鑄造工藝設計及模擬CASTsoft技術在大型采礦設備鑄件生產中的應用

楊在國等

摘 要：隨著國內社會經濟水平提升及計算機技術的持續(xù)發(fā)展，人們不斷將仿真技術充分運用于鑄造實際生產及實踐研究中，發(fā)達國家已經全面實現了鑄造工藝仿真設計高效率運用，促使鑄造工藝仿真內容及方式與形式有著本質性變化。鑄造工藝設計直接關系著鑄件質量，本文分析了鑄造工藝設計及模擬CASTsoft技術在大型采礦設備鑄件生產中的應用，并提出了實用性應用措施。

關鍵詞：鑄造工藝；模擬CASTsoft技術；采礦設備；鑄件

0 前言

現階段，國內絕大多數鑄造企業(yè)均是運用以往傳統(tǒng)式工藝試錯法展開鑄件生產。傳統(tǒng)式鑄造工藝設計方式可以說通常是依賴于直覺及經驗，鑄件結構簡單或者是鑄造類似鑄件時相關經驗是主要因素，關于一些大型且復雜的鑄件澆注時往往經驗缺失，僅僅是通過重復性工藝實踐來確定適宜的工藝。往往某些工藝出現極大失誤時就極有可能將工藝方案徹底推翻。經過工藝重復性實踐確定適宜的工藝方式，極有可能會造成所制作的模具報廢，這對于較大型鑄件來講費用也是極高，從而出現極大經濟性損失，并且會影響到新產品試制及延長新產品試制時間。隨著計算機軟件技術的持續(xù)進步，鑄造信息也得到了很大發(fā)展，將CASTsoft技術有效運用于鑄件鑄造過程中，能夠合理降低或者是取消新產品工藝試驗，避免各類鑄造缺陷出現以確保工藝可靠性，有效縮短新產品試制時間[1]。

1 鑄造工藝設計及鑄件質量控制

1.1 鑄造工藝設計關鍵內容及方式

砂型鑄造可以說是多種鑄造方式最基礎，水玻璃砂型鑄造以及樹脂砂型鑄造目前在諸多中大型鑄件及一些較小鑄件生產中仍是非常關鍵。近些年壓力鑄造及消失模鑄造發(fā)展快速。熔煉工藝，熔煉的關鍵任務就是促使配置合理的爐料及熔劑在熔煉與過熱中所產生的冶金反應出有益造渣，這有助于凈化金屬液及相關成分調整，更是有助于變質處理及孕育處理；造型工藝，該工藝的關鍵任務就是促使鑄型及澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)，能夠在造型及制殼中形成空腔，這有助于充型及充分凈化入型金屬液，并且能夠有效實現內雜物及氣體離開型腔，對于凝固時期維系補縮液有著極好的補縮通道，能夠有效降低鑄件殘余應力；后續(xù)處理工藝，此工藝關鍵是鑄件清理及鑄件熱處理等方面[1]。鑄件清理工藝不止是影響著鑄件表面質量，更是直接關乎著鑄件表層組織及性能，并且影響著鑄件殘余應力大小及分布。鑄件熱處理關鍵是清除應力及有效穩(wěn)定組織與力學性能，經過調控爐氣氧化性能及加強爐內爐氣中所存在的對流熱換，有助于提升同類鑄件熱處理之后，得到組織及力學性能統(tǒng)一性。

1.2 鑄件質量控制關鍵內容及方式

1.2.1 鑄態(tài)力學性能控制

鑄件材料鑄態(tài)力學性質是材料鑄態(tài)金有效結合方面所決定的，組織則是取決于材料化學成分及冷卻速度或者是動態(tài)結晶這幾個方面條件。所以處于生產條件之下想要得到穩(wěn)定鑄件鑄態(tài)力學性能，關鍵是要制定及執(zhí)行基于熔煉工藝，促使鑄型之內的金屬液得到高度凈化的過程。這樣能夠在熔煉中經過爐料配料及成分元素等合理調整，把其穩(wěn)定程度控制于要求范圍之內。并且，在此基礎上再經過鑄型冷卻環(huán)境改變以及調整鑄件冷卻系統(tǒng)設計方案這方面方式來構建及相關成分互相適應的冷卻速度，運用科學合理的變質處理及孕育處理工藝方式來有效改變鑄件結晶前沿性動態(tài)結晶條件，以便于充分達到鑄態(tài)組織統(tǒng)一性[2]。

