盧秀明

（宿遷澤達(dá)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

箱體類零件作為機(jī)器及其部件的基礎(chǔ)件，通過(guò)對(duì)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(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)配合，最終完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)[1]。然而在實(shí)際的運(yùn)作過(guò)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(guò)程中承受了較大的負(fù)荷，并且也會(huì)隨之產(chǎn)生一定的應(yīng)力，當(dāng)箱體承受了較大的負(fù)荷時(shí)，極易造成裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致了箱體的失效，從而造成了箱體的壽命縮短。

1 機(jī)械傳動(dòng)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(shí)際的輪廓尺寸上以1469mm×445mm×522mm為常見(jiàn)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(guò)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(shì)，因此本文以底注式的澆筑系統(tǒng)為主要的介紹對(duì)象。

1.2 機(jī)械傳動(dòng)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(jìn)行生產(chǎn)，在進(jìn)行砂型和砂型的造型材料的選擇上，樹(shù)脂砂由于其突出的優(yōu)勢(shì)往往在選擇時(shí)脫穎而出，具體而言，樹(shù)脂砂有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)。第一，綜合性能優(yōu)越。流動(dòng)性強(qiáng)、易緊實(shí)、脫模時(shí)間調(diào)整性強(qiáng)、硬化后強(qiáng)度高、不易變形等綜合性能，使得樹(shù)脂砂被廣泛應(yīng)用。第二，剛度高。剛度是箱體鑄造工藝中對(duì)材料的重要要求之一，在鑄造過(guò)程中的型壁位移現(xiàn)象會(huì)對(duì)砂型的尺寸精度產(chǎn)生重要的不利影響，樹(shù)脂砂的高剛度則很好的避免了澆注與凝固過(guò)程中的型壁位移，進(jìn)而能夠使得砂型精度高。第三，生產(chǎn)周期短。由于樹(shù)脂砂省去了其他材料所需的烘干環(huán)節(jié)，進(jìn)而大大加快了工程進(jìn)度，同時(shí)也能夠節(jié)約的資源、能源。另外，由于樹(shù)脂砂的易緊實(shí)、潰散性好、便于清理等特點(diǎn)，又能夠大大降低勞動(dòng)強(qiáng)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(guò)程中會(huì)因?yàn)槲龀鍪鴷?huì)發(fā)生一定的體積膨脹，樹(shù)脂砂在硬化的過(guò)程中，由于高強(qiáng)度帶來(lái)的高質(zhì)量，能夠?yàn)榍蚰T鐵的體積膨脹實(shí)現(xiàn)自我補(bǔ)縮創(chuàng)造條件[2]。

1.3 機(jī)械傳動(dòng)上箱體的零件模型的創(chuàng)建

在進(jìn)行正式的鑄造工藝前，需要對(duì)創(chuàng)建出具體的零件模型。零件模型的創(chuàng)建能夠加強(qiáng)設(shè)計(jì)者對(duì)零件的具體結(jié)構(gòu)的理解，同時(shí)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(jìn)。具體而言主要有以下幾個(gè)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(gè)方面進(jìn)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(jiàn)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(jìn)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(gè)組元最好是進(jìn)行單獨(dú)的創(chuàng)建。當(dāng)鑄造方案得以完成和確定之后，就可以對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的模擬測(cè)試了，然后根據(jù)測(cè)試的結(jié)果對(duì)其中的優(yōu)良部分進(jìn)行繼續(xù)保持，針對(duì)其中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行修改完善。當(dāng)問(wèn)題解決后進(jìn)行再次的測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后，就能夠進(jìn)行下一環(huán)節(jié)的裝置設(shè)計(jì)工作，這種做法能夠大大提前鑄件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的效率，在目前的機(jī)械制造行業(yè)得以廣泛應(yīng)用，大大提升了整個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)效率，同時(shí)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(yīng)用價(jià)值

