能夠順利進行，合金液體從底部經過澆口窩流入空腔后，開始依次向上充填，在底部充型完成后，金屬液流匯合后繼續(xù)充完其余空腔，最終充型完成，實現(xiàn)了順

64、訊充型，因此該方案充型過程良好。 圖（A）t=1.1s 圖（B）t=2.0s 圖（C）t=3.0s 圖（D）t=10.8s 3.3.3改進后凝固過程分析 如圖所示為氣門搖臂軸架支座熔模鑄造凝固過程溫度變化和固相率變化分布圖。由圖可知，當t=20.8s時鑄件部分區(qū)域已經開始凝固，但是整體大部分仍然處于液相狀態(tài)；當t=70.3s時鑄件已經基本凝固完畢，由于澆注系統(tǒng)散熱較慢，所以大部分澆道內仍然存在著液體金屬；當t=110.3s的時候，鑄件已經全部凝固完成，澆注系統(tǒng)大部分已經凝固；t=590.3s時，鑄件及澆注系統(tǒng)已經完全凝固。 圖（A）t=20.8s 圖（B）t=70.3s 圖（C）t=110.3s 圖（D）t=590.3s 第四章 零件快速成型工藝（3D打?。? 4.1 3D打印技術簡介 4.2零件模型3D打印 第五章 總結與展望 5.1本文的主要工作總結 5.2前景與展望 參考文獻 致謝