鑄件結構
關注創建者：匿名 創建時間：2021-10-19
鑄件結構的實例教程
一般情況下，鑄件的結構設計和鑄造工藝設計是由結構設計師和鑄造工藝師根據各自的經驗分別完成的。有時，鑄件的結構設計具有足夠的強度，但是其鑄造質量非常差，甚至難于鑄造成形。鑄造工藝師必須將問題反饋給結構設計師進行結構修改。這個過程將增加產品研發的時間和成本。
一些研究者已經采用不同學科的協同來解決上述矛盾。并行工程用作一種有效的結構設計和優化鑄造工藝的方法被提出，通過鑄件結構和工藝的并行優化，以滿足日益嚴格的鑄件質量要求。合理的鑄件設計應具有足夠的結構強度，以滿足使用要求，同時要具有良好的鑄造可行性。
數字化制造技術包括計算機輔助設計、計算機輔助制造和計算機輔助工藝優化。它可以根據不同的情況，快速調改生產工藝，從而減少研發時間和降低研發成本。鑄件的結構和工藝能夠很方便的進行調改，這是虛擬制造和實際生產的主要區別。
本文以高速列車高強鋁合金軸箱為例，基于數值模擬技術，討論了一種結構和工藝協同設計的新方法。采用ANSYS軟件進行結構應力分析評估鑄件的結構強度，采用ProCAST軟件進行鑄件的凝固過程分析，以提高鑄件的內在質量。軸箱體的應力分析和凝固過程分析重復進行，直到鑄件的強度滿足使用要求，而鑄件的內部尤其是受力關鍵部位無縮孔、縮松現象，從而使鑄件達到一個良好的鑄造可行性。圖1所示為協同設計的流程。通過計算機仿真技術，能夠縮短鑄件的研發周期，降低成本。
圖1 協同設計流程
1．原始方案的模擬
為了指導軸箱體的結構設計和評估其結構強度是否滿足使用要求，采用ANSYS軟件進行了軸箱體的應力分析。軸箱體的3D模型采用ProE軟件建立，如圖2所示。
采用ANSYS對軸箱體進行穩態的結構應力分析，得到的軸箱體應力分布云圖如圖3所示。
由圖3可知，最大應力發生在搖臂孔的邊緣，最大值是67MPa，該值遠低于材料的強度427MPa。
展開 根據筆者30年來的鑄造工廠生產實踐經驗總結和思考認為：鑄件結構全部設置于下箱（鑄件結構自然允許者）、或創造（工藝）條件將鑄件全部結構或鑄件重要結構設置于下箱，是解決眾多黑色金屬鑄件砂型鑄造易產生氣孔、縮孔、縮松、錯箱等鑄造缺陷的最好澆注位置設計方案，亦即筆者極力主張“砂型鑄造鑄件下箱優先設置”，如圖5至圖8所示。鑄件結構下箱優先設置方案，比之于圖1至圖4所示的鑄件傳統的澆注位置鑄造工藝方案，主要具有如下幾個方面的工藝優點。
2.1型腔排氣充分
圖5至圖8所示的鑄件分型面設置方案，鑄件結構全部設置于下箱、或創造工藝條件將鑄件全部結構（或鑄件重要結構設置于下箱）的澆注位置鑄造方案，其極為重要的鑄造工藝優點之一便是：充分地利用上、下箱的分型面對型腔進行排氣，其分型面是一個天然（自然）的排氣面，而且其處于鑄件的最高面處（鑄件結構自然允許其全部設置于下箱或創造工藝條件將鑄件全部結構設置于下箱）或其處于鑄件主要結構的最高面處（創造工藝條件將鑄件重要結構設置于下箱）。
這種分型面處于鑄件頂面或鑄件主要結構面，利用分型面排氣的方式是砂型鑄造工藝中極為可靠、有效和充分的排氣方式和途徑，是解決相關黑色金屬鑄件砂型鑄造氣孔缺陷的重要工藝方法和技術措施。
2.2可優化設計澆注系統
圖5至圖8所示的鑄件澆注位置及分型面設置方案，因鑄件結構全部設置于下箱、及創造工藝條件將鑄件全部結構或鑄件重要結構設置于下箱，其為鑄件澆注系統的優化設置創造了基礎（工藝）條件，鑄件可很好地設計出頂注式澆注（系統）方式。
展開 根據筆者30年來的鑄造工廠生產實踐經驗總結和思考認為：鑄件結構全部設置于下箱（鑄件結構自然允許者）、或創造（工藝）條件將鑄件全部結構或鑄件重要結構設置于下箱，是解決眾多黑色金屬鑄件砂型鑄造易產生氣孔、縮孔、縮松、錯箱等鑄造缺陷的最好澆注位置設計方案，亦即筆者極力主張“砂型鑄造鑄件下箱優先設置”，如圖5至圖8所示。鑄件結構下箱優先設置方案，比之于圖1至圖4所示的鑄件傳統的澆注位置鑄造工藝方案，主要具有如下幾個方面的工藝優點。
