轴承套圈锻造工艺研究 轴承套圈的锻造是机械锻造中一个核心课题，文章对此展开论述，首先对轴承套圈锻造工艺现状进行简介，接着阐述轴承套圈锻造工艺的基本设计原则，在此基础上结合轴承套圈锻造工艺本身的特殊性，从建立产品及锻造工艺模型以及套圈锻造工艺的优化设计等方面进行深入的阐述。 标签：轴承套圈；锻造工艺；优化设计 引言 轴承套圈的锻造是机械锻造中比较典型的一类加工。轴承套圈指的是环形且有着多个滚道结构的向心轴承。轴承在机械制造等领域的应用十分广泛。其在结构上的优势是装拆过程十分简易、轴向不会发生改变、且轴向的位置能够轻易被调整。轴承套圈结合具体的结构，也可以细分成不少类型，例如圆锥内圈与外圈、双滚道内外圈等等。在机械锻造领域，对于轴承套圈锻造工艺的经验总结和方法优化是一个核心课题，掌握好轴承套圈锻造的工艺，一方面能够降低加工的支出成本，另一方面也能够保证套圈产品的质量，具有比较好的理论价值和实践意义。 1 轴承套圈锻造工艺概述 轴承套圈是一种应用非常广泛的机械部件，一个轴承套圈锻件成品一般都要经过多道次的毛坯逐点逐步锻造变形而获得，其具体的制造可以细分成四个步骤：粗模的锻造、锻件的热处理、在电脑监控下进行精确磨削、标志的添加。文章关注的重点是其在锻造的时候所采用的工艺。在零件的锻造中，如果由于工艺的不完善而导致的过烧、过热等情况发生，便会显著影响到轴承本身的强度和质量。因此一定要在锻造过程的全程中严格实时控制锻造环境的温度、循环加热等参数，尤其是一些体积相对较大的轴承品种，如果成品的温度超过了七百摄氏度，严禁以堆积的方式进行码放。文章的阐述均以圆锥滚子轴承套圈为例。此类轴承的锻造大部分使用的是单挤工艺，尤其是对一些体积偏大的轴承而言，应把锻造原料进行加热，并通过挤压使其基本成形，然后通过切芯扩孔，进行外径和内径的调整，形成轴承。 2 轴承套圈锻造工艺原则 （1）重量守恒。指的是所有锻造的锻件在质量方面要完全相同。这个准则一方面应该考虑参与锻造的锻件在煅烧工序之后的材料损失，包括火耗、尺寸公差等因素，另一方面还应顾及参与锻造的锻件在工序中，由于温度的变化，导致锻件本身的大小受到影响，只有严格控制以上的因素，才能够作出隔阂的轴承套圈锻造产品。（2）减少缺陷。轴承套圈的锻造是一个相对复杂的工艺过程，绝非几项简单操作的集合，必须在各类参数严格控制之下才能产出成品，由于外界环境并非完全理想，因此所有的工序均能够存在一些扰动因素而导致缺陷的发生。缺陷的外在表现形式，有时是毛刺、凹坑，有时是圆角等，假若无法在具体的工
铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。
! 收稿日期：２００６－０１－１６；修回日期：２００６－０７－１９ 作者简介：胡红军（１９７６－），男，重庆工学院讲师，主要研究铸造ＣＡＤ／ＣＡＥ软件研究和开发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｊ＠ｃｑｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 铸造工艺的数值模拟优化 胡红军，杨明波，龚喜兵，李国瑞 （重庆工学院材料科学与工程学院，重庆４０００５０） 摘 要：为了研究和预测铸造工艺对铸件质量的影响，设置合理的军用汽车转向臂的铸造浇冒口系统和工艺参数。应用铸 造模拟软件对转向臂的三种不同工艺方案进行凝固模拟，根据凝固模拟结果显示的缺陷及内部缩松情况，提出改进工艺方案并对其进行凝固模拟，选择最佳方案应用于生产。研究表明，３＃是最合理的浇冒口布置方式，最优的浇注温度８２５℃，浇注时间１５ｓ，采用水平分型。应用表明，铸造模拟软件能够准确地预测充型凝固过程中可能产生的缺陷，从而辅助工艺人员进行工艺优化。 关键词：凝固模拟；军用汽车转向臂；铸造工艺优化；浇冒口系统；缩孔；铸造模拟软件中图分类号：ＴＧ２５０．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－２４４Ｘ（２００６）０６－００５１－０３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＨＵＨｏｎｇ－ｊｕｎ，ＹＡＮＧＭｉｎｇ－ｂｏ，ＧＯＮＧＸｉ－ｂｉｎｇ，ＬＩＧｕｏ－ｒｕｉ （ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｃａｓｔｉｎｇｓｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｐｏｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｓｅｔ．