“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
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：气动水泥卷钉枪枪头
用途：用于气动水泥卷钉枪枪头（如图
1所示）
图1.气动水泥卷钉枪枪头
材质：ZG40Cr
零件要求：基本上受力较大，不能出现缩孔缩松。而且由于是气动工具，法兰端面与气
缸配合，所以，气密性要求较高，零件加工后不能出现缩孔缩松。
工艺方法：熔模铸造
2.产品模型及工艺设计
产品模型见图2.1。铸件最大长度为100mm，宽度为100mm，壁厚为15mm，位于铸件上部法兰端面，最薄处为3mm，位于铸件中部。该铸件结构复杂，壁厚不均匀，材料为ZG40Cr。铸件不允许出现缩孔、缩松，内外表面不允许有气孔、砂眼、夹砂等
铸件产生夹渣和气孔等缺陷。考虑到该铸件高度较低，结果复杂，金属液对型壁的冲击力较小，飞溅倾向小。浇注位置位于铸件圆形法兰端面，该面为较大平面，易于浇道的清理，对铸件表面质量影响不大。
图2.1 产品模型
3.凝固过程数值模拟流程
Procast模拟流程如图2.1所示。
图2.2 工艺方案
图3. Procast软件模拟流程
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 密度/(kg/m3) 热焓/ (KJ/Kg) 比热/(KJ/Kg/K) 热导率/(W/m/K)
200℃ 7690 70 0.52 49
400℃ 7670 195 0.61 42
600℃ 7660 295 0.75 35
800℃ 7640 580 0.96 26
1000℃ 7635 630 0.65 28
1200℃ 7620 795 0.66 30
1400℃ 7610 930 0.71 31
1600℃ 7275 1310 0.79 24
表4.2 制壳所用耐火材料的物理、化学性质
线膨胀系数
熔化温度
材料名称
分子式
化学性质
（℃）
比重 (g/cm)
20~1000℃
锆英石 莫来石
ZrO2·SiO2 3AL2O3·2SiO2
两性 弱酸性
1810 1775
3.16 4.5
4.5x10-6 5.1x10-6
400℃ 0.0029
1200℃ 0.0037 0.005
3
导热系数λ （K/cm·s·℃）
a(1/℃)
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2处，易产生缩孔、缩松缺陷。对铸件做剖切处理，从图5.2（d）中白线圈处，产生了缩孔缺陷。可以得出：此
次数值模拟分析结果与实际生产结果基本吻合。
（a）模拟结果1处 （b）实际结果
1处
（c）模拟结果2处 （d）实际结果2处
图5.2 模拟结果与实际结果对比
6工艺方案改进 6.1方案改进
针对1处缩孔、缩松缺陷，开设补缩浇道困难，则可从其冷却方式入手。因为在凝固过程，铸件中部薄壁处金属液凝固过快，致使与1处相连的金属液体通道被隔断，无法对该处进行补缩。可在型壳表面如图6.1红色部位包裹石棉等保温材料，减缓薄壁处的冷却速度，保证补缩通道的畅通。对于2处缩孔、缩松缺陷，可从浇注系统入手，开设补缩浇道，专门对其补缩，如图6.2。由于与2处相接的部分为较大平面，且距离直浇道较近，在此处开设分浇道易于清理和补缩。
图5.1 包裹石棉 图6.2 开设补缩浇道
6.2改进方案边界条件
此次模拟只需改变模拟的边界条件，其他工艺参数如材料设置、初始条件等都不变。由于型壳1处部位包裹石棉，见图4.1红色部位，此处型壳传热速度比周围部位要慢，则该部分石棉与空气之间的换热系数为3 W/m2/K，而其它部分与空气之间的换热系数仍为10 W/m2/K。
6.3改进方案模拟结果与原方案模拟结果比较
图6.3为改进方案模拟结果与原方案模拟结果对比图，其中图6.3（a）、（c）为原方
可知，当time=42.9s时，原工艺方案的铸件由于薄壁处优先凝固，致使中部金属液体通道被割断，即模拟过程中出现断流现象,产生孤立液相区。而从图6.3（b）箭头和圆圈标示处可知，当time=50s时，在1处并没有出现孤立的液相区,主要是因为改进方案中包裹石棉的部位，冷却慢，基本达到顺序凝固。由图6.3（c）箭头和圆圈标示处可知，当time=92.9s时，原工艺方案的铸件在2处出现孤立的液相区。而从图6.3（d）箭头和圆圈标示处可知，当time=102s时，优化方案的铸件从底部自下而上顺序凝固，在2处并没有出现孤立的液相区。由以上两种方案的对比分析可知，采用优化方案，1处和2处的孤立液相区明显消失，缩孔、缩松倾向得到有效的控制，这也说明优化工艺措施是合理有效的。
（a）time=42.9s （b）time=50s
（c）time=92.9s
原方案
（d）time=102s 改进方案
图6.3 优化工艺结果与原始工艺结果对比
6.4试验验证及生产应用
基于数值分析的改进工艺措施，进行熔模铸造工艺试验，对改进后的模拟结果进行验证。图6.4为试验方案所增加的保温石棉及增设的补缩浇道。图6.5为优化工艺后的铸件。从图6.5（a）可以看出，1处部位缩孔、缩松明显消失，表明在型壳表面包裹石棉，确实能够减缓铸件该部位冷却速度，保证其周围补缩通道的畅通。同样，从图6.5（b）剖面图，可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明开设补缩通道确实有效，能够对该部分进行补缩。该厂采用优化方案，铸件废品率由原来的60%减少到8%，大
大减少企业生产成本。
图
6.4 改进方案
图6.5（a）表面质量
图6.5 改进方案生产的铸件 图6.5（b）内部质量
7工艺方案优化
7.1方案优化
图7.1.1补缩浇道补缩作用的分析
由模拟分析结果可知：改进工艺方案中所加的补缩浇道并没有起到补缩的作用，而是起了蓄热，调节铸件温度场的作用，使铸件达到顺序凝固，因此可以对工艺继续优化，即改变补缩浇道的结构。如图7.1.2所示，将补缩浇道改为贴片，即在原补缩浇道下端所在部位增加一个贴片。
- 10 -
改进方案
图7.1.2优化方案
优化方案
7.2优化方案数值分析
图7.2优化方案数值分析
- 11 -
由图7.2优化方案数值分析结果可以看出：优化方案中的贴片在铸件凝固过程中起了蓄热，调节铸件温度场，使铸件达到顺序凝固的作用，因此优化方案合理，这也说明了改进方案中补缩浇道的作用是蓄热，调节铸件温度场。
7.3
试验验证及生产应用
图7.3 优化方案生产的铸件
对基于数值分析的优化工艺措施进行熔模铸造工艺试验，对优化后的模拟结果进行验证。图7.3为按优化工艺方案生产的铸件。图7.3中的剖面图可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明优化方案有效，贴片的作用明显。优化方案节省了材料的用量，节约了熔炼的成本，降低了去除浇口的难度。因此优化方案既降低了成本又提高了生产效率。
- 12 -
“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
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：气动水泥卷钉枪枪头
用途：用于气动水泥卷钉枪枪头（如图
1所示）
图1.气动水泥卷钉枪枪头
材质：ZG40Cr
零件要求：基本上受力较大，不能出现缩孔缩松。而且由于是气动工具，法兰端面与气
缸配合，所以，气密性要求较高，零件加工后不能出现缩孔缩松。
工艺方法：熔模铸造
2.产品模型及工艺设计
产品模型见图2.1。铸件最大长度为100mm，宽度为100mm，壁厚为15mm，位于铸件上部法兰端面，最薄处为3mm，位于铸件中部。该铸件结构复杂，壁厚不均匀，材料为ZG40Cr。铸件不允许出现缩孔、缩松，内外表面不允许有气孔、砂眼、夹砂等
铸件产生夹渣和气孔等缺陷。考虑到该铸件高度较低，结果复杂，金属液对型壁的冲击力较小，飞溅倾向小。浇注位置位于铸件圆形法兰端面，该面为较大平面，易于浇道的清理，对铸件表面质量影响不大。
图2.1 产品模型
3.凝固过程数值模拟流程
Procast模拟流程如图2.1所示。
图2.2 工艺方案
图3. Procast软件模拟流程
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 密度/(kg/m3) 热焓/ (KJ/Kg) 比热/(KJ/Kg/K) 热导率/(W/m/K)
200℃ 7690 70 0.52 49
400℃ 7670 195 0.61 42
600℃ 7660 295 0.75 35
800℃ 7640 580 0.96 26
1000℃ 7635 630 0.65 28
1200℃ 7620 795 0.66 30
1400℃ 7610 930 0.71 31
1600℃ 7275 1310 0.79 24
表4.2 制壳所用耐火材料的物理、化学性质
线膨胀系数
熔化温度
材料名称
分子式
化学性质
（℃）
比重 (g/cm)
20~1000℃
锆英石 莫来石
ZrO2·SiO2 3AL2O3·2SiO2
两性 弱酸性
1810 1775
3.16 4.5
4.5x10-6 5.1x10-6
400℃ 0.0029
1200℃ 0.0037 0.005
3
导热系数λ （K/cm·s·℃）
a(1/℃)