隨著計(jì)算技術(shù)的不斷發(fā)展，就鑄造過(guò)程中的數(shù)值利用ProCAST軟件進(jìn)行相應(yīng)的模擬計(jì)算，不僅能夠促進(jìn)生產(chǎn)的效率，更能夠在實(shí)際的鑄造工作開(kāi)始之前，對(duì)工藝和設(shè)計(jì)進(jìn)行預(yù)測(cè)，提前發(fā)現(xiàn)鑄件的問(wèn)題和缺陷，并進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)和優(yōu)化。不僅能夠提升鑄件的質(zhì)量，同時(shí)也能夠提升經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，節(jié)省了開(kāi)支和節(jié)約了資源。

3 基于ProCAST軟件的機(jī)械傳動(dòng)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(zhǔn)備工作

在進(jìn)行模擬分析之前要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(duì)具體的充型過(guò)程進(jìn)行分析

首先在時(shí)間上，整個(gè)充型過(guò)程經(jīng)過(guò)了14.59s，其次通過(guò)對(duì)ProCAST軟件中上箱體鑄造過(guò)程中的充型過(guò)程進(jìn)行數(shù)值分析后發(fā)現(xiàn)，金屬液在進(jìn)入鑄件模型腔體的過(guò)程是以一種平緩的速度進(jìn)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(dāng)充型的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就會(huì)導(dǎo)致金屬液在腔體上升的過(guò)程中，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，進(jìn)而導(dǎo)致了表面容易生長(zhǎng)出氧化皮。同時(shí)，經(jīng)過(guò)數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)，在整個(gè)充型的過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的卷氣現(xiàn)象。金屬液在流動(dòng)的過(guò)程和中能夠，由于經(jīng)過(guò)內(nèi)澆口的速度較低，因此在沿著腔體的內(nèi)壁進(jìn)入頂部的過(guò)程中，并不會(huì)對(duì)砂型產(chǎn)生較為嚴(yán)重的沖擊，另外，從整體的充型過(guò)程的溫度場(chǎng)來(lái)看，在底注式的澆筑系統(tǒng)中，金屬液在澆注過(guò)程中的溫度降低的速度比較慢，甚至是對(duì)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(bǔ)縮。

3.3 對(duì)整體的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析

通過(guò)對(duì)鑄件凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析后，發(fā)現(xiàn)在鑄件的凝固過(guò)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(shí)，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(guò)綜合分析，發(fā)現(xiàn)鑄件在頂部會(huì)產(chǎn)生明顯的孔縮，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是凝固過(guò)程中液態(tài)補(bǔ)縮不足。因此，在后面的優(yōu)化設(shè)計(jì)中要針對(duì)這一缺陷進(jìn)行補(bǔ)救以及方案的優(yōu)化。

4 基于ProCAST軟件的機(jī)械傳動(dòng)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(dǎo)致了鑄件的孔縮現(xiàn)象的產(chǎn)生。為解決這一問(wèn)題，決定采用冒口來(lái)對(duì)于鑄件的固態(tài)收縮進(jìn)行補(bǔ)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(guò)ProCAST軟件對(duì)增加冒口的方案進(jìn)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(yuǎn)。鑄件的表面不再有縮松、縮孔、塌陷等產(chǎn)生。第二，在運(yùn)用ProCAST軟件進(jìn)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(xì)密的狀態(tài)，并沒(méi)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(lái)對(duì)于鑄件的固態(tài)收縮進(jìn)行補(bǔ)充的優(yōu)化方案是可行的[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

在鑄造工藝的設(shè)計(jì)過(guò)程中，鑄造工藝方案的正確性是首先需要得到保證的，通過(guò)ProCAST軟件對(duì)機(jī)械傳動(dòng)上箱體的鑄造方案進(jìn)行模擬分析，對(duì)鑄件的充型、凝固過(guò)程的數(shù)值進(jìn)行了模擬，準(zhǔn)確有效的預(yù)測(cè)出其中的縮孔、縮松的產(chǎn)生部位，針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)工作，使用冒口來(lái)對(duì)于鑄件的固態(tài)收縮進(jìn)行補(bǔ)充，成功的使得鑄件中的縮孔、縮松缺陷得以消除，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄件，并且減少了中間過(guò)程的時(shí)間，大大提升了設(shè)計(jì)工作的效率。