鑄造CAE技術(shù)在過濾網(wǎng)設(shè)計過程中的應(yīng)用

宋亮，蘇少靜，王洪濤

（ 共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021 ）

鑄造CAE技術(shù)在過濾網(wǎng)設(shè)計過程中的應(yīng)用

宋亮，蘇少靜，王洪濤

（ 共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021 ）

運用MAGMA軟件對過濾網(wǎng)進(jìn)行仿真模擬，快速指導(dǎo)、優(yōu)化過濾網(wǎng)設(shè)計，提高產(chǎn)品成功率，充分發(fā)揮過濾網(wǎng)的過濾作用，降低產(chǎn)品綜合成本，提高企業(yè)競爭力。

鑄造CAE；過濾網(wǎng)設(shè)計；鑄造缺陷

0 引言

過濾網(wǎng)在高溫、高壓和高沖擊的環(huán)境中工作，因此對其品質(zhì)要求較高，一般設(shè)計多依靠經(jīng)驗，設(shè)計不當(dāng)將使過濾網(wǎng)破碎導(dǎo)致鑄件報廢，設(shè)計保守將導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)成本升高。近年隨著計算機軟件的飛速發(fā)展，鑄造模擬CAE技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于實際生產(chǎn)，大大減少了設(shè)計的盲目性，節(jié)省了巨額的設(shè)計費用，也大大縮短了設(shè)計周期[1]。

本文利用MAGMA模擬軟件對鑄造過程過濾網(wǎng)設(shè)計進(jìn)行仿真模擬，提高鑄造過濾網(wǎng)設(shè)計的科學(xué)性和可靠性。

1 CAE技術(shù)介紹

運用流體力學(xué)、熱力學(xué)和有限元等數(shù)值分析理論[2]，對鑄造過程的充型、凝固、冷卻、應(yīng)力分布等進(jìn)行整體的仿真分析，使鑄造過程變得形象化、可視化，鑄造變成“睜眼澆注”，方便工藝技術(shù)的改進(jìn)和提升，對鑄造工藝中新方法、新工藝的提出和應(yīng)用，有著不可或缺的作用，得到了極大的推廣，為鑄造業(yè)帶來了不可估量的效益[3]。

2 過濾網(wǎng)介紹

鑄造用過濾網(wǎng)在高溫、高壓和高沖擊的環(huán)境中工作，過濾網(wǎng)形狀結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)、最高工作溫度和過濾能力是評價過濾網(wǎng)的主要指標(biāo)。一般設(shè)計多依靠經(jīng)驗，設(shè)計不當(dāng)將使過濾網(wǎng)破碎導(dǎo)致鑄件報廢，設(shè)計保守將導(dǎo)致成品生產(chǎn)成本升高。

2.1 過濾網(wǎng)的過濾機制

過濾網(wǎng)過濾機理一般有三種，分別是篩選過濾、濾餅作用和吸附、深層過濾，如圖1所示。

(1)篩選過濾：大顆粒的雜質(zhì)和薄膜式的夾雜物在過濾網(wǎng)片上被捕集；

(2)濾餅作用：金屬液中比過濾網(wǎng)片孔徑大的顆粒聚集在過濾片的表面，形成一個濾餅，濾餅切刀有效的過濾媒體作用，比過濾網(wǎng)片孔徑小的雜質(zhì)顆粒被阻止在這個濾餅上，達(dá)到良好的過濾作用；

(3)吸附、深層過濾：小顆粒雜質(zhì)、細(xì)小夾雜質(zhì)和顯微雜質(zhì)在越過初步的過濾層之后就進(jìn)入過濾網(wǎng)孔隙的表面上。

圖1 過濾網(wǎng)過濾機理示意圖

2.2 過濾網(wǎng)類型

現(xiàn)在常用的有過濾網(wǎng)布、直孔過濾網(wǎng)、泡沫過濾網(wǎng)、陶瓷過濾網(wǎng)、碳化硅過濾網(wǎng)、碳晶過濾網(wǎng)。過濾網(wǎng)能力是過濾網(wǎng)形狀結(jié)構(gòu)、材料性質(zhì)和工作溫度的一個綜合體現(xiàn)，一般過濾能力在2~8 kg/cm2，較常使用的是直孔或泡沫過濾網(wǎng)。直孔陶瓷過濾網(wǎng)具有整流作用，是金屬液體從“紊流”變?yōu)榉€(wěn)定的“層流”；泡沫陶瓷過濾網(wǎng)具有穩(wěn)流作用，降低金屬液流速，利于雜質(zhì)物上浮除去等作用。部分常用過濾網(wǎng)如圖2所示。

圖2 過濾網(wǎng)實物照片

3 CAE仿真軟件在過濾網(wǎng)的設(shè)計中的應(yīng)用

由于，液體流向與靜壓力的影響，位于澆注系統(tǒng)不同位置的過濾網(wǎng)流過的鐵液流量不同。一般設(shè)計過濾網(wǎng)均采用理論計算的方式，按照每片過濾網(wǎng)的許用過濾能力設(shè)計，會導(dǎo)致部分過濾網(wǎng)流量過大，易產(chǎn)生過濾網(wǎng)沖碎的風(fēng)險；部分過濾網(wