铸造模拟论文范文

铸造模拟论文范文（精选9篇）

铸造模拟论文 第1篇

空气压缩机广泛应用于机械、矿山、建筑、医疗等领域, 是不少企业的机械动力装备之一。带轮作为活塞式空气压缩压机中的关键零件, 主要承担了活塞驱动任务, 其质量完全取决于该零件的制造工艺。为此, 研究分析压缩机带轮的制造工艺是十分必要的。

V0.17/7型活塞式空气压缩机带轮尺寸为Ф450 mm×40 mm, 质量为23.89 kg, 材料为HT200。其三维模型如图1所示。

1 铸造工艺设计

1.1 铸造工艺方案确定

传统带轮铸造工艺方案一般采用砂型重力铸造。此类铸造方法生产效率低, 产品致密性低, 表面粗糙度高。为提升铸件质量和生产效率, 本带轮将采用低压铸造。

综合考虑铸件形状及受力情况、造型工艺和后期加工, 确定出其浇注位置及分型面。浇注时皮带轮水平放置, 分型面选在铸件顶部, 金属液从铸件底部引入型腔, 造型材料为树脂型砂, 浇注温度1 250℃。

1.2 浇注系统设计

灰铁件铸造性能好, 选用封闭、底注式浇注系统。因是一般低压砂型铸件, 各组元截面比例大体为F直∶F横∶F内=1.15∶1.1∶1。根据Osann公式计算出铸件浇注系统最小横截面面积F内=8 cm2, 因此确定出F直=13.6 cm2、F横=12 cm2。采用简易浇注系统, 1个直浇道、1个横浇道、1个内浇道。由于是低压铸造, 铸件成型过程较稳定, 成型产品致密性较好, 不易出现缩松、缩孔缺陷, 一般不添加冒口。具体工艺方案如图2所示。

2 计算分析前处理

2.1 网格划分

使用UGNX4.0将模型导出为Parasolid格式, 并导入Pro CAST中进行网格划分。最终划分获得116 202个节点和589 232个元素。如图3所示。

2.2 热物性及工艺参数设定

铸铁HT200有较好的铸造性能, 充型能力较钢等金属材料强。其液相温度为1180℃, 固相温度为1 080℃。其导热率如表1所示。

本带轮的压铸温度为1 250℃, 压射速度为0.17 m/s。模具冷却方式为空冷, 初始温度为室温。本工艺模具采用砂型制造, 金属铸液与砂型间的换热系数可达500。

3 铸造成型模拟计算

3.1 带轮充型分析

经数值模拟计算后观察铸件的充型情况, 发现铸液整体上升平稳, 未出现明显的速度变化, 不易产生裹气、夹渣等现象。带轮整体充型时间为4.368 s, 如图4所示。

3.2 带轮凝固分析

带轮充型完成后即进入凝固期, 根据模拟结果显示, 带轮的表面最早凝固, 轮辐部分由于材料较厚, 有热节产生, 因此凝固所需时间长。带轮中心部位是铸液的传入部位, 并且壁厚较大, 易产生热节, 凝固时间较长。具体凝固时间分布情况如图5所示。

3.3 缺陷预测分析

对于铸造缺陷预测可采用固相率法进行分析。由图6可知, 铸件在凝固过程中, 将在轮辐及其连接位置中部产生孤立液相区, 该区域内的铸液得不到外界铸液的及时补充, 将有可能产生缩松、缩孔等缺陷。

3.4 后处理加工

考虑到轮辐面积较大, 易产生热节, 形成缩松、缩孔缺陷, 因此可利用机床去除轮辐中部材料, 使铸件缺陷部位通过机械加工被去除。同时根据加工工艺对带轮中部进行孔加工, 以去除带轮中部的铸造缺陷。改进后的带轮质量更轻, 能量消耗减少, 提升了整机的工作性能。

4 结论

(1) 利用数值模拟法可直观地分析铸件的充型、凝固过程, 预测铸液充型过程裹气、夹渣的可能性。

(2) 根据数值模拟软件可预判缺陷的形成区域, 并作相应的工艺处理, 使铸件质量得到有效保障。

(3) 通过数值模拟软件的应用, 可大大降低零件的试制成本。

摘要：介绍了灰铸铁皮带轮的铸造工艺设计, 铸件质量约23.89kg, 材料牌号为HT200。运用ProCAST软件对皮带轮凝固过程进行了数值模拟, 分析了该工艺产生缺陷的部位和原因, 提出了后处理方法。

关键词：空气压缩机,ProCAST,数值模拟,铸造

参考文献

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[7]彭静, 尹析明, 唐建新.基于ProCAST消失模铸造高锰钢斗齿的工艺研究[J].金属铸锻焊技术, 2008, 37 (19) :42-44.

铸造过程和铸造产品监视和测量 第2篇

铸造过程和铸造产品监视和测量 目的

对质量管理体系的全过程进行监视和测量，以确保满足顾客的要求，对产品特性进行测量和监控，以验证产品要求得到满足。2 范围

适用于质量管理体系诸过程的运行是否满足策划要求，或产品的质量特性是否满足标准要求或顾客要求；对生产所用原材料、生产的半成品和成品进行监视和测量。3 职责

3.1质技科负责对产品的监视和测量。

3.2办公生产科负责对质量管理体系过程运行质量监督检查，进行策划并实施具体监督。

3.3 供销科负责销售指标及售后服务和顾客满意度调查。4 程序

4.1过程的监视和测量

a)目的：发现并解决问题，保持预期的过程能力，确保产品的符合性； b)监视与测量对象：质量管理体系的各个过程，包括产品实现过程； c)采用的方法包括：内部审核、过程能力分析、工作质量的检查、过程有效性的评价等；

d)对于产品实现过程，可通过抽样检验、控制图、过程能力分析等方式进行监视与测量，其他过程可采用工作总结与工作业绩评价等方式进行监视与测量；对于过程的有效性可通过内部审核予以评价；

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e)通过监视与测量，当发现过程未达到预期结果时，应采用适宜的方法进行数据分析并采取有效的纠正和纠正措施。

各部门对本部门控制内的过程进行监视和测量，办公生产科负责质量管理体系运行全过程的监视和测量，对于出现的问题，各部门及时制定纠正和纠正措施，经管理者代表审核，总经理批准后实施。办公生产科负责组织对其有效性进行验证。

4.2产品的监视和测量

4.2.1质技科负责编制各类检验规程，明确检测点、检测频率、检测项目、检测方法、使用的检测设备等。4.2.2进货检验

4.2.2.1对生产购进物资，采购员核对送货单，确认物料品名、规格、数量等无误后交给检验员检验。4.2.2.2物资入库

a）库管员根据合格记录或标识办理入库手续；

b）验证不合格时，检验员应将该不合格品进行不合格处理，按《不合格品控制程序》进行处理。

4.2.2.3采购产品的验证方式

验证方式可包括检验、测量、观察、工艺验证、提供合格证明文件等方式。根据规定的物资重要程度，在《原材料检验规程》中规定不同的验证方式。4.2.3半成品的监视和测量 4.2.3.1过程检验

对设置检验点的工序，加工后将产品放在待检区，检验员依据《检验规程》更多免费资料下载请进：http://

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进行检验，填写相应的工序检验记录表。对半成品，盖检验员章后方可转入下一工序，对不合格品执行《不合格品控制程序》。4.2.3.2巡回监控

生产过程中，检验员应对操作者的自检进行监督，认真检查操作者的作业方法、使用的设备是否正确；并将结果及时反馈给操作者，发现的不合格品应执行《不合格品控制程序》。4.2.4成品的监视和测量

