球铁支架的铸造工艺设计及数值模拟

张荣芳 孟维云 李姣 孟昭兴/山东协和学院机电工程学院

球铁支架的铸造工艺设计及数值模拟

机械手抓手是本次设计主要的执行部件，主要是通过一个夹紧液压缸带动齿条的运动，然后带动与齿条连接配合的齿轮转动，实现手指的抓取与放开运动。

6.结语

此多用途机械手采用机械与液压相结合的观点进行了总体设计，通过对多用途机械手的结构形式、驱动装置、传动方式各组成部分进行的分析，并对实现灵活抓取货物进行详细设计分析，为使抓取物体灵活稳定而采用液压驱动，最后得到总体方案，符合设计要求。生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产；尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的应用。

[1]读秀知识库.码垛机器人轨迹规划与控制系统研究.

[2]费仁元.机器人机械设计与分析[M].北京,机械工业出版社.1998.9.

[3]许元昌.工业机器人[M].北京,机械工业出版社.1998.9.

[4]师忠秀.机械原理课程设计[M].北京,机械工业出版社.2003.7.

课题项目：

本文为2016年山东协和学院国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201613324065）。

首先对右铰链支架进行初步的铸造工艺方案设计，然后运用铸造数值模拟软件AnyCasting对其充型和凝固过程进行模拟，预测可能产生的铸造缺陷及部位，分析缺陷产生的原因，从而改进设计工艺。经多次模拟优化获得最佳工艺，可减少铸造缺陷，保证铸件质量。

铰链支架；铸造工艺；数值模拟

引言

AnyCasting铸造模拟软件系统是专门针对各种铸造工艺过程开发的仿真系统，可以进行铸造的充型、热传导和凝固过程的模拟分析。通过数值模拟可以较准确地预测铸件可能出现的缺陷大小、部位和发生的时间，从而在实际生产前进行工艺改造以保证铸件质量，减少铸件缺陷，降低生产成本[1-2]。

1.铰链支架的原始铸造工艺方案

右铰链支架材质为QT450-10，毛量约为11.676kg，轮廓尺寸为424.5mm×363mm×152.5mm。铸件安装部位表面需精加工且精度较高，其余为毛坯。铸件上下部位各有两条肋，肋与铸件连接部位容易产生热节。支架整体分布在两个平面，平面连接处形成拐角，易产生应力集中。铸件还有许多需要加工的小孔，由于孔径较小，不直接铸出。

该铸件材料选用自硬呋喃树脂砂，相同生产条件下出品率越高效益越好，但多件排布时横浇道太长将会导致铁液氧化、球化衰退严重，支架铸件采用一箱两件生产。为提高出品率浇注系统设置一个直浇道，直浇道设置在中间，然后分流出两个对称的横浇道，在每支横浇道上分出4个内浇道。支架壁较薄，不易安放冒口，支架壁较厚的安装孔部位可利用冷铁加快凝固速度，因此综合参考可采用无冒口铸造方案。

浇注系统设计为封闭—开放式，中注式浇注系统，使用这种浇注系统金属液进入型腔时流速大，充型平稳，另外，为了更好的撇渣，选择带过滤网的漏斗形浇口杯，在浇口杯处安放用油砂制成的厚为15mm的滤渣网，网孔上部直径为Φ6mm，下部为Φ7mm，提高金属液的质量。球墨铸铁浇注系统各组元的截面积虽可计算，但通常采用经验数据更接近实际，此处取

2.充型及凝固过程数值模拟

右铰链支架在此工艺方案的色温填充模拟结果如图1所示，以色温方式显示浇注过程中液流充型流动和温度变化，表现了流动与换热的实时耦合效果[3]，由此模拟结果可以看出金属液充型过程中的温度变化，铸件在整个充型过程中的温度分布基本上是纵向下部温度低，上部温度高，横向则是中心温度高，边缘温度低。初始浇注温度为1300°C，充型刚结束时的最低温度约为1210°C，说明充型过程中温度变化较小，充型完成时温度分布较为均匀。

图4-1 充型顺序及温度场分布(a)充型10 ％ (b)充型25％ (c)充型45％ (d)充型 70％ (e)充型85％ (f)充型100％

从充型过程温度分布来看，铸件在整个充型过程中的温度分布基本上是纵向下部温度低，上部温度高，横向则是中心温度高，边缘温度低。初始浇注温度为1300°C，充型刚结束时的最低温度约为1210°C，说明充型过程中温度变化较小，充型完成时温度分布较为均匀。

3.结论

Anycasting软件中的高级铸件分析，可以准确的预测铸件在实际浇注过程中容易出现缺陷的部位和类型。支架铸件关键部位有上部安装孔要求组织致密；下部直径100mm孔与周围四个孔有较高的位置度要求；侧耳、四根肋与支架本体连接部位容易形成热节，产生热裂，这些部位是模拟结果分析的重点。根据概率缺陷分析，支架铸件整体出现缺陷概率很小，尤其重要部分几乎不出现缺陷。

参考文献：

[1]柳百城.铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展[J].中国工程科学, 2000,2(9): 29-37.

[2]熊守美,许庆彦,康进武.铸造过程模拟仿真技术[M].北京：机械工业出版社，2004.[3]陈立亮,刘瑞祥.华铸CAE/InteCAST集成系统使用手册[M].武汉：华中科技大学华铸软件中心,2006.

课题项目：

本文为国家级大学生创新训练项目“靶上腔体铸造过程模拟仿真及工艺优化”（201613324077）。

作者简介：

张荣芳 （1985-），女，山东济南，汉，研究生，助教，主要从事金属的铸造成型研究。

朱英（1986-），女，汉，硕士研究生，主要研究方向：数字化设计与制造。

张荣芳 孟维云 李姣 孟昭兴/山东协和学院机电工程学院