基于熔模铸造模拟软件的铸钢件工艺优化基于熔模铸造模拟软件的铸钢件工艺优化 精密铸特种铸造及有色合金2004年第5期 基于熔模铸造模拟软件的铸钢件工艺优化 摘要结合工厂实际生产条件,应用所开发的基于FI’-STAR的熔模铸造模拟软件对一拖集团公司精铸厂生产的铸钢件 (前气囊上支架)的缩孔缩松缺陷进行了预测,并将预测结果与实际铸件的超声波探伤报告进行了对比分析.证明计算结 果能较好地反映真实的情况;同时,应用该软件对铸件的浇注系统来进行了工艺优化,为工厂进行工艺的改进和优化提供了科 学依据. 关键词:熔模铸造模拟软件缩孔生产验证工艺优化 中图...

  基于熔模铸造模拟软件的铸钢件工艺优化 精密铸特种铸造及有色合金2004年第5期 基于熔模铸造模拟软件的铸钢件工艺优化 摘要结合工厂实际生产条件,应用所开发的基于FI’-STAR的熔模铸造模拟软件对一拖集团公司精铸厂生产的铸钢件 (前气囊上支架)的缩孔缩松缺陷进行了预测,并将预测结果与实际铸件的超声波探伤报告进行了对比分析.证明计算结 果能较好地反映真实的情况;同时,应用该软件对铸件的浇注系统来进行了工艺优化,为工厂进行工艺的改进和优化提供了科 学依据. 关键词:熔模铸造模拟软件缩孔生产验证工艺优化 中图分类号:TG249.5文献标识码:A文章编号:1001—2249(2004)05—0036—02 熔模铸造是生产近净成形金属零件的重要方法之一, 在制造业中存在广泛的应用.就我国目前的实际生产情 况看,几乎所有的生产厂商都采用”经验+试验”的方法确 定新产品的铸造工艺

  ,这在增加产品研究开发成本的同时 延长了开发周期l1].计算机模拟技术的发展及其在铸造 领域的应用为解决此类问题提供了有效的工具. 1模拟软件的功能介绍 该软件以可输出STL