4.2.4.1需确认所有规定的进货验证、半成品监视和测量均完成，并合格后才能进行成品的监视和测量活动。

4.2.4.2检验员依据成品检验规程进行检验和试验，并填写成品检验记录。合格品签发“合格证”，仓库凭合格证办理入库手续。不合格品按《不合格品控制程序》执行。

4.2.4.3除非顾客批准，否则在所有规定活动均已圆满完成之前，不得放行产品和交付服务。因顾客批准而放行的特例，应考虑： a)这类放行产品和交付服务必须符合法律法规的要求；

b)这类特例并不意味着可以不满足顾客的要求。

4.2.5首检：对于模具控制的产品执行首检，首件连续三件合格，投入批生产；否则再六连件续检合格，才能投入批生产；如还不合格应检修模具和设备。待模具和设备修好后，从新生产并执行首检。4.2.6监视和测量记录

4.2.6.1在监视和测量记录中应清楚的表明产品是否已按规定标准通过了监视和测量，记录应表明负责合格品放行的授权责任者。对不合格品应执行《不合更多免费资料下载请进：http://

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格品控制程序》。

4.2.6.2监视和测量记录由本部门负责保存。5 相关文件

5.1《改进控制程序》。5.2《不合格品控制程序》。5.3《检验规程》。6 记录

6.1《产品检验记录》。

6.2《紧急（例外）放行申请单》。6.3《纠正/预防措施实施单》。

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铸造模拟论文 第3篇

关键词：充型过程；数值模拟；计算方法；验证方法

DOI：10.15938/j.jhust.2016.03.019

中图分类号：TG244 文献标志码：A 文章编号：1007—2683（2016）02—0096—05

0引言

铸造充型过程伴随着复杂的液体流动，易产生铸造缺陷，例如冷隔、浇不足、夹砂、裹气等，而生产人员必须确保铸件的最终尺寸在合理的公差范围内并成功消除缺陷。针对以上问题，研究人员于20世纪60年代开发了能够计算带有自由表面的不可压缩流体的非稳态流动数值方法。充型过程的研究及模拟能够帮助我们通过计算机技术，更加直观的观察铸造过程金属液的流动以及温度的分布情况，对易产生缺陷的位置进行预测，为避免铸件中的缺陷提供有力依据，并帮助技术人员及时更改生产工艺，缩短生产周期。本文对充型过程数值模拟的国内外发展情况做出了相应的概述，并总结了充型过程数值模拟所涉及的相关计算及验证方法，同时对充型过程数值模拟的未来发展进行了展望。

1铸造充型过程数值模拟技术的发展

1.1国外铸造充型过程数值模拟的发展

充型过程数值模拟起源于20世纪80年代。1983年，Hwang W S等将计算流体力学与铸造充型问题相结合，开展了对充型过程数值模拟技术的研究。1984年，Desai P V研究了强制对流对内浇道温度的影响，采用涡函数的方法研究了弱对流与温度场之间的关系。1985年，匹兹堡大学的Wang CM利用改进后SOLA-VOF方法进行铸件充型过程数值模拟，并用高速摄影技术进行验证，模拟结果与实验基本相符合。1988年，Lin H J等将二维SO-LA-VOF方法与传热学结合，预测了扁平压铸件充型时的冷隔问题，从而为压铸件的充型模拟提供相应指导。1991年，Jonsson P分别基于层流、湍流以及两种流态共有的三种状态，模拟了不同状态下金属液在型腔内的充型结果，进一步探讨了金属液流态对充型结果的影响。1992年，Yeh J L等又利用SOLA-VOF方法求解湍流的N-S方程以及带有自由表面的k-6湍流模型，对钢水的流动进行模拟，并用水力模型实验进行对比，结果表现出良好的一致性。1995年，在第七届铸造、焊接和凝固过程模拟大会上，伯明翰大学的Sirrel B等公布了标准实验结果，该标准实验结果作为对充型过程数值模拟结果的参考一直沿用至今。在此次大会上，各研究小组利用各自的模拟软件对铸件充型过程进行模拟，大部分模拟结果都与实体实验接近。1997年，Pan SM利用SOLA-VOF技术及k-ε湍流模型，分析了充型过程中流体和浇包内气体的流动现象，包括速率和气泡的流动迹线，其中气体和液体流动所产生的相互作用也被考虑到其中，该方法与生产实际紧密结合，具有实际应用意义。1998年Jtirgen Neises等将VOF方法进行改进，新算法利用非结构网格来控制单元体积的计算，能够将双曲线方程转换为单支抛物线方程进行求解，减少计算量。该方法已经能够运用到简单铸件的生产及工厂实际应用中。2004年Mirbagheri SMH等基于SOLA-VOF方法开发了一种新的算法，研究传热和传质以及型腔内压力对充型过程的影响，同时分析了金属液对不同铸型型壁的冲击作用。该研究工作利用具有不同颗粒度的模具浇注铝合金，研究不同粗糙度下的液体流动状态及金属液对模具的侵蚀程度。2005年Kashiwai S模拟了铝合金铸件的真空吸铸过程，分析了不同的吸人压力和解压缩率对充型过程的影响，研究表明，较高吸入压力和减压速度，会更容易在充型过程中产生湍流，增大夹渣和卷气的风险，使真空吸铸技术得到进一步发展。2007年Lee D Y等模拟了半固态镁合金的充型过程，对金属液在不同剪切速率和冷却速度下的流变性和触变性进行了研究，同时分析了粘度对充型过程的影响。2011年Korti AIN等利用动量守恒方程和连续性方程求解速度场和压力场，用VOF方法处理自由表面，研究了铝铸件在高压状态下，在水平气缸和型腔中的二维流动过程。2013年Mcbride D等基于离心铸造开发了一种计算模型，该模型能够捕捉到复杂离心铸件充型过程中自由表面的细节，研究气-液两相界面间流体膜所形成的浓缩物，同时利用水力学模拟实验验证模拟结果，并用高速摄像机捕获充型过程。

国外充型过程数值模拟技术发展迅速，体系完善，无论是流体本身的性能研究还是与铸件及铸型的结合，都拥有成熟理论支持和科研平台，并且涉及领域及学科十分广泛，对算法及计算方程的研究深入准确，为国内铸造充型过程数值模拟的发展提供了先进的科学指导和参考价值。

1.2国内铸造充型过程数值模拟的发展

国内充型过程数值模拟起步虽晚但发展迅速，1991年，沈阳铸造研究所的孙逊基于SOLA-VOF方法研制了充型过程流体流速的模拟软件，并在此基础上进一步编制了含有热对流和热扩散的三维传热模拟程序，与球铁铸造工艺相结合，开发了球铁铸造工艺CAD软件，并对球铁铸件进行数值模拟计算，为工厂实际生产进行指导帮助。1994年汪小平等采用SOLA-VOF法模拟了不可压缩连续流体自由表面的流动，开发了适用于复杂薄壁压铸件的流场数值模拟程序。1995年，陈立亮等在原有的EPC充填数学模型的基础上，自主开发三维气化膜充填应用软件，准确地模拟了气化膜铸件成型过程，使国内对气化膜的研究取得进展。1997年，清华大学的邱伟在自由表面的处理上对VOF算法的累积流量误差进行修正，利用共轭梯度法求解离散化迭代方程，并引用k-ε湍流模型，利用物理实验验证改进后的效果。1998年，陈立亮对如何加快铸件流场数值计算速度进行了研究，引入了平均收敛率以及总平均收敛率来分别作为选取动态松弛因子ω和衡量整个计算过程效率的标准。每隔一段时间，程序可以根据收敛率来不断调整松弛因子，使计算的收敛速度不断地提高。2001年，贾良荣等人基于有限差分法建立流动及传热的耦合计算模型，并利用SOLA-VOF算法开发了压铸件充型过程流动及热传分析软件，利用k-～湍流模型对“弓”形型腔的充型过程进行模拟，结合水力模拟实验进行验证，同时采用所开发的软件模拟了复杂压铸件的充型过程，分析了型腔表面的温度变化，提出“瞬态层”概念。同年，吴士平运用SOLA-VOF法求解动量守恒方程和连续性方程，对TiAl基合金的离心铸造充型过程进行数值模拟，并利用石蜡做为充型液体，进行实际浇注，验证模拟结果。2002年清华大学的王罡等人利用计算机群的网格化并行计算环境，对压铸件充型过程进行分析，建立并行搜索模型，通过调整效率参数，同时利用多节点优势，对原有的SO-LA-VOF串行算法进行改进，显著地提高了计算效率。2004年，哈尔滨理工大学的马秋等对镁合金压铸件充型过程进行了数值模拟计算，研究了充型过程的物理场，预测了铸件的缺陷位置，该实验证明了采用闭合式浇注系统充型平稳，温度场分布均匀，卷气和冷隔缺陷较少。2005年，赵海东等在有限差分法的基础上，提出了表面无量纲距离，表面充填比率和体积充填比率，建立充型过程模型，以预测充型过程氧化膜的卷入，并浇注铝合金铸件进行实体实验验证。2010年，张明远等采用Level Set方法追踪充型过程气一液两相流动界面，并利用Projec-tion方法对三维复杂铸件的多相流动过程进行模拟，成功地分析了充型过程中气-液两相流动行为。

