基于CADCAE的壳体铸件低压铸造工艺设计

材料成型CAD/CAE/CAM作业基于CAD／CAE的壳体铸件低压铸造工艺设计主讲人：杨超摘要主要介绍壳体铸件运用CAD／CAE计算机技术进行低压铸造工艺设计的过程、基于PRO／E软件的低压铸件三维CAD模型设计Any—casting铸造模拟软件的CAE工艺模拟。三维CAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造工艺工装设计，CAD模拟能够使设计者在工艺阶段预测缺陷部位，从而及时改进工艺，提高工装模具结构的合理性和准确性。引言运用CAD／CAE技术对某壳体铸件进行低压铸造工艺设计和模拟，和传统铸造工艺设计手段相比，三维CAD能够使设计者比较直观和容易地进行铸造工艺工装设计，CAE模拟能够使设计者在工艺设计阶段预测缺陷部位，从而及时改进工艺，提高工装模具结构的合理性和准确性，有效缩短产品开发周期，保证铸件质量，满足产品使用要求，降低试制成本。正文1铸件结构工艺性分析1．1主要技术要求壳体属于复杂重要零件，承受一定的静载荷和确定的动载荷，材料为高强度铝合金，要求铸件力学性能吼≥300MPa，65≥1．5％，HBS≥100，试块力学性能为0rb≥334MPa，良≥2．0％，HBs≥100，重要部位不允许存在任何铸造缺陷，见图1中的1、2、3部位，铸造尺寸公差要求为GB／T6414C，17级。1．2铸件结构分析图1为该壳体铸件的Pro／E三维实体造型。外形尺寸约为320mmx190mm×150mm，该零件结构复杂，最小壁厚为8mm，法兰台较多，左边有一斜侧法兰，有3个方向的斜度，给工艺工装设计带来一定的难度。右边耳轴为明显局部厚大部位，厚达20mm，因此造成了壁厚的不均匀性。通过以上分析，发现由于该壳体是一种尺寸精度要求高、形状复杂、受力大、可靠性要求较高的铸件，故选用金属型低压铸造工艺。图l壳体铸件的Pro／E三维实体造型2工艺方案CAD设计2．1分型面和浇注位置的确定根据该壳体结构及低压铸造的工艺要求，分型面应选在大端面处，这样外形由下模形成，内腔由主型芯形成，模具整体性好，有利于保证尺寸精度，同时利于排气和提高模具寿命。根据分型面及低压铸造的特点，浇道位置选在下模的底部中心孔平面，这样有利于充型和补缩。侧法兰外缘和内孔由一侧芯整体形成。2．2浇口设计一般来说，低压铸件的加工余量为1—2mm，为增加补缩通道，在浇道处中心孔内圆加工余量为10mm，由枷Omm变成弘0mm，在浇道起始平面加工余量为8mm，浇道大端直径为拍5mm，起模斜度为5。。在分型面设置随形集渣包，使得最先流人的冷金属积聚到集渣包，该处开10mm×0．15mm的排气道，初始工艺模型示意图见图2。(a)凸模(b)凹模图2初始工艺模型示意图3低压铸造工艺参数的选择3．1升液速度的确定其中升液阶段的加压速度应使合金液平稳上升，升液速度一般控制在50mm／s左右，所需加压速度为0．014MPa／s，升液时间视充型压力而定。3．2充型压力和充型速度的确定一般根据帕斯卡原理来计算其充型压力值：P充=P2=μHγ式中，P充为充型压力，MPa；H为型腔顶部与坩埚中金属液面的距离，mm；γ为金属液重度(N／mm3)；μ为充型阻力系数，一般取1．2～1．5。充型速度是指充型过程中，金属液面在型腔中的平均上升速度，一般稍高于升液速度。控制不良会形成气孔和氧化夹渣，因此正确地控制加压速度是获得良好铸件的关键。3．3结壳时间t3的确定一般地说，采用金属型时结壳时间比较短，有时可以取消结壳时间，直接增压，但考虑到该壳体有厚大部位，结壳时间选择5s。3．4增压压力只及增压速度的确定液态金属在一定压力下进行结晶，是低压铸造的特点之一，因此增压压力也称为结晶压力，即充型结束后，在充型压力的基础上，再使压力增加一定数值，有利于铸件补缩，可有效地消除缩孔、缩松，提高组织的致密度，但由于铸型及设备条件等因素的限制，增压压力也不能太高。3．