1.2铸造缩松对曲轴疲劳强度的影响已有研究资料中报道某厂曲轴曾大量出现断裂问题。从曲轴外观上观察得知，导致断裂的主要原因是在曲轴连杆轴颈位置有铸造缩松问题，且肉眼可见。分析其成因是：在冷铁供应存在问题的条件下，曲轴造型省略了补缩所使用的冷铁。在恢复冷铁工艺后，曲轴铸造缩松问题得到了圆满的解决。由此可见，铸造缩松对于曲轴疲劳强度的影响是非常显著的。
1.3黑色带层及灰斑对曲轴疲劳强度的影响在常规工艺条件下，球墨铸铁曲轴断口多呈现出灰色或银灰色，曲轴本体以及抗拉试棒断口同样应当有此类表现。对于黑色带层问题而言，其主要是受到灰斑在疲劳试验曲轴轴颈往复式运动的影响而形成的，而灰斑的产生则主要是受到了铁水中硅偏析的影响。以往研究中在对某批次球墨铸铁曲轴进行疲劳试验的过程当中发现曲轴断面出现了异常的黑色层以及灰斑。虽然此种问题在球墨铸铁曲轴中相对比较少见，但同样属于内部缺陷的一种表现形式，此问题的出现导致了曲轴疲劳强度受到不良影响，有黑色带层或灰斑问题的曲轴在正常使用过程当中可能提前出现疲劳裂纹，导致抗疲劳强度的下降。
2热处理工艺对球墨铸铁曲轴疲劳强度的影响分析
2.1正火和中频淬火工艺对曲轴疲劳强度的影响已有研究中显示，对于球墨铸铁曲轴而言，在经过高温正火处理后，能够将其中所存在的游离状态渗碳体消除掉，从而能够起到调整基体中铁素体以及珠光体形态，以及两者构成比例的目的。通过这种方式，使球墨铸铁曲轴的综合力学性能得到了提升，促进了抗疲劳强度的改善。同时，在球墨铸铁曲轴制造过程当中，通过进行中频淬火处理的方式，能够使球墨铸铁曲轴表面形成具有一定深度的淬硬层，其对于改善曲轴自身耐磨性能有重要意义。但也有研究中认为：传统的非圆角淬火工艺下会导致曲轴淬火区与非淬火区交界位置产生失衡且反向的应力关系，并对疲劳强度造成不良影响。因此，在引入中频淬火工艺的过程当中，需要尽量选择圆角淬火工艺，达到满意的处理效果。
2.2等温淬火工艺对曲轴疲劳强度的影响在球墨铸铁曲轴的生产过程当中，通过应用等温淬火工艺的方式，能够使曲轴获得主要的贝氏体成分，同时还可形成一定的马氏体组织以及残余奥氏体组织，力学性能上具有较高的强度以及韧性水平。已有研究资料中报道，针对受到化学成分偏离影响而造成球墨铸铁曲轴疲劳强度的不足的问题，通过应用等温淬火工艺的方式，解决了曲轴在热处理上的质量问题。等温淬火工艺的应用除了对改善球墨铸铁曲轴疲劳强度水平以外，还对提高曲轴自身耐磨性有重要价值，由此也有效延长了曲轴的使用寿命，综合效益确切。
2.3氧氮化工艺对曲轴疲劳强度的影响从化学处理的角度上来说，在球墨铸铁曲轴的制造生产工艺中，通过对曲轴进行氧氮化处理的方式，能够使曲轴表面获得具有高氮特点的化合物层，同时还可形成具有饱和特点的氧扩散层。受到氧成分以及氮成分渗入的影响，使得球墨铸铁曲轴表面层的化学成分发生改变，与之相对应的显微结构也有了非常显著的提升趋势，曲轴整体的耐磨性能以及耏疲劳性能均得到了有效的改善。需要注意的一点是，对于经过氧氮化处理的球墨铸铁曲轴而言，其抗疲劳水平的提高很大程度上会受到氧化层扩散水平的影响，在氮化处理后快速冷却，并在扩散层中形成饱和固溶体，或是形成高水平的残余压应力都能够促进疲劳强度的提高。正是由于在氧氮化工艺处理下，曲轴表面能够形成较深的扩散层，故而对延长球墨铸铁使用寿命也有相当重要的意义与价值。
S10缸体铸件材质为HT250，毛坯重约42kg，重量偏差按照GB/T11351—1989的MT8执行。缸体一般壁厚4+0.8-0.5mm，铸件尺寸公差按GB/T6414—1999的CT8，毛坯缸孔壁厚差要求加工余量要求：2.5mm±0.5mm。可见，缸体基本属于薄壁轻量化设计，且尺寸精度要求较高。铸造工艺设计时应主要考虑立浇工艺，并考虑冷芯为主，以保证其要求的精度。
1.2水套结构分析与措施
水套芯结构特点：①水套芯总高97.5mm，一般厚度5～8mm；②水套芯左端下部有特殊的异形结构。水套芯可能出现异形处变形、断芯，从而影响该处壁厚和尺寸；另外，该异形处存在清砂难度。因此，水套芯应采用强度较高的热芯；水套芯异形处应采用特殊涂料和工艺，以保证该处不发生粘砂和易于出砂。同时，选择底注立浇工艺方案，铁液平稳上升、平稳充型，对整个水套芯的冲击相对于卧浇工艺方案要小很多。
1.3油道结构分析与措施
S10缸体外形单侧有2根油道芯，两侧基本对称，共有4根油道芯。特点是：①油道芯细长，长度266mm，贯穿缸体上下面；②截面单薄，弯曲程度大，在浇注过程中易变形或断裂。因此，油道芯应采用较高强度的热芯；同时为防止和减少热变形，应选用高强度低膨胀的芳东覆膜砂。此外，选择底注立浇工艺方案对细长油道芯受铁液冲击相对于卧浇工艺方案要好很多。
2S10缸体铸造工艺设计
2.1立浇工艺方案选择
依据对S10缸体水套芯和油道芯结构分析，依据对立浇工艺和卧浇工艺在充型时水套芯与油道芯的受力分析，决定选用：缸孔朝上，底注立浇工艺方案。S10缸体铸件工艺如图9；砂芯构成如表4；水套芯和油道芯用芳东覆膜砂，见表5。水套芯异形处实施3层涂料：先刷一层锆英涂料，表干后水套芯整体浸涂水基石墨涂料，最后在异形处再刷锆英涂料。
3试制结果
采用前述工艺措施，按调整后的浇注系统，对热节的3个工艺方案均进行了调试。此外，经铸件解剖表明：水腔清洁，水套异形处光滑无粘砂；水套芯和缸筒芯形成的缸孔壁厚均匀，经检测缸孔壁厚差Δδ≤1.0mm；油道芯未发生断裂和漂浮，油道壁厚正常。对于热节处采用的3个方案，经外观检查和解剖，均未见缩孔和缩松缺陷。铸件经多次加工和加工后解剖表明：尺寸合格，壁厚正常。对热节处的3个工艺方案，为稳定和确保热节处无收缩缺陷，今后可优先选用无冒口的方案1，其次是另2个方案。
4结论
（1）S10缸体水套芯单薄，有异形结构；油道芯贯穿缸体上下平面，细长而弯曲。采用底注立浇工艺，铁液平稳上升，对水套芯和油道芯的冲击小。有利于防止水套芯受冲击变形，保证缸孔壁厚均匀；也有利于防止油道芯漂芯和断芯，保证油道壁厚正常。
（2）水套芯和油道芯设计为热芯，并选用含较大比例宝珠砂的高强度低膨胀的芳东覆膜砂，有利于防止在高温铁液作用下因膨胀而发生的变形，有益于保证缸孔壁厚均匀和油道壁厚正常。水套芯异形结构处实施3层涂料，使不易清理的该处光滑洁净无粘砂。
报
告
毕业设计（论文）题目
HT150铣刀箱体的铸造工艺设计
题目类型
工程设计（项目）
论文类
作品设计类
其他
一、选题简介、意义
高速切削技术是当今世界制造业中一项快速发展的先进实用的制造技术，具有强大的生命力和广阔的应用前景。随着高速切削技术的发展和高速镗铣加工中心等高性能机床的不断开发，高速铣削技术广泛应用于航空、航天、汽车和模具等制造行业，工序集约化和高速加工设备通用化使得高速铣削已经成为关键零部件高效、高精度加工首选工艺方案。目前，高速铣削作为提高企业敏捷力与柔性制造能力的核心技术，在金属切削加工领域取得了巨大的经济效益和社会效益，成为当今世界制造业重点发展的一项高新技术。
高速铣削最显著的特点和技术核心是采用可靠刀具，这就需要我们研究出非常可靠的刀具来使用，以高切削速度和高进给速度进行高精度和高表面质量加工，满足上述功能要求的高速铣刀成为实现高速铣削加工的关键。国内高速切削基础理论和高速刀具技术滞后于高速切削加工实际应用，在高速铣刀及其加工数据完整性和清晰度方面存在诸多问题，使得高速机床效能未能得到充分发挥，严重限制了高速铣削技术的应用范围。研究铣刀的箱体结构设计及其相关技术，对深刻认识铣刀的箱体结构设计，推动高速铣削技术的应用与发展具有重要理论价值和实际意义。
二、课题综述（课题研究，主要研究的内容，要解决的问题，预期目标，研究步骤、方法及措施等）
研究内容：
本文以常用HT150铣刀箱体为研究对象，在以下方面开展研究工作：
（1）
根据HT150铣刀箱体大小规格绘制二维和三维机械图；
（2）
根据HT150铣刀箱体大小规格设计铸造工艺图；
（3）
使用软件绘制箱体的铸造工艺图；
（4）
采用铸造仿真软件对设计的铸造工艺进行仿真模拟，分析仿真结果，找到最优的铣刀箱体铸造工艺设计。
研究方法：
（1）
铸造工艺设计
参考常用HT150铣刀箱体的规格尺寸，结合李弘英、赵成志主编的《铸造工艺设计》，设计铣刀箱体的铸造工艺过程
（2）
步骤
参考国内外对铣刀箱体铸造工艺的研究成果，
结合本科阶段所学的知识，对已有铣刀箱体铸造工艺进行大胆的改进，设计出几种不同的设计方案，通过绘制三维铸造工艺图，
并用
铸造仿真软件进行仿真模拟，分析仿真结果，得到最优的铣刀箱体铸造设计方案。
（3）
措施
查阅相关文献和书籍，在现有铣刀箱体铸造工艺基础上提出改进意见，设计改进的铸造工艺；将设计好的铸造工艺通过绘制工艺图以及铸造仿真软件对铸造工艺进行仿真模拟。
三、设计（论文）体系、结构（大纲）
第一章
引言
1.1研究的意义
1.2国内外相关研究
1.3研究内容和课题来源
第二章
HT150的概述
2.1HT150的简介
2.2HT150的基本结构
2.3HT150的工作原理
2.4HT150的特点
2.5HT150的应用
第三章
箱体的结构设计
3.1箱体的主要功能
3.2箱体的分类
3.3按箱体的制造方法
3.4设计的主要问题和设计要求
3.5箱体结构设计
第四章
HT150铣刀箱体的铸造工艺设计
4.1HT150的选取
4.2铣刀功能分解及其交互作用分析
4.3基于HT150设计的铣刀功能规划
4.4铣刀箱体设计优化设计方法研究
4.5铣刀箱体设计的设计与实验
结论
参考文献
指导教师意见：
签字：
院（系）审批意见：
年
月
日
签章：
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）09-0023-03
一、引言
我国工程教育的规模位居世界第一，已成为名副其实的工程教育大国。高等工程教育体系大而不强、多而不精，毕业生创新能力和实践能力较弱，成为困扰我国高等工程教育的难题。实现工程教育大国向强国的转变，推进高等工程教育改革势在必行[1]。在这样的背景下，教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）。“卓越计划”是贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010―2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010―2020年）》的重大改革项目，也是促进我国由工程教育大国迈向工程教育强国的重大举措旨在培养造就一大批创新能力强、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家走新型工业化发展道路、建设创新型国家和人才强国战略服务，对促进高等教育面向社会需求培养人才，全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用[2]。“卓越计划”具有三个特点：一是行业企业深度参与培养过程；二是学校按通用标准和行业标准培养工程人才；三是强化培养学生的工程能力和创新能力。
课程、教学内容和教学环节是工程人才培养的基本要素，是培养出卓越人才的关键[3]。“铸造工艺”课程是材料成型与控制工程专业（铸造方向）的主干课程，在铸造专业人才的培养过程中具有举足轻重的地位。这门课程是一门实践性非常强的课程，与生产实习紧密相关，是培养铸造方向学生工程能力和创新能力最重要的一门课，这正好符合“卓越计划”的培养理念，为了配合“卓越计划”的实施，我们对这门课程的教学内容、教学方法、考核方式等方面进行了思考和探索。
二、“铸造工艺”课程特点及教学现状
铸造工艺是一个复杂的、影响因素诸多的金属凝固成型过程，工艺设计既要考虑不同的合金材料、不同的铸造方法的影响，还要考虑不同的零件结构及其工艺参数的影响。若想真正掌握并灵活应用铸造工艺，就必须具备扎实的理论基础和丰富的实践经验[4]。受传统教育思想的影响，铸造工艺课程教学仍然是重理论、轻实践，忽视学生创新能力的培养，主要表现在：（1）教学方式单一，授课方式采用老师讲、学生听的“填鸭式”教学方法，课题缺乏学生的参与，不利于学生能力的培养。（2）教学内容陈旧，理论脱离实践、应用实例少，学生在学完这门课后进行铸造工艺设计时无从下手。（3）课内实验也完全是简单的验证性实验，学生兴趣不高，难以培养学生的创新能力。（4）课程的考核仍以闭卷的书面形式考核，考核内容多以基础知识的考察为主，这种教学和考核方式不利于卓越工程师的培养，不能满足“卓越计划”对工程能力和创新能力强化培养的要求。
三、卓越工程师培养理念下的课程教学改革
1.课程教学内容改革。根据“卓越计划”的特点，从工程实际出发，对本课程教学大纲进行了修订，改变传统的重理论、轻实践的教学思路，同时将教材的内容与铸造工程师资格认证考试内容结合起来，吸收职业资格考试的相关内容，加强学生的工程素质和实践能力的培养。根据铸造工艺课程的特点增加一些典型铸件铸造工艺设计实例。使学生能够通过实例掌握产品的铸造工艺设计步骤及方法。