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｈａｖｅｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｒｅ－ｓｕｌｔｓａｎｄａｐｐｅａｒａｎｃｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｉｎｎｅｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｓｉｎｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｏｂｒｉｎｇｆｏｒ－ｗａｒｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｅｌｅｃｔａｎｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｊｅｃｔｕｓｅｄｉｎｂａｔｃｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｎｏ．３ｃａｓｔｉｎｇｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｔｈｅｍｏｓｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ８２５℃，ｐｏｕｒｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１５ｓ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃａｎｈｅｌｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｍｏｌｄｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｌｉｄｉ－ｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｅｅｒｉｎｇａｒｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｓｅｄｉｎｈｅａｖｙｍｉｌｉｔａｒｙｔｒｕｃｋ；ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｕｒ－ｉｎｇａｎｄｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｃａｓｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ 铸造数值模拟是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，节约试制成本［１－４］。 １ 铸造过程充型数值模拟方法 军用汽车转向臂的几何实体造型采用ＵＧ软件建 立，在得到三维几何数据后，利用ＵＧ软件的反向出模模块，通过设定铝合金收缩率、铸件起模斜度、浇注系统的位置和分型面等，作为凝固模拟的几何模型。由于金属液充型过程数值模拟技术所涉及的控制方程多而复杂，需要根据连续性方程、动量方程及能量方程，并进 行速度场、压力场的反复迭代，计算量大而且迭代容易发散，致使其难度很大。通过不断完善数值计算方法，如有限差分法和ＳＯＬＡ－ＶＯＦ体积函数法，开发出一些实用软件。该产品的凝固模拟就是采用ＭＡＧＭＡ软件。作为整个模拟的核心部分，ＣＡＥ的数值模拟效果最终将影响模拟的真实与否。在液态金属浇注过程中，热传导过程计算是数值模拟的主要内容。处理热传导问题采用傅里叶定律（式１），式２是根据能量守恒定律推导的方程［５－８］。 ｑ＝－λ !ｔ !ｎ （１）ρｃ!ｔ!τ＝!!ｘ（λ!ｔ!ｘ）＋!!ｙ（λ!ｔ!ｙ）＋!!ｚ（λ!ｔ !ｚ）＋ｑｖ （２）其中ｑ为热流密度，λ为导热系数，ｔ为温度（函数）， ｎ为温度传递方向上的距离，Τ 为温度，ρ为密度，ｃ为质! ２００６年１１月兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２００６ 第２９卷第６期
第28卷第9期 2005年9月 合肥工业大学学报 (自然科学版) JOURNA L OF HEFEI UNI VERSITY OF TECH NO LOGY Vol.28No.9 Sept.2005 收稿日期:2005203206 基金项目:安徽省自然科学基金资助项目(03044105) 作者简介:刘全坤(1945-),男,江苏江阴人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师. 齿轮闭式锻造新工艺方案的数值模拟研究 刘全坤, 胡成亮, 王 强, 胡龙飞 (合肥工业大学材料科学与工程学院,安徽合肥 230009) 摘 要:齿形充填不满和成形力过高是齿轮闭式锻造典型方案的缺陷。模具几何形状是影响金属塑性流动的主要因素之一,通过改变模具的几何形状可以改变金属的塑性流动。文章通过有限单元法,对3种设计方案进行了二维模拟计算,从数值模拟结果中获得了各方案的应变场和速度场的分布情况,并进行比较分析,得出一种合理可行方案,该方案的坯料沿径向流动速度分布较为均匀;最后,通过三维有限元模拟技术进一步对可行方案进行验证,发现齿轮充填饱满,成形效果较好。