进气风罩压铸成型及有限元分析.doc

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1、 摘要目前，我国传统的飞机进气风罩大多是用铝合金钣金件分块组合焊接而成，工序繁琐，生产周期长，而且其焊接质量难以保证，在飞机飞行过程中其焊接部位经常被吹裂。为了提高飞机进气风罩的使用寿命，降低生产难度，解决生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，本文采用高强度铝合金ZL101A和石膏型熔模精密铸造的工艺来成型进气风罩，并采用ProCAST铸造模拟软件对飞机进气风罩的充型凝固过程进行了数值模拟。铸造过程的计算机模拟是近几十年迅速发展起来的现代铸造工艺研究方法，这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析，能较快的发现决定铸件质量的内部因素，对可能出现的各种铸造缺陷提出预报，从而在工艺实施前优化所采用

2、的铸造工艺参数，这对于指导铸造工艺设计、提高铸件质量具有重要意义。所以，为了实现飞机进气风罩的铸造生产方式，本论文对其铸造过程中的充型凝固过程进行了数值模拟。首先，本文对新型飞机进气风罩的石膏型熔模精密铸造工艺进行了简单的分析。在此基础之上，建立基于Pro/E的进气风罩三维几何造型。最后利用ProCAST铸造模拟软件对进气风罩的整个充型凝固过程进行数值模拟，以精确显示其充型凝固过程中的充填不足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余应力和变形。在此次模拟所设置的工艺参数下，铸件填充率可达到98%，这主要是由于铸件在凝固时收缩使浇口处产生塌陷，所以在实际浇注过程中要注意及时补缩。其他缺陷的数量以及分布也

3、基本符合铸件最终的使用要求，因此，这种新型飞机进气风罩的成形工艺可以应用于工业生产。通过对模拟的缺陷的分析，还可以对进气风罩的铸造工艺过程进行优化，从而在实际生产前就采取有效的工艺措施减少或避免缺陷的产生。这种方法对企业的实际生产具有一定的意义。关键词：进气风罩；石膏型熔模精密铸造；凝固温度场；充型流场；数值模拟AbstractAt present, most of the traditional air intake hoods are welded by the aluminum alloy sheet. Its working procedure is complicated and t

4、he production cycle is long. Moreover, the quality of welding is difficult to guarantee. So, during the flight, the welding parts are often blown crack. In order to improve the life of the air intake hood, to lower the production difficulty and to solve the quality risks in the production due to the

5、 method of weld, in this article, the high-strength aluminum alloy ZL101A and plaster mould investment casting were used to mold the intake hood, and the filling and solidification process of the air intake hood was simulated by the casting simulation software ProCAST.Computer simulation of casting

6、process is the modern casting study method which developed rapidly in recent decades. The internal factors which determine the quality of the casting can be found quickly by pouring and analyzing the working process by computer. To different kinds of possibly casting defects, the prediction is broug

7、ht up. Thereby, the process parameters of the casting are optimized before the implementation of the process. It is of great significance to conduct the process design and improve the quality of the casting. Therefore, in order to achieve the air intake hood casting production, simulation of the fil

8、ling and solidification process in the casting was carried on in this article.Key Words：air intake hood; plaster mould investment casting; solidification temperature field; filling flow field; numerical simulationFirst of all, the plaster mould investment casting process of the new air intake hood w

9、as simple analyzed in this article. On this basis, the three-dimensional geometric modeling of the air intake hood was established by the software Pro/E. At last, the whole process of filling and solidification of the air intake hood was simulated by the casting simulation software ProCAST. The lack

10、 of filling, wrapped cold insulation, the location of the gas and the hot spot and the residual stress and deformation were accurately displayed in this process. Under the process parameters of this simulation, the filling rate of the casting was 98%, the number and the distribution of other defects

11、 could basically meet the final using requirements of the casting. So, the modeling working process of the new air intake hood can be considered into the application of the industrial production. Also, the casting process of the air intake hood can be optimized by the analysis of the defects. Thereb

