1 绪论
1.1 课题来源、目的和意义
随着我国汽车、工程机械、家电等行业的全面崛起和发展，以及全球制造业中心向中国转移，使我国成为全球制造业最具发展活力的市场，对铸件的需求量也越来越大。我国铸件产量自 2000 年以来一直居世界首位，2004 年我国铸件总产量达2242 万吨，接近排名第二、三、四位的美、日、德三国的产量之和。从铸件产量来看，虽然我国无愧于铸造大国的称号，但高档次铸件的品种和质量与西方发达国家有较大的差距。砂型铸造具有适应范围广、可铸造各种合金以及成本低等优点，目前仍是我国铸造企业中最主要、应用最普遍的铸造生产方法。近十几年来，随着我国铸造工业的飞速发展，许多企业都纷纷引进了顶级的砂型造型装备如 DISA 线、HWS 静压线等，以进一步提高铸件的档次和质量。
虽然关键设备与国外基本相当，但是实际生产中由于生产管理、技术人员水平等原因，铸件的质量还存在一些问题。铸造模具被称为“铸造之母”，其作为铸造生产最关键、最核心的装备，直接影响着铸件的内在和外在的质量和效益。随着铸造业的发展，我国砂型铸造模具也越来越更大范围、更大程度的参与国际间的竞争，有着广阔的前景。然而，我国铸造模具整体的技术水平与国外有一定的差距，尤其是 CAD/CAM/CAE 技术应用水平不高、模具表面处理技术落后、专业化水平低、管理落后等，都是制约我国砂型铸造模具发展的瓶颈。鉴于此，本课题针对上述主要问题进行研究，即通过利用现代化的 CAD/CAE技术进行砂型铸造工艺、砂型铸造模具的快速设计，充分挖掘计算机辅助技术在我国砂型铸造工艺和砂型铸造模具设计方面的应用；针对砂型铸造模具寿命短的问题，进行模具表面强化处理工艺的试验研究与探索，寻找提高砂型铸造模具表面质量、延长砂型铸造模具寿命的表面强化处理的方法与工艺，对提高我国砂型铸造模具的质量和市场竞争力具有重要的现实意义。
1.2 砂型铸造及国内外发展概况
1.2.1 砂型铸造简介
砂型铸造是将金属熔炼成具有一定化学成分、一定温度的液态金属，在重力场或外力场（压力或离心力等）的作用下，浇注到一定尺寸、形状的铸型空腔中，等金属液结晶并凝固、冷却至一定温度后，从铸型中取出，经过清理和切割浇冒口而得到铸件（亦就是机器零件或毛坯）。整个砂型铸造的工艺流程如图 1-1 所示：
砂型铸造具有原材料来源广泛、价格低廉、投资小、工艺灵活性大、生产周期短、受零件重量、形状、尺寸限制小等特点，因而在汽车、工程机械、船舶等诸多行业中得到了广泛的应用，占整个铸件生产量的 80%~90%。其主要特点如下：
（1）适用范围广铸造几乎不受零件大小、厚薄和复杂程度的限制，适用范围广，可以铸造壁厚范围为 0.3mm~1m，长度从几个毫米到十几米，质量从几克到 300 多吨的各种合金铸件，形状可以非常复杂。
（2） 可铸造各种合金用铸造可以生产铸钢件、铸铁件、锌合金、铝合金、铜合金、镁合金以及钛合金等各种铸件。铸造也是脆性金属或合金唯一可行的生产方法。其中铸铁件在实际生产中应用最为广泛，占所有铸件产量的 70%左右。
（3） 铸件精度高铸件的精度比焊接件和锻压件要高，可节省大量机械加工工时和金属材料。
（4） 成本低廉铸件在一般机器生产中约占总质量的 40%~80%，而成本只占机器总成本的25%~30%。
2 缸座模具 CAD/CAE
随着国民经济的发展，人们对汽车、家电的需求量越来越大，相关铸件也随之大增。如黄石某铸造厂采用 DISA 线进行冰箱压缩机上的缸座等配套铸件的生产，每年产量达数千万套。铸造模具的质量和寿命是影响铸件产量能否及时完成的关键环节。本章以缸座铸件为例，基于 UG、HZ-CAE 软件进行 DISA 线缸座模具设计及工艺优化，探讨 CAD/CAE 技术在砂型铸造模具快速设计中的应用。
2.1 DISA 线简介
DISA 造型线是丹麦 DISA 公司生产的垂直分型无箱射压造型线，它是借助于压缩空气赋予型砂动能，并利用压头进行补压。砂型的紧实度及其均匀性比较好，极其适合精度要求高、结构复杂、批量大的灰铸铁和球墨铸铁铸件。DISA 造型线的结构及其工作原理如图 2-1 所示。DISA 线造型工艺原理及步骤：
(1)射砂：正向模板 4 与反向模板 2 位于射砂位置，射砂装置向砂框******入型砂。
(2)压实：液压系统机构推动正向模板向前移动，紧实两模板之间的型砂。