关键词:直齿轮;闭式锻造;数值模拟;应变场;速度场 中图分类号:TG 311 文献标识码:A 文章编号:100325060(2005)0921035204 Numerical simulation research on a ne w technological scheme for closed 2die forging spur gear LI U Quan 2kun , H U Cheng 2liang , W ANG Qiang , H U Long 2fei (School of M aterial Science and Engineering ,Hefei University of T echnology ,Hefei 230009,China ) Abstract :Unsuccess ful corner filling and excessive deformation force are the main limitations of classical cold closed 2die forging of straight spur gear.The m old shape is one major factor which affects metal deformation rules ,but metal plastic deformation process can be controlled through the change of the m old shape.The finite element method is used herein to simulate the cold forging process of the spur gear ,and three design schemes with different m old and die shapes are researched.Als o the strain distributions and velocity distributions are investigated.A feasi 2ble scheme is attained by analyzing tw o 2dimensional numerical simulation results of these schemes.Finally ,the fea 2sible scheme is further validated by three 2dimensional numerical simulation ,and the simulation results show that the corner filling is im proved and the whole forming effect is g ood. K ey w ords :spur gear ;closed 2die forging ;numerical simulation ;strain field ;velocity field 齿轮是一种典型的机械传动零件,在机械行 业中大量使用,而直齿圆柱齿轮是各种齿轮中应用最为广泛的一种齿轮。目前,直齿圆柱齿轮主要是通过传统的金属切削加工或采用热模锻与切削加工相结合的方法来制造,生产成本高而且制造费时 [1] 。齿轮的冷精锻成形工艺具有提高强 度、节能降耗、提高生产率等优点,目前国内有很多科研工作者在从事这方面的研究[26] 。 直齿圆柱齿轮冷精锻过程中主要存在以下3个问题:①齿形充填不饱满;②成形力过高;③模具寿命低。在典型的闭式精锻过程中,齿轮的角隅往往难以充满,导致产品不合格;成形力过大,导致模具寿命降低。因此,如何使齿腔充满是保证齿轮质量的首要因素,它甚至是比如何降低成形力还要优先考虑,在实际生产中要求更为迫切。
《铁-石墨自生金属型特种成型技术》的优越性 我公司重点项目为：《铁-石墨自生金属型特种成型技术》 我公司与上海交通大学材料系联合研发该项技术：《铁-石墨自生金属型特种成型技术》，技术水平处于国内领先地位，该技 术及利用该技术生产的产品（FPM件主要用于汽车、机床、压缩机和液压件等）填补了省内空白。该技术是把铁碳合金在金属模中高速冷却，使得微观组织中的石墨形成致密的珊瑚状（具有分支的纤维），均匀分布在基体组织中。这种珊瑚状石墨由于是在合金液凝固过程中通过冷却速度的控制和加入微量元素而得到的，无须外加加入非金属强化材料（纤维或粒子），故被认为是自生复合材料。由于石墨本身具有优良的润滑性能，当该材料用于耐磨件时，一方面，石墨有润滑作用，另一方面，石墨剥落形成的显微凹坑可以在摩擦面上形成储油腔，使得在工件相互运动时可在配合面形成一层均匀的油膜，对材料起到保护作用.因此，铁-石墨自生复合材料作为高强度耐磨材料，具有广泛的用途。 表8典型金属型铸铁化学成分、组织与性能