12、y, the effective measures can be taken before the actual production to reduce or avoid the defects. It is of certain significance to the actual production of the enterprises. ii目录摘要iAbstractii第1章 绪论31.1课题研究背景31.2新型进气风罩的研究现状41.3铸造充型凝固过程数值模拟的研究现状51.3.1铸造充型过程数值模拟的发展61.3.2铸造凝固过程数值模拟的发展81.4本文研究的主要内容及意义9第

13、2章 新型进气风罩铸造工艺设计112.1石膏型熔模精密铸造的特点112.2模具制造过程122.3生产工艺控制过程122.4小结14第3章 基于Pro/E的新型飞机进气风罩几何造型和数学建模153.1Pro/E软件介绍153.2进气风罩的Pro/E曲面造型设计163.3曲面造型技巧193.4小结20第4章 基于ProCAST的进气风罩充型凝固过程的数值模拟及仿真214.1 ProCAST软件介绍214.1.1软件模块224.1.2模拟过程224.1.3应用范围234.2充型凝固过程数值模拟数学模型234.3充型及凝固过程数值模拟流程244.4网格的划分244.4.1面网格的划分244.4.2体网

14、格的划分274.5充型凝固过程模拟的前处理294.5.1充型凝固过程工艺参数294.5.2充型凝固过程数值模拟前处理操作304.6求解计算324.7观测模拟结果33结论35参 考 文 献36致谢39外文科技资料翻译40英文原文40中文译文50第1章 绪论1.1课题研究背景进气风罩是铆接在飞机蒙皮外部的部件，在飞机飞行过程中，通过流经其进气风道的高速气流来冷却发动机外壳。由于该部件在工作时需经受高速气流冲击，其外形必须符合飞机的气动性能要求，因此，它既是一个结构件，又是一个受力件，对综合机械性能和外形结构要求较高，其制造质量对飞机的气动性能有一定的影响。进气风罩壁厚一般为1.12.0mm，形状较

15、复杂。传统的进气风罩用铝合金钣金件分块组合焊接而成，工序繁琐，生产周期长，成本较高，焊接技术难度大，焊接质量难以保证，在飞行过程中焊接部位经常被吹裂，产品使用寿命短；而且由于该部件铆接在飞机的一个较特殊部位，拆卸和更换十分不便。为了提高进气风罩的使用寿命，降低生产难度，解决生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，决定试用高强度铝合金ZL101A材料和石膏型熔模精密铸造特种工艺整体制作的方法。相比于焊接工艺，铸造生产技术具有生产效率高、产品质量好、环境污染少的特点。在当今，工业发达的国家铸造生产已实现机械化、自动化、智能化(计算机控制、机器人操作)，而我国作为一个具有悠久历史的铸造大国，其近代铸造

16、生产技术却长期处于落后状态，特别是形状复杂的大型铸件的流动规律和最终凝固位置都是较难把握的问题之一。随着现代化技术的发展，尤其是计算机技术的日趋成熟，铸造CAE技术(铸件充型和凝固过程计算机仿真模拟分析)渐渐普及深入，传统的铸造业正在从凭借经验生产转为在理论指导下的科学生产，从而解决和改善了这一问题。1.2新型进气风罩的研究现状由于传统的飞机进气风罩由铝合金钣金件分块组合焊接而成，焊接质量难以保证，在飞行的过程中焊接部位容易被吹烈，产品使用寿命短。为了解决传统进气风罩生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，近几年对飞机进气风罩新型生产方式的研究也越来越多。四川大学制造学院的张永红、郑忠俊，成都飞

17、机设计研究所的李显东，成飞集团三航公司的王和凯、曹雨波，成都兴光机械厂的刘月其在新型飞机进气风罩的整体制造方面提出了新的工艺方法，即用高强度铝合金ZL101A材料和石膏型熔模精密铸造特种工艺整体制作的方法。他们还利用美国PTC公司开发的Pro/ENGINEER(简称Pro/E)三维CAD建模软件，根据进气风罩的二维设计图纸资料将其建构成三维零件模型，再利用Pro/E软件的Model Analysis功能对两个进气风道工作横截面面积进行计算分析，验证风道气流量是否满足设计要求。进气风罩三维零件造型经修改、完善，符合设计要求后，利用Pro/E进行分模，确定总收缩率，然后创建型腔，最后用Mold C

