基于ProCAST軟件的機械傳動上箱體鑄造工藝設計

盧秀明

（宿遷澤達職業技術學院，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

箱體類零件作為機器及其部件的基礎件，通過對軸、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，按照規定的運動關系進行協調配合，最終完成預定的運動[1]。然而在實際的運作過程中，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程中承受了較大的負荷，并且也會隨之產生一定的應力，當箱體承受了較大的負荷時，極易造成裂紋，進而導致了箱體的失效，從而造成了箱體的壽命縮短。

1 機械傳動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，往往在材質上選用的是球墨鑄鐵，在實際的輪廓尺寸上以1469mm×445mm×522mm為常見的尺寸規格。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劣，在經過ProCAST軟件的具體分析后發現底注式的澆筑系統更具優勢，因此本文以底注式的澆筑系統為主要的介紹對象。

1.2 機械傳動上箱體鑄造工藝生產方式選擇

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行生產，在進行砂型和砂型的造型材料的選擇上，樹脂砂由于其突出的優勢往往在選擇時脫穎而出，具體而言，樹脂砂有以下幾點優勢。第一，綜合性能優越。流動性強、易緊實、脫模時間調整性強、硬化后強度高、不易變形等綜合性能，使得樹脂砂被廣泛應用。第二，剛度高。剛度是箱體鑄造工藝中對材料的重要要求之一，在鑄造過程中的型壁位移現象會對砂型的尺寸精度產生重要的不利影響，樹脂砂的高剛度則很好的避免了澆注與凝固過程中的型壁位移，進而能夠使得砂型精度高。第三，生產周期短。由于樹脂砂省去了其他材料所需的烘干環節，進而大大加快了工程進度，同時也能夠節約的資源、能源。另外，由于樹脂砂的易緊實、潰散性好、便于清理等特點，又能夠大大降低勞動強度。另外，在材質的選擇上，上箱體零件選擇的是球墨鑄鐵，球墨鑄鐵件在凝固的過程中會因為析出石墨而會發生一定的體積膨脹，樹脂砂在硬化的過程中，由于高強度帶來的高質量，能夠為球墨鑄鐵的體積膨脹實現自我補縮創造條件[2]。

1.3 機械傳動上箱體的零件模型的創建

在進行正式的鑄造工藝前，需要對創建出具體的零件模型。零件模型的創建能夠加強設計者對零件的具體結構的理解，同時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。具體而言主要有以下幾個步驟，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、側視圖、俯視圖三個方面進行展示，具體的零件外形圖如圖1所示。其次，創建出三維的模型圖。三維模型圖詳見圖2。澆筑系統模型的創建環境具有一定的可選擇性，既可以在裝配環境中，也能夠在零件環境中進行，但這里需要注意的是，為了方便后期的零件加工制造，在澆筑系統中的各個組元最好是進行單獨的創建。當鑄造方案得以完成和確定之后，就可以對其進行相應的模擬測試了，然后根據測試的結果對其中的優良部分進行繼續保持，針對其中出現的問題進行修改完善。當問題解決后進行再次的測試，測試通過后，就能夠進行下一環節的裝置設計工作，這種做法能夠大大提前鑄件設計與生產的效率，在目前的機械制造行業得以廣泛應用，大大提升了整個行業的生產效率，同時也有效的節約的資源[3]。

圖1 外形圖

圖2 三維模型圖

2 ProCAST軟件的應用價值

隨著計算技術的不斷發展，就鑄造過程中的數值利用ProCAST軟件進行相應的模擬計算，不僅能夠促進生產的效率，更能夠在實際的鑄造工作開始之前，對工藝和設計進行預測，提前發現鑄件的問題和缺陷，并進行針對性的改進和優化。不僅能夠提升鑄件的質量，同時也能夠提升經濟效益和社會效益，節省了開支和節約了資源。

3 基于ProCAST軟件的機械傳動上箱體鑄造的數值分析

3.1 模擬分析前的必要的數據處理和準備工作

在進行模擬分析之前要進行相應的設計處理和邊界條件的設定，本次的條件設定為，澆注溫度為1350℃，型砂的初始溫度為25℃，鑄件和砂型、砂芯的熱交換系數為500W/（m2·℃）。另外，在網格的剖分環節，模型采用的是ProCAST軟件劃分網格

3.2 對具體的充型過程進行分析

首先在時間上，整個充型過程經過了14.59s，其次通過對ProCAST軟件中上箱體鑄造過程中的充型過程進行數值分析后發現，金屬液在進入鑄件模型腔體的過程是以一種平緩的速度進行的，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生。當充型的時間過長，就會導致金屬液在腔體上升的過程中，長時間暴露在空氣中，進而導致了表面容易生長出氧化皮。同時，經過數值分析發現，在整個充型的過程中，沒有出現明顯的卷氣現象。金屬液在流動的過程和中能夠，由于經過內澆口的速度較低，因此在沿著腔體的內壁進入頂部的過程中，并不會對砂型產生較為嚴重的沖擊，另外，從整體的充型過程的溫度場來看，在底注式的澆筑系統中，金屬液在澆注過程中的溫度降低的速度比較慢，甚至是對于處在鑄件溫度的較低的邊緣地區，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，不利于鑄件的補縮。

3.3 對整體的溫度場進行分析

通過對鑄件凝固過程的溫度場進行數值分析后，發現在鑄件的凝固過程中，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，就散熱而言，由于表面的散熱速度快于內部的散熱，因此鑄件的內部溫度要高于表層溫度。經過綜合分析，發現鑄件在頂部會產生明顯的孔縮，這一現象產生的原因是凝固過程中液態補縮不足。因此，在后面的優化設計中要針對這一缺陷進行補救以及方案的優化。

4 基于ProCAST軟件的機械傳動上箱體鑄造方案優化

由于合金的液態收縮值和收縮值與球墨鑄鐵石墨化膨脹值相比較大，因此導致了鑄件的孔縮現象的產生。為解決這一問題，決定采用冒口來對于鑄件的固態收縮進行補充。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

經過ProCAST軟件對增加冒口的方案進行再次模擬后有以下發現，第一，縮孔的產生部位由鑄件上部轉移到冒口頂部，與鑄件的表面相離較遠。鑄件的表面不再有縮松、縮孔、塌陷等產生。第二，在運用ProCAST軟件進行鑄件的切片分析后發現，鑄件的內部組織也呈現出均勻細密的狀態，并沒有出現縮松、縮孔的現象。因此可以得出結論，使用冒口來對于鑄件的固態收縮進行補充的優化方案是可行的[5]。

5 結語

在鑄造工藝的設計過程中，鑄造工藝方案的正確性是首先需要得到保證的，通過ProCAST軟件對機械傳動上箱體的鑄造方案進行模擬分析，對鑄件的充型、凝固過程的數值進行了模擬，準確有效的預測出其中的縮孔、縮松的產生部位，針對這一問題進行了相應的改進工作，使用冒口來對于鑄件的固態收縮進行補充，成功的使得鑄件中的縮孔、縮松缺陷得以消除，進而實現了設計方案的優化，生產出高質量鑄件，并且減少了中間過程的時間，大大提升了設計工作的效率。