(3)起模：首先反向模板向前移动一段距离，然后向上翻起，以使正向模板把压实后的砂型推到浇注生产线上。
(4)下芯：下芯机构自动下芯，或者人工下芯。
(5)推出合模：液压系统机构通过推动正向模板把砂型推到浇注生产线上，前后形成的两个型腔合在一起组成一个完整的铸件的铸型。
(6)起模：液压系统机构带动正向模板使其回到射砂位置，反向模板也回到射砂位置，至此便完成一个造型过程。
DISA 线基本实现了自动化、脱箱造型，其占地面积少、所需辅助机械和工艺装备少、劳动条件好。主要生产中小型灰铁和球铁铸件，造型速度快，生产效率非常高，一般都可以达 300 型/小时以上。DISA 线铸型的质量由较大的射压和挤压力来保证，铸型质量直接决定着铸件的质量，而铸型的质量则主要由模具的质量来保证。铸造模具是铸造工艺的具体体现，决定着铸件尺寸精度和表面质量，因此 DISA 线模具设计的合理与否是最终铸件生产成败的关键。
2 缸座模具CAD/CAE....................... 20-36
2.1 DISA 线简介...................... 20-21
2.2 缸座模具CAD...................... 21-30
2.3 铸造工艺优化...................... 30-35
2.4 本章小结 ......................35-36
3 砂型模具表面离子渗氮......................36-54
3.1 铸铁离子渗氮特点...................... 36-37
3.2 实验过程和检测方法 ......................37-40
3.3 实验结果与分析 ......................40-53
3.4 本章小结...................... 53-54
4 结论与展望 ......................54-56
4.1 全文结论...................... 54-55
4.2 研究展望...................... 55-56
结论
本文以缸座铸件为例，对 DISA 线砂型铸造模具的设计过程进行了探讨，完成了模具设计，重点对一箱多件浇注工艺的充型过程进行了数值模拟，并就离子渗氮工艺在提高砂型铸造模具表面质量和延长模具寿命上的应用进行了初步的探索和实验研究。具体内容和主要研究成果如下：
（1）DISA 线铸铁模具结构应采用镶拼式结构，这样既减轻了模具毛坯翻制的难度，而且有利于模具保养和维修以及铸造工艺的调整，也为后期模具的离子渗氮表面处理提供了便利。
（2）对一箱多件浇注工艺的充型过程进行了数值模拟，针对模拟过程中出现的填充不一致的问题，采用改变浇道截面积来控制金属液的流速使各个铸件充型过程平稳且基本一致，从而有效地减少了金属液填充不一致和飞溅的缺陷。
（3）对常用于制造 DISA 线模具的三种铸铁材料进行了离子渗氮的实验研究，结果表明，适当提高渗氮气氛中的氮气比例、升高离子渗氮温度以及在渗氮气氛中通入微量的含碳气氛可以显著地提高铸铁离子渗氮表层的硬度和耐磨性能；通过延长保温时间可以得到较厚的离子渗氮层；铸铁渗氮表层的耐磨性能与表层硬度成正比，且主要取决于渗氮表层的化合物层，而次表层对渗氮层的耐磨性能影响不大。
（4）实验结果表明，HT250 基体的表层硬度由初始的 142HV0.5可升高到约500HV0.5左右，渗氮层厚度约 0.19mm，耐磨性提高 1 倍左右；QT600-3 基体的表层硬度由初始的 200HV0.5可升高至 580HV0.5左右，渗氮层深度达 0.34mm 左右，耐磨性能较基体提高约 1 倍；QT500-7 的离子渗氮效果最好，渗氮后表层硬度可达680HV0.5左右，比渗氮前硬度 180HV0.5相比提高了近 2.7 倍，渗氮层厚度可达0.36mm，耐磨性能提高了近 2 倍。
（5）综合考虑，适合制作 DISA 线砂型铸造模具的材质为 QT500-7，其较理想的离子渗氮工艺为：渗氮气氛中 N2：H2的比例为 4:1，并通入 5%~10%左右的 C3H8气体，渗氮温度为 560~570℃，保温时间为 20h。
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