国内充型过程数值模拟技术在参考国外先进技术的基础上，在短时间内取得了快速的发展，研究人员逐步依靠自身的科研力量，不断地填补国内充型过程研究的空白，在研究内容上不断深入，在研究方法上不断创新，使在该领域的研究体系日益完善。

2充型过程数值模拟计算方法

2.1 MAC及SMAC算法

MAC技术就是基于有限差分网格，对动量方程的两端进行离散，得到求解压力的泊松方程，并将连续性方程作为压力的约束条件对泊松方程进行变形，通过动量方程和连续性方程的同时迭代，求解相应的压力场和速度场。MAC算法在流体中加入标识粒子，它并不参与计算，而是作为一种跟踪描述的方法来反应流体流动的情况。由于MAC方法需要压力场和速度场同时迭代，并且需要大量的示踪粒子才能较为准确的反应自由表面的移动，这便加大了计算量，使计算速度慢，效率低。为此在MAC算法的基础上又开发了SMAC算法，该方法是将初始压力场代人动量守恒方程离散求解速度场，如果该速度场无法满足连续性方程，则会得到一个势函数，通过势函数得到一个校正速度场，再将校正速度场代人连续性方程进行验证，直到获得收敛的速度场。将成功收敛后的速度场代人动量方程便能够求解最终压力场。可见，SMAC算法只进行了速度场的迭代，所以可大幅度提高运算速度，节省计算空间。

2.2 SIMPLE算法

SIMPLE算法最早由帕坦卡提出，该方法的理论基础是压力场间接地由连续性方程规定，当正确的压力场代人动量方程时，便能得到满足连续性方程的速度场，因此计算速度场的困难在于压力场的迭代，SIMPLE算法的首要步骤便是估计一个可行的压力场。该方法为了找到可行的估计压力值P′，采取了以下步骤：①首先确定正确的压力方程为P=P*+P′，其中P′为压力修正。②基于压力方程的前提，估计一个压力场P*，代入动量方程求得速度分量ν*、μ*、ω*。③求解P′的离散化方程，再利用压力方程确定压力P_④利用速度修正公式计算最终速度分量ν、μ、ω。⑤求解影响流场的其它物理量的离散化方程。⑥将P作为一个新的估计压力场，代入计算第一步骤，进行迭代计算，直到所得压力场和速度场收敛。另外，SIMPLE算法采取基于MAC方法的交错网格处理，避免动量方程和连续性方程将锯齿状压力场和波形速度场处理为均匀压力场和均匀速度场，使迭代结果更加准确。但SIMPLE算法和MAC算法一样，都没能摆脱压力场和速度场同时迭代的方式，这需要同时求解由动量方程和连续性方程所推导的整个离散化方程组，加大了计算量，计算效率较低，并且SIMPLE算法尽管在迭代过程中早就得到正确的速度场，但压力场却很可能需要多次迭代后才会收敛从而得到正确的解。因此，帕坦卡等提出了改进的SIMPLE法即SIMPLER算法，该方法认为，如果只用压力修正方程来修正速度场，而由其它途径来获得修正的压力场，则会加快计算速度。在推导压力方程时，没有做任何假设，而是让正确的速度场参与运算，压力方程便会得到正确的压力场。SIMPLER算法可以立刻得到收敛的解，由压力修正方程得到合理的速度场。但SIMPLER算法在单次迭代中的计算量要大于SIMPLE算法，因为其在求解SIMPLE方法中所有的方程外，还要计算压力方程，不过由于迭代次数低于SIMPLE算法，所以整体的计算时间和计算效率要优于前者。

2.3 SOLA-VOF算法

该方法的独到之处在于其将SOLA方法和VOF方法相结合，利用SOLA方法求解动量方程和连续性方程，用VOF方法处理流体自由表面。在铸件充型过程中，液态金属是不可压缩的流体，其流动过程服从质量守恒和动量守恒，其数学形式就是连续性方程和动量守恒方程即N-S方程。在用SOLA-VOF方法求解动量方程和连续性方程时，同样先将当前的压力和速度场代人动量守恒方程，如果所得的速度场没有满足连续性方程，则通过改变压力值得到新的试算速度，并将新的试算速度代入连续性方程进行验证。由于每一个计算单元的校正压力直接由连续性方程算出的速度求出，然后校正速度场，所以只需对速度场进行迭代计算，便可同时得到正确的压力场和速度场，提高了计算效率。对于自由表面的处理，VOF法定义一个体积函数F，用于表示一个流体单元内液体的体积含量。当一个流体单元充满液体时，F值为1，F值为0时表示该流体单元没有液体，当0

2.4格子气方法

格子气方法又称离散粒子技术，它是指大量的微观个体按照一定的规律集合在一起便表现出高度的有序性，这决定了其组成的宏观物理系统具有复杂性质。这样便可以认为流体是由大量微观个体所组成，这些离子在网格空间内按照一定规律相互作用或移动，宏观上表现为流体的运动，任一个体有质量无体积，只能在网格点上存在，并沿着网格线在网格间运动，在同一时刻同一点上，沿着每一网格的运动方向最多只有一个粒子。粒子运动的方法是先让某一个分子按其速度矢量的指向移动一格，走到最邻近的格点。如果有两个分子以相对方向，同时向一个网格节点运动即发生碰撞，则由这两个分子组成的位形之间的角度要换成直角，而其它位形保持不变。利用格子气方法所构造的格子气自动机，可转变为不可压缩流体的二维和三维的动量方程，不仅是速度，在时间和空间上都是离散的，格子气模型与非线性的N-S方程有3方面差异：1）缺乏伽利略不变形；2）缺乏各向同性；3）维度交叉问题。格子气方法主要优点是算法稳定，边界条件易处理，对于单一节点的计算只涉及若干与其相邻的节点，可以进行并行计算。格子气方法的计算速度比传统方法快至少1000倍以上，在未来的模拟实验中存在相当大的发展空间。

3对于充型过程数值模拟结果的常用验证方法

3.1直接验证法

最常用的方法便是根据要求设计实验，浇注实体铸件，对充型过程可能产生的缺陷进行分析研究，与模拟结果进行对比，这种方法一般适用于中小型铸件，对于大型铸件，由于其体积大，浇注过程极为不易控制，并且每一次实际生产都会花费大量人力物力且无法保证铸件质量，所以对于大型铸件的充型模拟过程不宜采取这种方法。

3.2水力模拟实验

水力模拟实验是最常用的方法之一，成本较低且易于控制。该验证方法主要是用透明有机玻璃制成铸型型腔，以水代替金属液充入型腔，并用高速摄像机拍摄充型过程。但是由于液态水和液态金属的流动性存在一定差异，为此，也可以使用低熔点有机材料代替水进行模拟例如石蜡，同样取得了较好的效果。

3.3 X射线的应用

在充型过程中可以用带有一定电压的X射线进行观察，同时结合高速摄像机进行图像记录，这种验证方法所得到的结果准确但操作复杂。

3.4对比验证

充型过程数值模拟的发展已经到达一个较为成熟的阶段，世界许多科研机构也相继推出了可供与模拟结果相对比的标准实验结果，例如伯明翰大学的Sirrel B等公布的标准实验结果。基于这些标准实验结果，可将模拟的实验结果与其进行对比验证。