18、omp Extract功能生成实体。为了得到尺寸精确度高、表面光洁度好的进气风罩铸件，要严格控制以下几方面的生产工艺过程：蜡模模料、造型材料、浇注系统的设计、灌浆、焙烧工艺、熔炼与浇注、热处理工艺。最后，经过查表和计算，确定铸造工艺方案，包括分型面的选定、浇注位置的确定、补缩区域的划分和冒口的排放、浇注系统的设置、砂芯的设置等。还可以利用工程图形软件系统中所具备的功能进行铸件的结构分解、截面图的观察，考察铸件的起模情况和是否钩砂，必要时可对所分解的结构体进行重量计算，以作为工艺方案设计的依据。1.3铸造充型凝固过程数值模拟的研究现状铸造过程计算机模拟是近几十年迅速发展起来的现代铸造工艺研究方法

19、。铸造过程计算机建模与仿真(铸造CAE)是信息科学、材料科学、工程力学及计算机图形学等各种学科的交叉，是国际公认的先进制造科学的重要前沿领域，是当今世界各国专家学者关注的热点。这种方法通过对铸件进行计算机试浇及工艺分析, 能较快的发现决定铸件质量的内部因素,对可能出现的各种铸造缺陷提出预报，对不同的工艺方案进行比较，在实际生产前采取有效的工艺措施避免缺陷的产生，同时，还可在工艺实施前优化或验证所采用的铸造工艺参数，这对于指导铸造工艺设计、提高铸件质量具有重要意义。目前我国国内铸造数值模拟技术已有了很大进展。我国于20世纪70年代末开始，大连理工大学、沈阳铸造研究所在这一方面就做了开拓性的工作。

20、1978年，在葛洲坝电站125MW水轮机叶片的铸造工艺研究中，沈阳铸造研究所的张毅、王君卿等人开展了铸件凝固过程温度场的计算机模拟的研究。与此同时，大连工学院的金俊泽等人对大型船用钢螺旋桨的凝固过程温度场进行了模拟分析，并分别于1980年发表了研究报告，此后在我国高等院校如哈尔滨理工大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、西安交通大学、清华大学、华中工学院都先后等单位投入大量人力开展了温度场模拟的研究。从1982年开始，大连工学院的郑贤淑、金俊泽等人开始了铸造应力的数值模拟的研究，他们采用热弹塑性力学模型对大型铸件(大型双幅板齿轮、铸钢轧辊、钢锭模) 的铸造及热处理应力进行了模拟。此后，西安交通大

21、学、清华大学、哈尔滨工业大学、上海工业大学等也都开展了应力场的模拟分析工作。可以看出，国内铸造过程数值模拟技术起步虽然较晚，但进步非常快，取得了一系列令人鼓舞的研究成果。中国各级政府对铸造数值模拟研究也给予了充分的重视和大力的资助。“六五”、“七五”期间，铸造凝固进程的数值模拟研究都被列为国家的重点科技攻关计划(“六五”的项目为“大型铸钢件凝固控制”、“七五”项目为“大型铸钢件铸造工艺CAD，国内多家大专院校、科研院所和生产企业密切合作，组织产、学、研联合攻关，推动了铸造数值模拟技术研究的不断深入。应当指出的是，一些研究成果虽然投入了初步的使用，但因计算机软、硬件以及其它相关学科发展水平的限制

22、，这一期间，国内还没有真正出现实用化、商品化的模拟软件系统。而实际上，世界范围内第一个铸造模拟商品化软件也只是在20世纪80年代末期(1989年)才问世。但是，50年代国内铸造过程数值模拟研究，在全国范围内掀起了一个高潮，是当时铸造领域计算机研究的热点。目前清华大学、华中理工大学己分别能提供Fr-Star和华铸CAE-InteCAST商品化软件，获得了良好的效果。1.3.1铸造充型过程数值模拟的发展铸件充型过程的数值模拟是建立在计算流体力学领域的研究结果的基础上的工程应用。在计算流体力学领域，能够计算带有自由表面的不可压缩流体的非稳态流动的数值方法产生于20世纪60年代。1983年，WSHwa

