CAD/CAE 技術(shù)在橋殼鑄件工藝開發(fā)中的應(yīng)用

李永剛

（濰柴重機(jī)股份有限公司，山東 濰坊 261001）

鑄造工藝CAD/CAE 技術(shù)是鑄造領(lǐng)域的重要分支，該技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用可有效提高鑄件工藝開發(fā)效率，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本和能源消耗。鑄造工藝CAD/CAE 技術(shù)屬于虛擬制造領(lǐng)域，結(jié)合傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)等理論基礎(chǔ)以及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)了鑄造工藝設(shè)計(jì)的智能化，科學(xué)化，因此逐漸得到了鑄造生產(chǎn)企業(yè)的重視[1-5]。

橋殼鑄件是汽車及工程機(jī)械領(lǐng)域的關(guān)鍵零部件之一，其性能的優(yōu)劣對(duì)汽車整車和工程機(jī)械的性能和壽命有著直接影響[6-7]。但是橋殼鑄件結(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)量要求高。故其新產(chǎn)品工藝開發(fā)時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生裂紋，縮孔、縮松等鑄造缺陷。本文借助先進(jìn)的鑄造工藝CAD/CAE 技術(shù)對(duì)鑄鋼橋殼鑄件進(jìn)行了工藝開發(fā)和評(píng)估，確定了橋殼鑄件的鑄造工藝生產(chǎn)方案。結(jié)果表明，鑄造工藝CAD/CAE 技術(shù)可以有效縮短產(chǎn)品試制周期，提高工藝開發(fā)效率，滿足生產(chǎn)需求。

1 橋殼鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 橋殼鑄件結(jié)構(gòu)分析

橋殼鑄件的三維實(shí)體模型如圖1 所示。從圖1可以看出，橋殼鑄件形狀復(fù)雜且存在一些定位孔?；跇驓よT件的形狀分析，從有利于補(bǔ)縮和凝固順序的角度出發(fā)，初步確定該橋殼鑄件應(yīng)采用水平中間澆注，選取橋殼軸孔中心水平面為分型面。這樣不易出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷，有利于造型及合箱澆注，橋殼中間部分組織均勻、對(duì)稱，力學(xué)性能良好。

圖1 橋殼鑄件的三維實(shí)體模型

1.2 橋殼鑄件的鑄造工藝CAD

若采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算對(duì)橋殼鑄件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)，需要大量的查表和三維實(shí)體修改，會(huì)極大的增加工藝開發(fā)周期。本文采用SINOVATION（SV）的鑄造工藝設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行橋殼鑄件的鑄造工藝開發(fā)。該模塊可進(jìn)行鑄件熱模數(shù)、冒口、澆注系統(tǒng)、拔模斜度、最小鑄出孔、收縮量等工藝設(shè)計(jì)理論的計(jì)算，并可將結(jié)果創(chuàng)建出三維數(shù)據(jù)模型。設(shè)計(jì)操作簡(jiǎn)便快捷，使得鑄造工藝設(shè)計(jì)更為嚴(yán)謹(jǐn)和專業(yè)化。

對(duì)于橋殼鑄件不需要鑄出的孔，可以采用孔填補(bǔ)命令將其填補(bǔ)，如圖2 所示，選擇鑄孔所在的實(shí)體，并指示需要填補(bǔ)的孔的構(gòu)成面，確定之后即可完成鑄孔的填補(bǔ)。填補(bǔ)后的鑄件三維實(shí)體如圖3 所示。

圖2 鑄造工藝CAD 的孔填補(bǔ)

圖3 孔填補(bǔ)后的鑄件三維實(shí)體

運(yùn)用SV 的拔模斜度命令對(duì)橋殼分型面處進(jìn)行處理，選擇需要添加拔模斜度的構(gòu)成面，指定拔模方向和添加拔模斜度的面，程序根據(jù)面的最大高度推薦標(biāo)準(zhǔn)尺寸，運(yùn)行完畢后的鑄件三維實(shí)體如圖4所示。

橋殼鑄件的冒口、冷鐵工藝對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量有著重要的影響，若添加不當(dāng)易引起鑄件的縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。要進(jìn)行冒口、冷鐵的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該對(duì)鑄件的熱節(jié)分布進(jìn)行準(zhǔn)確的把握，傳統(tǒng)的熱節(jié)分析方法如等溫線法、熱節(jié)圓法對(duì)于形狀復(fù)雜的橋殼鑄件并不適用。本文采用SV 的熱節(jié)分析功能對(duì)橋殼鑄件的熱節(jié)進(jìn)行了分析計(jì)算，如圖5 所示。從圖中可以看出橋殼鑄件的軸孔周圍存在明顯的熱節(jié)。對(duì)相關(guān)部位進(jìn)行冒口熱模數(shù)的計(jì)算，從而得出相應(yīng)部位所需的冒口大小和冷鐵的接觸面積。確定了橋殼鑄件的冒口、冷鐵的設(shè)置方案。橋殼鑄件的澆注系統(tǒng)采用中間注入的封閉-開放式澆注系統(tǒng)，根據(jù)鑄件的重量和相應(yīng)公式確定了鑄件澆注系統(tǒng)的最小截面積，確定直澆道、橫澆道以及內(nèi)澆道的截面比例后確定了橋殼鑄件的澆注系統(tǒng)。設(shè)計(jì)完成后的鑄造工藝方案如圖6 所示。