3.5商业化软件的应用

现在人们常用的商用化模拟软件如MAGMA，ProCAST，Flow-3D等已经发展的相当成熟，其模拟结果的准确性也得到广泛认同，因此对于同一实验可利用多个商业化模拟软件进行模拟，然后对比实验结果进行分析。

4展望

充型过程数值模拟虽然起步较晚，但发展迅速，多种计算方法的应用以及商业化软件的开发都有效的推动了充型过程数值模拟的研究进程。但充型过程较为复杂，涉及到流体力学、传热学、计算学等诸多学科内容，所以对充型过程的模拟研究依然任重而道远。

充型过程数值模拟的常用算法有很多，但都避免不了速度场或压力场的迭代，这就加大了计算量，使计算效率降低，因此应着重开发高精度快速算法，例如利用Projection方法代替SOLA方法求解动量方程，则无需进行速度场和压力场的耦合计算。

对于大型铸件而言，由于其结构复杂，受外界因素影响的程度大，充型过程不易控制，因此大型铸件充型过程的数值模拟往往和实际生产结果存在一定差距，为此需要更加精确的模拟参数以及功能更加全面的商业化软件。

铝合金活塞铸造工艺数值模拟研究 第4篇

铝合金活塞主要采用金属型铸造[1], 但铸造过程中容易产生缩松、缩孔等缺陷, 同时活塞壁厚差距比较大, 成型过程中容易造成晶粒尺寸不均匀等缺陷[2,3], 这些缺陷影响了铸件的使用寿命。目前, 国内外对铝合金活塞工作过程的数值模拟研究已经有一定进展[4], 对改善铝合金活塞成型质量的研究也已经开展起来, 但涉及具体产品铸造工艺参数组合优化的研究较少[5,6]。

为此本研究从铸造工艺参数组合出发, 利用正交试验法考察浇注温度、浇注速度、模具温度3个工艺参数, 对数值模拟结果进行晶粒尺寸、缩松缩孔分布、充型率等几个方面综合评分, 得出最优铸造工艺参数组合。

1 工艺参数优化方案设计

铝合金活塞铸造过程中, 浇注温度、浇注速度、模具温度3个工艺参数对成型质量的影响很大, 研究者需要找出对铝合金活塞成型质量最优的参数组合, 本研究以ZL108铝合金活塞为研究对象, 其成分如表1所示。

本研究根据合作工厂实际经验及活塞浇注工艺的文献[7,8,9,10], 设置ZL108铝合金浇注温度650℃~750℃, 浇注速度0.2 kg/s~0.4 kg/s, 模具温度150℃~250℃, 具体因素水平设置如表2所示。

2 铸造工艺数值模拟

本研究首先用Pro/E三维软件进行实体建模, 用Pro/E软件自带的Mechanical模块进行面网格划分, 考虑计算机运行的速度, 活塞毛坯的面网格控制最大尺寸为5 mm。笔者把面网格模型导入到Procast有限元分析软件中, 进行面网格检查、体网格划分、优化处理。

本研究在Procast有限元分析软件的Precast环境下进行前处理, 在Procast中针对ZL108铝合金 (AI-Si12Cu Ni Mg) 材料, 可以做流动和传热分析。笔者设置了虚拟铸型, 铸型材料为常用的H13钢, 设置好虚拟铸型后, 用Computer Mold进行虚拟模型计算。模具与铸件的换热系数采用1 000ω⋅m-2⋅c-1, 针对浇注速度、模具温度、浇注温度等工艺参数, 本研究采用正交试验法设置9组工艺参数组合, 模拟结果如表3所示。

3 模拟结果分析

通过对各组方案的模拟, 方案4、7产生了不合格的情况, 主要由于铸造中活塞毛坯的主体出现了浇注不足的情况, 如图1所示, 铝合金活塞的销座孔处出现了浇注不足和残余气体的情况, 这对活塞的使用影响很大。

评判铸件质量建立在型腔充型完全的基础之上, 还要检验其铸造缺陷、晶粒尺寸。方案1、2、3、5、6、8、9的缩孔缺陷图如图2所示。

可以看出, 方案5、6、9的缺陷较少, 其主体毛坯的缩松缩孔明显少于其余试验组, 方案5、6、9的缩孔缩松主要出现在主、副冒口上, 而其余几组的缩松缩孔比较多, 尤其是铝合金活塞的头部等壁厚相对较大的位置容易产生缩松缩孔等缺陷。

方案5、6、9的晶粒尺寸相对较小, 其活塞头部的晶粒尺寸在0.066 9 cm~0.074 6 cm之间, 而方案1和方案3的晶粒尺寸相对较大, 其晶粒尺寸在0.077 9 cm~0.079 1 cm之间;方案5、6、9活塞裙部的晶粒尺寸在0.041 7 cm~0.048 6 cm之间, 方案1、3活塞裙部的晶粒尺寸在0.052 7 cm~0.056 7 cm之间, 方案1、3、5、6、9的晶粒尺寸如图3所示。

充型质量综合考虑上述缩松缩孔和晶粒尺寸两个方面进行评分, 针对产生不合格情况的实验组, 其充型质量得分为50的不及格分, 其余合格的实验组得分从70~100分依次递增, 梯度为5分, 且分数越高代表其成型质量越好, 其结果如表3所示。

本研究利用正交分析中的极差分析法, 对充型结果的评分、极差分析如表4所示。由表2、表3中的因素水平设置可知, E1表示影响因素为E (即浇注温度) 在水平为1的铸造工艺条件, 即E1表示浇注温度为750℃, 则各个因素在不同水平下的变化趋势如图4所示。

由结果可以看出, 因素F (即浇注速度) 对铝合金活塞的成型质量影响最大, 其次是因素E (即浇注温度) , 对铝合金活塞影响最小的是因素G (即模具温度) , 根据极差值绘制的因素水平趋势图如图4所示, 可以明显看出, 因素F对铝合金活塞的影响质量是最大的。

由因素水平影响趋势图可以分析得出, E2F2G1组合为最佳的工艺参数组合, 分别为700℃的浇注温度、0.3 kg/s的浇注速度和150℃的模具温度, 且该方案并不在上述的正交组合之中, 所以研究者需要对工艺参数组合进行验证分析, 利用Procast模拟软件对其进行数值模拟, 其模拟结果如5所示。

4 结束语

通过模拟的E2F2G1参数组合结果, 研究者可以看出铸件的缩松缩孔较少, 其缩松缩孔主要分布在主副冒口上;晶粒尺寸更加均匀, 壁厚较小处到壁厚较大处的晶粒尺寸从0.052 1 cm~0.073 cm变化;毛坯主体的充型率100%, 气体夹杂也出现在主、副冒口上。综合考虑验证实验和上述正交试验, E2F2G1的工艺参数组合 (700℃的浇注温度、0.3 kg/s的浇注速度和150℃的模具温度) 达到的充型质量最佳。本研究结果为壁厚不均重要零件的铸造工艺数值模拟优化提供了一定的借鉴与指导。

参考文献

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铸造模拟论文 第5篇

1 铸件结构特点及铸造工艺难点

复合飞轮壳材料为HT250, 外形尺寸D560mm X157mm, 重量86公斤, 它的法兰口处的圆环壁较厚, 为20mm;法兰底面36mm以上的圆环和顶平面壁厚只有5mm;上顶面两侧有壁厚为10mm的起动机孔和一个直径壁厚为30mm的轴孔。如图1、2所示, 它包括一个标准的飞轮壳和一个齿轮室结构, 是新型的复合结构飞轮壳, 主要应用于船机。由于铸件壁厚尺寸相差较大, 其铸造工艺性差。并且该飞轮壳带有齿轮室, 必须设计齿轮室砂芯, 铸造工艺复杂。

2 铸造工艺设计

2.1 铸造工艺参数

由于该飞轮壳外形尺寸大, 决定采用一箱一件的铸造方案。飞轮壳主要铸造工艺参数的选取如下:铸造收缩率1.08%;砂型起模斜度1°~3°;砂芯涂料层厚度0.2mm;铸件加工余量4mm;分型负数0.5mm;最小铸出孔20mm, 最小壁厚4.5mm。整个铸型由上下砂型和8个砂芯形成。根据产品结构和铸造工艺性, 选用自硬呋喃树脂砂制芯, 使用振机造型和手工相结合的造型方法。

2.2 浇注系统的设计

飞轮壳是薄壁壳体结构, 铸件的绝大部分由砂芯形成, 发气量较大。在进行浇注系统设计时, 必须考虑金属液均匀, 平稳注入, 尽量减少铁水在充型过程中产生的涡流, 飞溅, 且横浇道要具有一定的撇渣能力, 故选择了封闭式的浇注系统, 浇注系统各断面比为:。

原工艺:在圆环壁较厚热节处设计1处暗冒口, DRXHR=65mm×130mm, 如图2所示, 在砂芯上设计排气通道, 在外模上型设计排气针, 部分排气针和型腔之间通过排气过桥连接。

3 凝固模拟及工艺优化

3.1 原工艺方案

原工艺凝固过程模拟结果入图2、3、4所示, 从图2可以看出铸件最后凝固的位置于法兰厚壁处, 有可能出现较大的缩孔。从图3、4的概率缺陷分布图中可以判断出, 铸件很有可能在法兰厚壁处出现缩松, 在一些重要表面出现缩孔。

3.2 改进工艺方案

原工艺中法兰的另外一处厚壁处可能出现较大的缩松、缩孔, 因此在圆环壁热节处增加1处暗冒口, DRXHR=65mm×130mm, 增加3处排气。改进工艺方案入图5所示。

改进后的凝固过程模拟结果如图6、7、8所示。从图6可以看出最后凝固位置更大的转移到冒口根部, 冒口能对铸件补缩。从图7、图8可以看出, 相对原工艺出现缩孔缩松的概率大大变少, 概率也降低了。

由于该零件的工艺特殊性, 不能完全避免出现缩孔缩松。改进后的工艺, 虽然还有一些部位不够理想, 但是不影响零件的使用性能。

4 结论

由于飞轮壳类铸件, 其铸造工艺设计的关键是浇注系统和排气系统的设计, 质量控制的关键是缩孔缩松类缺陷的产生, 并确保型芯砂的性能稳定。实践表明, 在原工艺基础上对冒口位置加以改进后, 出现缩孔缩松的位置明显减少, 改进后的工艺是行之有效的。如图9为飞轮壳毛坯图。

摘要：通过分析某柴油发动机飞轮壳的结构特点及其铸造工艺上的技术难点, 提出飞轮壳铸造工艺设计方案, 对铸件的充型过程和凝固过程进行模拟分析。结果表明改进后的铸造工艺是行之有效的, 缩孔、缩松等缺陷得到明显改善。

关键词：飞轮壳,铸造工艺,模拟,缺陷

参考文献

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[3]中国机械工程学会铸造分会.铸造手册.第5卷, 铸造工艺[M].北京:机械工业出版社, 2003.

计算机模拟在铸造领域中的应用 第6篇

关键词：计算机模拟,铸造领域,应用

铸件的铸造是一个比较复杂的过程, 铸件形成需要高温的环境, 且变化快, 很难观察。并且对于铸件的铸造我们缺少切实可行的理论依据, 只能通过长期的实践经验来进行铸件的设计。在铸造领域, 大型铸件的制造一向是重大机电设备的研制的难点, 而大型铸件制造的关键技术就是热加工。由于大型铸件体积庞大, 生产批量小, 生产周期还非常长, 这就造成其生产成本非常高, 这些大型铸件在冶金、矿山等行业的需求较大, 所以我们对于这些铸件的生产要求一次成功, 尽量避免报废造成巨大的经济损失。但是传统的铸造技术主要依靠传统的经验, 没有科学的、准确的理论依据, 所以在生产过程中经常生产出不合格的产品, 或者报废或者带伤运行。

随着科技的进步, 计算机技术逐渐形成, 对于铸件理论的深化也起到了一定的推动作用, 利用数值模拟以及物理模拟, 可以帮助人们看到模拟逐渐的整个过程, 这就为大型铸件的建造技术的提高起到了重要作用。计算机模拟技术有效降低了大型铸件的失败机率, 为铸造技术的发展做出了重大贡献。

一、铸造工艺分析软件集成系统

对于石油钻机、修井机上的一些比较重要的铸件, 要求它们的安全性和使用性都非常好, 这样单纯利用传统的经验型制造技术就很难做到, 这就造成不合格产品产生量多。目前, 我国应用最多的是华铸CAE/inte CAST铸造工艺分析软件, 该种软件在数据分析上与铸造工艺的优化上有着突出的优势, 可以模拟凝固过程与铸件填充过程的各类数据, 分析铸件制造工艺的精确性, 还可以预测出铸件的缺陷情况, 对于加工工艺的改良, 铸件质量的提高, 废品率的降低都有着明显的作用。这样就有效降低了生产的成本, 也减少了建筑经验对工作人员的影响, 对保持工艺设计水平的稳定性也有很好的作用。

二、YG225钩体的模拟

在石油钻机和修井机提升技术上, 一项重要的加工工艺就是对钩体的制造工艺。这种钩体制造材料重达一千多千克, 需要能够承担的拉力能达到2000kn, 并且这些拉力主要作用在了主钩和副钩之上, 所以这就对主钩和副钩的要求较高, 不允许有缩孔和气孔等缺陷的存在。钩体的形状比较复杂, 曲面比较多, 钩体各部件的厚薄也不均匀, 所以在加工过程中如果单凭设计者的经验很难做出合格的产品。目前, 多个企业都开始应用华铸CAE/inte CAST凝固模拟分析系统对铸件的各类情况进行模拟, 有效提升了铸件制造的成功率。

YG225大钩计算机模拟分析步骤可以分为以下几步:

1) 三维实体造型。利用计算机软件对构件进行分析、模拟, 利用三维实体进行模拟实验, 并将PT格式转化为STL格式。

2) 选择合适的网络。利用软件的网格对铸件进行自动的剖析, 得到需要的离散数据。

3) 耦合计算。利用计算机对铸件建造环境进行耦合计算, 把它的流动场合温度场都精确计算, 进而计算出铸件继续进行凝固的过程的温度场计算, 得到科学合理的数据。利用这些数据做成可视的图形图像、曲线和过程图画, 为工作人员提供直观的经验为他们进行工艺决策和工艺优化提供理论依据。

4) 做可视动画。利用计算机模拟处理程序, 把铸件的制造过程做成可视动画, 帮助工人判断各种铸造缺陷的具体位置和数量, 也帮助工人寻找出更为科学合理的加工工艺来消除这些缺陷, 或者把这些缺陷转移到受力小的部位。

5) 新工艺方案。在大型铸件铸造过程中, 主要的缺陷集中在了两个区域, 因此浇注系统和冒口的大小及位置保持不变。需要采取的措施就是要把副钩上部的冷铁去掉, 把补缩通道进行畅通处理, 为了加快末梢的凝固速度可以把圆筒段部下面放置随形冷铁。在主钩的根部进行冷铁处理, 在冒口的两侧和主钩都形成顺序凝固, 补缩通道畅通。通过计算机模拟系统我们可知, 主钩位置缩松面积较小, 可以提升逐渐关键位置组织的致密性, 虽然还存在一定的弊病, 但是与传统的工艺相比而言, 数量大大减小, 且体积小, 分布分散, 也能够满足使用者的需求。

三、结语

总之, 将计算机模拟技术应用在铸件制造领域中, 可以预测出各类缺陷, 及时发现铸造中可能存在的问题, 帮助技术人员优化现有的生产工艺, 制定出最优的解决方案, 提高生产质量, 降低次品的产生率, 从而有效节省成本。