1.2.2 表面質量控制

可以說運用改變鑄型及型芯或者是涂料材料為主的相關工藝方式來控制鑄件表面質量?；蛘呤遣捎酶淖內蹮挏囟燃皾沧囟葹橹魅蹮捁に嚪绞絹沓浞挚刂畦T件表面質量。

1.2.3 內部質量控制

可以說在實現金屬液高度凈化基礎上充分加強金屬液的補縮能力以及鑄件排氣能力等方面工藝，這樣有助于防止出現不致密組織；并且合理運用造型工藝來防止出現過多殘余應力。

2 鑄造工藝仿真設計

2.1 鑄造工藝仿真設計關鍵內容及方式

以往傳統(tǒng)式工藝設計往往是借以工程師熟練經驗及多次工藝設計方案的修改，并進行重復試制，這樣才可以有效確定最終生產工藝[3]。相關鑄件結構簡單或者是鑄造類似鑄件時通常長時間所積累的生產經驗時非常關鍵的，不過在生產單件小批量大型或者是較為復雜的鑄件時是運用新型鑄造方式與生產不同材質鑄件時總是會出現經驗缺失現象，這樣就不可以及時有效的編制科學合理的鑄造工藝，并且在工藝出現失誤時就極有可能出現工藝方案被徹底否定，以至于鑄件或者是模具和工裝等各個方面報廢掉，這樣也給對應企業(yè)帶來了極大極大經濟損失，并且嚴重影響著新型產品開發(fā)所需時間。

計算機模擬技術充分運用于鑄造工藝仿真設計上，能夠有效處理鑄件鑄造過程中所出現的各類問題，并且針對于生產鑄件各類工藝條件及基本特征與鑄件品質各個方面要求，這時分析鑄件可能出現的鑄造缺陷時，提出了初步工藝處理方案且運用鑄造CASTsoft技術來對工藝克服鑄件缺陷科學合理性施以有效仿真驗證，這樣就能夠依據相關模擬結果，并施以對應措施進行修改工藝。鑄造工藝仿真設計能夠充分確保鑄件質量，并且縮減產品開發(fā)時間及降低生產成本，降低研制所需費用。

可以說國內外目前具有十款主要鑄造工藝仿真軟件，幫助相關研究人員展開較寬領域運用鑄造工藝仿真設計，這樣有助于現場工作工程師能夠得到針對性較強且效果優(yōu)越和便捷簡單的實用性工程處理方案，來適應于企業(yè)現存產品軟件購置方案方面服務。

流程及方式，應該針對不同鑄件的鑄造方式及材質與材料來詳細分析其中所存在的缺陷或者是預測缺陷類型及大小、形狀和分部狀態(tài)；接下來就是針對相關缺陷來確定適應的仿真內容；并且針對其仿真內容來合理選擇仿真軟件和對應模塊；運用選擇的仿真軟件和模塊來展開計算機模擬；詳細分析仿真結果，經過相關工藝的改進，設計出適宜于鑄件鑄造的工藝；針對其鑄件最佳仿真設計工藝，在生產現場應用調優(yōu)設計周遷移原理來得到鑄件最優(yōu)化生產工藝；針對鑄件的最優(yōu)化生產工藝來編制產品技術性文件或者是產品生產管理文件，充分確定鑄件最優(yōu)化生產工藝穩(wěn)定執(zhí)行；最終把鑄件鑄造工藝及全部管理過程所產生的各類信息并進企業(yè)ERP[3]。endprint

2.2 鑄造工藝方案設計

鑄造工藝方式選擇。因為鏟板是煤礦設備中最主要的鋼鑄件，其相關結構盡管比較簡單，不過整體厚度確實不均勻的，熱節(jié)部位諸多，產品的工作環(huán)境也是較為惡劣及質量方面要求很高，外輪廓的尺寸是1932 430 380毫米，對應鑄件毛坯在進行機加工及除應力處理之后施以組焊及裝機，鑄件相關零件的表面質量內部質量及配合尺寸方面的要求更是極高。為了能夠充分確保順利充滿及厚大位置不出現疏松現象，尤其是確保焊接位置及裝配部位質量及尺寸，經過澆注系統(tǒng)化設計及澆注時間合理控制，降低及避免氣孔及渣孔現象出現，經過造型及涂料和澆注溫度等有效措施來確保其表面質量，充分考慮鏟板質量及批量所提出的各類要求，并且有效結合廠鑄造現場的生產能力，最終是選擇適宜的砂型重力鑄造及改性水玻璃砂工藝工藝方案。此次鑄型是選擇改性水玻璃砂，型芯是選擇水玻璃砂及澆注溫度1600攝氏度，對應冒口套是保溫材料[4]。

2.3 澆注系統(tǒng)部位選擇

鏟板長度對應方向是裝配配合部位以及鏟板工作部位是最長方向法或者是鏟板前部及各個加強筋根部組織的要求極高，務必要確保其不會縮松及氣孔等方面鑄造缺陷，為了促使鑄件達到合理順序凝固，確保工作部位力學性能。有效的滿足所要求的工藝分型，經過鑄造工藝設計軟件和工藝模擬軟件的合理確定。