23、ng和RA Stoehr首先成功地运用MAC技术，模拟了两个简单形状铸件的二维充型流动过程，清楚地显示了充型过程中金属液流动的自由表面和各处的速度分布。该研究展示了数值模拟在铸件成型过程中的巨大作用，从此，铸件充型过程的数值模拟技术研究得以广泛的开展。1984年，PVDesai研究了强制对流对内浇道温度的影响，采用涡函数的方法计算了弱对流对温度场的影响。这是铸件充型过程数值模拟中首次将金属液的流动与传热耦合起来。铸件充型过程的数值模拟技术始于20世纪80年代初，以计算流体力学的理论方法为基础。从二维的简单形状开始，到目前已经能够实现三维复杂形状铸件的充型过程的流动与传热的耦合模拟，并且在数值方

24、法上做出了很多的改进，使计算速度得到明显的提高，已在实际工程中得到较多的应用。随着计算机技术的发展，计算流体力学的广泛应用以及流体运动模拟技术的提高，国内外的许多研究人员对充型过程数值模拟技术非常重视。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很大的进展。充型过程的数值模拟始于20世纪80年代初，中国台湾学者黄文星在美国匹兹堡大学与RA Stoehr教授首先开展了这方面的研究。1983年Stoehr教授及其学生黄文新率先模拟了充型流动过程。1985年Stoehr教授采用SMAC的方法模拟了滑轮的充型过程，其模拟结果与

25、丹麦Ingeslive采用高速摄影的结果进行比较，结果表明模拟与实验吻合良好。1987年之前是充型过程数值模拟的初始发展阶段，模拟基本上限于二维板类铸件，并假设充型过程液态金属处于层流流动。这些模拟技术尚不能指导大多数实际铸件的工艺设计，但奠定了充型过程计算机模拟的基础。1988年以后，充型过程的计算机模拟进入到蓬勃发展阶段，模拟技术不断完善。美国的Shea Chen等改进了二维的SMAC算法，使其在流体流动计算结果的对称性及流股交汇面的处理上有较大发展。在美国圣地亚哥召开的第八届铸造、焊接和凝固过程模拟会议上，日本大阪大学的JD Zhu等对充型过程直接差分法计算所用几何信息的处理方法和压力迭

26、代方法进行了改进，大大节省了直接差分法的运算时间。在第六届环太平洋国家铸造和凝固过程模拟国际会议上，柳百成院士描述了带有电磁制动的连铸模中流体流动的数学模型，该模型用有限差分法和SIMPLER算法求解。国内在充型过程数值模拟方面起步相对较晚，但进展很快。1987年，沈阳铸造研究所的王君卿在丹麦技术大学模拟了灰铸铁三通管的充型过程，并同时计算了充型过程的温度场(流动与传热的耦合)。清华大学柳百成、裴清祥等人在20世纪80年代后期，在流动场数值模拟方面开展了卓有成效的工作。孙逊、王君卿对充填与传热过程数值模拟在球墨铸铁铸造工艺设计中的应用进行了研究。清华大学的荆涛、柳百成用SOLA-VOF法对充型

27、过程进行了模拟，并研究了充型过程对浇注完成后铸型内初始温度场的影响。华中理工大学的袁浩扬等以SO-LA-VOF法为基础，结合他们提出的三维自由表面边界速度确定方法，实现了铸造充型流动过程的三维数值模拟。西安交通大学的麻向军等通过对确定自由表面流率的Van Leer格式进行修正，解决了气液界面的界面模糊问题，应用守恒标量法进行了充型过程的三维数值模拟。国内先后在数值方法的研究、自由表面的跟踪判定、充型过程的水模拟实验、实际铸件的充型模拟等方面展开了大量的研究，取得了较大的成果。与温度场数值模拟相比较，由于流场涉及自由表面、流动中的速度和压力以及紊流等更多方面的问题，尤其求解压力场是最消耗时间的，