2.1型腔排氣充分
圖5至圖8所示的鑄件分型面設置方案，鑄件結構全部設置于下箱、或創造工藝條件將鑄件全部結構（或鑄件重要結構設置于下箱）的澆注位置鑄造方案，其極為重要的鑄造工藝優點之一便是：充分地利用上、下箱的分型面對型腔進行排氣，其分型面是一個天然（自然）的排氣面，而且其處于鑄件的最高面處（鑄件結構自然允許其全部設置于下箱或創造工藝條件將鑄件全部結構設置于下箱）或其處于鑄件主要結構的最高面處（創造工藝條件將鑄件重要結構設置于下箱）。
這種分型面處于鑄件頂面或鑄件主要結構面，利用分型面排氣的方式是砂型鑄造工藝中極為可靠、有效和充分的排氣方式和途徑，是解決相關黑色金屬鑄件砂型鑄造氣孔缺陷的重要工藝方法和技術措施。
2.2可優化設計澆注系統
圖5至圖8所示的鑄件澆注位置及分型面設置方案，因鑄件結構全部設置于下箱、及創造工藝條件將鑄件全部結構或鑄件重要結構設置于下箱，其為鑄件澆注系統的優化設置創造了基礎（工藝）條件，鑄件可很好地設計出頂注式澆注（系統）方式。
展開 中國約在公元前1700～前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的水平。鑄模的材料可以是砂、金屬甚至陶瓷。應不同要求，使用的方法也會有所不同。每一種鑄造工藝都有哪些特點？適合做哪類產品？
一、砂型鑄造
鑄件材質：各種材質
鑄件質量：幾十克——幾十噸至幾百噸
鑄件表面質量：差
鑄件結構：簡單
生產成本：低
適用范圍：最常用的鑄造方法。手工造型適用于單件、小批量和難以使用造型機的形狀復雜的大型鑄件。機器造型適用于批量生產的中、小鑄件。
工藝特點：手工造型：靈活、易行，但生產效率低，勞動強度高，尺寸精度和表面質量低。機器造型：尺寸精度和表面質量高，但投資大。
簡述：砂型鑄造是當今鑄造業中使用最普遍的鑄造工藝，適用于各種材質，鐵合金，非鐵合金鑄造都能用砂型鑄造。可以生產從幾十克到幾十噸，及更大的鑄造件。砂型鑄造的不足之處是：只能生產結構相對簡單的鑄件。砂型鑄造最大的優勢是：生產成本低。但在表面光潔度、鑄件金相，內部密度相對較低。在造型方面，可手工造型，亦可機器造型。手工造型適用于單件、小批量和難以使用造型機的形狀復雜的大型鑄件。機器造型可大幅度提高表面精度和尺寸精度，但，投資較大。
二、熔模鑄造
鑄件材質：鑄鋼及非鐵合金
鑄件質量：幾克---幾千克
鑄件表面質量：很好
鑄件結構：任何復雜
生產成本：批量生產時，比完全用機械加工生產便宜
適用范圍：各種批量的鑄鋼及高熔點的合金的小型復雜精密鑄件，特別適合鑄造藝術品、精密機械零件。
工藝特點：尺寸精度、表面光潔，但生產效率低。
簡述：熔模鑄造工藝起源較早，在我國，春秋時期迷模鑄造工藝就已經應用在貴族的飾品制作方面了。熔模鑄造件一般比較復雜，不適用大型鑄件。
展開 中國約在公元前1700～公元前1000年之間已進入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達到相當高的水平。鑄模的材料可以是砂、金屬甚至陶瓷。應不同要求，使用的方法也會有所不同。每一種鑄造工藝都有哪些特點？適合做哪類產品？
一、砂型鑄造
鑄件材質：各種材質
鑄件質量：幾十克至幾十噸、幾百噸
鑄件表面質量：差
鑄件結構：簡單
生產成本：低
適用范圍：最常用的鑄造方法。手工造型適用于單件、小批量和難以使用造型機的形狀復雜的大型鑄件。機器造型適用于批量生產的中、小鑄件。
工藝特點：手工造型：靈活、易行，但生產效率低，勞動強度高，尺寸精度和表面質量低。機器造型：尺寸精度和表面質量高，但投資大。
簡述：砂型鑄造是當今鑄造業中使用最普遍的鑄造工藝，適用于各種材質，鐵合金，非鐵合金鑄造都能用砂型鑄造。可以生產從幾十克到幾十噸，及更大的鑄造件。砂型鑄造的不足之處是：只能生產結構相對簡單的鑄件。砂型鑄造最大的優勢是：生產成本低。但在表面光潔度、鑄件金相，內部密度相對較低。在造型方面，可手工造型，亦可機器造型。手工造型適用于單件、小批量和難以使用造型機的形狀復雜的大型鑄件。機器造型可大幅度提高表面精度和尺寸精度，但，投資較大。