根据这门课程的特点，为了让学生能够牢固的掌握设计理论基础，灵活运用所学习过的知识，开拓设计思路，我们把工艺课程进行了模块化设计，把授课内容分为若干模块。例如：铸造工艺方案的选择；浇注系统的设计；冒口、冷铁设计、砂芯的设计；铸造工艺装备设计等。通过模块化教学配合相应的工厂实践教学，使学生及时巩固了铸造工艺的设计理论，并加深了学生对现象的认识和对知识的掌握。
2.课程教学方法和教学手段改革。
①教学方法综合运用，激发学生兴趣。综合运用实物法、启发法、课堂讨论等教学方法。教学时将实物展示给学生，并采用启发法及课堂讨论的方法，培养学生的综合素质。例如在讲述浇注系统的设计时，可以向学生展示一套还未清理的，保留完整浇注系统的铸件，学生可以获得充分的感官认识，同时充分发挥学生的主观能动性，让学生思考几种不同的浇注系统的设计方案，然后进行讨论，让学生参与到课堂教学中。
②多媒体教学，提高教学质量。多媒体集成、动画模拟仿真和丰富的图像信息扩展了学生认知的深度与广度，也使教师摆脱了时间和空间对讲授内容的束缚，清楚地显示某些复杂的过程，有利于激发学生的观察力、发现力、想象力、逻辑联想力，有利于认知思维的深化与发展，有利于增强工程设计能力，提高教学效率和教学质量[5]。通过搜集、精选、制作铸造工艺方面的图片、动画来丰富该课程的多媒体课件。例如，在讲授手工造型方法时，若采用板书教学来讲述整体造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型等，则不易掌握其相关内容；若采用Flas的形式，则可清楚、直观地看到各种手工造型方法，激发学生的学习兴趣，使学生快速掌握相关内容。在讲授浇注位置的选择、分型面的选择等内容时，可通过动画模拟展示，既形象生动、直观、感染力强，又可变单纯的听觉语言为视听同步的动画模拟，这样就可以理解轻松，难点化解，学习由难变易，降低了学生学习的枯燥感，提高了教学效率和教学效果。将铸造生产企业的录像短片穿插于课堂教学中，这种录像演示生产过程的教学模式将无形变为有形、不可见转变为可见、无声转变为有声，展示了实际工业生产中的情况，激发了学生的学习兴趣，增强了学生的感性认识和好奇心，培养了学生的工程能力，提高了教学效果。
③课内实验教学改革。铸造工艺是一门实践性很强的专业课，但现有的课内实验完全是验证性的实验，难以培养学生的工程能力和创新能力。将铸造模拟软件引入课内实验，使之应用于实际铸件的工艺设计之中，为理论与实践结合提供了一个新思路。通过铸造凝固过程模拟，可以预测铸造缺陷产生，优化工艺设计，缩短试制周期，降低成本。铸造模拟软件有德国的MAGMA，法国ESI公司的PROCAST，韩国的AnyCasting，华中科技大学开发的华铸CAE等。华铸CAE是中国最著名的铸造分析系统，国内占有率达到80%左右。因此，本课程采用华铸CAE开展8个学时的铸造工艺模拟实验课。实验一：纯凝固模拟分析（4学时）；实验二：基于耦合的凝固计算（4学时）。给学生一些典型的零件，让学生在实验课中模拟铸件的充型凝固过程，预测缺陷，并优化工艺方案。通过这种实验改革的方式，达到提高学生应用能力的目的。这种原理与模拟相结合的教学方法对于加强学生对铸造工艺设计的认识，原理的深入理解效果很好。
通过上述实践环节的改革，可极大地促进学生的学习兴趣，提高设计能力，为学生的工程能力和创新能力打下了很好的基础。
④基于校企合作的教学方法改革。企业优秀工程师、技术员都具备丰富的时间技能和经验，聘请他们承担部分课堂教学任务，讲解铸造工艺规程的编制、产品铸造工艺设计的关键环节等，使得学生很容易掌握本专业设计前沿技术，同时也掌握工程应用中的一些非常重要的概念和结论。通过这种校企合作的授课方法提高了学生的职业技能，培养了学生的工程能力。
⑤课堂授课与铸造现场实践教学的结合。以往材料成形及控制工程专业（铸造方向）的生产实习都是在铸造工艺课程结束后，才到工厂进行生产实习。学生在学习铸造工艺的过程中由于对具体的生产没有概念，往往对很多内容不理解。通过这次教学改革，增加了工厂实践的这个教学环节，边学习边实践，每讲授完一个模块后，便到工厂实习相关内容，做到课堂理论教学和现场实践教学的同步进行，通过这个实践环节来促进教学内容的学习。
⑥科技竞赛提高学生综合素质。鼓励学生积极参加“永冠杯”中国大学生铸造工艺设计大赛。该项赛事由中国机械工程学会铸造分会等单位举办，是近年来铸造专业最重要的赛事，学生参与此项赛事的兴趣很高。大赛不仅要求学生具备扎实的理论基础，同时也锻炼了学生的实践操作能力。在作品的设计过程中，学生需要查阅资料、阅读图纸、三维建模、工艺设计、数值模拟、解决铸造缺陷等。通过参加铸造工艺大赛既促进了学生对实践内容的掌握，又提高了学生的学习兴趣。
同时，在教学过程中可以将往届大赛中的题目作为教学内容，让学生设计几种工艺方案，参与课堂讨论，启迪学生的思维，培养学生的工程实践能力。
⑦学生参与科研项目，培养创新能力。卓越工程师教育培养计划要求在培养学生工程实践的过程中做到课堂上的教学理论与课堂外的生产实践相结合，而工程实践问题也最好与教师的生产、科研项目相结合[6]。结合本课程的学习，鼓励学生参与教师的科研项目。学生在参与科研项目的过程中，需要查阅相关文献，了解了课题的研究现状及进展，培养了学生基本的学术素养和能力。通过参与科研项目的活动，学生不仅需要动手、更需要动脑，科研实践中遇到的各种问题，极大地促进了学生学习该课程的兴趣，同时也锻炼了学生的工程能力，培养了学生的创新能力。
3.课程考核方式改革。传统的考核方式是通过闭卷考试考查学生对理论知识的掌握程度，缺乏对实践的考核。结合卓越工程师的培养特点，采用多模块的考核方式。考核分为期末考试、课内实验考核、科技活动考核等几个模块。其中参加科技竞赛、参加科研项目等属于科技活动模块，均可以算定一定的分数。期末考试的卷面成绩占总成绩的60%，考核内容以应用型内容为主；增加实践考核的比重，课内实验占总成绩的20%；科技活动占总成绩的20%。
四、结语
“铸造工艺”是材料成型及控制工程（铸造方向）培养卓越工程师的一门非常重要的专业课，通过对该课程教学内容、教学方法、考核方式等环节的改革，提高学生的工程能力和创新能力，为卓越工程师的培养奠定了基础。
参考文献：
[1]宋佩维.卓越工程师创新能力培养的思路与途径[J].中国电力教育，2011，（7）：25-29.
[2]中华人民共和国教育部.卓越工程师教育培养计划[Z].2010.
[3]毛艳华.卓越工程师计划背景下的《市场调研与预测》课程改革[J].宁波工程学院学报，2011，3（3）：85-88.
[4]荣守范，郭继伟，李俊刚，等.铸造工艺课程教学体系改革的研究与实践[J].铸造设备研究，2005，（4）：40-41.
