采用鑄造工藝設(shè)計(jì)軟件模擬鑄鋼汽車橋缺陷分析和應(yīng)對(duì)策略

宋 彬，崔聿辰，崔明理

（1.北京北方恒利科技發(fā)展有限公司，北京市 100089；2.山東蒙凌集團(tuán)技術(shù)中心，山東臨沂 276025）

采用鑄造工藝設(shè)計(jì)軟件模擬鑄鋼汽車橋缺陷分析和應(yīng)對(duì)策略

宋 彬1，崔聿辰1，崔明理2

（1.北京北方恒利科技發(fā)展有限公司，北京市 100089；2.山東蒙凌集團(tuán)技術(shù)中心，山東臨沂 276025）

在以往的鑄造工藝設(shè)計(jì)過程中，冒口的位置和尺寸大小主要是靠工人積累的經(jīng)驗(yàn)來(lái)決定。使用的冒口尺寸過大或位置過多，消耗金屬液也多，對(duì)工藝設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來(lái)說(shuō)要求較高。為解決這一系列的問題，采用CASTsoft CAE軟件對(duì)鑄鋼件進(jìn)行缺陷分析，通過分析模擬鑄造后的計(jì)算結(jié)果－縮松、縮孔缺陷圖，判斷鑄件缺陷的位置，設(shè)置冒口和冷鐵，建立冒口和冷鐵體積最小的目標(biāo)函數(shù)，得出原始冒口尺寸，再利用模擬軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到最佳冒口和冷鐵，并添加排氣孔，最后通過實(shí)踐檢驗(yàn)，證明該軟件的模擬分析方法是行之有效的。

鑄鋼汽車橋殼；鑄造工藝模擬；澆注溫度；工藝優(yōu)化；CAE

鑄型中的熔融金屬液在凝固過程中都會(huì)有體積收縮，在澆注過程中，一部分新注入的熔融金屬液會(huì)用來(lái)補(bǔ)縮。然而，隨著澆注進(jìn)行，有一部分未凝固的金屬液被先凝固的金屬隔開，使新注入的金屬液無(wú)法填充體積收縮留下的空隙，從而形成孔洞，這種孔洞即是一種常見的鑄造缺陷—縮孔。為了補(bǔ)償凝固過程中的收縮，我們?cè)阼T造缺陷處增加了冒口，使凝固具有一定的方向性(從鑄件到冒口)，將最后凝固點(diǎn)轉(zhuǎn)移到冒口中。在凝固完成后，冒口可以切除下來(lái)進(jìn)行再利用。因此冒口的合理設(shè)計(jì)(包括冒口的數(shù)量、位置、尺寸和形狀等)是整個(gè)鑄造過程的關(guān)鍵，理想的冒口設(shè)計(jì)是在滿足工藝要求的前提下，使得冒口的體積、數(shù)量和尺寸最小。

近些年來(lái)，鑄造模擬軟件被逐漸廣泛應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)中，用于測(cè)評(píng)鑄造工藝設(shè)計(jì)的合理性，尤其是預(yù)測(cè)縮松縮孔缺陷。一旦分析完成，用戶可以直觀地了解分析的結(jié)果，并且找到存在缺陷的位置，之后對(duì)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行修改、再模擬，直至達(dá)到理想的效果。以目前趨勢(shì)來(lái)看，一方面鑄造生產(chǎn)中傳統(tǒng)的試錯(cuò)機(jī)制已逐漸被計(jì)算機(jī)模擬試錯(cuò)機(jī)制所取代，另一方面，現(xiàn)有的模擬鑄造需要用戶具備CAD三維實(shí)體設(shè)計(jì)、凝固建模以及冒口設(shè)計(jì)等專業(yè)知識(shí)。

1 汽車橋殼鑄造工藝方案的設(shè)計(jì)

1.1 鑄造工藝方法的選擇

汽車橋作為在汽車上使用的重要部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄件厚薄不均，熱節(jié)點(diǎn)較多，工件使用負(fù)荷大，質(zhì)量要求較高，所以在鑄造生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少鑄造缺陷的發(fā)生。結(jié)合汽車橋鑄造要求和特點(diǎn)，以及我廠鑄造現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)能力，采用新的綠色環(huán)保鑄造工藝—樹脂砂工藝來(lái)進(jìn)行鑄造的工藝設(shè)計(jì)方案。鑄型和砂芯全部采用樹脂砂鑄造，澆注溫度1600℃，采用保溫冒口套。