28、在实际应用中，往往难以满足工艺分析人员的要求，因此研究如何提高方程的求解速度就变成了一个非常重要的问题。在此领域，己经进行了大量的研究，在数学模型的建立、算法的时限、计算效率的提高以及工程化方面均取得了重大突破。目前充型过程数值模拟的发展已经进入工程实用化阶段。 1.3.2铸造凝固过程数值模拟的发展铸造凝固过程的模拟仿真可以帮助工程技术人员科学预测液体金属充型过程、凝固过程中的温度场和应力场，以及宏观缺陷和微观组织等，从而能够对铸造过程所涉及的设备参数、工艺方案等做出最优的决定，达到优化工艺设计、确保零部件质量，缩短产品试制周期、降低生产成本、提高铸造生产的经济效益和产品的竞争能力的目的。铸件

29、凝固过程数值模拟开始于20世纪60年代，丹麦人K.Forsund最早采用有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算。而第一次成功的应用则属于三年后美国专家G J HenZel和G J Keverian对汽轮机内缸体铸件进行的数值计算，其温度场的计算结果与实测值相当接近。他们的成功使研究者意识到用计算机数值模拟技术研究铸件的凝固过程的巨大潜力和广阔的前景，由此开辟了铸件凝固过程数值模拟的先河。20世纪80年代是数值模拟研究最为活跃的时期，1988年5月在美国佛罗里达州召开的第4届铸造和焊接的计算机数值模拟的会议上，有10家单位参加了会议组织的模拟斧锤型铸件的凝固过程热场比赛。会议要求参赛者按照同一图纸

30、各自进行温度场计算，并按照一定格式绘出指定测点的冷却曲线，在会场上与实测曲线进行比较。参加比赛的有：德国的P.R.Sahm教授，丹麦的P.D.Hansen，日本的大中逸雄和新山英辅教授，美国通用机械公司，芬兰技术研究中心等。从参赛者的模拟结果看，基本与实测接近，误差在20以内。可以看出，凝固过程温度场模拟已达到较高水平，知名大学和公司都有相应的模拟软件，如德国的MAGMASoft，美国的ProCAST，日本的SOLAN，丹麦的Geomesh等，模拟结果接近实测。有的几乎与实测完全吻合，如日本新山英辅的模拟结果吻合相当好，反映了温度场的计算己较为成熟。20世纪80年代代表性的研究工作还包括：19

31、84年P.R.Sahm和P.N.Hasen及其合作者在德国所做工作，1984年J.T.Berry和J.A.M.Boulet在美国所做工作，以及1987年日本的I.O hnaka日及其同事的研究工作。铸造凝固过程的计算机模拟经过大约40年的发展，在铸造过程的温度场数值模拟及缩孔缩松预测、充型过程模拟、应力分析、微观组织预测等方面的关键技术研究及实用化进程方面都取得了突破性进展，己经进入工程实用化阶段，铸造生产正从只凭经验走向科学理论指导阶段，通过数值模拟和物理模拟相结合的方法，可实现计算机试生产、动态显示工艺历程、预测缺陷和优化工艺。主要体现了以下特点：(1) 宏观模拟成熟化：大量的商品化软件的

32、出现及其在实际生产中的广泛应用，说明了宏观场量模拟已逐步完善，如温度场、流场、应力应变场等，到目前为止，典型的商品化软件有Ansys、LS-DYN3D、Procast、ViewCast等；(2) 组织模拟成为研究热点：目前主要有以下方法模拟组织演变过程：(a) 采用相场方法或界面追踪方法模拟枝晶形态演变；(b)使用平均值法模拟加工过程中构件不同区域的晶粒度；(c) 使用CA法模拟晶体形核生长动力学过程；(d) 多尺度模拟主要在学术方面上开展研究，凝固模拟的尺度现已从枝晶层次扩展到宏观铸件。如今，国内外均有商品化软件或提供网络化技术服务。我国在这一领域得到了国家领域的资助，在国际铸造界已占有一席

