“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：气动水泥卷钉枪气动水泥卷钉枪气动水泥卷钉枪 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 4.5x10-6 0.0029 0.0037 莫来石 3AL2O3·2SiO2 弱酸性 1775 4.5 5.1x10-6 0.005
4.3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