1.2 澆注系統(tǒng)位置的選擇

根據(jù)工程橋殼多年的鑄造經(jīng)驗(yàn)，采用一貫的放置位置和分型方法，從中間澆注，兩端放置冒口，通過模擬來(lái)驗(yàn)證，最終滿足工作位置的力學(xué)性能。

2 工藝模擬及工藝優(yōu)化流程圖（如圖1）

2.1 鑄件的三維建模

采用UG軟件對(duì)鑄件進(jìn)行三維建模。先將鑄件毛坯輸出，進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，確定分型面、鑄件擺放位置、工藝布置、冒口大小、澆注系統(tǒng)大小；再通過鑄造工藝模擬軟件進(jìn)行鑄造過程模擬，最后確定可行的澆注工藝方案。

2.2 工藝步驟

步驟1：采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行工藝熱節(jié)計(jì)算，確定冒口位置和冒口大小、鑄件工藝布局、澆注系統(tǒng)。

根據(jù)模擬計(jì)算缺陷的結(jié)果（圖4，圖5），可以知道工藝放置方案1熱節(jié)集中，集中在鑄件上半部，現(xiàn)場(chǎng)操作方便，所以按方案1計(jì)算澆冒口，確定鑄件工藝布局，確定澆注系統(tǒng)。

步驟2：采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝模擬模塊進(jìn)行鑄造過程模擬,根據(jù)缺陷重新設(shè)計(jì)冒口、冷鐵和出氣孔，得到最終沒有縮孔縮松缺陷的鑄件(或者使缺陷維持在最小范圍)。通過造型、涂料及澆注溫度等方式保證表面質(zhì)量，再通過鑄造工藝模擬軟件進(jìn)行鑄造過程模擬,最后確定可行的澆注工藝方案。

2.3 鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、保溫冒口套的三維建模

通過CASTSOFT/CAE鑄造工藝設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行不同工藝布局的鑄件毛坯工藝熱節(jié)位置計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件分析，最后選擇可行的工藝布局位置并進(jìn)行了工藝冒口設(shè)計(jì)并確定冷鐵大小，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝模擬模塊進(jìn)行鑄造過程模擬驗(yàn)證和工藝調(diào)整。

由于在工藝模擬時(shí)，鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、冒口套屬于工藝裝配體部件且各部件材料及屬性都不一樣，三維建模要保證建模工藝部件與實(shí)際生產(chǎn)工藝部件的位置、大小一致，要求鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)間面貼合。由于鑄件的一些部位是不規(guī)則的曲面，所以鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)的形狀也為不規(guī)則曲面形狀即為隨形鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)。同時(shí)由于鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)不連續(xù)相互間孤立、分散，所以在建模時(shí)也應(yīng)分散分布，相互間不相連，而在工藝模擬時(shí)要求同種材料工藝部件組合成一個(gè)整體，生成一個(gè)STL文件。鑄件毛坯三維模型（如圖 6）；鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)的工藝三維模型（如圖7）。

2.4 前處理

本次模擬時(shí),鑄件毛坯進(jìn)行網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格尺寸為2.5mm×2.5mm×2.5mm,共剖分網(wǎng)格400萬(wàn)單元。

2.5 鑄造模型構(gòu)建及模擬計(jì)算

按工藝要求添加砂型鑄造相應(yīng)的工藝參數(shù)。參數(shù)設(shè)置如下：鑄件材料為ZG35CrMo，鑄型材料為呋喃樹脂砂，型芯選用呋喃樹脂砂，澆注溫度1600℃，保溫冒口套采用保溫棉。

2.6 鑄造工藝結(jié)果顯示及工藝合理評(píng)定

采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝模擬模塊進(jìn)行鑄造過程模擬驗(yàn)證，通過鑄件充型過程、凝固過程、溫度場(chǎng)及縮孔、縮松的判定，可以看到工藝冒口尺寸偏小（圖8）。

