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1、CAE 技术在轮形铸钢件铸造工艺优化中的应用摘要:针对轮形铸钢件,用数值模拟的方法,计算并对比分析了两种铸造工艺方案下铸件的凝固过程,根据液相分布的动态过程,比较了不同工艺方案下铸件的缩孔分布及工艺出品率,为该件的生产奠定了基础。关键词:CAE;工艺优化;数值模拟铸造CAE 技术是采用计算机及相关软件对铸件的充型和凝固过程进行数值模拟1 ,并对得到的数据进行处理分析, 以预测缺陷, 优化工艺。本文采用Pro/ Engineer Wildfire3. 0 三维造型软件对某厂生产的轮形铸钢件及其工艺系统进行三维实体造型,用华铸CAE10. 0 软件进行凝固过程数值模拟,通过比较不同冒口尺寸下该件的
2、液相分布动态过程,预测了形成缩孔缺陷的不同倾向,并对比了不同工艺方案下铸件的缩孔分布及工艺出品率,为优化冒口设计,改进铸造工艺提供依据。1 轮形铸钢件概况该件为某铸造企业生产量较大的一种铸件,材质为ZG2302450 。由于原铸造工艺方案下工艺出品率仅为55 %左右,希望能借助铸造CAE 分析技术优化工艺,提高工艺出品率,降低生产成本。2 轮形铸钢件凝固过程数值模拟首先确定了以下分析步骤:(1) 对原铸造工艺下铸件的凝固过程进行分析,以得到原工艺下铸件缩孔分布。(2) 对优化设计的铸造工艺重新进行凝固过程分析,判断铸件缩孔分布,并和原工艺下的分析结果进行比较。铸造CAE 系统具体过程主要包括导
3、入三维实体模型、网格剖分;确定材料热物理性能、生产过程参数、初始条件和边界条件;物理场数值计算;结果显示等几个步骤2 。2. 1 铸造工艺系统的三维实体造型该铸件及其浇注系统、冒口和冷铁的三维造型及装配工作在Pro/ Engineer Wildfire3. 0 软件上完成。华铸CAE10. 0 分析系统是一套基于有限差分原理编制的,用于模拟铸造充型凝固过程的计算机数值仿真软件,大致分为前处理、计算分析和后处理三个基本模块。前处理模块主要用于模拟实际物理环境的计算环境的设置,计算分析则用于数值求解,而后处理主要对各种数值解以多种表达方式显示出来,以增强数值解的可读性及结果的分析和判定。由于该分析
4、软件充分考虑了铸造生产的实际情况,在STL 网格剖分时提供了一种所谓“优先级别”功能,使用户造型时对砂型的处理非常方便,仅需将它简化为一正六面体,然后与铸件、浇注系统、冒口等按尺寸正确装配,最后在同一坐标系下将各组成部分转化为STL 格式的文件保存,至此就完成了铸造模型所有部分的三维实体造型工作。图1 所示分别为整个分析模型在两种铸造工艺方案下的三维实体造型图。两种工艺的主要区别在于原工艺中没有采用冷铁,在轮缘圆周上用4 个腰圆冒口进行图1 轮形铸钢件及其工艺系统计算机三维实体模型补缩,而新工艺中采用在远离浇注系统的铸件底部设置扇形冷铁并在铸件下方整体安放一块环形隔砂冷铁,同时取消远离浇注系统
5、的两个轮缘冒口。2. 2 网格剖分考虑到计算精度,为保证剖分单元的连通性,同时又要考虑计算效率,将网格尺寸初定为7 mm ,剖分完成后调用华铸CAE 前处理模块中的网格检查功能,判断剖分单元是否连通,若有不连通的单元存在,则需调整剖分步长,减小网格尺寸,重新剖分,直到所得剖分结果中所有单元均连通。同时还需保证所得网格单元数不超过系统配置所允许的计算单元数。当然,在满足计算精度的前提下,优先选用网格单元数较少的剖分方案,以减少计算时间。综合考虑以上原则,最终确定采用网格尺寸为5 mm 的剖分方案,从而完成了实体网格剖分,图2 所示分别为剖分成功后两种工艺的网格几何模型(没有显示铸型部分) 。图2
6、 轮形铸钢件及其工艺系统网格剖分后的几何模型2. 3 凝固过程温度场的数值模拟获得满意的网格划分后,进入华铸CAE 的计算模块,按照厂家提供的工艺参数对该铸件重力铸造过程计算参数进行设置,分别输入材料热物理性能、生产过程参数、初始条件和边界条件。为尽快得到结果以满足厂家生产的需要,仅对纯温度场进行了计算。所谓纯温度场计算,就是基于“瞬时充填、初温均布”的假设,对凝固过程进行传热分析。如果想获得更精确的计算结果,就要先进行充型过程中的流动与传热耦合分析,然后以所得的温度分布为初始温度场,再进行凝固过程的温度场计算。2. 4 模拟结果的后置处理图3a图3d 是铸件在原工艺下凝固计算后液相分布模拟结