圖4 添加拔模斜度后的鑄件三維實(shí)體

圖5 橋殼鑄件的熱節(jié)分析

圖6 橋殼鑄件的鑄造工藝圖

2 橋殼鑄件的工藝評(píng)估

確定橋殼鑄件的鑄造工藝圖后，借助鑄造工藝CAE 軟件對(duì)工藝的可靠性進(jìn)行了評(píng)估。主要包括橋殼鑄件的缺陷（縮孔、縮松）分布、熱應(yīng)力分析兩個(gè)方面。

2.1 鑄造工藝CAE 的前處理

將三維鑄件工藝實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為STL 文件并導(dǎo)入到鑄造CAE 軟件中，采用網(wǎng)格剖分技術(shù)對(duì)橋殼鑄件的三維實(shí)體離散成直角六面體網(wǎng)格。剖分方式采用均勻剖分即三個(gè)方向的網(wǎng)格長(zhǎng)度相等。為保證計(jì)算速度，網(wǎng)格長(zhǎng)度取為5 mm，剖分單元數(shù)共計(jì)210 萬。剖分后的實(shí)體如圖7 所示。

從圖7 可以看出，剖分后的鑄件形狀與三維實(shí)體吻合較好，未出現(xiàn)“幾何失真”的情況，說明網(wǎng)格長(zhǎng)度選擇合理，滿足鑄造工藝CAE 分析的需求。

圖7 網(wǎng)格剖分后的三維實(shí)體

2.2 鑄造工藝CAE 結(jié)果及工藝評(píng)估

前處理完畢后，設(shè)置鑄造工藝CAE 分析的相關(guān)計(jì)算參數(shù)，對(duì)橋殼鑄件進(jìn)行充型、凝固以及熱應(yīng)力分析。主要的計(jì)算參數(shù)如表1 所示。

表1 橋殼鑄造工藝CAE 分析參數(shù)

橋殼鑄件的縮孔、縮松的分布如圖8 所示。從圖8 可以看出，縮孔缺陷主要集中在冒口和澆注系統(tǒng)的直澆道位置處。雖然在鑄件本體上有易產(chǎn)生縮松缺陷的部位，但是其大小相對(duì)于整個(gè)鑄件來講可以忽略，并不能對(duì)鑄件的性能產(chǎn)生影響。

圖8 橋殼鑄件的縮孔、縮松分布

橋殼鑄件的熱應(yīng)力分布如圖9 所示。球墨鑄鐵在凝固區(qū)間的彈性變形的應(yīng)力范圍為≤172 MPa，從圖9 中可以看出，橋殼鑄件的熱應(yīng)力在結(jié)構(gòu)變化出現(xiàn)了數(shù)值偏高的情況，a） 圖最大主應(yīng)力達(dá)到146.40 MPa，b）圖最大應(yīng)力達(dá)到80.00 MPa，c）圖最大應(yīng)力達(dá)到62.86 MPa，d）圖最大應(yīng)力達(dá)到45.71MPa，所有最大應(yīng)力均未超出球墨鑄鐵在凝固區(qū)間彈性變形的應(yīng)力范圍，故應(yīng)力分布不能引起橋殼鑄件的裂紋缺陷。

圖9 凝固結(jié)束后橋殼鑄件的熱應(yīng)力分布圖

3 生產(chǎn)驗(yàn)證

按照上述確定的鑄造工藝設(shè)計(jì)開發(fā)鑄造模具并投入實(shí)際生產(chǎn)，先后進(jìn)行三個(gè)批次驗(yàn)證，共生產(chǎn)63 件毛坯，經(jīng)過實(shí)物解剖、超聲波檢測(cè)和外觀檢測(cè)，結(jié)果顯示，應(yīng)用鑄造工藝CAD/CAE 技術(shù)開發(fā)的橋殼鑄件未出現(xiàn)常見的縮孔、縮松及裂紋缺陷。生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率達(dá)到95%以上，工藝出品率達(dá)80%以上，滿足批量生產(chǎn)的需求。

4 結(jié) 論

運(yùn)用鑄造工藝CAD/CAE 技術(shù)對(duì)橋殼鑄件的鑄造生產(chǎn)工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)和評(píng)估，設(shè)計(jì)周期為傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)方法的10%，大大提高了設(shè)計(jì)效率；

通過鑄造工藝CAD/CAE 技術(shù)設(shè)計(jì)得到的鑄造工藝未出現(xiàn)常見的縮孔、縮松及裂紋缺陷。生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，產(chǎn)品合格率達(dá)到95%以上，工藝出品率達(dá)80%以上，滿足批量生產(chǎn)的需求。

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