铸件缺陷；计算机模拟；Expert软件；UG系统；预测；优化
中图分类号：
TB
文献标识码：A
文章编号：1672-3198（2014）04-0184-03
1 前言
随着现代高科技的迅猛发展，企业科技更新已成为不可逆转的发展趋势，计算机模拟技术是一项先进技术，涉及数学、流体力学、材料科学、计算机科学、计算机图形学……，需要综合多学科知识；其理论性很强、应用性很广，它随着指导理论的发展而发展，必将在装备制造领域中发挥出重要的作用。
2 Expert模拟分析系统
铸造，是一门理论性和工艺性都极强的学科，而且其生产过程很封闭，人们经常称之为“黑箱子”工程，因此在生产中对铸件质量的控制是十分困难的。在过去，铸件的浇冒口工艺设计与工艺参数的制定，必须要有足够经验的技术人员方能完成。尽管看上去设计很合理，但在实践过程中还是会出现预想不到的缺陷，而且出现缺陷时往往找不到关键原因之所在，须经过多次反复实践与调整才能最终形成合理的铸造工艺方案。
工厂生产的铸件是千差万别的，几何尺寸变化万千，每个铸件都这样反复多次试验，势必造成巨大浪费。例如补缩冒口计算大了，虽然可以避免缩松缺陷所造成的废品，但工艺出品率会大大下降，造成了原材料的过大损耗；冒口计算小了补缩不够，则造成整个铸件出现缩孔缩松缺陷，严重的导致报废，只好再次生产时，加以改进。即使冒口大小设计合理了，如果冒口在铸件上的摆放位置不当，没有足够的补缩通道，同样还会导致补缩不足，造成铸件缺陷……，这样不仅浪费原材料而且实现起来时间比较长，既影响交货期，又增加成本，因而造成不必要的损失。
怎样才能解决这种被动的局面呢？经过反复琢磨思考，参阅了诸多现代铸造杂志与文献，决定采用计算机模拟技术，即计算机模拟动态充型、动态凝固过程新工艺。经过实践证明，运用这项新技术，可完全避免上述的问题。
Expert分析系统，即首先使用UG做出铸件的三维实体模型，输出stl文件，然后用Expert软件接收stl文件，对铸件模型进行“前处理”即网格划分，计算机将铸件分成无限多个立方格，立方格越小计算越精确（但格太小则计算速度过慢，要视计算机配置合理选择）。然后对铸件模型进行充型解算：计算机按给定充型速度自动将每个网格充入钢液，直到每个小格都充满为止，计算结果保存为mih文件。之后在解算器中输入铸件材质、造型材料、浇注温度、铸型温度、热阻等相关技术参数进行凝固解算，保存为in文件。计算结果生成图形为流动、温度、液相分布构造二维、三维图、色标图，速度、温度梯形构成矢量分布图，可以任选的多个部位构造多点温度曲线图。之后，便可以在后处理中进行铸件动态充型与动态凝固模拟。在动态充型模拟过程中，可以直观的看到钢液由浇口充入铸型直至浇满的全过程，这样一来，对充型速度快慢、钢液在充型过程中流动是否平稳等工艺性问题可直接做出主观判断；在动态凝固模拟过程中，可直观看到铸件的凝固顺序、冒口的补缩过程，对于浇冒口以及冷铁的摆放位置是否合理、冒口大小是否合适可及时做出判断；在缺陷显示模块中，可将铸件模型分层切片查看内部缩孔、缩松等缺陷，判定缺陷存在的部位。
经过计算机模拟，及时有效的发现铸件存在的问题与缺陷，结合理论分析，优化和改进设计参数和模具结构，直到铸件在计算机模拟后达到没有缺陷，再投入生产。这样，再经过实际生产中的有效控制，铸件的质量得到了极大的保证，铸出来的铸件几乎完美无缺陷。
3 Expert模拟分析系统的具体应用
Expert模拟分析系统，对铸件的工艺参数制定、浇冒系统的设计具有关键的指导性意义。它结合计算机辅助计算，确保精确的温度场数值模拟，辅助浇注系统优化设计温度计算，进行动态充型、凝固模拟，从而科学有效地对小到公斤级、大到百吨级铸件进行缺陷预测（如缩孔、缩松等），优化铸造工艺。几年来我公司采用这一新技术对几十种产品进行模拟分析、优化工艺，减少浪费，提高经济效益达1500多万元，特别是在新产品开发、研制以及生产大型铸件的环节上，更是起到了至关重要的作用。下面就以图例说明：
4 结论
通过实践证明：运用计算机模拟技术，可以有效地预测铸件缺陷、优化铸造工艺，使铸件的生产过程更加趋于科学化、合理化，从而降低了原材料消耗、避免了铸造废品，提高生产效率、减少了经验依赖、增强了企业的竞争优势，可行并应大力推广使用。
参考文献
[1]荆涛.凝固过程数值模拟[M].北京：北京电子工业出版社，2002.
[2]缪良.铸造企业管理[M].北京：北京中国水利水电出版社，2007.
1.铸造实习车间在技校的教学作用分析
面对技工教育，机械工艺类理论课程的教学要取得成效，最好的途径是一体化教学。机械类课程理论性很强，概念抽象，结构原理复杂，受学习能力的限制，学生听不懂现象普遍存在，课堂上虽运用多媒体技术教学，也只能在一定程度上调动学生的学习兴趣。通过带领学生到车间参观铸造生产的工艺过程，组织现场教学，使缺乏实践经验的学生在感性认识基础上，学习铸造工艺的理论知识，从而达到理论课教学的目的和教学的效果。
粤东的技校和职中只重视钳工，普车普铣、数车、数铣、加工中心等冷加工工艺的实习教学，长期忽视、甚至没有开办铸造、焊接、热处理等热加工工艺的实习教学。而在机械生产中，从下料―毛坯―零件―设备的工艺过程中，冷加工和热加工是缺一不可的，其中毛坯生产中铸件占有比例约在50%以上，零件热处理高达70%以上，中等规模以上的机械厂都有自己的铸造和热处理车间。建立铸造实习车间，能够为机械类学生提供熔炼工艺、造型工艺、模具设计工艺、热处理工艺的实习场所，进行铸造等热加工的实习教学，增大学生技能的培养力度和广度，只有这样，才能培养出技术全面的机械产业工人。
从理论和实习教学的作用考虑，在校区建立铸造实习车间是必要的。
2.铸造实习车间对环境影响的分析
铸造实习车间的生产任务和教学任务，决定了其生产性质为小批量生产。造型工部的旧砂和新砂混制是有规定的湿度要求，造型过程是小规模手工填砂舂砂，引起的尘埃污染程度很小；熔炼工部每月开炉的次数和容量吨位都较少，烟气排放污染小；清理工部和旧砂再生会有一定的噪声和尘埃污染，但铸件一般是简单件且数量少，旧砂再生量小，铸件清理工作量小，污染程度也不大。可以采用中频电炉熔炼设备和采用部分金属型铸造工艺，从而大大减少烟尘的污染。以上分析，从环境方面考虑在校区建立铸造实习车间是可行的。
3.铸造实习车间的经济效益分析
铸造实习车间的教学任务，决定了它不是以生产产品为盈利目的，而是以培养学生技能为目的。校办铸造实习车间，由于是手工作业为主，除需配套中频感应电炉和电动单梁悬挂起重外，其他设备投入较少，所需建设资金远比机加工车间少。日常的实习教学运作费用也不高，原材料大部分能循环利用，只需补充极少的原材料和辅料，同时可以为冷加工实习生产铸件毛坯。每学期按八个教学班进行钳工实训，每生一块毛坯进行錾削、锯削和锉削加工训练，需要消耗500件铸铁毛坯（尺寸100×100×120），约4吨；按六个教学班进行普铣、数铣和加工中心实训，每生每工种三块铸造铝合金毛坯进行加工训练，需要消耗3240件铸造铝合金毛坯（尺寸100×120×50），约5吨重量。毛坯的铸造可以通过回收切屑和补充部分铸锭生产，既能为学生提供铸造实习条件，又能为冷加工实习提供毛坯，降低整体机械加工实习的成本。以上分析，从经济方面考虑在校区建立铸造实习车间是可行的。
二、铸造实习车间设备选择和实习工艺设计
1.实习生产纲领
车间主要承担机械类学生理论和实习教学任务，考虑学校的实际情况，每两周安排一个教学班进行实习，熔炼工艺和造型工艺各一周。另外冷加工实习车间每学期所需的普通灰口铸铁毛坯4吨和6吨铸造铝合金毛坯，可采用合格的学生实习产品。铸件都是简单小件，铸铁件单重约10kg，铸铝件单重约1.6kg，铸造工艺较简单。
2.铸造实习车间主要设备选择
车间厂房按18m×48m面积、层高7.2m钢构设计，屋顶安装轴流风机，利于车间的通风换气，安装1t电动单梁悬挂起重机（地操），用于起吊铁水包浇注操作。车间布置的主要组成是熔化工部和造型工部。根据实习生产纲领和生产经验，熔化工部选用2套容量为0.25t中频感应电炉熔炼，1套用于铸铁熔炼，1套用铸铝熔炼，采用闭式循环水冷却，减少用水量和污水排放，增设可转动吸尘罩收集熔炼产生烟尘至户外喷淋处理，尽量减少环境污染。电炉熔炼相对传统的冲天炉熔炼，工艺简单、稳定，可以减少环境污染，且劳动强度较低。造型工部铸铁件采用粘土砂造型，按每箱2型，需要30套模样、模板、砂箱、浇冒口模，30套手工造型工具，满足一个教学班每两人一套工装。采用湿型浇注或干型浇注，后者要使用烘干设备烘干，冷却清理后，铸件需要使用轨式电阻热处理炉进行退火处理，以降低硬度和消除热应力，才能作为机加工实习毛坯；铸铝件采用金属型铸造，按浇注冷却操作周期为0.5h，需要10套模，铸件尺寸50×120×1650，铸件出模后锯切成50×100×120小块，作为机加工实习毛坯。