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2处，易产生缩孔、缩松缺陷。对铸件做剖切处理，从图5.2（d）中白线圈处，产生了缩孔缺陷。可以得出：此
次数值模拟分析结果与实际生产结果基本吻合。
（a）模拟结果1处 （b）实际结果
1处
（c）模拟结果2处 （d）实际结果2处
图5.2 模拟结果与实际结果对比
6工艺方案改进 6.1方案改进
针对1处缩孔、缩松缺陷，开设补缩浇道困难，则可从其冷却方式入手。因为在凝固过程，铸件中部薄壁处金属液凝固过快，致使与1处相连的金属液体通道被隔断，无法对该处进行补缩。可在型壳表面如图6.1红色部位包裹石棉等保温材料，减缓薄壁处的冷却速度，保证补缩通道的畅通。对于2处缩孔、缩松缺陷，可从浇注系统入手，开设补缩浇道，专门对其补缩，如图6.2。由于与2处相接的部分为较大平面，且距离直浇道较近，在此处开设分浇道易于清理和补缩。
图5.1 包裹石棉 图6.2 开设补缩浇道
6.2改进方案边界条件
此次模拟只需改变模拟的边界条件，其他工艺参数如材料设置、初始条件等都不变。由于型壳1处部位包裹石棉，见图4.1红色部位，此处型壳传热速度比周围部位要慢，则该部分石棉与空气之间的换热系数为3 W/m2/K，而其它部分与空气之间的换热系数仍为10 W/m2/K。
6.3改进方案模拟结果与原方案模拟结果比较
图6.3为改进方案模拟结果与原方案模拟结果对比图，其中图6.3（a）、（c）为原方
可知，当time=42.9s时，原工艺方案的铸件由于薄壁处优先凝固，致使中部金属液体通道被割断，即模拟过程中出现断流现象,产生孤立液相区。而从图6.3（b）箭头和圆圈标示处可知，当time=50s时，在1处并没有出现孤立的液相区,主要是因为改进方案中包裹石棉的部位，冷却慢，基本达到顺序凝固。由图6.3（c）箭头和圆圈标示处可知，当time=92.9s时，原工艺方案的铸件在2处出现孤立的液相区。而从图6.3（d）箭头和圆圈标示处可知，当time=102s时，优化方案的铸件从底部自下而上顺序凝固，在2处并没有出现孤立的液相区。由以上两种方案的对比分析可知，采用优化方案，1处和2处的孤立液相区明显消失，缩孔、缩松倾向得到有效的控制，这也说明优化工艺措施是合理有效的。
（a）time=42.9s （b）time=50s
（c）time=92.9s
原方案
（d）time=102s 改进方案
图6.3 优化工艺结果与原始工艺结果对比
6.4试验验证及生产应用
基于数值分析的改进工艺措施，进行熔模铸造工艺试验，对改进后的模拟结果进行验证。图6.4为试验方案所增加的保温石棉及增设的补缩浇道。图6.5为优化工艺后的铸件。从图6.5（a）可以看出，1处部位缩孔、缩松明显消失，表明在型壳表面包裹石棉，确实能够减缓铸件该部位冷却速度，保证其周围补缩通道的畅通。同样，从图6.5（b）剖面图，可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明开设补缩通道确实有效，能够对该部分进行补缩。该厂采用优化方案，铸件废品率由原来的60%减少到8%，大
大减少企业生产成本。
图
6.4 改进方案
图6.5（a）表面质量
图6.5 改进方案生产的铸件 图6.5（b）内部质量
7工艺方案优化
7.1方案优化
图7.1.1补缩浇道补缩作用的分析
由模拟分析结果可知：改进工艺方案中所加的补缩浇道并没有起到补缩的作用，而是起了蓄热，调节铸件温度场的作用，使铸件达到顺序凝固，因此可以对工艺继续优化，即改变补缩浇道的结构。如图7.1.2所示，将补缩浇道改为贴片，即在原补缩浇道下端所在部位增加一个贴片。
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改进方案
图7.1.2优化方案
优化方案
7.2优化方案数值分析
图7.2优化方案数值分析
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由图7.2优化方案数值分析结果可以看出：优化方案中的贴片在铸件凝固过程中起了蓄热，调节铸件温度场，使铸件达到顺序凝固的作用，因此优化方案合理，这也说明了改进方案中补缩浇道的作用是蓄热，调节铸件温度场。
7.3
试验验证及生产应用
图7.3 优化方案生产的铸件
对基于数值分析的优化工艺措施进行熔模铸造工艺试验，对优化后的模拟结果进行验证。图7.3为按优化工艺方案生产的铸件。图7.3中的剖面图可以看出缺陷2处的缩孔、缩松被消除，表明优化方案有效，贴片的作用明显。优化方案节省了材料的用量，节约了熔炼的成本，降低了去除浇口的难度。因此优化方案既降低了成本又提高了生产效率。
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