“永冠杯”首届中国大学生铸造工艺设计大赛作品名称：气动水泥卷钉枪枪头精铸工艺设计与优化参赛人姓名：指导老师：气动水泥卷钉枪枪头精铸工艺设计与优化本次大赛所选零件来自于某精铸企业，由于零件尺寸小，结构复杂，壁厚较小且不均匀，材料为铸钢，故采用熔模铸造工艺进行生产。
首先针对零件的结构进行工艺分析，初步制定工艺方案，然后应用Procast对工艺方案进行数值模拟，根据模拟结果对初始方案进行优化设计，并进行数值模拟。
由模拟结果可知优化方案可以继续被优化，优化之后进行模拟验证，得到最终工艺方案。
1.产品信息零件名称：气动水泥卷钉枪枪头用途：用于气动水泥卷钉枪枪头（如图1所示）图1.气动水泥卷钉枪枪头材质：ZG40Cr零件要求：基本上受力较大，不能出现缩孔缩松。
而且由于是气动工具，法兰端面与气缸配合，所以，气密性要求较高，零件加工后不能出现缩孔缩松。
工艺方法：熔模铸造2.产品模型及工艺设计产品模型见图2.1。
铸件最大长度为100mm，宽度为100mm，壁厚为15mm，位于铸件上部法兰端面，最薄处为3mm，位于铸件中部。
该铸件结构复杂，壁厚不均匀，材料为ZG40Cr。
铸件不允许出现缩孔、缩松，内外表面不允许有气孔、砂眼、夹砂等注式浇注系统，有利于金属液的充型和补缩，但金属液对型壁冲击力较大，易飞溅，使铸件产生夹渣和气孔等缺陷。
考虑到该铸件高度较低，结果复杂，金属液对型壁的冲击力较小，飞溅倾向小。
浇注位置位于铸件圆形法兰端面，该面为较大平面，易于浇道的清理，对铸件表面质量影响不大。
图2.1 产品模型图2.2 工艺方案3.凝固过程数值模拟流程Procast模拟流程如图2.1所示。
4.凝固模拟前处理 4.1建立模型及网格划分为了便于分析，将实际生产时的浇注系统进行简化，取单个铸件进行模拟分析，如图4.1。
首先使用Pro/E 软件进行铸件的三维建模。
建模完毕以后，将文件转换为可被Procast 接受的文件格式，如STEP(STP)。
将STEP(STP)文件导入Procast 软件自带的网格划分工具MeshCAST ，进行网格划分的剖分，见图4.2和图4.3。
铸件与型壳总结点数为77511个，总单元体数为343461个。
从图4.2可以看到，零件网格划分比浇注系统部分致密，这是为了保证零件部位模拟的准确性。
图3. Procast 软件模拟流程改进图4.1 简化模型图4.2 铸件网格模型图4.3 型壳网格模型4.2热物性参数模拟中铸件材料为40Cr，其热物性参数主要包括热导率λ、比热C、热焓H、密度ρ等，见表4.1。
这些参数一般均随温度的变化而变化，所以称为变热物性参数。
40Cr 的液相线温度为1491℃，固相线温度为1429℃。
耐火材料是制造型壳的主要材料。
型壳的一些主要性能都与耐火材料的物理、化学性质有关。
实际生产及模拟分析时，表面层和加固层的型壳材料分别选为锆英石和莫来石，其材料的物理、化学性质如表4.2所示。
表4.1 40Cr热物性参数物性参数200℃400℃600℃800℃1000℃1200℃1400℃1600℃密度/(kg/m3) 7690 7670 7660 7640 7635 7620 7610 7275 热焓/ (KJ/Kg) 70 195 295 580 630 795 930 1310 比热/(KJ/Kg/K) 0.52 0.61 0.75 0.96 0.65 0.66 0.71 0.79 热导率/(W/m/K) 49 42 35 26 28 30 31 24表4.2 制壳所用耐火材料的物理、化学性质材料名称分子式化学性质熔化温度（℃）比重(g/cm3)线膨胀系数a(1/℃)20~1000℃导热系数λ（K/cm·s·℃）400℃1200℃锆英石ZrO2·SiO2两性1810 3.16 4.5x10-60.0029 0.0037 莫来石3AL2O3·2SiO2弱酸性1775 4.5 5.1x10-60.0054.3初始条件及边界条件模拟的初始条件和边界条件与工厂实际生产相同，具体数据如下：金属液浇注温度为1550℃；型壳焙烧温度为1000℃；浇注时间为3s；重力加速度9.8m/s2。
铸件与型壳的传热系数为300 W/m2/K。
型壳与周围空气的传热系数为10W/m2/K。
5模拟分析结果与生产实际结果对比5.1铸件充型时的固相率分析图 5.1为铸件凝固过程中内部金属液的固相率分布图。
从图 5.1中可以看出，当time=42.9s时，铸件左侧金属液通道被隔断。
当time=48.4s时，铸件左侧底部出现了孤立的液相区，将此部位称为1处。
该处金属液凝固时，体积收缩无法得到补缩，易产生缩孔、缩松缺陷。
同样，当time=92.6s时，铸件右侧金属液通道被隔断。
当time=96.9s 时，铸件右侧底部出现孤立的液相区，将此部位称为2处。
该处金属液凝固时，体积收缩无法得到补缩，易产生缩孔、缩松缺陷。