二、熔模鑄造
鑄件材質：鑄鋼及非鐵合金
鑄件質量：幾克至幾千克
鑄件表面質量：很好
鑄件結構：任何復雜
生產成本：批量生產時，比完全用機械加工生產便宜
適用范圍：各種批量的鑄鋼及高熔點的合金的小型復雜精密鑄件，特別適合鑄造藝術品、精密機械零件。
工藝特點：尺寸精度、表面光潔，但生產效率低。
簡述：熔模鑄造工藝起源較早，在我國，春秋時期迷模鑄造工藝就已經應用在貴族的飾品制作方面了。
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HPDC工藝優化與成本降低11個月前
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影片展示了三種不同內澆口設計在充填柱狀結構時的表現：
? 版本 1 和 版本 3 出現了大面積的滯留空氣區域；
? 版本 2 實現了平穩順暢的充填過程，兩個金屬前沿同時推進，連續填滿鑄件結構；
? 通過將內澆口系統布置在結構的中央位置，使得空氣能夠順利從 T
圖2 一體化鑄件
二、研究方法
考慮到設計和生產技術的工藝條件，通過結構優化提高鑄造零件的產品質量，因為結構力學和生產技術相互影響，在結構中鑄件開發過程使用拓撲和形狀優化，并提出有建設性的工藝條件，來將鑄件結構優化以及優化目標和優化策略的推導，例如：鑄件的鑄造模擬以確定合適的方案和參數以及優化目標的形成（缺陷：氣蝕、孔隙率......）
由于鑄件結構復雜，因此電動馬達外殼的鑄造多采用CPS或重力鑄造。
圖2：整合化設計電動馬達殼包含冷卻通道及水套(通過制芯)
二、冷卻通道的設計
電動馬達外殼和冷卻通道的設計對于電動馬達的運轉是非常重要，同時優化通道設計還可以提升成本效益，其設計和優化可通過模擬分析來實現。
可以看出，沒有下落結構的鑄件抗拉強度和伸長率比較穩定，其抗拉強度平均值為191MPa，伸長率的平均值可以達到5.3 %；而具有30 mm 下落結構的鑄件抗拉強度和伸長率都出現了一些比較低的值。選取帶有下落結構中抗拉強度低于160MPa的試樣，對斷裂截面進行SEM分析，見圖8。
鑄件結構復雜，整個殼體呈弧形，表面設計有縱橫交錯的加強筋，以提高零件的整體強度；局部存在較多近圓柱形凸臺，最大高度達到20mm，使鑄件各部位壁厚差異較大。在鑄件一側存在一尺寸較大的凸起結構，與鑄件殼體部位高度差達到195mm。該減震塔用A380鋁合金壓鑄成型，鑄件凈重2.9kg。
3）精鑄件結構為三維實體模型，劃分網格在計算機的性能滿足條件下，網格盡量細化，才能使得有限元分析結果收斂，結果準確性更高。在網格計算中，對于實體單元應該使用二階單元，分析計算結果才能更接近實際值。
圖2 鑄件的造型結構
砂芯如圖3所示,種類有缸頂面芯、水套芯、缸孔芯、端面芯、油氣室芯、側面芯。水套芯、油氣室芯選用鉻礦復合砂;缸頂面芯、缸孔芯、前后端面芯、左右側面芯選用普通硅砂。砂芯組整體打包后機器人整體自動下芯。砂芯使用水基涂料。
熱處理是鎳基鑄造高溫合金改善性能必要的工藝過程，通過改變鑄件內部結構的形貌和分布或改變鑄件表面化學成分，可以提高鑄件的綜合力學性能、消除鑄造應力，或提高鑄件的耐腐蝕性能。本文主要論述了鎳基鑄造高溫合金及其熱處理工藝技術的研究進程，并對其進行了總結和分析，對未來進行展望，為后續的工業生產提供參考。
(4)鑄件結構影響:鑄件的體積與表面積之比(模數)越小，越有利于模型熱解產物排出，皺皮缺陷產生傾向越小。
(5)澆注溫度的影響:隨著澆注溫度的提高模料熱解更徹底，氣相產物比例增加，液、固相產物減少，有利于減少或消除皺皮現。
拓撲優化是在指定的優化空間內，考慮性能、工藝等多種約束和性能指標，對材料分布進行的結構優化，特別適用于鑄件類的結構設計。