為節(jié)省鋼液，采用不加大冒口而引入冒口套工藝（如圖9）消除缺陷，通過模擬鑄件補(bǔ)縮工藝比較合理，消除了嚴(yán)重縮孔缺陷位置（如圖10）。

工藝分析：

a)鑄件凝固過程中熱節(jié)不多，但是區(qū)域較大，而且在鑄件水平方向的兩端和中間均存在熱節(jié)，最后凝固的區(qū)域在保溫冒口的根部。大熱節(jié)的存在對(duì)鑄件的溫度場(chǎng)分布有重要影響。

b)從縮孔縮松的分布圖分析，冒口對(duì)鑄件的凝固進(jìn)行了良好的補(bǔ)縮。除冒口位置外，鑄件上沒有發(fā)現(xiàn)集中且嚴(yán)重的縮孔、縮松（如圖10）。

c)鑄件凝固過程中存在較大的溫度梯度，尤其是球冠與軸向的過渡部位以及冒口根部的兩側(cè)（如圖 8）。

d)從整個(gè)鑄件上最大主應(yīng)力和三個(gè)方向的應(yīng)力分布來(lái)看，應(yīng)力在X方向上和中間球冠與軸過渡的區(qū)域的集中區(qū)域較多，也是發(fā)生裂紋傾向較大的區(qū)域?？拷鼉?nèi)澆道的一側(cè)，應(yīng)力集中尤為嚴(yán)重。

e)在球冠和軸的過渡區(qū)域的截面與溫度場(chǎng)的對(duì)應(yīng)來(lái)看，應(yīng)力集中的區(qū)域主要集中在冷卻速度相差較大的區(qū)域，而這種冷卻速度的差異主要來(lái)自于大的冒口根部的緩慢凝固（如圖8）。

從以上分析可知，使用CASTSOFT軟件可以有效地預(yù)測(cè)出工藝設(shè)計(jì)中存在的問題，能夠預(yù)測(cè)出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)此模擬結(jié)果改進(jìn)、優(yōu)化鑄造工藝。利用三維建模軟件可以很方便地進(jìn)行鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、冒口套等的設(shè)計(jì)，同時(shí)利用CASTSOFT軟件可以對(duì)鑄造工藝參數(shù)如澆注溫度、充型時(shí)間、鑄型材料、冒口套、冷鐵等進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后再次進(jìn)行模擬，經(jīng)過多次改進(jìn)直到消除鑄造缺陷。這對(duì)于大型復(fù)雜鑄件有很重要的意義，它可以減少工藝試驗(yàn)的次數(shù)，甚至可以完全代替工藝試驗(yàn)，保證鑄件一次試制成功。從而大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

3 實(shí)際生產(chǎn)工藝情況

依據(jù)此次模擬結(jié)果制定的工藝用于生產(chǎn)后，效果良好，前后共鑄造200套，鑄件在機(jī)械加工后沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，組焊時(shí)未發(fā)生缺陷現(xiàn)象。能夠滿足設(shè)計(jì)要求，從而也驗(yàn)證工藝模擬的有效性，鑄件毛坯如圖11所示。

4 結(jié)論

通過此次模擬可以總結(jié)出以下幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)：①采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)直觀且速度快，有利于新產(chǎn)品工藝開發(fā)和工藝優(yōu)化。②組合使用CASTSOFT/CAE鑄造工藝設(shè)計(jì)模塊和模擬模塊可大大節(jié)省工藝設(shè)計(jì)和模擬的時(shí)間和次數(shù)，模擬結(jié)果與實(shí)際相符。③采用冒口套可減小冒口尺寸，節(jié)省鋼液。④砂型重力鑄造樹脂砂工藝適合鑄鋼件生產(chǎn)，鑄件表面比較光滑。

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Defects Simulation and Countermeasures upon Steel Castings of Automobile Bridge with Casting Technology Design Software CASTsoft

SONG Bin1,CUI YuChen1,CUI MingLi2
（1.Beijing North Fangheng Li Technology Development Co.Ltd.,Beijing 100089,Beijing China;2.Shandong Meng Ling Group Technology Center,Linyi 276025,Shandong China）

CASTsoft CAE software has been used in steel castings defect analysis.Analysis of the simulation calculation results of casting shrinkage porosity,shrinkage defects of castings,has been used in determination of the defect position,riser and chilling iron arrangement,establishment of the riser and the chilling iron volume minimum objective function for the original dimension of the risers.Simulation software has been used in optimization of best riser,chilling iron and adding vent hole.This software simulation method has proved effective in practice.

Steel castings of automobile axle housings;CASTsoft Casting technology simulation;Pouring temperature;Technology optimization;CAE

TP391.99;

A；

1006－9658（2012）04－0021-4

2012-05-15

稿件編號(hào)：1205-051

宋彬（1978-），男，工程師，從事鑄造數(shù)值化模擬技術(shù)相關(guān)工作