球鐵支架的鑄造工藝設計及數值模擬

張榮芳 孟維云 李姣 孟昭興/山東協和學院機電工程學院

球鐵支架的鑄造工藝設計及數值模擬

機械手抓手是本次設計主要的執行部件，主要是通過一個夾緊液壓缸帶動齒條的運動，然后帶動與齒條連接配合的齒輪轉動，實現手指的抓取與放開運動。

6.結語

此多用途機械手采用機械與液壓相結合的觀點進行了總體設計，通過對多用途機械手的結構形式、驅動裝置、傳動方式各組成部分進行的分析，并對實現靈活抓取貨物進行詳細設計分析，為使抓取物體靈活穩定而采用液壓驅動，最后得到總體方案，符合設計要求。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平和勞動生產率，減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的應用。

[1]讀秀知識庫.碼垛機器人軌跡規劃與控制系統研究.

[2]費仁元.機器人機械設計與分析[M].北京,機械工業出版社.1998.9.

[3]許元昌.工業機器人[M].北京,機械工業出版社.1998.9.

[4]師忠秀.機械原理課程設計[M].北京,機械工業出版社.2003.7.

課題項目：

本文為2016年山東協和學院國家級大學生創新創業訓練計劃項目（項目編號：201613324065）。

首先對右鉸鏈支架進行初步的鑄造工藝方案設計，然后運用鑄造數值模擬軟件AnyCasting對其充型和凝固過程進行模擬，預測可能產生的鑄造缺陷及部位，分析缺陷產生的原因，從而改進設計工藝。經多次模擬優化獲得最佳工藝，可減少鑄造缺陷，保證鑄件質量。

鉸鏈支架；鑄造工藝；數值模擬

引言

AnyCasting鑄造模擬軟件系統是專門針對各種鑄造工藝過程開發的仿真系統，可以進行鑄造的充型、熱傳導和凝固過程的模擬分析。通過數值模擬可以較準確地預測鑄件可能出現的缺陷大小、部位和發生的時間，從而在實際生產前進行工藝改造以保證鑄件質量，減少鑄件缺陷，降低生產成本[1-2]。

1.鉸鏈支架的原始鑄造工藝方案

右鉸鏈支架材質為QT450-10，毛量約為11.676kg，輪廓尺寸為424.5mm×363mm×152.5mm。鑄件安裝部位表面需精加工且精度較高，其余為毛坯。鑄件上下部位各有兩條肋，肋與鑄件連接部位容易產生熱節。支架整體分布在兩個平面，平面連接處形成拐角，易產生應力集中。鑄件還有許多需要加工的小孔，由于孔徑較小，不直接鑄出。

該鑄件材料選用自硬呋喃樹脂砂，相同生產條件下出品率越高效益越好，但多件排布時橫澆道太長將會導致鐵液氧化、球化衰退嚴重，支架鑄件采用一箱兩件生產。為提高出品率澆注系統設置一個直澆道，直澆道設置在中間，然后分流出兩個對稱的橫澆道，在每支橫澆道上分出4個內澆道。支架壁較薄，不易安放冒口，支架壁較厚的安裝孔部位可利用冷鐵加快凝固速度，因此綜合參考可采用無冒口鑄造方案。

澆注系統設計為封閉—開放式，中注式澆注系統，使用這種澆注系統金屬液進入型腔時流速大，充型平穩，另外，為了更好的撇渣，選擇帶過濾網的漏斗形澆口杯，在澆口杯處安放用油砂制成的厚為15mm的濾渣網，網孔上部直徑為Φ6mm，下部為Φ7mm，提高金屬液的質量。球墨鑄鐵澆注系統各組元的截面積雖可計算，但通常采用經驗數據更接近實際，此處取

2.充型及凝固過程數值模擬

右鉸鏈支架在此工藝方案的色溫填充模擬結果如圖1所示，以色溫方式顯示澆注過程中液流充型流動和溫度變化，表現了流動與換熱的實時耦合效果[3]，由此模擬結果可以看出金屬液充型過程中的溫度變化，鑄件在整個充型過程中的溫度分布基本上是縱向下部溫度低，上部溫度高，橫向則是中心溫度高，邊緣溫度低。初始澆注溫度為1300°C，充型剛結束時的最低溫度約為1210°C，說明充型過程中溫度變化較小，充型完成時溫度分布較為均勻。

圖4-1 充型順序及溫度場分布(a)充型10 ％ (b)充型25％ (c)充型45％ (d)充型 70％ (e)充型85％ (f)充型100％

從充型過程溫度分布來看，鑄件在整個充型過程中的溫度分布基本上是縱向下部溫度低，上部溫度高，橫向則是中心溫度高，邊緣溫度低。初始澆注溫度為1300°C，充型剛結束時的最低溫度約為1210°C，說明充型過程中溫度變化較小，充型完成時溫度分布較為均勻。

3.結論

Anycasting軟件中的高級鑄件分析，可以準確的預測鑄件在實際澆注過程中容易出現缺陷的部位和類型。支架鑄件關鍵部位有上部安裝孔要求組織致密；下部直徑100mm孔與周圍四個孔有較高的位置度要求；側耳、四根肋與支架本體連接部位容易形成熱節，產生熱裂，這些部位是模擬結果分析的重點。根據概率缺陷分析，支架鑄件整體出現缺陷概率很小，尤其重要部分幾乎不出現缺陷。

參考文獻：

[1]柳百城.鑄件凝固過程的宏觀及微觀模擬仿真研究進展[J].中國工程科學, 2000,2(9): 29-37.

[2]熊守美,許慶彥,康進武.鑄造過程模擬仿真技術[M].北京：機械工業出版社，2004.[3]陳立亮,劉瑞祥.華鑄CAE/InteCAST集成系統使用手冊[M].武漢：華中科技大學華鑄軟件中心,2006.

課題項目：

本文為國家級大學生創新訓練項目“靶上腔體鑄造過程模擬仿真及工藝優化”（201613324077）。

作者簡介：

張榮芳 （1985-），女，山東濟南，漢，研究生，助教，主要從事金屬的鑄造成型研究。

朱英（1986-），女，漢，碩士研究生，主要研究方向：數字化設計與制造。

張榮芳 孟維云 李姣 孟昭興/山東協和學院機電工程學院