3.铸造实习工艺实习方案（见下表）
三、铸造实习生产的安全管理要求
车间影响安全卫生的场所和设备主要是中频炉熔化铁水产生高温和散发烟尘，带电设备的机械伤害，电器安全，旧砂再生和铸件清理过程中产生的粉尘。因此，车间应保持照明、通风良好，用电设备状态正常、接地良好，消防设施齐全。
学生进入车间要进行安全培训，严格各设备的安全操作规程和明确存在的各种安全隐患。中频炉熔炼过程学生要佩带防护服、墨镜、防烫手套，所有与铁水有直接接触的工装和物品都必须进行烘干预处理，并有指导老师现场管理指导。吊车吊运时有音响警示，并不准下面有人行走和停留。浇注过程要保持通道畅通，地面无积水，无关人员远离现场，严防铁水跑冒伤人。
高度重视铸造实习的安全管理，实行有效的安全管理措施。
1 概述
铸造是将熔融状态下的金属浇注到特定形状的模具中而形成预期形状金属材料的一种工艺，是人类较早掌握的一种金属热加工工艺，据今已有6000年的历史。铸造在工业发展中起到举足轻重的作用，对人类文明的发展起到巨大推动作用。随着现代社会的快速发展，对铸件的质量要求也越来越高，如何保证铸件的质量，如何对铸件进行有效的质量管控，即是本文所讨论的内容。
质量管理是制造企业在市场竞争中的决定性因素[1]，铸造企业也不例外，只有拥有良好的质量保证才能使企业在竞争中立于不败之地。全面的质量管理是把质量问题作为一个系统工程分析，强调质量职能由全体员工承担，质量管理应贯穿于设计制造的全程，而质量控制是质量管理的重要环节之一[2]。铸造车间作为铸件生产的主体，其中的人员配备、设备性能、工艺流程、管理体系等都会对铸件的质量产生一定的影响。为有效地对铸件的质量进行管理，提高产品合格率，生产出高质量的铸件，本文从以下几个方面进行了讨论。
2 人员管理
铸造车间的员工是铸件生产的执行者，员工的素质直接关系到生产铸件的质量。
从员工着手，首先在招聘员工时，应选择铸造专业的相关高素质人才，其对铸造工艺流程和成型机理都有一定的了解，能够快速的掌握自己的工作内容。其次，对工作人员定时进行系统培训，要结合新技术的发展和企业发展的战略与目标为企业人才提供学习和培训的条件与机会，使他们自身的知识和技能不断提高，同时为他们提供施展才能的舞台[3]，使员工对自己的工作内容有更加深刻的认识，不断的提高业务水平和工作能力，时刻掌握目前比较先进的铸造工艺，不断的完善自己的工艺设计水平，提高产品质量。第三，培养员工严谨认真的工作态度，使员工认识到铸件质量就是企业的生命线，使其能够严格的按照安全生产准则，认真负责的完成好每一项工作。第四，合理有效的激励机制，能够激发员工的工作积极性，自觉提高自己的工作能力和责任感，生产出高质量的铸件。第五，培养员工的团队精神，能够真正发挥出一个团队的协作精神，从而提高团队的工作质量和效率。第六，一个企业的发展就需要不断的创新，而创新是由人发起的，培养员工的创新精神。鼓励创新，才能使企业可持续的发展下去。第七，人的生命是最可贵的，车间应将员工的安全放到第一位，制定各项安全措施，定时进行安全教育和检查。
3 生产技术的管理及创新
3.1 工艺流程管理 铸造车间的生产技术管理主要是对工艺内容的管理。生产出合格铸件的关键是有一整套系统科学的工艺内容，其是工人师傅在整个生产过程中应严格遵守的工作流程。一个合格的工艺必是经过反复的实验和不断的探索而得出的。因此一个完善的科学的工艺技术流程是生产高质量合格铸件的关键。工艺流程是由工艺人员制定的，由工人师傅进行实施的，工艺人员在进行工艺制定时必须严格遵守工艺制定准则，由上级工艺人员进行细致校对后，才能下发到工人手中执行的。工艺设计要全面进行CAD化，其将工艺设计和计算机先进软硬件技术结合起来，能够辅助工艺人员进行数字化工艺设计，减少了工作量，增加了科学性和标准化，保证铸件质量的稳定性[4]。每一个工艺都会有许多节点，每一个节点都是生产合格制件的关键，因此在每一个节点实施完毕后都应有相应的人员进行检查，确保本节点顺利完成，能够进行下一节点，这样如果出现问题能够及时的发现，并提出解决对策。经由每一个节点的质量检测，才确保最终铸件的高质量。任何技术都不是一成不变的，随着科技的快速发展，对铸件的要求也就越来越高，那么工艺流程也需要不断的改进，来应对铸件质量不断提高的需求。这就需要我们的工艺人员不断地了解当今世界最先进的铸造技术，经过反复的实验和不断地创新工艺流程和工艺手段来提高铸件的质量。
3.2 模拟技术的应用 随着计算软件的不断发展，铸件的成型过程能够经过计算机软件真实的模拟出来，使生产的整个过程都清晰地呈现在计算机屏幕中，其模拟结果可以有效地指导现实的生产。它可以比理论和实验做得更深刻、更全面、更细致，可以进行一些理论和实验暂时还做不到的研究[5]。通过模拟分析我们能够提前预判出生产过程中可能存在的各种缺陷，技术人员通过分析结果对现有的工艺内容进行改进，然后重新进行模拟分析，直至整个分析过程都符合标准后，方能进行实际生产。成熟的仿真模拟技术的广泛应用能够在很大程度上避免不合格铸件的产生，尤其针对是批量化生产或是大型铸件。模拟技术的应用能够提高生产效率，提高产品合格率，对现代铸造的发展有非常积极的意义。
3.3 先进的设备 随着现代工业的发展，铸造企业正在摆脱“脏、乱、差”的工作环境和人员密集型企业的模式，向着环境舒适和流水化作业模式发展。先进的铸造生产线，在保证生产率的同时，大大提高了铸件的稳定性和质量。因此先进的铸造设备为高质量铸件的生产奠定了基础。
4 质量控制
4.1 原材料管理 铸造就是将金属在熔融状态下变形的一个过程，因此铸造就需要大量的金属原材料，那么高质量的原材料，科学有效的原材料管理模式，对铸件的质量会产生积极的影响。高质量的铸件的生产需要高标准的原材料。对于铸件而言，原材料是否含有杂质，含有多少杂质，对铸件的质量都会产生影响。只有合格的原材料才能生产出符合工艺要求，各项指标达到合格要求的高质量铸件。因此在采购时必须对原材料的质量进行严格的管控。采购时需供货厂家提供详细的质量报告，进厂后对每一批次的原材料进行复检，保证原材料达到生产所需的各项标准。原材料进场后要进行科学有序的管理，设定专门的原材料仓库，由专人进行管理。原材料仓库要良好的环境，防止二次污染。每一批次的原材料的进出都必须有详细的记录，而且与生产任务一一对应，以便以后对原材料的检查。
铸造生产总会产生一定的废料，这些废料可以重熔后进行再生产。每一批次的生产废料要进行统一的回收，存放在固定地点，且进行成分分析后，进行详细的登记。如符合下一批次的成分要求，这些废料仍然可以当作原材料进行生产，在保证质量的同时，也符合当下节能减排、可持续发展的国家方针。
4.2 质量监测管理 质量监测是生产合格制件的保障，拥有一个严格的质量监测体系，才能有效的控制铸件在整个生产过程中的质量状态，保证最终合格的制件交付到客户手中，得到客户的信任。
质量监测应贯穿在铸件设计到交付使用的整个过程中，由专门的质量监测人员进行管理。质量监测应从源头开始，原材料的采购需要进行成分检测确保质量合格，工艺设计需要组织专家评审，并进行严格的校对，且通过严格的仿真模拟，保证其科学合理性。在生产中的每一道工序，都应有专人进行质量监测，并填写详细的质量跟踪表，确保整个生产过程的正确有序。铸件生产完毕后，需经过严格的系统的质量检测，通过专门的检测设备，将那些不合格的制件严格按照废料处理，防止流入客户手中，铸件检测完毕后，需由质检部门负责人签发合格证，保证整批铸件的质量。发给客户使用后，进行质量回访，对客户提出的质量问题进行及时的研究，改进改善工艺内容，提高铸件质量。质量监测体系就像一道道关口。任何一道关口出现问题，可能都会产生严重的质量问题，影响生产进程，造成经济损失。因此在每一道工序上，都需要我们的质检人员严格遵守工作准则，为我们高质量的铸件把好每一道关口。
5 结论
铸造车间的质量管理涉及到多方面的因素。高素质的认真负责的员工团队是质量管理的核心，科学有效的人事管理制度能够提高员工的工作能力，培养认真负责的工作态度，增强团队凝聚力，掌握先进的铸造技术，不断提高铸件的质量；先进的生产技术是生产高质量铸件的关键，拥有先进设备的同时，拥有先进的工艺设计技术水平，才能生产出高质量的铸件；行之有效的质量管理体系是铸件质量的保障，原材料的有效管控，各个生产环节的质量监测，以及最后制件的合格检测都是在为最终的高质量铸件努力。只有在科学合理的各种质量管控准则的串连下才能使人和技术很好地结合在一起，共同保障合格制件的生产。
参考文献：
[1]何桢，路璐.制造企业质量管理要素及竞争力分析[J].天津大学学报（社会科学版），2008，10（1）.