3 三維建模

3.1 鑄件三維建模

運用Pro-E軟件進行鑄件三維建模，首先將鑄件的對應毛坯輸出，施以鑄造工藝設計來合理確定其分型面，鑄件的擺放部位確定工藝布置，對應冒口大小及澆注系統(tǒng)的大小。經過鑄造工藝模擬軟件施以鑄造過程模擬，最終科學有效的確定最佳澆注工藝方案[5]。

3.2 鑄件毛坯及澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)與冒口套三維建模

因為進行工藝模擬時對應鑄件毛坯及澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)與冒口套這些均是工藝裝配體部件，而且各個部件的材料和屬性均是不同的，三維建模確保建模工藝部件及實際的生產工藝部件位置及大小是統(tǒng)一化的，應該要求對應鑄件毛坯及澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)與冒口套間面是極為貼合的。因為鑄件很多位置是不規(guī)則的曲面，因此鑄件毛坯及澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)及冒口套形狀也均是不規(guī)則的曲面形狀，也就是隨形鑄件毛坯及澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)與冒口套，與此同時因為鑄件毛坯及澆注系統(tǒng)和冒口套不連續(xù)，其相互間是單獨且分散的，因此在進行建模時也應該是分散式分布，互相間是不連接的，不過在工藝建模時是要求一種材料工藝部件組合成的整體，所生成STL文件。

3.3 工藝模擬及工藝優(yōu)化

3.3.1 工藝步驟確定

首先，是使用CASTsoft鑄造工藝設計模塊展開工藝熱節(jié)計算，以便于確定其冒口部位及大小，更能夠有效確定鑄件的工藝布局與澆注系統(tǒng)；其次，是運用CASTsoft鑄造工藝模擬模塊施以鑄造全部過程模擬，經過鑄造充型過程及凝固過程展開模擬和缺陷分析，最后獲得最佳鑄造方案。

3.3.2 造模型構建和模擬計算

依據工藝要求增加砂型重力鑄造工藝參數。通常鑄件材料參數設置為ZG30CrMo，鑄型材料往往是改性水玻璃砂，對應型芯是選擇水玻璃砂，澆注溫度應該是1600攝氏度，其相關冒口應該運用保溫棉。

3.3.3 鑄造工藝設計和方案初定

經過鑄件毛坯不同布局下的工藝熱節(jié)部位合理確定，詳細分析有助于具體生產方案展開的工藝設計，以便于充分確定冒口部位及大小及澆注系統(tǒng)。

3.3.4 鑄造工藝結果顯示和合理評定

運用CASTsoft鑄造工藝模擬模塊展開鑄造過程模擬驗證，經過凝固過程及溫度場和縮孔或者是縮松等方面詳細判定，在工藝冒口尺寸較小時，為了要節(jié)約鋼水則運用不加大冒口直接引進冒口套工藝消除缺陷，經過模擬逐漸的對應補縮工藝來處理，具有非常嚴重的縮孔缺陷部位清除。

4 結語

總而言之，運用CASTsoft軟件能夠充分預測工藝設計過程中所存在的各類問題，可以預測鑄件會出現的鑄造缺陷，并且依據該模擬結果來進行工藝改進與優(yōu)化。運用三維建模軟件有效的展開鑄件毛坯及澆注系統(tǒng)和冒口系統(tǒng)與冒口套改善，并且運用CASTsoft軟件進行鑄造工藝對應參數設置及調節(jié)，多次模擬且改良，直到清除所存在的鑄造缺陷。這有助于較大型復雜鑄件高質量鑄造，能夠充分降低工藝實踐重復性次數，更是可能取消工藝性實踐，確保鑄件一次就是試制成功。進而有效縮短新產品試制所需時間，有效提升企業(yè)競爭力。并且，根據該次模擬結果所編制的工藝用于生產之后，各方面效果較好及對應鑄件在機械施以加工之后并未出現鑄造缺陷，在組焊時也沒有出現缺陷，充分滿足了設計各方面要求，進而有效驗證了工藝模擬科學合理性。

參考文獻：

[1]陳日軍，黑玉龍，宋彬.鑄造工藝模擬CASTsoft CAD/CAE技術在鑄造工藝設計及優(yōu)化中應用[J].鑄造技術，2012（10）.

[2]黑玉龍，陳日軍，宋彬.CAD/CAE技術在鑄造工藝設計及優(yōu)化中的應用[J].特種鑄造及有色合金，2012（13）.

[3]李化芳，劉魁敏，胡占軍，張輝.基于CAE技術的鑄造工藝設計研究[J].熱加工工藝，2013（03）.

[4]王仲玨，傅宏江，左大利.鑄造工藝仿真設計方法初探[J].鑄造，2013（10）.

[5]唐紅濤，周建新，計效園，沈旭，汪洪，廖敦明，龐盛永.基于KBL技術的鑄造工藝數字化平臺研究[J].鑄造，2013（08）.

作者簡介：楊在國（1969-），男，江蘇姜堰人，大專，工程師，研究方向：安全生產風險評估。endprint