注：1?表中化学成分含量百分数皆指质量分数。 2.净化球墨铸铁铁液，控制Ti、Pb、S、Mn、Cu等元素对金属型球铁质量也十分重要。 ①Mg :高冷却速度（铜）型薄壁件低硫铁液加MgO.01%即可使石墨完全球化。过高残Mg是造成多种金属型球墨铸铁件废、 次品的主因。 ②P:增加流动性，又可防热裂，有的加到 3.6%［53］。还加Sb0.02%?0.04%53］。磷加于炉料中的效果比加于铁液中明显。 ③Ti对灰铸铁可增加铁液过冷度，促进生成D型石墨。低CE作用明显。为保护机加工刀具Ti V 0.075%。 该技术的主要优越性及先进性体现为：环境与资源是当今世界的两个重大课题。如何保护环境、节约资源是目前各国 铸造工作者迫切追求的目标。为了实现这一目标，人们提出了绿色集约化铸造（绿色材料环境材料）的概念。所谓绿色集约化铸造是指铸造整个生产过程中应满足对环境无害、合理使用和节约自然资源、依靠科学技术得到最大的产出和效 益等几个要求。所谓绿色材料是指资源和能源消耗小、对生态环境影响小、再生循环利用率高或可降解使用的具有优异 实用性能的新型材料。按照这些要求，如前所述“铁-石墨自生金属型特种成型技术”代表了这一趋势。它除了在材料微观组织结构的优点，还摈弃了铁合金铸造中采用的砂型铸造的污染严重，劳动强度大等落后的生产方法。该技术生产的 铸铁可保证致密无气孔、缩孔、缩松，工艺出品率高；铸铁尺寸精度高，表面光洁，加工量少且易加工（退火后）;结晶细，性
轴承是当代机械设备中一种重要零部件，它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。滚动轴承一般由外圈、内圈、滚动体和保持架四部分组成。按滚动体的形状，滚动轴承分为球轴承和滚子轴承两大类。 虽然滚动轴承类型众多，其结构型式、公差等级、材料选用、加工方法存在差异，但其基本制造过程类似，下面小编简单介绍下轴承零件的加工工艺： 轴承制造工艺顺序 （1）轴承零件制造-轴承零件检查-轴承零件退磁、清洗、防锈—轴承装配-轴承成品检查—轴承成品退磁、清洗-轴承成品涂油包装斗成品入库。 （2）套圈是滚动轴承的重要零件，由于滚动轴承的品种繁多，使得不同类型轴承的套圈尺寸、结构、制造使用的设备、工艺方法等各不相同。又由于套圈加工工序多、工艺复杂、加工精度要求高，因此套圈的加工质量对轴承的精度、使用寿命和性能有着重要的影响。 轴承套圈工艺顺序
套圈制造的原材料为圆柱形棒料或管料，目前根据成型工艺不同，滚动轴承套圈一般有以下几种制造过程。 （1）棒料：下料-锻造-退火（或正火）-车削（冷压成型）-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配。 （2）棒料、管料：下料-冷辗成型-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配。 （3）管料：下料-车削成型-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配 （4）棒料：下料-冷（温）挤压成型-车削-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配 套圈成型方法 目前在套圈加工中成型方法主要有以下几种：锻造成型、车削成型、冷辗扩成型和冷（温）挤压成型。
（1）锻造成型通过锻造加工可以消除金属内在缺陷，改善金属组织使金属流线分布合理，金属紧密度好。锻造成型加工工艺广泛应用于轴承成型加工中，常见的锻造成型方法有：热锻加工、冷锻加工、温锻加工。 （2）冲压成型工艺是一种能提高材料利用率，提高金属组织致密性，保持金属流线性的先进工艺方法，它是一种无屑加工方法。采用冲压工艺和锻造成型工艺时，产品的精度除了受设备精度影响外，还要受成型模具精度的影响。 （3）传统的车削成型技术是使用专用车床，采用集中工序法完成成型加工。一些外形复杂、精度要求高的产品正越来越多地采用数控车削成型技术。 轴承加工油的选用 轴承配件除在使用热锻工艺时通常都会根据工艺的不同选用适合的金属加工油以提高工件精度和加工效率。
熔模铸造过程数值模拟 —国外精铸技术进展述评 北京航空航天大学陈冰 20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模拟软件的出现，标志着此项技术已完全成熟并进入实用化阶段，有相当一部分已成功地用于熔模铸造。其中，A FSolid (3D)（美国）, PASSAGF/POWERCAST（美国）、MAGMA（德国）、PAM-CAST（法国）、ProCAST（美国）等最具代表性。尤其值得一提的是由美国UES公司开发的ProCAST，和美国铸造师协会(American Foundrymen's Society)开发的 AFSolid(3D)，它们代表了二种不同类型的软件系统。 一. 熔模精密铸造过程数值模拟的佼佼者——ProCAST 早在1985年，美国UES Software Co.便以工程工作站/Unix为开发平台，着手开发ProCAST[1]。为了保证模拟结果的准确性，ProCAST一开始就采用有限元方法(FEM)作为模拟的核心技术。自1987年起，开发用于熔模铸造（精铸）的专业模块。1990年后，位于瑞士洛桑的Calcom SA和瑞士联邦科技研究院也参加ProCAST部分模块的开发工作。2002年，UES Software和Calcom SA先后加盟ESI 集团（法国）。