基于ProCAST軟件的機械傳動上箱體鑄造工藝設(shè)計

盧秀明

（宿遷澤達職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

箱體類零件作為機器及其部件的基礎(chǔ)件，通過對軸、軸承、套、齒輪等多種零件的組合裝配，在正確的相互位置之下，按照規(guī)定的運動關(guān)系進行協(xié)調(diào)配合，最終完成預定的運動[1]。然而在實際的運作過程中，由于箱體零件的大平板面在與下箱體的配合中，與軸或軸承相接觸的過程中承受了較大的負荷，并且也會隨之產(chǎn)生一定的應力，當箱體承受了較大的負荷時，極易造成裂紋，進而導致了箱體的失效，從而造成了箱體的壽命縮短。

1 機械傳動上箱體鑄造工藝概述

1.1 上箱體鑄造的基本情況概述

在上箱體的零件中，往往在材質(zhì)上選用的是球墨鑄鐵，在實際的輪廓尺寸上以1469mm×445mm×522mm為常見的尺寸規(guī)格。在工藝的選擇上，通常而言有頂注式和底注式兩種形式，這兩張澆筑方式各有優(yōu)劣，在經(jīng)過ProCAST軟件的具體分析后發(fā)現(xiàn)底注式的澆筑系統(tǒng)更具優(yōu)勢，因此本文以底注式的澆筑系統(tǒng)為主要的介紹對象。

1.2 機械傳動上箱體鑄造工藝生產(chǎn)方式選擇

在零件分類上，上箱體屬于大中型零件，這種零件的鑄造往往采用手工造型的方式進行生產(chǎn)，在進行砂型和砂型的造型材料的選擇上，樹脂砂由于其突出的優(yōu)勢往往在選擇時脫穎而出，具體而言，樹脂砂有以下幾點優(yōu)勢。第一，綜合性能優(yōu)越。流動性強、易緊實、脫模時間調(diào)整性強、硬化后強度高、不易變形等綜合性能，使得樹脂砂被廣泛應用。第二，剛度高。剛度是箱體鑄造工藝中對材料的重要要求之一，在鑄造過程中的型壁位移現(xiàn)象會對砂型的尺寸精度產(chǎn)生重要的不利影響，樹脂砂的高剛度則很好的避免了澆注與凝固過程中的型壁位移，進而能夠使得砂型精度高。第三，生產(chǎn)周期短。由于樹脂砂省去了其他材料所需的烘干環(huán)節(jié)，進而大大加快了工程進度，同時也能夠節(jié)約的資源、能源。另外，由于樹脂砂的易緊實、潰散性好、便于清理等特點，又能夠大大降低勞動強度。另外，在材質(zhì)的選擇上，上箱體零件選擇的是球墨鑄鐵，球墨鑄鐵件在凝固的過程中會因為析出石墨而會發(fā)生一定的體積膨脹，樹脂砂在硬化的過程中，由于高強度帶來的高質(zhì)量，能夠為球墨鑄鐵的體積膨脹實現(xiàn)自我補縮創(chuàng)造條件[2]。

1.3 機械傳動上箱體的零件模型的創(chuàng)建

在進行正式的鑄造工藝前，需要對創(chuàng)建出具體的零件模型。零件模型的創(chuàng)建能夠加強設(shè)計者對零件的具體結(jié)構(gòu)的理解，同時能夠有利于后期的鑄造工作、砂芯、砂盒等方面的工作的推進。具體而言主要有以下幾個步驟，首先需要繪制出二維的零件外形圖，在圖中需要將尺寸、具體的形狀、從正視圖、側(cè)視圖、俯視圖三個方面進行展示，具體的零件外形圖如圖1所示。其次，創(chuàng)建出三維的模型圖。三維模型圖詳見圖2。澆筑系統(tǒng)模型的創(chuàng)建環(huán)境具有一定的可選擇性，既可以在裝配環(huán)境中，也能夠在零件環(huán)境中進行，但這里需要注意的是，為了方便后期的零件加工制造，在澆筑系統(tǒng)中的各個組元最好是進行單獨的創(chuàng)建。當鑄造方案得以完成和確定之后，就可以對其進行相應的模擬測試了，然后根據(jù)測試的結(jié)果對其中的優(yōu)良部分進行繼續(xù)保持，針對其中出現(xiàn)的問題進行修改完善。當問題解決后進行再次的測試，測試通過后，就能夠進行下一環(huán)節(jié)的裝置設(shè)計工作，這種做法能夠大大提前鑄件設(shè)計與生產(chǎn)的效率，在目前的機械制造行業(yè)得以廣泛應用，大大提升了整個行業(yè)的生產(chǎn)效率，同時也有效的節(jié)約的資源[3]。