7、果,图4a图4d 是铸件在原工艺下凝固计算后定量缩孔分布模拟结果,图5a图5d 是铸件在新工艺下凝固计算后液相分布模拟结果,图6a图6d 是铸件在新工艺下凝固计算后定量缩孔分布模拟结果,由此可以判定铸件各部位的凝固顺序及可能出现缩孔缺陷的位置。分别对比图3 与图5 、图4 与图6 可以看出,两种工艺均符合顺序凝固的原则,都可以获得合格铸件。但原工艺下工艺出品率只有55 % ,经济性很低。新工艺的主要出发点是在保证铸件质量的前提下通过适当追加冷铁和减少冒口数量来提高生产的经济性。而如果不使用冷铁单纯减小冒口尺寸将不能得到质量健全的铸件产品,这样提高工艺出品率也就失去了意义。通过计算可知新工艺下工
8、艺出品率可达到67 %,显然对于大批量生产而言新工艺尤具经济性。随后经过生图3 原工艺下液相色温模拟结果图4 原工艺下定量缩孔模拟结果产验证,新工艺确实能在满足铸件质量的要求下明显降低生产成本,取得了良好的经济效益。3 结语铸造CAE 技术以可视化方式模拟了铸造凝固过程,比较准确地反映铸造缺陷产生的状况和分布规律。通过模拟信息结合有限的生产验证,可找出工艺不足之处,减少试制成本和铸件缺陷,提高经济效益。图5 新工艺下液相色温模拟结果图6 新工艺下定量缩孔模拟结果参考文献1 周建新,刘瑞祥,陈立亮,等. 铸造CAE 技术在铸钢件中的应用J . 热加工工艺,2004 , (11) :67268.参
9、考文献1 周建新,刘瑞祥,陈立亮,等. 铸造CAE 技术在铸钢件中的应用J . 热加工工艺,2004 , (11) :67268.CAE 技术在支撑体金属型铸造模具设计中的应用摘要利用华铸CAE 商业软件对壁厚不均、尺寸大、凹坑复杂的支撑体金属型铸件充型及凝固过程进行了模拟,基于模拟分析结果,提出了浇注系统和冒口系统的优化方案,并采取特殊结构控制好金属液充型状态,缩短了试模周期,保证了模具质量。关键词CAE ;数值模拟;金属型铸造;模具在一般生产中,铸造模具按照传统的思路进行,不仅设计周期长,而且模具设计费用大大增加,这种试错法( Trial and Error) 式的生产方式是不利于市场竞争
10、的。为此,作为铸造模具CAD/ CAE/ CAM 系统核心组成部分的铸造CAE 技术,正日益受到重视。它通过数值模拟,在计算机上进行虚拟浇注,透视合金液在充型和凝固过程中发生的各种现象,并进而优化浇注系统、排溢系统、铸模的设计以及相关铸造工艺参数 1 。首先,根据铸件CAD 模型,模具设计部门做模具的初步设计,生成模具型腔、型芯的三维实体造型;然后将它们转换成STL 文件送入铸造模拟软件中做流动与凝固数值模拟分析,根据模拟分析结果,修改、优化浇注系统、排溢系统的设计,从而优化模具设计;最后,适当调整铸造工艺参数,重新分析,实现生产全过程的优化。1 支撑体铸件分析支撑体采用金属型重力铸造生产。由
11、于该件壁厚不均,轮廓尺寸为551 mm 278 mm 85 mm ,形状比较复杂,加之铸件质量要求较高,特别是两长侧边要求数控加工后不能出现气孔、氧化夹杂等“黑点”缺陷。在生产过程中采取的是人工控制多道内浇道顺序浇注方式,所以经常由于时间控制不准而使铸件两侧边加工后出现较多氧化夹杂缺陷,造成较大的经济损失。由于浇注系统对获得高质量的铸件至关重要2 ,而合金液在型腔中的流动状况又与浇注系统密切相关,于是该厂拟借助于铸造CAE 软件来进行充型与凝固过程的数值真分析,并在此基础上优化原设计。2 充型及凝固过程的流场和温度场2. 1 三维实体造型该铸件及其浇注系统、冒口的三维造型工作在Pro/ Wil
12、dfire3. 0 软件上完成。系统充分考虑了铸造生产的实际情况,在STL 网格剖分时提供了一种所谓“优先级别”功能,使用户造型时对金属模具铸型的处理非常方便,仅需将它简化为一正六面体,然后与铸件、浇注系统、冒口等按尺寸正确装配,最后在同一坐标系下将各组成部分转化为STL 格式的文件保存,至此就完成了铸造模型所有部分的三维实体造型工作。图1 所示为整个分析模型在原铸造工艺方案下的三维实体示意图,图2 为整个分析模型在新的铸造工艺方案下的三维实体示意图。时95 / 3 h ,聚化速度为560 s ,加15 %促进剂180 时聚化速度为100 s ,200 时聚化速度为45 s ,和目前所用酚醛树