通过联合，ESI集团在虚拟制造领域的领先地位进一步增强。 现在，ProCAST也有微机/Windows或Windows NT版本。三维几何造型模块支持IGES、STEP、STL 或Parasolids等标准的CAD文件格式。Meshcast模块能自动生成有限元网格。它的凝固分析模块可以准确计算和显示合金液在凝固过程的温度场、凝固时间，以及固相率变化，同时，从孤立液相区、缩孔／缩松体积分数、缩孔／缩松Nyiama （新山英辅）判据等三方面，帮助铸造工程师分析判断缩孔／缩松产生的可能性和具体位置(见图1) [2]。针对熔模铸造热壳浇注的特点，ProCAST传热分析模块考虑到热辐射对温度场和铸件凝固过程的影响, 这对于经常需要处理热辐射问题的熔模铸造而言特别重要。例如，对不锈钢人体植入物的凝固过程进行模拟时，发现位于模组中部的铸件由于接收到的辐射热比周边铸件多，因而温度偏高，不利于铸件顺序凝固，容易产生缩孔、缩松[1]。特别值得一提的是，ProCAST特有的辐射分析模块，计及辐射线入射角和遮挡物的影响，模拟对象一旦因相互运动导致辐射线入射角改变或产生遮挡, 该软件将重新自动进行计算，特别适用于定向凝固和单晶铸造。 a) 孤立液相区 b) 缩孔／缩松体积分数 c) Nyiama （新山英辅）判据图1 ProCAST缩孔／缩松判据
铸造过程数值模拟 摘要：铸造过程数值模拟技术是当今公认材料科学的重要前沿领域。铸造过程的数值模拟是本学科发展的前沿之一，包含铸件充型、凝固过程、缩松缩孔的预测、应力场、热裂、微观组织的计算机模拟以及计算机模拟软件开发等研究内容。 关键词：数值模拟；充型过程；微观组织；应力；热裂； 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科，是公认的材料科学的前沿领域。 一、铸件充型过程数值模拟的研究概况 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段, 许多铸造缺陷, 如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等都是在充型不利的情况下产生的。然而由于本身的复杂性, 与凝固过程相比, 充型过程计算机数值模拟技术的起步较晚。长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量的试验基础上的经验准则。从20世纪80年代开始, 在此领域进行了大量的研究, 在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化方面均取得了重大突破。 许多铸造缺陷如卷气、夹杂、缩孔等都与液态金属的充型过程有关。为了控制充型顺序和流动方式，对充型过程进行数值模拟非常必要。其研究多数以SOLA—VOF法为基础，引人体积函数处理自由表面，并在传热计算和流量修正等方法进行研究改进。有的研究在对层流模型进行大量实验验证之后，用K一￡双方程模型模拟铸件充型过程紊流现象。 目前，虽然已研究了许多算法，如并行计算法、三维有限单元法等，但最好的算法仍然没有找到。常用的网格划分为矩形单元(2D)或正交平行六面体(3D)。日本的I.Ohnaka等人提出了无结构非正交网格，这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之一。砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模拟中占主导地位，然而消失模铸造、金属型铸造等充型模拟的研究工作已经开始。充型模拟的另一发展趋势是浇注系统辅助设计，R.McDavid和J.Dantzig在这方面进行了尝试，并取得了一定的成果。 二、缩松和缩孔预测的数值模拟研究概况 铸件缩松、缩孔形成的模拟预测是铸件充型凝固过程模拟软件的主要功能之一。目前国内外常用的凝固模拟软件中均提供了多种判据用于铸件缩松、缩孔的预测．但是，大多数判据均是在用于铸钢件或不含石墨的铸造合金时比较有效。由于石墨铸铁凝固时析出比体积较大的石墨。因此其体积变化较铸钢等复杂得多，必须采用专门的判据。 铸钢件缩松、缩孔预测判据经过多年的发展，从最初的定性温度场热节法，发展到后来的E．Niyama提出的G／R1／2法，再到后面的流导法、固相率梯度法等定量预测方法，无论从精度还是从使用范围看，均达到了较高的水平，可以有效地预测铸件钢中的缩松、缩孔。 而铸铁件，特别是球墨铸铁件缩松、缩孔的预测一直缺乏可靠有效的判据。1994年，李嘉荣等在大量试验的基础上提出了球墨铸铁缩松、缩孔形成预测的“收缩膨胀动态叠加法(DECAM)”，该法基于Fe—C平衡相图，用杠杆原理计算凝固过程中收缩和膨胀量，将收缩和膨胀量进行叠加，可以预测球墨铸铁件缩松、缩孔的形成．李文珍等在进行球墨铸铁微观