参考文献

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铸造模拟论文 第7篇

关键词：计算机数值模拟,铸造工艺,冒口,铸造缺陷

铸造是材料成型与控制专业的一个重要的方向之一, 也是促进本科生就业的一个重要的方向, 《铸造工艺与设备》是铸造专业方向的主干课程, 该课程讲授铸造工程师必备的工艺理论和基础知识。目前《铸造工艺与设备》课程缺乏和理论课程相配套的实验, 面临这个现实, 将计算机模拟仿真技术应用于铸造专业课程的教学是一个很好的教学方法。应用计算机模拟技术及其仿真软件对砂型铸造过程进行工艺参数及砂模结构进行优化是一门前沿新技术。采用模拟仿真进行铸造工艺课程教学, 既解决了实践环节缺少的矛盾, 又能直观逼真地模仿铸造工艺过程, 使学生较快掌握所学专业知识及并优化工艺和模具, 直观生动地展现铸造过程各种物理场的细节变化, 科学准确地传递大量有价值的数据, 可提高教学质量, 起到事半功倍的作用。

案例:铸造工艺冒口设置对铸件质量的影响, 此零件为直齿轮, 铸件材质为铸钢, 零件净重为2 2.6 8 k g, 铸型重量2 3.98kg, 铸件轮廓尺寸为83.88×Φ358.72, 属于回转体中小型零件, 大量生产。技术要求:铸造圆角R3-R5;齿部面淬火HRC40-45.铸件的最小壁厚为12mm, 超过了可铸壁厚6-10mm的上限, 不易产生浇不到的现象。考虑到铸件80mm处为整个铸型的最高处, 则在此处要考虑排气问题, 避免产生气孔缺陷。

两种冒口设计方案 (见图1) :方案1、齿轮中央放置一个冒口;方案2、在齿轮中央放置一个冒口、边缘放置一个冒口。

方案1存在大量的卷气现象, 方案2不存在卷气现象。方案1存在大量的缺陷, 方案2不存在缺陷, 因此, 采用方案2是合理的。见图2, 图3。

计算机数值模拟技术在《铸造工艺与设备》课程教学中的应用, 可以充分发挥仿真软件理论和实践结合紧密的特点, 克服当前该课程理论和实践教学存在的问题, 全面提高学生的素质和综合能力, 促进学生对铸造工艺过程的深入了解, 激发学生的独立思考和创新意识, 培养学生自主学习和勇于实践的能力。教师对铸造工艺课程的教学起到了事半功倍的作用, 也在一定程度上弥补了实验室实践教学缺乏的不足。但计算机模拟技术在铸造工艺教学中的应用尚处在刚刚起步的阶段, 仍有不少亟待完善之处。

参考文献

[1]刘全坤.材科成形基本原理[M].北京:机械工业出版社, 2007.

铸造模拟论文 第8篇

行星架是齿轮箱行星齿轮的主要支撑构件, 其工作环境恶劣, 长期承受较大应力, 损坏速度很快, 对传动系统的稳定性和可靠性影响非常大[1,2]。所以对它的强度和力学性能要求很高, 并且为了大批量生产, 铸件表面不允许有粘砂, 内部不允许有气孔、缩孔、缩松等缺陷, 以达到一定的使用寿命。以往采用普通砂型铸造生产时, 夹砂、胀砂、气孔、缩孔、缩松等多种铸造缺陷难以解决, 产品合格率只有70%左右, 致使生产成本居高不下。铁型覆砂铸造技术是国家重点新技术推广项目, 它的优势是:既能获得优异的铸件质量, 又能实现节材、节能, 降低生产成本。目前, 国内已有100余家工厂建有铁型覆砂铸造生产线, 用于生产质量要求高, 生产批量大的铸件, 例如曲轴、凸轮轴、制动鼓等, 年产铸件约10万吨[3]。但到目前为止, 未见有用铁型覆砂铸造工艺生产行星架的报道。

由于计算机凝固模拟具有实现铸造工艺的智能化设计及可视化铸造过程[4,5]的特点, 在行星架铸件工艺设计中, 本研究利用凝固模拟技术来指导工艺设计, 修改工艺方案, 完善工艺设计方案, 从而达到缩短设计周期、一次性设计成功的目的。

1 铁型覆砂铸造工艺设计

1.1 铸件的技术要求

行星架铸件如图1所示。

该铸件共有3种零件018、092和113。铸件轮廓尺寸分别为ϕ217 mm×60 mm、ϕ230 mm×60 mm、ϕ216 mm×60 mm, 单件重约分别为8.5 kg、9 kg、8.1 kg。

化学成份W (%) :C:3.0~3.4, Si:1.9~2.2, Mn:0.7~0.9, P≤0.05, S≤0.03, Mg:0.03~0.05%, Re:0.02~0.04%;

材质为QT500-7, 基体组织为铁素体和珠光体混合组织, 球化等级为1~3级。

力学性能为本体取样, 抗拉强度σb (MPa) ≥500;屈服强度σ0.2 (MPa) ≥320;伸长率δ (%) ≥7;硬度为170 HB~230 HB。渗炭体≤3%, 不允许存在网状渗炭体。

这种球铁由于有较好的强度和良好的韧性而被广泛应用于汽车行业。

1.2 工艺设计原则及参数

行星架铸件单重为9 kg左右, 铸件上平面平均壁厚为24 mm, 5个柱子部位壁厚特大 (如图1所示) , 柱子底部为似长方形结构, 尺寸为长×宽×高=37 mm×30 mm×60 mm。采用普通砂型铸造生产时, 缩孔、缩松铸造缺陷始终难以解决。在铁型覆砂铸造工艺中, 铸型 (铁型) 具有足够刚度, 在铸件凝固过程中, 能充分利用自身的石墨化膨胀来进行自补缩, 实现无冒口铸造, 且能获得内在组织致密的铸件。所以该件采用铁型覆砂铸造工艺非常合适。工艺设计采用均衡凝固的原则[6], 设计方案为一型四件, 铸件比例为018∶092∶113=2∶1∶1。水平分型、水平浇注。铸件全部放在下型, 圆环平面在上, 5个柱子在下。圆环平面的铁水可以对5个柱子实现充分的液态补缩, 浇道又可以对圆环平面保证充分的液态补缩, 补缩通道非常通畅。浇注系统采用半封闭式、无冒口铸造, 各组元的断面比例为ΣF直:ΣF横:ΣF内=1.2∶1.7∶1。浇注系统设计中, 选用较小的横浇道截面积, 同时在内浇口处加设集渣包, 使铁液中的夹渣物有充分的上浮空间, 起到很好的挡渣作用, 同时亦满足了铸件必要的液态补缩;较小的内浇道设计, 可使其在铁液石墨化膨胀开始前封闭, 防止铁液回流, 充分利用自补缩[7]。

工艺布置图如图2所示。铸件的冷却速度同铁型的壁厚有很大的关系, 在覆砂层厚度不变的前提下, 铁型愈厚, 冷速愈快[8];反之亦然。为实现铸件的均衡凝固, 铁型壁厚选择为25 mm~40 mm, 铁型材质为灰铸铁HT200, 覆砂层厚度选用6 mm~10 mm。

2 数学模型的计算分析

在铸型的充型过程中, 将液态金属看作不可压缩流体, 其流动过程服从质量守恒和动量守恒定律, 其数学形式是连续性方程和N-S方程[9]:

(1) 连续性方程:

(2) N-S方程:

式中:D—散度;u, v, w—速度矢量在X, Y, Z方向上的分量;P—单位密度的压力, 即压力/密度;μ—运动粘度;g—重力加速度;∇2—拉普拉斯算子;ρ—金属流体密度。