[2]陈琦，彭兆弟.我国铸造质量控制的回顾与展望[J].铸造质量控制专辑，2007，1.
[3]王树恩，李晓霞.高新技术企业人才管理探新[J].科学管理研究，2006，24（2）.
[4]廖郭明，陈立虎，周建新，朱炳文.铸造工艺CAD二次开发技术应用[J].铸造，2010，59（12）.
2006年12月8日,由湖北省钱币学会和中国钱币博物馆等单位合作开展的“楚国蚁鼻钱铸造工艺研究”课题，通过了由中国人民银行科技司组织，中国印钞造币总公司主持的科技成果鉴定。
2001-2004年，由中国钱币博物馆牵头，多家单位共同组成的“中国古代范铸法铸钱工艺模拟实验研究”课题组取得了一系列创新成果，并于2004年12月通过了中国人民银行科技司组织的部级鉴定。然而战国时期楚国蚁鼻钱的铸造工艺，一直是钱币学研究领域的空白。蚁鼻钱是春秋战国时期楚国铸行的货币，由于其形状特别，文字下凹，在先秦货币中是最难铸造的。上个世纪60年代以来，随着蚁鼻钱铜范的陆续发现，人们意识到，蚁鼻钱可能是采用铜范铸造的。由于蚁鼻钱铸造年代在春秋末到战国，系最早的金属范铸造，其工艺对后代铸钱业的发展有重要影响。因此，研究蚁鼻钱铸造工艺，不仅可以搞清楚金属范工艺的起源，而且有助于秦汉以后铸钱工艺发展方面的研究。
对此，2005年5月由湖北省钱币学会(湖北钱币博物馆承担)和中国钱币博物馆(研究信息部承担)负责,鄂州市博物馆和鄂州市钱币学会参与, 成立了“楚国蚁鼻钱铸造工艺研究”课题组。课题组先后进行了两次考古调查，对目前各博物馆馆藏出土的蚁鼻钱铜范实物作了仔细的观测，详细记录了有关的技术参数；在此基础上，考察了经科学发掘的先秦铸铜、铸钱遗址及秦汉时期的铸钱遗址，全面研究了春秋到汉代的模与范的制做工艺及其用料，并参考“中国古代范铸法铸钱工艺模拟实验研究”的研究成果，进行技术工艺分析，推断出了蚁鼻钱铸造的具体工艺，指出：（1）蚁鼻钱是用铜范直接铸造的，蚁鼻钱铜范在浇铸前必须做好保护层；（2）蚁鼻钱的祖范（阴模）应是在石料上设计制做的，由石阴模翻制陶阳模（铸铜范的范），晾干焙烧后铸造蚁鼻钱铜范；（3）蚁鼻钱上的文字，是在刚翻制好的陶阳模上压印的。课题组最后用模拟实验的方法进行了验证，成功铸造了蚁鼻钱铜范和蚁鼻钱，并进一步验证了铜范铸钱必须施以油脂类物质并经炭化形成保护层的科学结论。
这些成果的取得正如鉴定委员会在鉴定意见中所言：该项成果依据充分，实验严谨，结论可信，填补了钱币学和铸造史相关领域的空白，达到国内外同行业的领先水平，是一项具有创新性的工作。
同时鉴定委员会认为：该项成果可望运用于中国钱币学研究，钱币、银行和印钞造币类博物馆的展陈，相关学科的教学，以及相关钱币实物的真伪鉴定。
中图分类号：TG255 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）16-0011-02
随着各种机械设备的功率和个体越来越大，其所使用的零部件重量和体积也越来越大，这造成了大量的金属消耗。以前许多大型零部件是由优质钢材锻造而成，这不仅增加了加工的难度，而且还造成了优质钢材的大量消耗。为了解决上述问题，现在许多的大型机械零部件都由球墨铸铁铸造而成，这不仅节约了优质钢材的消耗，而且也大大降低了生产成本。大型球铁件是指重量为1～10吨的铸件，重量超过10吨的铸件被称为重型铸件。现在大型球铁件的应用越来越广泛，如水轮机叶片、风机叶片及重型机械的零部件等。在大型铸铁件的铸造过程中，由于种种原因会使生产出的铸铁件出现各种缺陷，这在很大程度上都是由于铸造工艺不完善造成的，因此必须对大型球铁件的铸造工艺进行改进，以尽可能提高大型球铁件的铸造质量。
1 大型球铁件铸造工艺的特点
大型球铁铸件的个体和重量比较大，生产成本较高，对其的铸造质量要求也很高。要求大型铸件成型后不仅有非常好的表面质量，而且要有较高的致密度；此外，大型铸件还要经过严格的无损检测，表面及内部绝对不允许有小的孔洞出现，并且不能进行补焊。大型铸件铸造工艺与小型铸件铸造工艺不同，小型铸件的铸造工艺可以进行多次的反复试验，而大型铸件的铸造工艺要求一次成功，因此这给大型球体件铸造工艺的设计者提出了更高的要求。随着计算机技术的发展，现在的大型球铁件铸造工艺的设计都借助于CAD及CAE技术进行，即首先根据理论和经验进行初步设计，然后利用计算机进行模拟，预测铸造过程中缩孔、冲砂、夹渣等缺陷出现的位置，然后对初设工艺进行完善和修正，以得出优化后的工艺。这就是现代铸造工艺的设计过程。随着科学技术的不断发展，目前已经可以利用很多方法对铸造工艺进行改进，以尽量减少铸造成型的球铁件的缺陷。
2 大型球铁件的铸造工艺改进措施
大型球铁件的铸造工艺改进可以从很多方面进行，但主要应从浇注系统设计、冒口设计及冷铁的应用等方面
考虑。
2.1 合理设置浇注系统
大型球铁件浇注系统的设计应遵循的设计原则为流速小、流量大、平稳、分散均匀，能很好地对铁液流量及浇注时间进行控制，从而使铁液能够均匀地流入型腔中，并能很好地进行挡渣、隔渣。大型铸件的浇注系统通常由浇口杯、内浇道、直浇道和横浇道等组成。为了使设计出的浇注系统满足浇注时间段、浇注截面积合理的要求，需要利用奥赞（Osann）公式对内浇道的截面积进行计算，然后根据各截面积的比值确定直浇道和横浇道的截面积。大型铸件的浇注系统，内浇道、直浇道及横浇道的截面积比值通常选为：ΣA1∶ΣA2∶ΣA3=1.5∶2∶1。这是以伯努利方程为基础对换算后的水力学计算公式进行推导，再根据大孔出流理论进行各截面积推导的方法，解决了以前用的老公式计算出的浇注时间偏长、浇注截面积偏小的问题。如果在铸造时采用的是无冒口铸造，则尽量采用宽而薄的分散形式的内浇道，浇道的宽度应为厚度的五倍以上，以方便清理及挡渣。
2.2 冒口设计
球铁在从高温液体凝结到固态的过程中由于铁水温度降低会发生体积收缩的现象，但同时由于在凝结的过程中会有石墨球的析出而使铁水体积发生膨胀，因此可以考虑利用球铁自身的膨胀而对体积收缩现象进行抵消，大型球铁件的冒口设计即是依据这个原理。但由于铸造条件的不同，因此怎样设计冒口以及是否需要设置冒口以获得致密性好、无缺陷的球铁件是亟待解决的一个问题。
如果铸造工艺满足以下条件则在铸造的过程中可以不设置冒口：（1）使用的铸型刚度较高，如采用了树脂自硬砂型等；（2）浇注时的温度较低（1300℃～1350℃）；（3）在铸件顶部有多个排气孔；（4）铸件的平均模数较大，通常要在2.5cm以上；（5）对所用铁液的质量要求较高，CE值要大于4.2%；（6）内浇道是采用的多道薄片型快浇式。无冒口浇注的工艺已经使用了几十年，在实践中也得到了很好的检验，但其适用的条件较苛刻，特别是在进行重型球铁件浇注时尤其要慎重。