铸造生产的工艺流程 铸造生产是一个复杂的多工序组合的工艺过程，它包括以下主要工序： 1）生产工艺准备，根据要生产的零件图、生产批量和交货期限，制定生产工艺方案和工艺文件，绘制铸造工艺图； 2）生产准备，包括准备熔化用材料、造型制芯用材料和模样、芯盒、砂箱等工艺装备； 3）造型与制芯； 4）熔化与浇注； 5）落砂清理与铸件检验等主要工序。 成形原理 铸造生产是将金属加热熔化，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的铸型型腔中，在重力或外力（压力、离心力、电磁力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成铸件（或零件）的一种金属成形方法。 图1 铸造成形过程
铸件一般作为毛坯经切削加工成为零件。但也有许多铸件无需切削加工就能满足零件的设计精度和表面粗糙度要求，直接作为零件使用。 型砂的性能及组成 1、型砂的性能 型砂（含芯砂）的主要性能要求有强度、透气性、耐火度、退让性、流动性、紧实率和溃散性等。2、型砂的组成 型砂由原砂、粘接剂和附加物组成。铸造用原砂要求含泥量少、颗粒均匀、形状为圆形和多角形的海砂、河砂或山砂等。铸造用粘接剂有粘土（普通粘土和膨润土）、水玻璃砂、树脂、合脂油和植物油等，分别称为粘土砂，水玻璃砂、树脂砂、合脂油砂和植物油砂等。为了进一步提高型（芯）砂的某些性能，往往要在型（芯）砂中加入一些附加物，如煤份、锯末、纸浆等。型砂结构，如图2所示。 图2 型砂结构示意图 工艺特点 铸造是生产零件毛坯的主要方法之一，尤其对于有些脆性金属或合金材料（如各种铸铁件、有色合金铸件等）的零件毛坯，铸造几乎是唯一的加工方法。与其它加工方法相比，铸造工艺具有以下特点：1）铸件可以不受金属材料、尺寸大小和重量的限制。铸件材料可以是各种铸铁、铸钢、铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、锌合金和各种特殊合金材料；铸件可以小至几克，大到数百吨；铸件壁厚可以从0．5毫米到1米左右；铸件长度可以从几毫米到十几米。 2）铸造可以生产各种形状复杂的毛坯，特别适用于生产具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、缸体、叶片、叶轮等。 3）铸件的形状和大小可以与零件很接近，既节约金属材料，又省切削加工工时。 4）铸件一般使用的原材料来源广、铸件成本低。 5）铸造工艺灵活，生产率高，既可以手工生产，也可以机械化生产。 铸件的手工造型 手工造型的主要方法 砂型铸造分为手工造型（制芯）和机器造型（制芯）。手工造型是指造型和制芯的主要工作均由手工完成；机器造型是指主要的造型工作，包括填砂、紧实、起模、合箱等由造型机完成。泊头铸造工量具友介绍手工造型的主要方法： 手工造型因其操作灵活、适应性强，工艺装备简单，无需造型设备等特点，被广泛应用于单件小批量生产。但手工造型生产率低，劳动强度较大。手工造型的方法很多，常用的有以下几种： 1．整模造型 对于形状简单，端部为平面且又是最大截面的铸件应采用整模造型。整模造型操作简便，造型时整个模样全部置于一个砂箱内，不会出现错箱缺陷。整模造型适用于形状简单、最大截面在端部的铸件，如齿轮坯、轴承座、罩、壳等（图2）。
材料加工数值模拟 论文 专业：材料加工 姓名：闫禹伯 学号：2013432109
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第一章．铸造过程的数值模拟分析 传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。 一．铸造过程数值模拟的发展现状 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科[1-5]，是公认的材料科学的前沿领域。 铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为
转盘轴承加工工艺流程简介 1）锻件毛坯的检查 在加工前首先了解毛坯的材质、锻后状态（一般为正回火状态，查阅锻件合格证即材质书）。其次要检查毛坯是否有叠层、裂纹等缺陷。 测量毛坯外型尺寸。测量毛坯内外径、高度尺寸、计算加工余量，较准确地估算出车削加工的分刀次数。 2)车削加工 2.1 粗车：根据车削工艺图纸进行粗车加工，切削速度、切削量严格按工艺规定执行（一般切削速度为5转/分钟。切削量为10mm~12mm）。 2.2 粗车时效：轴承零件粗车完成后，采用三点支承、平放（不允许叠放），时效时间不小于48小时后才能进行精车加工。 2.3 精车轴承零件精车时，切削速度每分钟6至8转，切削量0.3~0.5毫米。 2.4 成型精车：轴承零件最后成型精车时，为防止零件变形，须将零件固定夹紧装置松开，使零件处于无受力状态，车削速度为每分钟8转、切削量为0.2毫米。 2.5 交叉、三排滚子转盘轴承内圈特别工艺：为防止交叉、三排滚子转盘轴承内圈热处理后变形。车削加工时必须进行成对加工，即滚道背靠背加工，热处理前不进行切断，热后切断成型。 2.6 热后精车：轴承内外圈热处理后，进行精车成工序、工艺规程同2.3、2.4 3)热处理— 3.1 滚道表面淬火：轴承滚道表面中频淬火，硬度不低于55HRC，硬化层深度不小于4毫米，软带宽度小于50毫米，并在相应处作“S”标记。（有时客户要求可以渗碳、渗氮、碳氮共渗等） 3.2 热后回火处理：轴承内外圈中频淬火后需在200C度温度下48小时方可出炉。以确保内应力的消失。 4)滚、铣加工— 4.1 对有内外齿的转盘轴承，磨削加工前要进行滚铣齿工序，严格按工艺要求加工，精度等级要达到8级以上。 5)钻孔—