13、脂的参数相当。(2)合成的苯并恶嗪树脂90 熔融粘度为015 Pa s ,比软化点相当的酚醛树脂的熔融粘度低一个数量级。(3) 合成的苯并恶嗪树脂在200 有一个大放热峰,在350 有一个小的放热峰。索氏抽提试验证明200 固化后,固化度达到90 %以上。参考文献 1 顾宜,谢美丽. 开环聚合酚醛树脂研究进展J . 化工进展,1998(2) :43247.2 冀运东,李琳. 酚醛树脂粘度特性对覆膜砂性能的影响J . 热加工2. 2 网格剖分考虑到该铸件比较大, 为保证剖分单元的连通性3 ,同时又要考虑计算效率,将网格尺寸初定为4mm ,剖分完成后调用前置处理模块中的网格检查功能,判断剖分单元是
14、否连通,若有不连通的单元存在,则需调整剖分步长,减小网格尺寸,重新剖分,直到所得剖分结果中所有单元均连通。同时还需保证所得网格单元数不超过系统配置所允许的计算单元数。当然,在满足计算精度的前提下,优先选用网格单元数较少的剖分方案,以减少计算时间。综合考虑以上原则,最终确定采用网格尺寸为3 mm 的剖分方案,从而完成了实体网格剖分。2. 3 充型过程流场及凝固过程温度场的数值模拟获得满意的网格剖分后,进入计算模块,按照工艺参数对支撑体金属型重力铸造过程模拟计算参数进行设置,分别输入材料热物理性能、生产过程参数、初始条件和边界条件。为尽快得到结果以满足厂家生产的需要,分别对纯流动场和纯温度场进行了
15、计算。所谓纯流动场,就是只考虑合金液在充型过程中的流动,而不考虑充型中的传热现象。所谓纯温度场计算,就是基于“瞬时充填、初温均布”的假设,对凝固过程进行传热分析。如果想获得更精确的计算结果,就要先进行充型过程中的流动与传热耦合分析,然后以所得的温度分布为初始温度场,再进行凝固过程的温度场计算。2. 4 模拟结果的后置处理图3 是铸件在原来使用的工艺方案下充填顺序的模拟结果。此过程的模拟计算主要是想得到合金液充填到铸件不同高度的大致时间。图4 是铸件凝固计算后缩孔缩松模拟结果,由此可以判定铸件的热节位置和各部位的凝固顺序及可能出现缩松缺陷的位置。(a) t = 5. 365 s (b) t =
16、11. 500 s图3 铸件在原工艺方案下的充填顺序图4 铸件凝固计算后缩孔缩松模拟结果3 数值模拟结果分析由图3 的铸件充填顺序可以得到合金液充填到铸件不同高度的大致时间,从而为新的铸造工艺方案下内浇道自下而上开启时间的控制提供了依据。从图4 可以看出,在凝固过程中,铸件3 处较厚凸台处有缩孔区的存在,需改进冒口设置。4 优化方案按图2 所示工艺方案,根据合金液充填到铸件不同高度的大致时间,顺序开启中部和上部的内浇道,图5为新的冒口工艺方案下铸件凝固计算后缩孔缩松模拟结果、图5 新的冒口工艺方案下铸件凝固计算后缩孔缩松模拟结果从图5 可以看出,铸件本体上的缩松区域大大减少,从原来的0. 45
17、 cm3 降低到0. 08 cm3 。最后厂家按此工艺进行了试生产,经生产验证,只要严格控制好内浇道开启时间,新的铸造工艺完全能够满足铸件质量的要求。参考文献1 林毅. 压铸模CAE 分析及并行设计技术的工程应用J . 模具制造,2002 (6) :10212. 2 HU B H , TONG K K,NIU X P ,et al . Design and optimization ofrunner and gating systems for t he die casting of t hin2walled magne2sium telecommunication part s t hrou
18、gh numerical simulation J .Journal of Materials Processing Technology ,2000 ,105 :1282133.3 彭立明,毛协民. CAE 技术在2VQS 机油滤清器支架压铸工艺中的应用J . 铸造,2000 ,47 (3) :1602162.(编辑:张正贺)837CAE 技术在支撑体金属型铸造模具设计中的应用张光明等 1994- 芆莃蒆肃膂莂薈袅肈莂蚁肁羄莁螃袄节蒀蒃蚇膈葿薅袂肄蒈螇蚅肀蒇蒇羀羆蒆蕿螃芅蒆蚁罿膁蒅螄螁肇蒄蒃羇羃薃薆螀节薂蚈羅膈薁袀螈膄薁薀肄肀膇蚂袆羆膆螅肂芄膅蒄袅膀膄薇肀肆芄虿袃羂芃螁蚆芁节蒁袁芇芁蚃螄膃芀
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