铁型覆砂铸造的凝固过程是一个不稳定的导热过程, 其传热过程为:铁水从浇注系统进入铸件后, 高温铁水立即使覆膜砂中的树脂燃烧, 在型腔里充满了气体, 当铁水充满型腔后, 在铸件和覆膜砂之间形成气隙, 在覆膜砂和铁型之间也形成气隙。所以, 其传热过程为“铸件—气隙—覆膜砂—气隙—铁型—大气”。

其热传导微分方程[10]为:

式中:λ—导热率, ρ—密度, C—比热, q—内部生成热。

3 凝固模拟分析

铸件热节的凝固模拟结果如图3所示。每个铸件共有4个热节, 且全部在平面与柱子的交汇处。113的热节较大, 但也是相同颜色的, 表明一般情况下不会形成缩松。018和092的热节较小。但由于热节的体积比仍然较大, 本研究在工艺上采取增加气针, 加大上表面的铁型厚度, 化学成份上增加碳当量, 以增加石墨化膨胀量。从图中可知, 横浇道集渣包的热节最大, 表明有充分液体补缩, 但同时也表明集渣包可以适当缩小。

3.2 缩孔、缩松分析

铸件缩孔、缩松模拟结果的透视剖面图如图4所示。本研究根据铸件热节的凝固模拟分析, 并且在工艺装备设计时采取多项措施后, 从缩孔缩松模拟结果来看, 效果很好。从图4中可看出, 铸件减少横浇道集渣包后, 整体上也没有出现缩孔、缩松, 浇注系统上也没有出现缩孔、缩松的现象, 说明横浇道及集渣包的尺寸已经合理, 不能再小, 工艺出品率已经达到最大状态。为了看得更加清楚, 本研究专门在热节部位作了剖面图, 从图中可以看到, 热节部位也没有发现缩孔缩松。

4 生产验证

在实际生产中, 熔化设备为1 t中频电炉。球化处理温度为1 520℃~1 480℃, 浇注温度为1 420℃~1 350℃。由于铁型覆砂铸造中, 铁液的冷却速度比普通砂型铸造快3倍左右, 因此, 金相组织中石墨球细小圆整, 而且数量多, 球化等级可达到1~2级, 如图5所示。

铁型覆砂铸造行星架与砂型铸造行星架各项技术指标对比如表1所示。比较结果表明, 铁型覆砂铸造工艺生产出的行星架铸件表面光洁、尺寸准确、内部组织致密、球化等级稳定。与普通砂型铸造相比, 可节约生产成本35%, 节约能源30%, 显示出良好的经济效益和竞争优势。

5 结束语

本研究利用计算机模拟技术, 在行星架铸件工艺设计中, 实现了铸造工艺的智能化设计及可视化。

(1) 通过对铸件的热节、缩孔、缩松模拟分析, 其结果表明, 设计的铸造工艺是合理的。生产的行星架铸件表面光洁、尺寸准确、内部组织致密, 没有缩孔、缩松缺陷;

(2) 凝固模拟技术可以指导工艺设计, 减少铸件缺陷, 缩短工艺设计周期。

(3) 采用铁型覆砂铸造的行星架铸件, 其各项性能指标均优于砂型铸造, 提高了企业的经济效益和竞争能力。

摘要：针对普通砂型铸造生产行星架铸件时, 铸造缺陷多、产品合格率低的问题, 采用铁型覆砂铸造方法生产行星架铸件。对铸件的热节、缩孔和缩松进行了凝固模拟分析, 对铸造工艺进行了优化;应用凝固模拟技术来指导铸造工艺设计, 缩短了工艺设计周期, 降低了模具返修率。生产应用结果表明, 应用铁型覆砂铸造工艺生产的行星架铸件表面光洁、尺寸准确、内部组织致密, 没有缩孔、缩松缺陷;可以实现无冒口铸造, 降低了生产成本, 具有显著的经济效益和竞争优势。

关键词：铁型覆砂铸造,凝固模拟,行星架,工艺优化

参考文献

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铸造模拟论文 第9篇

现阶段, 国内绝大多数铸造企业均是运用以往传统式工艺试错法展开铸件生产。传统式铸造工艺设计方式可以说通常是依赖于直觉及经验, 铸件结构简单或者是铸造类似铸件时相关经验是主要因素, 关于一些大型且复杂的铸件浇注时往往经验缺失, 仅仅是通过重复性工艺实践来确定适宜的工艺。往往某些工艺出现极大失误时就极有可能将工艺方案彻底推翻。经过工艺重复性实践确定适宜的工艺方式, 极有可能会造成所制作的模具报废, 这对于较大型铸件来讲费用也是极高, 从而出现极大经济性损失, 并且会影响到新产品试制及延长新产品试制时间。随着计算机软件技术的持续进步, 铸造信息也得到了很大发展, 将CASTsoft技术有效运用于铸件铸造过程中, 能够合理降低或者是取消新产品工艺试验, 避免各类铸造缺陷出现以确保工艺可靠性, 有效缩短新产品试制时间[1]。

1 铸造工艺设计及铸件质量控制

1.1 铸造工艺设计关键内容及方式

砂型铸造可以说是多种铸造方式最基础, 水玻璃砂型铸造以及树脂砂型铸造目前在诸多中大型铸件及一些较小铸件生产中仍是非常关键。近些年压力铸造及消失模铸造发展快速。熔炼工艺, 熔炼的关键任务就是促使配置合理的炉料及熔剂在熔炼与过热中所产生的冶金反应出有益造渣, 这有助于净化金属液及相关成分调整, 更是有助于变质处理及孕育处理;造型工艺, 该工艺的关键任务就是促使铸型及浇注系统和冷却系统与排气系统, 能够在造型及制壳中形成空腔, 这有助于充型及充分净化入型金属液, 并且能够有效实现内杂物及气体离开型腔, 对于凝固时期维系补缩液有着极好的补缩通道, 能够有效降低铸件残余应力;后续处理工艺, 此工艺关键是铸件清理及铸件热处理等方面[1]。铸件清理工艺不止是影响着铸件表面质量, 更是直接关乎着铸件表层组织及性能, 并且影响着铸件残余应力大小及分布。铸件热处理关键是清除应力及有效稳定组织与力学性能, 经过调控炉气氧化性能及加强炉内炉气中所存在的对流热换, 有助于提升同类铸件热处理之后, 得到组织及力学性能统一性。

1.2 铸件质量控制关键内容及方式

1.2.1 铸态力学性能控制

铸件材料铸态力学性质是材料铸态金有效结合方面所决定的, 组织则是取决于材料化学成分及冷却速度或者是动态结晶这几个方面条件。所以处于生产条件之下想要得到稳定铸件铸态力学性能, 关键是要制定及执行基于熔炼工艺, 促使铸型之内的金属液得到高度净化的过程。这样能够在熔炼中经过炉料配料及成分元素等合理调整, 把其稳定程度控制于要求范围之内。并且, 在此基础上再经过铸型冷却环境改变以及调整铸件冷却系统设计方案这方面方式来构建及相关成分互相适应的冷却速度, 运用科学合理的变质处理及孕育处理工艺方式来有效改变铸件结晶前沿性动态结晶条件, 以便于充分达到铸态组织统一性[2]。

1.2.2 表面质量控制

可以说运用改变铸型及型芯或者是涂料材料为主的相关工艺方式来控制铸件表面质量。或者是采用改变熔炼温度及浇注温度为主熔炼工艺方式来充分控制铸件表面质量。

1.2.3 内部质量控制

可以说在实现金属液高度净化基础上充分加强金属液的补缩能力以及铸件排气能力等方面工艺, 这样有助于防止出现不致密组织;并且合理运用造型工艺来防止出现过多残余应力。

2 铸造工艺仿真设计

2.1 铸造工艺仿真设计关键内容及方式

以往传统式工艺设计往往是借以工程师熟练经验及多次工艺设计方案的修改, 并进行重复试制, 这样才可以有效确定最终生产工艺[3]。相关铸件结构简单或者是铸造类似铸件时通常长时间所积累的生产经验时非常关键的, 不过在生产单件小批量大型或者是较为复杂的铸件时是运用新型铸造方式与生产不同材质铸件时总是会出现经验缺失现象, 这样就不可以及时有效的编制科学合理的铸造工艺, 并且在工艺出现失误时就极有可能出现工艺方案被彻底否定, 以至于铸件或者是模具和工装等各个方面报废掉, 这样也给对应企业带来了极大极大经济损失, 并且严重影响着新型产品开发所需时间。