33、之地。1.4本文研究的主要内容及意义本文结合工艺设计、数值模拟和实际试验的结果，将CAD/CAE技术应用于大型复杂铸件的制备过程以解决工程实际问题。主要研究内容为先利用Pro/E软件建立进气风罩的数学模型，而后进行网格的划分和各种参数的设定，借助于ProCAST软件进行数值模拟，从而得到铸件的填充过程、凝固过程的温度场、应力场、流场的情况，查看热节、缩孔、缩松、夹渣等缺陷的生成分布情况，最后判断工艺是否合理，是则投入生产，否则进行工艺优化。本文结合石膏型熔模，将工艺设计和凝固模拟更好的结合起来，在合理的工艺设计的基础上进行模型凝固，以减少工艺的修改次数。通过对新型进气风罩的凝固充型过程的数值模

34、拟，可帮助人们更清楚地了解进气风罩铸件凝固充型过程中金属液的运动状态及温度场的分布，利用高性能计算机对铸造全过程进行模拟仿真，在实际生产之前验证或优化所采用的铸造工艺参数，克服了铸造业长期存在的试制周期长、铸件成本高、质量难以控制等缺点，对铸造结果和缺陷基本可以做到“未铸先知”和“防患于未然”。本课题从新型飞机进气风罩铸件着手，以解决实际问题为目的，通过工艺设计的理论计算、数值模拟和实际的实验结果相结合，来完成产品的开发和质量改进，以达到缩短产品开发周期、降低产品开发成本并提高产品质量的目的，对企业有极高的实用价值，可实现高效、稳定、少或无缺陷的进气风罩的铸造生产，基于该研究还可对其精密铸造工

35、艺进行优化设计。第2章 新型进气风罩铸造工艺设计进气风罩是铆接在飞机蒙皮外部的部件，在飞机飞行过程中，通过流经其进气风道的高速气流来冷却发动机外壳。由于该部件在工作时需经受高速气流冲击，因此，传统的用铝合金钣金分块组合焊接而成的进气风罩在飞行过程中经常吹裂，使用寿命变短。为了提高进气风罩的使用寿命，降低生产难度，解决生产中因分块组合焊接而带来的质量隐患，本课题决定试用高强度铝合金ZL101A材料和石膏型熔模精密铸造特种工艺整体制作的方法。图2.1为新型进气风罩截面图。图2.1 新型进气风罩截面图2.1石膏型熔模精密铸造的特点石膏型熔模精密铸造生产工艺已用于航天、航空、电子、光学、兵器、仪器仪表

36、、艺术品等行业的生产中，可以生产出尺寸精度高、表面光洁度好、用其他方法难以成形的复杂、薄壁、异形、整体、无余量的产品，这种工艺方法将普通熔模铸造法和普通石膏法的优点结合在一起，其独到之处表现在：(1) 石膏浆料流动性和复制性良好，石膏导热率低，有利于金属液充填，铸件壁厚最小可达到0.5mm；(2) 铸件尺寸稳定，精度高，可达0.002mm；表面粗糙度一般可达Ra 0.83.2m；(3) 铸件在真空下浇注，加压状态下结晶凝固，组织致密，综合机械性能良好；(4) 铸件成品率高，可达90%以上；(5) 石膏铸型残余强度低，溃散性良好，利于铸件清理。2.2模具制造过程利用美国PTC公司开发的Pro/E

37、NGINEER(简称Pro/E)三维CAD建模软件，根据进气风罩的二维设计图纸资料将其建构成三维零件模型。再利用Pro/E软件的ModelAnalysis功能对两个进气风道工作横截面面积进行计算分析，验证风道气流量是否满足设计要求。进气风罩三维零件造型经修改、完善，符合设计要求后，利用Pro/E进行分模，确定总收缩率，然后创建型腔。型腔被分割成如下几部分：(1) 形成外形结构的主型模具型腔被分割成3部分；(2) 形成进气风道结构的芯模型腔被分割成两部分；(3) 3个减重腔的形状各由1个抽芯结构形成，其中的1个抽芯被分割成3块。最后用Mold CompExtract功能生成实体。模具设计完成后，