当球铁件的铸造工艺条件不能满足上文所述的条件时，为保证球铁件铸造的质量必须设置一定量的安全冒口，以弥补铸造工艺缺陷及对铸造偏差进行纠正。在使用刚度较高的铸型进行铸造时，为了方便造型和脱模，安全冒口的形式常设计成随形或矩形压边明冒口，冒口的位置位于铸件的顶部，以便于实现补缩、排气及清除作用。压边冒口的冒口颈长度为零，压边缝隙虽然较窄，但此处的型砂不容易散热，因此在铁水浇注完毕以后该处仍能自上而下对球铁件的液体体积收缩进行补充，从而有利于防止缩孔现象的发生。在浇注过程中压边缝隙的大小要选择合适，如果压边缝隙过小则会导致铸件未完全凝固时缝隙已经被封闭，无法起到液态补偿的作用；如果缝隙过大则会导致铸件发生石墨化时缝隙还未封闭，发生“倒补缩”现象，易发生缩孔现象，因此必须选择合适的缝隙大小。压边安全冒口的总质量不应超过铸件总质量的2%，其长宽高之比通常选为a∶b∶h=1∶（0.5～0.7）∶（1.5～2.5）。如果铸件的外形不太规则，则可以楔缝型或鸭嘴形冒口，其缝隙的宽度应比压边大2～4cm。
2.3 冷铁的应用
由于大型铸件的厚实部位在铸造时的凝结速度比较慢（这些厚实部位主要包括热节和一些比较重要的加工面），因此在这些部位容易出现缩孔和缩松缺陷等，为了有效地防止这些缺陷的产生，需要在厚实部位设置冷铁。冷铁的厚度选择对激冷作用的影响很大，如果厚度过大则激冷效果不好，太薄则不容易挂住砂。在选择外冷铁的厚度时，通常取为壁厚值的0.4～0.6倍。而在对致密度要求高的铸孔进行加工时，则最好使用冷铁芯进行冷却。
3 结语
大型球铁件的铸造是一个复杂的工艺过程，影响其工艺的因素很多，需要在实践中进行不断的探索和改进，只有这样才能不断提高大型球铁件的铸造质量。
参考文献
[中图分类号]J526.1
[文献标识码]A
[文章编号]1002—557（x）（2012）03—0175—11
藏传佛教铜佛造像艺术的成就，与铜佛像制作工匠对铜合金性能和锻铸工艺的熟练掌握，以及对佛教图像和度量比例的严格遵守是分不开的。藏族传统铜佛像制作工艺的研究，因为缺乏历史文献的记录，更需要通过对传统作坊的实地考察和实物观察，从技术工艺特点分析的角度来展现其本来的面貌。对地区传统铜佛像的制作，尤其是铜佛像的铸造工艺，以往多认为是以传统失蜡铸造法为主，即现代所说的熔模铸造工艺，因通常认为失蜡法在制作复杂立体铜像方面具有明显的优势。然而，经过笔者对、云南和四川藏区的实地考察，发现地区的藏族传统铜像作坊中采用沙范（砂型）铸造法更为普遍，而传统失蜡铸造法仅在云南德钦见到一例，这一现象引起了笔者的关注。通过参考国内外相关研究，从铜佛像制作工艺的特征入手，在此对沙范法和失蜡法两种传统铸造工艺在地区的存在提供一些粗浅的论述，目的是将思考的问题能够呈现出来，希望对促进藏族传统金属工艺的深入研究有所助益。
一、藏族传统沙范铸造法与失蜡铸造法
1、沙范法铸造工艺
目前所知，藏族工匠铸造铜佛像主要所采用的仍是传统砂型铸造法，也称作沙模法或沙范法。扎雅活佛在《宗教艺术》一书中，指出藏区工艺师广泛使用的铸造方法是模具法（沙范法），并对这一铸造工艺流程进行了详细的介绍。藏族艺人扎西威色，为了传承本民族传统手工技艺，曾对藏族金属工艺各个制作工序进行了较全面地介绍，但在其介绍中只提及沙模法铸造铜像的工艺，并未介绍失蜡铸造法。扎呷在《传统民族手工艺研究》一书中，较系统地论述了民族手工艺的发展历程、行业组织、手工艺者的社会地位，同时对各个传统工艺门类的历史变迁和制作工艺进行了专门的介绍。在该书“五金工艺”一章，对锻铸工具种类和制作工序都进行了说明，虽述及翻砂铸造，但也未曾提到失蜡法铸造工艺。学者Erberto Lo Bue认为，在喜马拉雅和地区，传统上使用3种制作佛像的技术：锻打，使用锤击红铜或黄铜板的方法，这种方法从尼泊尔山谷到东部和东北部都在使用；沙范铸造法，在东部和东北部特别普遍，这种方法或许是来源于中国中原地区；还有失蜡铸造法，在南部、中部和西部特别普遍，艺术家从尼泊尔山谷纽瓦尔师傅那里学到这项技术，而纽瓦尔人是从印度笈多、帕拉时代的雕塑家那里继承而来。
笔者2005年在拉萨和昌都地区考察“昌都工匠群”铜像作坊时，实地记录了藏族工匠所采用的传统沙范铸造方法。以拉萨铜佛像制作艺人罗布占堆的演示，将沙范铸造法的工艺流程呈现出来，为后文的讨论提供必要的根据。罗布所演示的是制作一个高11厘米、宽8厘米、厚7.5厘米的菩萨头像，整个工艺流程可以划分为以下3个部分。
1）制作沙范
首先用胶泥塑成菩萨头像的模型。用于制作沙范的沙土取自拉萨附近的山上，沙土经过筛选。
沙范由上、下两部分组成。制作时，将沙土拢起，用手掌拍实，沙土形成一台基面。然后将佛头泥模置于沙土台基面上，用手下压使佛头固定于沙土。制作沙范的上、下两部分需用2个尺寸相当的椭圆形铁皮环，椭圆的长轴20厘米，短轴17厘米，铁环的宽度5厘米左右。用铁环将佛头泥模圈住，佛头居中，铁环与沙土台基面垂直（图1）。
向置于沙土台基上的铁环内撤入黑色草木灰，草木灰可以使制范时沙土台基和佛头模型、沙范易于分离。向铁环内撤入沙土，用木棍夯实，铁环内泥土紧密挤压形成一个整体。将刮刀自铁环下口沿与台基接缝处插入，使沙范的上部与台基面分离。用手将铁环连同夯实的泥土和佛头模型一同翻转过来。用刮刀剔除范内表面粘有草木灰的土层，将沙范内表面向上置于沙土台基之上。
在沙范内表面用刮刀分别剔出4个扁弧形凹槽。凹槽的作用是定位，使两块沙范在分开、合拢时不会产生错位。在佛头颈部下方的沙范内表面，用刮刀剔出一个半圆形凹槽，留作铜液的浇口（图2）。在铁环侧壁的对应浇口的位置有半圆型的孔隙，2个铁环合并后成一个圆孔。用细毛笔蘸水，滴入与模型接触的沙土层中。再用小锤轻敲佛头模型，并对沙范与模型接触部位进行修整。用双手食指和拇指从两侧托住佛头模型，垂直向上托起，模型与沙范分离。对内壁表面再进行修整，然后将佛头模型放回原位，此时半块沙范制作完成。
关键词：CA精密铸造计算机辅助工程
1引言：
精密铸造是用可溶(熔)性一次模型使铸件成型的方法。精密铸造的最大优点是表面光洁，尺寸精确，而缺点是工艺过程复杂，生产周期长，影响铸件质量的因素多，生产中对材料和工艺要求很严[1]。在生产过程中，模具设计和制造占很长的周期。一个复杂薄壁件模具的设计和制造可能需一年或更长的时间。随着世界工业的进步和人们生活水平的提高，产品的研发周期越来越短，设计要求响应时间短。特别是结构设计需做些修改时，前期的模具制造费用和制造工期都白白地浪费了。因而模具设计和制造成为新产品开发的瓶颈。计算机辅助工程的发展，使得传统产业与新技术的融合成为可能。三维CAD可以把设计从画图板中解放出来，大大简化了设计者的设计过程，减少出错的几率。并且随着快速成型(RP)技术，特别是激光选区烧结工艺(SLS)的发展[2,3,4]，三维模型可以通过RP设备，快速转变成精密铸造所需的原型，打破了模具设计的瓶颈。另外在传统铸造中，开发一个新的铸件，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。采用凝固过程数值模拟，可以指导浇注工艺参数优化，预测缺陷数量及位置，有效地提高铸件成品率。CA精密铸造技术就是将计算机辅助工程应用到精密铸造过程中，并结合其他先进的铸造技术，以高质量、低成本、短周期来完成复杂产品的研发和试制。目前，利用CA精铸技术，已完成多种航天、航空、兵器等关键部件的试制，取得满意的效果。