铸造过程的数值模拟 1零件分析 本次铸造过程的数值模拟所用的零件为方向盘，该零件结构复杂，并且在实际使用过程 中，需要承受较大的扭转力，因此选用镁合金并采用压铸工艺。此项工作需要在方向盘上建 立合适的浇注系统和溢流槽，进行充型模拟，得到合理的压铸方案。在建立浇注系统之前，需要合理选择分型面，然后选择浇注系统的内浇口位置，待浇注系统建立好之后，进行一次预模拟，从而确定溢流槽的数量和位置。 2工艺设计 2.1浇注系统 该铸件的分型面为铸件的最大截面，选定的浇注系统在铸件上的位置如下图所示。 rr 口斗+带〒 *”斗-T 已知数据有：压室直径60mm，压室速度0.1m/s-3m/s，铸件材料AM50A，方向盘质量 595g，压射温度685C。 查表取值：AM50A 镁合金密度1.75g/cm3;充填时间t= 0.05s;内浇口厚度b=2.5mm ; 取充填速度v仁50m/s。 铸件的体积v= — = —95 =340000mm 3; P 1.75 根据经验，可以取溢流槽的体积为铸件体积的10%，则溢流槽的体积v^ 34000mm3。 计算内浇口面积（V铸件+ V溢流槽） vt 二340 34 -50 0.05二149.6 2 mm
内浇口宽度 s c 2 b 冲头速度 4v 1s 4x 50 x149.6 “ , V ? 2 2 2.65 m / s nd 兀汽60 横浇道选用等宽横浇道 厚度 bh=10mm ，斜度10°，宽度B=（ 1.25-3）An/bh ;圆角半径 r=2mm ,横浇道宽 2 度为 30mm 。增压时间 k=1.5s ，: =0.005 t = k ： b 1.5 0.005 9 = 0.0675s 直浇道的设计 因为压室直径为60mm ，因此可以将直浇道与压室相连处的直径设计为 60mm ，直浇道 的高度为40mm ，拔模斜度为5 °。 2.2排溢系统 根据前面所述，溢流槽的总体积设计为铸件总体积的 10%,则v^ 34000mm 3。并且 设计三个溢流槽，分布在方向盘的圆周上，具体位置根据铸件最后充型位置确定。 根据经验和查表，溢流槽的桥部的尺寸与内浇道的尺寸的差距不宜过大， 因此选取溢流 槽的尺寸为 A=30mm ， B=35mm ， H=12mm ，a=9mm ， b=22mm ， c=1mm ，溢流槽桥部厚度 为h=1.3mm 。则溢流槽的仓部体积和为 v 溢=3 ^B_H = 3 30 35 37800mm 3。 149.6 治 30 mm
滚动轴承套圈的成型加工 虽然滚动轴承类型众多，其结构型式、公差等级、材料选用、加工方法存在差异，但其基本制造过程均包含以下内容： 1、轴承零件制造-轴承零件检查-轴承零件退磁、清洗、防锈—轴承装配- 轴承成品检查—轴承成品退磁、清洗-轴承成品涂油包装斗成品入库。 2、套圈是滚动轴承的重要零件，由于滚动轴承的品种繁多，使得不同类型轴承的套圈尺寸、结构、制造使用的设备、工艺方法等各不相同。又由于套圈加工工序多、工艺复杂、加工精度要求高，因此，套圈的加工质量对轴承的精度、使用寿命和性能有着重要的影响。 3、套圈制造的原材料为圆柱形棒料或管料，目前根据成型工艺不同，滚动轴承套圈一般有以下几种制造过程。 1)(棒料)下料-锻造-退火(或正火-车削(冷辗成型)-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配。 2)(棒料、管料)下料-冷辗成型-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配。 3)(管料)下料-车削成型-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配4)(棒料)下料-冷(温)挤压成型-车削-热处理淬、回火-磨削-零件检查-退磁、清洗-提交装配套圈成型方法： 目前在套圈加工中，成型方法主要有以下几种：锻造成型、车削成型、冷辗扩成型和冷(温)挤压成型。在以上成型方法中，锻造成型加工应用最为广泛，占总生产量的80%左右，对于一些小型通用类产品可以采用棒(管)料直接车削成型。20世纪80年代以来，我国一些中小型企业在中小型套圈的生产中采用了冷辗扩和冷(温)挤压成型工艺。 1)锻造成型通过锻造加工可以消除金属内在缺陷，改善金属组织，使金属流线分布合理，金属紧密度好。锻造成型加工工艺广泛应用于轴承成型加工中，可以完成从内径~20mm的小型产品到外径5000mm的特大型产品的加工。常见的锻 造成型方法有：热锻加工、冷锻加工、温锻加工，我国以热锻为主。 热锻加工因其成型加工设备不同又分为：自由锻造加工工艺、压力机锻造工