38、利用MoldCreate功能模拟蜡料压型过程，产生一个蜡件，然后进行分析，以检测模具设计是否正确。将设计好的模型数据资料通过局域网送到加工中心进行数控切削加工和电火花加工。2.3生产工艺控制过程为了得到尺寸精确度高、表面光洁度好的进气风罩铸件，需要严格控制下述几方面的生产工艺过程。2.3.1蜡模模料压制进气风罩蜡模模料的指标应满足如下要求：(1) 熔点低，低于56；(2) 线膨胀收缩率低；(3) 热稳定性好；(4) 粘度低；(5) 强度高。风罩的2个进气风道通过2个芯模压制出水溶性型芯，准确定位放置在主型模中经过压型，然后用水溶掉制成。水溶性型芯原材料由碳酰二胺或聚乙二醇再加入一些其他添加剂配

39、制而成，其强度高，脱模性好，表面光洁度好。2.3.2 造型材料铸型材料选用蒸汽水煮法生产出的高强度短柱状半水石膏与国内常用的耐火材料(石英、铝矾土、煤矸石、硅藻土等)混合配制而成。2.3.3 浇注系统的设计在设计浇注系统时，应考虑诸多会影响产品质量的因素：在铸型焙烧过程中，蜡料熔化造成体积膨胀，这会挤压悬空着的石膏型芯，此时石膏芯的湿强度不很高，易导致其断裂；蜡失掉后，形成进气风道部分的两个石膏型芯中间悬空，仅靠两端与四周铸型相连接以支撑其重量，石膏型芯受到两端型壁失水收缩时的挤压，容易造成型芯的中间部位被挤裂；在铸型浇注搬运过程中，可能产生的振动容易导致型芯断裂；此外，铸件尺寸大，壁较薄，热

40、节处较多，铸件易产生浇不足、冷隔、变形或裂纹等缺陷。所以，浇注系统的设计应针对上述可能出现的问题采取预防措施加以解决。将设计的浇注系统通过Pro/E的MoldCreat功能模拟铝合金液浇注充型过程而产生模拟铸件，再通过分析来查验浇注系统设计是否合理。2.3.4 灌浆灌浆过程中需严格控制水膏比、水温及水质。水量应控制在铸型材料总重量的28%32%范围内，水量过多会降低铸型的强度，过多残留水还造成铸型表层剥离、脱层或产生水纹，影响铸件表面光洁度；水量过少则会导致浆料粘度过大，流动性差，铸件成型不好，气体难于上浮、排出，铸型焙烧时易开裂。水温对浆料凝固时间有很大影响，会影响浆料的流动性。据文献介绍，

41、水质对石膏性能有影响，水质较硬时，水中Ca2+、Mg2+离子能导致晶格网络不完整，使强度降低，导致铸型型腔壁脱落，并使铸件产生夹砂缺陷，故使用的自来水需经软化处理。灌浆应在相对真空度为0.70.9kPa条件下进行，以便消除浆料中的气泡。2.3.5 焙烧工艺灌浆完毕后的石膏由于有一定的强度回复期，铸型需在空气中放置20h左右，以获得较高的铸型湿强度。脱蜡方式采用直接在焙烧炉中低温脱蜡。焙烧过程采用阶段性升温的焙烧工艺。2.3.6 熔炼与浇注生产进气风罩铸件所选用的材质为高强度优质铝合金ZL101AT6，为防止合金中Fe、Zn等有害杂质元素超标，在配料过程中采用高纯Al、结晶Si、高纯Mg及Al-

42、Ti中间合金等原材料配制。熔炼设备使用石墨坩埚电阻炉。熔炼过程中需严格实施精炼与变质处理工艺。为获得满意的铸件质量，采用的装置实现真空浇注、加压凝固。浇注过程中应注意控制好铸型型腔工作温度和金属液浇注温度两个工艺参数。浇注完毕后施以0.40.8MPa的气压，利用金属液进行二次充型、补缩。加压时间需持续到合金液凝固，如果合金液未凝固就撤去压力，浇口杯金属液会反冒，影响铸件组织的致密性。2.3.7 热处理铸件需进行固溶处理加完全人工时效（T6）才能发挥其优异的综合机械性能。热处理时采用单铸试棒（60.1）mm与铸件随炉进行处理。由于该铸件壁很薄，热处理时易产生变形，尤其是进气风罩的贴合面部位极易变