5保压时间t5的确定保压时间不足，铸件的凝固得不到充分的补缩，易出现缩孔、缩松缺陷。若保压时间过长，轻则使生产周期长、生产率下降，严重时使上部“冻住”，造成流通困难，甚至停产。生产上多以铸件浇口残余长度为依据，凭经验控制保压时间。3．6浇注温度和模具温度的确定目前使用的低压铸造机型号为J453E，根据以上原则和铸件参考模型的尺寸，分析计算得到以下工艺参数和加压规范(见图3)。合金浇注温度(680±20)℃外模预热温度(240±20)℃金属芯预热温度(240±20)℃浇口预热温度(310±20)℃图3加压规范示意图4CAE工艺模拟初始方案充型模拟见图4，凝固模拟见图5。结果显示法兰端部为最后充型部位，容易窝气；左边厚大部位内部有一处明显缩孔。改进方案：左边采用曲面分型，让法兰外缘直接带入上下型腔，只有内部圆柱芯采用侧抽，有利于排气，在中心浇口处增加3处放射状内浇道，见图6，使金属液完全能至下而上实现平稳充型，且加大补缩通道。按改进后方案对该铸件进行模拟分析没有发现缺陷，凝固模拟结果见图7。图4初始方案充型模型图5凝固模拟图6改进方案图7凝固模拟结果5Pr0／E模具设计对改进后的工艺模型(在Pr0／E里称之为参考模型)，经过拆模转化成型腔、型芯、浇注系统等模具零部件，再与设计好的模座装配成一套注射模具。同时Pro/E在拆模过程中还提供了一些必要的分析功能，如起模检测，厚度检查，模具开启及干涉检查等.5．1建立工件(Workpiece)参考模型之后要建立工件(workpiece)，一个简单的拉伸特征就可完成，即将来形成型腔实体的部分。5．2模型检验(ModelCheck）必须先检验模型的厚度(ThicknessCheck)、起模斜度(Dr出check)等几何特征，以确认成品的厚度及起模斜度是否符合设计要求。若不符合，便可及早发现并修改。5．3设定收缩率(AppIyShrinkage)不同的材料有不同的收缩率，为了补正体积收缩上的误差，必须将参照模型放大。Pro／E针对这个需要提供了一套设定收缩率的工具，根据该件的材料及低压铸造特征选用1％的收缩率。5．4建立分型面(PartingSurface)建立分型面时首先定义各型芯分型面，最后定义主分型面。一般都是先用增加(Add)一复制(C叩y)一选择(select)一单独曲面(IndivSu以)复制模型外表面，以生成初步的分型面，再用Modify—Add／Flat及Modify-Add／Extlllde来建立破孔面，形成不带破孔的分型面，最后将所有曲面合并(Merge)在一起。在所有分型面都做完后，需要延拓到工件表面。该壳体铸件模型共6个分型面，5个圆柱芯在复制完模型表面后，均再做一个封闭旋转曲面合并后生成。主分型面比较难做的是左侧法兰分型面的分割，要用到曲线和侧像投影，然后做一个平整面合并而成，见图8。图8分型面生成5．5建立模具体积块(MoldVolume)及模具元件（MoldComp)分型面完成之后，接着就要分割工件，建立模具体积块。首先利用型芯分型面分割出5个型芯，然后用主分型面分割出上下两半型，这样将坯料拆为7个模型体积块，并将其抽取为模具元件。利用刚生成的模具元件顺利生成模拟浇注件(M01ding)，说明拆模流程正确。关闭参考零件、坯料及分型面，利用Pr0／E的模具开启(MoldOpening)功能展示出开模状态，见图9。通过做干涉检查(Inte如renceCheck)，该模具在拔模时不会发生干涉。图9开模状态5．6模座及定位元件的设计一般而言，模座的构件大部分可利用拉伸(Protrusion)、旋转(Revolve)及剪切(Cut)等简易的实体特征来建构，这里不做叙述，设计完成后的模具装配图见图10。图10装配图小结：这次作业中我选择的课题是壳体铸件的设计与制造过程中CAD/CAE技术的运用。通过这次作业我了解到了壳体铸件的整个从设计到制造的一系列过程，也了解到CAD/CAE技术在壳体铸件设计制造过程中的重要性。谢谢老师！材控一班杨超20072732