（a）time=42.9s （b）time=48.4s（c）time=92.9s（d）time=96.9s图5.1铸件充型时的固相率变化5.2模拟结果与实际生产的对比从模拟结果分析可知，图5.2（a）中铸件左侧两壁相接处即1处，易产生缩孔、缩松缺陷。
而从图5.2（b）中箭头所指部位，实际生产中产生缩松缺陷概率相当大，已达到60%。
由模拟结果分析可知，图5.2（c）中铸件右侧底部即2处，易产生缩孔、缩松缺陷。
对铸件做剖切处理，从图5.2（d）中白线圈处，产生了缩孔缺陷。
可以得出：此次数值模拟分析结果与实际生产结果基本吻合。
（a）模拟结果1处（b）实际结果1处（c）模拟结果2处（d）实际结果2处图5.2 模拟结果与实际结果对比6工艺方案改进6.1方案改进针对1处缩孔、缩松缺陷，开设补缩浇道困难，则可从其冷却方式入手。
因为在凝固过程，铸件中部薄壁处金属液凝固过快，致使与1处相连的金属液体通道被隔断，无法对该处进行补缩。
可在型壳表面如图6.1红色部位包裹石棉等保温材料，减缓薄壁处的冷却速度，保证补缩通道的畅通。
对于2处缩孔、缩松缺陷，可从浇注系统入手，开设补缩浇道，专门对其补缩，如图6.2。
由于与2处相接的部分为较大平面，且距离直浇道较近，在此处开设分浇道易于清理和补缩。
图5.1 包裹石棉图6.2 开设补缩浇道6.2改进方案边界条件此次模拟只需改变模拟的边界条件，其他工艺参数如材料设置、初始条件等都不变。
由于型壳1处部位包裹石棉，见图4.1红色部位，此处型壳传热速度比周围部位要慢，则该部分石棉与空气之间的换热系数为3 W/m2/K，而其它部分与空气之间的换热系数仍为10 W/m2/K。
6.3改进方案模拟结果与原方案模拟结果比较图6.3为改进方案模拟结果与原方案模拟结果对比图，其中图6.3（a）、（c）为原方可知，当time=42.9s时，原工艺方案的铸件由于薄壁处优先凝固，致使中部金属液体通道被割断，即模拟过程中出现断流现象,产生孤立液相区。
而从图6.3（b）箭头和圆圈标示处可知，当time=50s时，在1处并没有出现孤立的液相区,主要是因为改进方案中包裹石棉的部位，冷却慢，基本达到顺序凝固。
由图6.3（c）箭头和圆圈标示处可知，当time=92.9s时，原工艺方案的铸件在2处出现孤立的液相区。
而从图6.3（d）箭头和圆圈标示处可知，当time=102s时，优化方案的铸件从底部自下而上顺序凝固，在2处并没有出现孤立的液相区。
由以上两种方案的对比分析可知，采用优化方案，1处和2处的孤立液相区明显消失，缩孔、缩松倾向得到有效的控制，这也说明优化工艺措施是合理有效的。
（a）time=42.9s （b）time=50s（c）time=92.9s （d）time=102s原方案改进方案图6.3 优化工艺结果与原始工艺结果对比6.4试验验证及生产应用基于数值分析的改进工艺措施，进行熔模铸造工艺试验，对改进后的模拟结果进行验证。
图6.4为试验方案所增加的保温石棉及增设的补缩浇道。
图6.5为优化工艺后的铸件。
从图6.5（a）可以看出，1处部位缩孔、缩松明显消失，表明在型壳表面包裹石棉，确实能够减缓铸件该部位冷却速度，保证其周围补缩通道的畅通。
同样，从图 6.5（b）剖面图，可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明开设补缩通道确实有效，能够对该部分进行补缩。
该厂采用优化方案，铸件废品率由原来的60%减少到8%，大大减少企业生产成本。
图6.4 改进方案图6.5（a）表面质量图6.5（b）内部质量图6.5 改进方案生产的铸件7工艺方案优化7.1方案优化图7.1.1补缩浇道补缩作用的分析由模拟分析结果可知：改进工艺方案中所加的补缩浇道并没有起到补缩的作用，而是起了蓄热，调节铸件温度场的作用，使铸件达到顺序凝固，因此可以对工艺继续优化，即改变补缩浇道的结构。
如图7.1.2所示，将补缩浇道改为贴片，即在原补缩浇道下端所在部位增加一个贴片。
改进方案优化方案图7.1.2优化方案7.2优化方案数值分析图7.2优化方案数值分析由图7.2优化方案数值分析结果可以看出：优化方案中的贴片在铸件凝固过程中起了蓄热，调节铸件温度场，使铸件达到顺序凝固的作用，因此优化方案合理，这也说明了改进方案中补缩浇道的作用是蓄热，调节铸件温度场。
7.3试验验证及生产应用图7.3 优化方案生产的铸件对基于数值分析的优化工艺措施进行熔模铸造工艺试验，对优化后的模拟结果进行验证。
图7.3为按优化工艺方案生产的铸件。
图7.3中的剖面图可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明优化方案有效，贴片的作用明显。
优化方案节省了材料的用量，节约了熔炼的成本，降低了去除浇口的难度。
因此优化方案既降低了成本又提高了生产效率。