43、形，所以需要用校正夹具等工装来防止其产生变形。热处理完毕后的铸件经整形、喷砂。2.4小结经过查表和计算，确定了新型飞机进气风罩的铸造成型工艺方案，包括分型面的选定、浇注位置的确定、补缩区域的划分和冒口的排放、浇注系统的设置、砂芯的设置等。可以利用工程图形软件系统中所具备的功能进行铸件的结构分解、截面图的观察，考察铸件的起模情况和是否钩砂，必要时可对所分解的结构体进行重量计算，以作为工艺方案设计的依据。本课题采用虚拟模具对模拟过程进行简化操作。第3章 基于Pro/E的新型飞机进气风罩几何造型和数学建模3.1Pro/E软件介绍Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC）旗下的CAD

44、/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。是现今主流的CAD/CAM/CAE软件之一，特别是在国内产品设计领域占据重要位置。Pro/E第一个提出参数化设计的概念，并且采用了单一数据库来解决特征的相关性问题。另外，它采用模块化方式，用户可以根据自身的需要进行选择，而不必安装所有的模块。Pro/E的基于特征方式，能够将设计至生产全过程集成到一起，实现并行工程设计。它不但可以应用于工作站，而且也可以应用

45、到单机上。Pro/E采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用。1、参数化设计相对于产品而言，我们可以把它看成几何模型，而无论多么复杂的几何模型，都可以分解成有限数量的构成特征，而每一种构成特征，都可以用有限的参数完全约束，这就是参数化的基本概念。2、基于特征建模Pro/E是基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，我们可以随意勾画彩图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。3、单一数据库（全相关）Pro/Engineer

46、是建立在统一基层上的数据库上，不像一些传统CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一的数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构也工程设计的完美结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好的推向市场，价格也更便宜。Pro/E软件于1988年推出以来，凭借其强大的功能，已成为最

47、普及3D CAD/CAM系统。Pro/E软件中，最为常用且也是最为强大的是造型功能。造型功能可大体分为实体造型和曲面造型两种。Pro/E中的曲面功能非常强大，一些复杂的曲面，往往不能通过实体造型得到，此时就要使用曲面造型功能。因此，掌握曲面造型功能，是解决机械设计中复杂图形及模具曲面造型的关键。3.2进气风罩的Pro/E曲面造型设计经多次尝试，若使用实体造型功能，用扫描和混合等功能都很难得到图中的两条管路和外径。而使用曲面造型功能，先生成曲面，再由曲面生成实体，则会很容易生成进气风罩的几何造型。利用Pro/E对零件整体采用曲面的特征来建立模型，在建立曲面的过程中，需要画出封闭的面组，然后对这些

48、面组进行实体化。从产品图上看，可以知道模型有对称性，因此可以画出一半的实体，然后镜像组合完成整个实体的建模。图3.1为新型进气风罩实体图。图3.1 新型进气风罩实体此进气风罩实际采用的整体造型思路为：使用曲面功能绘制该造型的每个面，再合并所有的曲面生成一个封闭曲面，最后用实体化功能将上述封闭曲面生成实体。没形成封闭曲面的部分通过加厚命令来生成实体。当实体完全生成后镜像所有实体，最终得到进气风罩的整体造型。图3.23.8为飞机进气风罩造型步骤。图3.2 曲面造型1图3.3 曲面造型2图3.4 曲面造型3图3.5 曲面造型4图3.6 曲面造型5图3.7 实体化图3.8 镜像为进气风罩总体造型3.3曲面造型技巧按照曲面的复杂程度，常用的曲面生成方法有以下两种：（1）简单的平面。简单的平面就可以通过拉伸命令拉伸出一个平面，然后再进行裁剪从而得到所需平面；（2）较复杂的曲面。较复杂的曲面一般要先画出生成曲面所需的各条曲线，再用边界混合命令生成所要求的曲面。在建模过程中，通常还要注意：1、建模过程中除了要先