大锻件一般应用在大型机械的关键部位，由于工作环境恶劣，受力复杂多变，因此，在生产过程中对大型锻件的质量要求很高。大锻件由钢锭直接锻造成形，生产大型锻件时，即使采用最先进的冶金技术，钢锭内部也不可避免存在微裂纹、疏松、缩孔、偏析等缺陷，严重影响锻件的质量，为了消除这些缺陷，提高锻件质量，就必须改进锻造工艺，选用合理的锻造工艺参数。 大锻件锻造不仅要满足所需零件形状和尺寸，而且重要的是破碎铸态组织、细化晶粒、均匀组织、锻合缩孔、气孔和缩松等缺陷，提高锻件内部质量。钢锭尺寸愈大，钢锭中的缺陷也愈严重，锻造改善缺陷愈困难，进而增加了锻造难度。在锻造过程中，镦粗和拔长是最基本的工序，也是不可缺少的工序，对于具有特殊外形的锻件来说，胎模锻造也较为常用。 一、镦粗工艺 在大型锻件的自由锻生产中，镦粗是一个非常主要的变形工序。镦粗工艺参数的合理选择，对大锻件的质量起着决定性的作用。反复的镦拔不但可以提高坯料的锻造比，同时也可以破碎合金钢中的碳化物，达到均匀分布的目的；还可以提高锻件的横向力学性能，减小力学性能的异向性。 大型饼类锻件和宽板锻件都是以镦粗为主要变形，且镦粗的变形量很大，但是目前该类锻件的超声波探伤废品率很高，主要因为内部出现了横向内裂层缺陷，然而现行的工艺理论对此不能解释。为此，从90年代开始，中国学者经过长时间的认真研究，从主变形区以及被动变形区理论出发，对镦粗理论进行深入研究。提出了平板镦粗时刚塑性力学模型的拉应力理论以及静水应力力学模型的切应力理论，与此同时还进行了大量的定性物理模拟实验，并利用广义滑移线法和力学分块法来求解分析工件内部的应力状态，大量数据证明了该理论的合理性和正确性，揭示了利用普通平板镦粗圆柱体时其内部应力的分布规律，进而提出了锥形板镦粗新工艺，建立了方柱体镦粗的刚塑性力学模型。 二、拔长工艺 拔长是大型轴类锻件锻造过程中必须的一道工序，也是影响锻件质量的主要工序，通过拔长工序使坯料截面积减小，长度增加，同时也起到打碎粗晶、锻合内部疏松与孔洞、细化铸态组织等作用，从而获得均质致密的高质量锻件。在研究平砧拔长工艺的同时，人们逐步开始认识到大锻件内部的应力、应变状态对锻合内部缺陷的重要性，从普通的上下平砧拔长，发展到上平砧下V 型砧拔长以及上下V 型砧拔长，再到后来通过改变拔长砧形和工艺条件，又提出了WHF锻造法、KD锻造法、FM锻造法、JTS锻造法、FML锻造法、TER 锻造法、SUF锻造法以及新FM锻造法，这些方法都己经应用于大锻件生产，并且取得较好的效果。 1. WHF锻造法是一种宽平砧强力压下的锻造方法，其锻造原理是利用上、下宽平砧，并且采用大的压下率，锻造时的心部大变形有利于消除钢锭内部缺陷，广泛应用于大型水压机锻造中。 2. KD锻造法是在WHF 锻造方法基础上研发出来的，其原理是利用钢锭在长时间的高温条件下有足够的塑性，能在有限的设备上，用宽砧大压下率进行锻造，采用上、下V 型宽砧锻造有利于锻件表面金属塑性的提高，增加心部的三向压应力状态，进而有效地锻合钢锭内部缺陷。 3. FM锻造法是利用上平砧，下平台锻造时的非对称变形，以及下平台对锻件变形的摩擦阻力作用，使锻件从上到下逐渐变形，以便使拉应力转移到坯料与平台的接触面上，中心部位的静水压应力得到了增加，进而改善了变形体内的应力状态。 4. JTS 锻造法是锻前将钢锭加热到高温，然后使表面快速冷却，钢锭表面进而就形成一层硬壳，心部仍然处于高温状态，这层硬壳对坯料的变形起到固定作用，使变形主要集中在锻
本科生课程考核试卷 科目：教师： 姓名：学号： 专业： 上课时间： 20 年月至20 年月 考生成绩： 阅卷教师 (签名)
一、前言 计算机辅助设计（Computer Aided Design,简称CAD）：是指工程技术人员以计算机为辅助工具，完成产品设计构思和论证、产品总体设计、技术设计、零部件设计和产品图绘制等。 狭义铸造工艺CAD：即工艺设计，指用计算机软件在计算机上设计浇注系统、冒口、溢流槽、排气槽、冷铁、型芯等。并进行工艺图绘制。铸造工艺CAD可将计算机的快速、准确和设计人员的经验、智慧结合起来。改变上千年的手工设计方式，缩短工艺设计周期，提高设计水平，提高产品的质量和竞争力。 二、产品分析及初步方案 图1 图2 如图1和图2所示，该产品为方向盘，此模型是一个方向盘，结构复杂，并且在实际使用过程中，需要承受较大的扭转力，一般为锌合金，或者铝合金，我们做模拟时就采用更便宜、更轻的镁合金并采用压铸工艺生产。初步拟定工艺设计过程如下：
1. 初步方案设计 2.压铸工艺有关参数的选取 3.根据产品体积，确定内浇口面积及形状。 4.横浇道和直浇道方案设计 5.根据确定的参数，利用CATIA软件作出浇注系统三维模型。 6.利用Anycasting模拟充型过程 三、具体设计过程 1.初步方案设计 图3 金输液流动方向如图3所示，此零件结构复杂，在高压浇注过程中，充型速度很快，易产生激溅、铁豆，且型腔中气体不易于排除，所以根据上述易产生的缺陷，应采用底注式浇注系统，它不但能改善上述缺陷，还可以使内浇道很快被金属液淹没，实现快速平稳充型。同时型腔中液面升高后使横浇道较快充满，较好挡渣，利于得到外形精美、质量优良的铸件。 由于此零件模型中间部分较为复杂，四周比较简单，中间位置充型易出现问题，所以浇注系统的位置应该选在下面部位上。