  文件的3D造型软件(如 AutoCAD,Pro/Engineer等)为支撑软件,在对铸件进行三 维几何造型并将实体离散为有限差分网格单元的基础 上,辅之以一定的边界条件和热物性参数,进行三维传 热计算,最后依据相应的判据,定量地预测铸件的缩孔, 缩松等缺陷产生的部位和大小.该软件最重要的包含前处 理,模拟运算,后处理,热物性数据库等多个功能模块和 其他辅助功能.其中,前处理模块包括网格剖分,数据 准备等,模拟运算模块包括温度场计算和缩孔,缩松预 测等,后处理模块包括计算结果三维动态显示等. 在实际生产条件下,熔模铸造型壳是采用在蜡型上 涂挂和喷涂的方式形成的,一般没有工艺图纸,其三维 造型无据可依.本软件采用了型壳自动生成技术,解决 了型壳三维造型困难的问题,型壳的厚度可以在进行参 数设置的时候由软件使用者自行设定. 铸件凝固过程数值模拟的最大的目的之一是分析和 预测铸件中可能会产生的缩孔,缩松等缺陷.综合分析现 有各种预测模型的优缺点后,本软件采用了等效液面下 降法和G/R~?法. 2原工艺的预测与验证 一 拖集团公司精铸厂生产前气囊上支架材料为 ZG310—570,型壳采用水玻璃作粘结剂,表面层及过渡 层使用石英粉,加固层铝矾土粉配制涂料,用体积分数 为20%,25%NH4C1的水溶液硬化,雨淋式撒砂机撒石 英砂.热水脱蜡,用活动炉底贯通式煤气炉进行型壳焙 烧,焙烧温度为940,1020?,时间(包括升温时间)为 2h.铸件和型壳的热物性参数件见表1. 表1铸件和型壳的热物性参数 为验证软件的可靠性和实用性,首先针对前气囊上 支架的实际生产的基本工艺进行了模拟计算,并对实际生产铸 件进行了超声波探伤,将两者结果作对比.铸件的质 量21.5kg,尺寸420mill×290mill×307mill,浇注温度 1550?,型壳厚度15rain,型壳预热温度为400?,室 温,单元大小3rll/n×3mill×3rll/n,铸件单元数216025 个,总计算单元数2834644,预测凝固时间9.3627min, 考虑型壳边界的对流和辐射换热,总计算时间为 260min.实体造型,网格剖分后的铸件,自动生成的型 壳,凝固过程中的温度场及收缩缺陷预测如图1所示. 从模拟结果来看,在现有的工艺条件下,铸件的 a1,a2,a3位置上都将出现缩孔见图1e,其中,以a2处 为最大在对铸件进行了必要的热处理后,对铸件的 a2部位进行了超声波检验测试.检测结果为在a2位置上 除了始波和底波之外还存在成簇状的反射波,在扫描线 上占宽较大,主峰后面存在较多小峰,小峰幅值较低,对 底波影响很大,有时底波非常不明显.这些现象表明 a2处存在很明显的缩孔缺陷. 在超声波检验测试的基础上,对实际铸件在a2处进行 了解剖,解剖结果如图2所示.可见,在a2位置处存在 较大的缩孔,这与软件的预测结果一致,有力地证实了 国家自然科学重大基金项目(59990473),国家重点基础研究项目(000067208—3),清华大学基础基金 于靖,男,1980年出生,研究生,清华大学机械系(10oo84),电 线,E—mail:州ghua.edu.1211 收稿日期:2OO4—02—20 36 于熔模铸造模拟软件的铸铜件工艺优化 ?b蚺件剖分 圈 tt型壳 铸件的造型型壳 n解剖部位外形l_剖面 囤2实际零件日2处样剖结果 3工艺优化设计 根据图Id中的温度场,a2部位存在比较大热节在 铸件最后凝固时刻,n2部位形成封闭的等温面,原工艺 设计的内浇道无法补缩到这里,最终造成在a2部位形 成较大缩L 针对这样的一种情况.提出了2种工艺改进方案,改进后 的方案及模拟的结果如图3,图4所示. 从模拟结果能够准确的看出,改进方案l中,改变了直浇 道和零件的相对方向.在部位的缩孔有所减小,证明 方案l的改进对于改善热节部位的补缩起到了一定的 作用.但尚不足以消除缩孔.根据图1d中的温度场, 部位的热节部位偏向内拐角.因此,方案2将直浇道 和内浇道都移到了原方案的另一侧,如图4a所示.经 过计算发现,在凝固的最后阶段,温度最高的部位中心 出现在内浇道里,这样,缩孔缺陷集中在浇注系统中,原 a2部位的缩L不再出现.可见,方案2有效改进了原 工艺,较好地消除了原有铸件的缩孔缺陷. 经现场浇注并采用超声波检测及实际解剖,实际铸 件中原有的缩孔缺陷得到一定效果消除. 4结束语 基于vr—STAR的熔模铸造软件能较好地模拟实际 d墨厦场(铸{士对特剖面)e缩孔.顼测 堤度缔覆收缩预剥 生产条件下的熔模铸件凝固过程.预测凝固过程产生的 缩孔缩松缺陷.采用该轼件对中国第一拖拉机集团公 司精铸厂的前气囊上支架进行了模拟和工艺优化设计, 有效地消除了实际生产中出现的缩L缩松缺陷 H剖奇后的铸件b.艟霞最后时刻温度埽{-缩孔姨陷 图3改进方繁1 a剖分后的铸悼b.艟团最后时剖温度场c缩孔缺陷 囤4改进方案2 参考文献 艇怍缝.庆彦,李俊涛等.7一TiAI增压涡轮培模铸造垃程数值横般研 究稀有金属材料与_[程,2003.32(3J:164—169 兰整志H志HIl,姜不屠等跨平台焙模铸造1-艺工装c蛐.特种铸黄 及有色f}盘.耵】(I):I9,21 韩冒.蒯铣涛,柴增fI1等熔模精密铸造蜡模充型过程数值模拟特 砷铸奄盟有色合盒.0?【(3):38—39 襞作偷,车贵束.赵海东等铁型覆砂球墨铸铁件凝固模拟盟收缩缺陷 丽删.特种铸造及有色台金.2LlOIr5):25—27 c编辑:张正贺) 37

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