计算机模拟技术充分运用于铸造工艺仿真设计上, 能够有效处理铸件铸造过程中所出现的各类问题, 并且针对于生产铸件各类工艺条件及基本特征与铸件品质各个方面要求, 这时分析铸件可能出现的铸造缺陷时, 提出了初步工艺处理方案且运用铸造CASTsoft技术来对工艺克服铸件缺陷科学合理性施以有效仿真验证, 这样就能够依据相关模拟结果, 并施以对应措施进行修改工艺。铸造工艺仿真设计能够充分确保铸件质量, 并且缩减产品开发时间及降低生产成本, 降低研制所需费用。

可以说国内外目前具有十款主要铸造工艺仿真软件, 帮助相关研究人员展开较宽领域运用铸造工艺仿真设计, 这样有助于现场工作工程师能够得到针对性较强且效果优越和便捷简单的实用性工程处理方案, 来适应于企业现存产品软件购置方案方面服务。

流程及方式, 应该针对不同铸件的铸造方式及材质与材料来详细分析其中所存在的缺陷或者是预测缺陷类型及大小、形状和分部状态;接下来就是针对相关缺陷来确定适应的仿真内容;并且针对其仿真内容来合理选择仿真软件和对应模块;运用选择的仿真软件和模块来展开计算机模拟;详细分析仿真结果, 经过相关工艺的改进, 设计出适宜于铸件铸造的工艺;针对其铸件最佳仿真设计工艺, 在生产现场应用调优设计周迁移原理来得到铸件最优化生产工艺;针对铸件的最优化生产工艺来编制产品技术性文件或者是产品生产管理文件, 充分确定铸件最优化生产工艺稳定执行;最终把铸件铸造工艺及全部管理过程所产生的各类信息并进企业ERP[3]。

2.2 铸造工艺方案设计

铸造工艺方式选择。因为铲板是煤矿设备中最主要的钢铸件, 其相关结构尽管比较简单, 不过整体厚度确实不均匀的, 热节部位诸多, 产品的工作环境也是较为恶劣及质量方面要求很高, 外轮廓的尺寸是1932 430 380毫米, 对应铸件毛坯在进行机加工及除应力处理之后施以组焊及装机, 铸件相关零件的表面质量内部质量及配合尺寸方面的要求更是极高。为了能够充分确保顺利充满及厚大位置不出现疏松现象, 尤其是确保焊接位置及装配部位质量及尺寸, 经过浇注系统化设计及浇注时间合理控制, 降低及避免气孔及渣孔现象出现, 经过造型及涂料和浇注温度等有效措施来确保其表面质量, 充分考虑铲板质量及批量所提出的各类要求, 并且有效结合厂铸造现场的生产能力, 最终是选择适宜的砂型重力铸造及改性水玻璃砂工艺工艺方案。此次铸型是选择改性水玻璃砂, 型芯是选择水玻璃砂及浇注温度1600摄氏度, 对应冒口套是保温材料[4]。

2.3 浇注系统部位选择

铲板长度对应方向是装配配合部位以及铲板工作部位是最长方向法或者是铲板前部及各个加强筋根部组织的要求极高, 务必要确保其不会缩松及气孔等方面铸造缺陷, 为了促使铸件达到合理顺序凝固, 确保工作部位力学性能。有效的满足所要求的工艺分型, 经过铸造工艺设计软件和工艺模拟软件的合理确定。

3 三维建模

3.1 铸件三维建模

运用Pro-E软件进行铸件三维建模, 首先将铸件的对应毛坯输出, 施以铸造工艺设计来合理确定其分型面, 铸件的摆放部位确定工艺布置, 对应冒口大小及浇注系统的大小。经过铸造工艺模拟软件施以铸造过程模拟, 最终科学有效的确定最佳浇注工艺方案[5]。

3.2 铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套三维建模

因为进行工艺模拟时对应铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套这些均是工艺装配体部件, 而且各个部件的材料和属性均是不同的, 三维建模确保建模工艺部件及实际的生产工艺部件位置及大小是统一化的, 应该要求对应铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套间面是极为贴合的。因为铸件很多位置是不规则的曲面, 因此铸件毛坯及浇注系统和冒口系统及冒口套形状也均是不规则的曲面形状, 也就是随形铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套, 与此同时因为铸件毛坯及浇注系统和冒口套不连续, 其相互间是单独且分散的, 因此在进行建模时也应该是分散式分布, 互相间是不连接的, 不过在工艺建模时是要求一种材料工艺部件组合成的整体, 所生成STL文件。

3.3 工艺模拟及工艺优化

3.3.1 工艺步骤确定

首先, 是使用CASTsoft铸造工艺设计模块展开工艺热节计算, 以便于确定其冒口部位及大小, 更能够有效确定铸件的工艺布局与浇注系统;其次, 是运用CASTsoft铸造工艺模拟模块施以铸造全部过程模拟, 经过铸造充型过程及凝固过程展开模拟和缺陷分析, 最后获得最佳铸造方案。

3.3.2 造模型构建和模拟计算

依据工艺要求增加砂型重力铸造工艺参数。通常铸件材料参数设置为ZG30Cr Mo, 铸型材料往往是改性水玻璃砂, 对应型芯是选择水玻璃砂, 浇注温度应该是1600摄氏度, 其相关冒口应该运用保温棉。

3.3.3 铸造工艺设计和方案初定

经过铸件毛坯不同布局下的工艺热节部位合理确定, 详细分析有助于具体生产方案展开的工艺设计, 以便于充分确定冒口部位及大小及浇注系统。

3.3.4 铸造工艺结果显示和合理评定

运用CASTsoft铸造工艺模拟模块展开铸造过程模拟验证, 经过凝固过程及温度场和缩孔或者是缩松等方面详细判定, 在工艺冒口尺寸较小时, 为了要节约钢水则运用不加大冒口直接引进冒口套工艺消除缺陷, 经过模拟逐渐的对应补缩工艺来处理, 具有非常严重的缩孔缺陷部位清除。

4 结语

总而言之, 运用CASTsoft软件能够充分预测工艺设计过程中所存在的各类问题, 可以预测铸件会出现的铸造缺陷, 并且依据该模拟结果来进行工艺改进与优化。运用三维建模软件有效的展开铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套改善, 并且运用CASTsoft软件进行铸造工艺对应参数设置及调节, 多次模拟且改良, 直到清除所存在的铸造缺陷。这有助于较大型复杂铸件高质量铸造, 能够充分降低工艺实践重复性次数, 更是可能取消工艺性实践, 确保铸件一次就是试制成功。进而有效缩短新产品试制所需时间, 有效提升企业竞争力。并且, 根据该次模拟结果所编制的工艺用于生产之后, 各方面效果较好及对应铸件在机械施以加工之后并未出现铸造缺陷, 在组焊时也没有出现缺陷, 充分满足了设计各方面要求, 进而有效验证了工艺模拟科学合理性。

参考文献

[1]陈日军, 黑玉龙, 宋彬.铸造工艺模拟CASTsoft CAD/CAE技术在铸造工艺设计及优化中应用[J].铸造技术, 2012 (10) .

[2]黑玉龙, 陈日军, 宋彬.CAD/CAE技术在铸造工艺设计及优化中的应用[J].特种铸造及有色合金, 2012 (13) .

[3]李化芳, 刘魁敏, 胡占军, 张辉.基于CAE技术的铸造工艺设计研究[J].热加工工艺, 2013 (03) .

[4]王仲珏, 傅宏江, 左大利.铸造工艺仿真设计方法初探[J].铸造, 2013 (10) .