圖1 外形圖

圖2 三維模型圖

2 ProCAST軟件的應用價值

隨著計算技術(shù)的不斷發(fā)展，就鑄造過程中的數(shù)值利用ProCAST軟件進行相應的模擬計算，不僅能夠促進生產(chǎn)的效率，更能夠在實際的鑄造工作開始之前，對工藝和設(shè)計進行預測，提前發(fā)現(xiàn)鑄件的問題和缺陷，并進行針對性的改進和優(yōu)化。不僅能夠提升鑄件的質(zhì)量，同時也能夠提升經(jīng)濟效益和社會效益，節(jié)省了開支和節(jié)約了資源。

3 基于ProCAST軟件的機械傳動上箱體鑄造的數(shù)值分析

3.1 模擬分析前的必要的數(shù)據(jù)處理和準備工作

在進行模擬分析之前要進行相應的設(shè)計處理和邊界條件的設(shè)定，本次的條件設(shè)定為，澆注溫度為1350℃，型砂的初始溫度為25℃，鑄件和砂型、砂芯的熱交換系數(shù)為500W/（m2·℃）。另外，在網(wǎng)格的剖分環(huán)節(jié)，模型采用的是ProCAST軟件劃分網(wǎng)格

3.2 對具體的充型過程進行分析

首先在時間上，整個充型過程經(jīng)過了14.59s，其次通過對ProCAST軟件中上箱體鑄造過程中的充型過程進行數(shù)值分析后發(fā)現(xiàn)，金屬液在進入鑄件模型腔體的過程是以一種平緩的速度進行的，這種平緩的速度之下，能夠有效的減少金屬液的氧化情況的發(fā)生。當充型的時間過長，就會導致金屬液在腔體上升的過程中，長時間暴露在空氣中，進而導致了表面容易生長出氧化皮。同時，經(jīng)過數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，在整個充型的過程中，沒有出現(xiàn)明顯的卷氣現(xiàn)象。金屬液在流動的過程和中能夠，由于經(jīng)過內(nèi)澆口的速度較低，因此在沿著腔體的內(nèi)壁進入頂部的過程中，并不會對砂型產(chǎn)生較為嚴重的沖擊，另外，從整體的充型過程的溫度場來看，在底注式的澆筑系統(tǒng)中，金屬液在澆注過程中的溫度降低的速度比較慢，甚至是對于處在鑄件溫度的較低的邊緣地區(qū)，其金屬液的溫度仍然處于液相線以上[4]。因此，在這種澆注方式之下，鑄件的下部溫度高于上部溫度，這就使得鑄件的上下部溫差較大，不利于鑄件的補縮。

3.3 對整體的溫度場進行分析

通過對鑄件凝固過程的溫度場進行數(shù)值分析后，發(fā)現(xiàn)在鑄件的凝固過程中，頂部溫度較低因此最先凝固，而鑄件的底部溫度較高因此最后才凝固。同時，就散熱而言，由于表面的散熱速度快于內(nèi)部的散熱，因此鑄件的內(nèi)部溫度要高于表層溫度。經(jīng)過綜合分析，發(fā)現(xiàn)鑄件在頂部會產(chǎn)生明顯的孔縮，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是凝固過程中液態(tài)補縮不足。因此，在后面的優(yōu)化設(shè)計中要針對這一缺陷進行補救以及方案的優(yōu)化。

4 基于ProCAST軟件的機械傳動上箱體鑄造方案優(yōu)化

由于合金的液態(tài)收縮值和收縮值與球墨鑄鐵石墨化膨脹值相比較大，因此導致了鑄件的孔縮現(xiàn)象的產(chǎn)生。為解決這一問題，決定采用冒口來對于鑄件的固態(tài)收縮進行補充。冒口在鑄件上的位置如圖3所示。

圖3 冒口在鑄件上的位置示意圖

經(jīng)過ProCAST軟件對增加冒口的方案進行再次模擬后有以下發(fā)現(xiàn)，第一，縮孔的產(chǎn)生部位由鑄件上部轉(zhuǎn)移到冒口頂部，與鑄件的表面相離較遠。鑄件的表面不再有縮松、縮孔、塌陷等產(chǎn)生。第二，在運用ProCAST軟件進行鑄件的切片分析后發(fā)現(xiàn)，鑄件的內(nèi)部組織也呈現(xiàn)出均勻細密的狀態(tài)，并沒有出現(xiàn)縮松、縮孔的現(xiàn)象。因此可以得出結(jié)論，使用冒口來對于鑄件的固態(tài)收縮進行補充的優(yōu)化方案是可行的[5]。

5 結(jié)語

在鑄造工藝的設(shè)計過程中，鑄造工藝方案的正確性是首先需要得到保證的，通過ProCAST軟件對機械傳動上箱體的鑄造方案進行模擬分析，對鑄件的充型、凝固過程的數(shù)值進行了模擬，準確有效的預測出其中的縮孔、縮松的產(chǎn)生部位，針對這一問題進行了相應的改進工作，使用冒口來對于鑄件的固態(tài)收縮進行補充，成功的使得鑄件中的縮孔、縮松缺陷得以消除，進而實現(xiàn)了設(shè)計方案的優(yōu)化，生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄件，并且減少了中間過程的時間，大大提升了設(shè)計工作的效率。