2材料与实验方法
CA精铸可应用于不锈钢、耐热钢、高温合金、铝合金等多种合金，CA精铸工艺流程见图1。三维模型可采用IDEAS、UGII、PROE等三维设计软件进行设计，工艺结构和模型转换采用MagicRp进行处理和修复，在AFSMZ320自动成型系统上进行原型制作，采用熔体浸润进行原型表面处理，凝固过程数值模拟采用PROCAST和有限差分软件进行计算。
3CA精密铸造工艺的关键问题及相关技术讨论
近年来，与CA精铸技术相关的三维CAD设计、反求工程、快速成型、浇注系统CAD、铸造过程数值模拟(CPS)以及特种铸造等单体技术取得了长足的进步，这些成就的取得为集成化的CA精铸技术的形成奠定了基础，促进了CA精铸技术的迅猛发展和应用。为了使各单体技术成功地用于CA精铸，必须消除彼此之间的界面，将这些技术有机地结合起来。从而在产品开发中做到真正意义上的先进设计+先进材料+先进制造。
3.1三维模型的生成与电子文档交换
如何得到部件精确的电子数据模型，是CA精铸至关重要的第一步。随着三维CAD软件、逆向工程等技术的发展，这项工作变得简单而且迅捷。在此主要介绍利用IDEAS进行实体建模和数据转换的过程。IDEAS9集成了三维建模与逆向工程建模模块。通过MasterModeler模块可以得到复杂模型(见图2)，既可以进行全几何约束的参数化设计，又可进行任意几何与工程约束的自由创新设计;曲面设计提供了包括变量扫掠、边界曲面等多种自由曲面的造型功能。逆向工程Freeform可将数字化仪采集的点云信息进行处理，创建出曲线和曲面，进行设计，曲面生成后可直接生成RPM用文件，也可传回主建模模块进行处理(见图4)。实体文件生成后需转变成STL文件(见图3)以作为RP设备的输入。转换过程应注意选择成型设备名称，通常选用SLA500，三角片输出精度在0.005~0.01之间。采用MagicRp处理时应注意乘上25.4，得到实际设计尺寸。
3.2凝固过程的数值模拟
3.2.1凝固过程的数值模拟原理
铸造是一个液态金属充填型腔、并在其中凝固和冷却的过程，其中包含了许多对铸件质量产生影响的复杂现象。实际生产中往往靠经验评价一个工艺是否可行。对一个铸件而言，工艺定型需通过多次试验，反复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工艺方案。多次的试铸要花费很多的人力、物力和财力。
铸造过程虽然很复杂，偶然因素很多，但仍遵循基本科学理论，如流体力学、传热学、金属凝固、固体力学等。这样，铸造过程可以抽象成求解液态金属流动、凝固及温度变化的问题，就是要在给定的初始条件和边界条件下，求解付立叶热传导方程、弹塑性方程。计算机技术的发展，使得求解物理过程的数值解成为可能。应用计算机数值模拟，可对极其复杂的铸造过程进行定量的描述。
通过数学物理方法抽象，铸造过程可表征成几类方程的耦合：
1热能守恒方程： 2连续性方程： 3动量方程： 常用的数值模拟方法主要是有限差分法、有限元法。有限元差分法数学模型简单，推导简单易于理解，占用内存较少。但计算精度一般，当铸件具有复杂边界形状时，误差较大，应力分析时需将差分网格转换成有限元网格进行计算。有限元法技术根据变分原理对单元进行计算，然后进行单元总体合成，模拟精度高，可解决形状复杂的铸件问题。无论采用什么数值方法，铸造过程的数值模拟软件应包括三个部分：前处理、中间计算和后处理。前处理主要为中间计算提供铸件、型壳的几何信息;铸件和型壳的各种物理参数和铸造工艺信息。中间计算主要根据铸造过程设计的物理场，为数值计算提供计算模型，并根据铸件质量或缺陷与物理场的关系预测铸件质量。后处理是指把计算所得结果直观地以图形方式表达出来。图5是铸造过程的数值模拟系统组成。
铸造过程流场、温度场计算的主要目的时就是对铸件中可能产生的缩孔缩松进行预测，优化工艺设计，控制铸件内部质量。
通过在计算机上进行铸造过程的模拟，可以得到各个阶段铸件温度场、流场、应力场的分布，预测缺陷的产生和位置。对多种工艺方案实施对比，选择最优工艺，能大幅提高产品质量，提高产品成品率。
3.2.2铸造过程数值模拟软件[5]
经过多年的研究和开发，世界上已有一大批商品化的铸造过程数值模拟软件，表明这项技术已经趋于成熟。这些软件大都可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造和压力铸造等工艺进行温度场、应力场和流场的数值模拟，可预测铸件的缩孔、疏松、裂纹、变形等缺陷和铸件各部位的纤维组织、并且与CAD实体模型有数据转换接口，可将实体文件用于有限元分析。
ProCAST是目前应用比较成功的铸造过程模拟软件。在研制和生产复杂、薄壁铸件和近净型铸件中尤能发挥其作用。是目前唯一能对铸造过程进行传热-流动-应力耦合分析的系统。该软件主要由八大模块组成：有限元网格剖分，传热分析及前后处理，流动分析，应力分析，热辐射分析，显微组织分析，电磁感应分析，反向求解等。
它能够模拟铸造过程中绝大多数问题和物理现象。在对技术充型过程的分析方面，能提供考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能构模拟出消失模铸造、低压铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程，并对注塑、压蜡模和压制粉末材料等的充型过程进行模拟。ProCAST能对热传导、对流和热辐射三类传热问题进行求解，尤其通过“灰体净辐射法”模型，使得它更擅长解决精铸尤其是单晶铸造问题。应力方面采用弹塑性和粘塑性模型，使其具有分析铸件应力、变形的能力。
对铸件进行分析时，简单的模型网格可以直接在ProCAST生成。复杂模型可以由IDEAS等软件生成，划分网格后输出*.unv通用交换文件，该文件应带有节点和单元信息。Meshcast模块读入网格文件后输出四面体单元用于前处理。PreCast对模型进行材料、界面传热、边界条件、浇注速度等参量进行定义，最后由ProCAST模块完成计算。
应用IDEAS与ProCAST，我们对某发动机部件进行了凝固过程模拟。该部件由于有一个方向尺寸较薄，浇注过程中极易发生裂纹与变形，通过模拟，对浇注系统结构进行了优化，减少应力集中，防止变形和开裂，取得明显的效果。
结论：
1.计算机辅助工程与精密铸造结合而成的CA精密铸造技术具有很强的通用性，可以缩短研制周期，节约开发成本;
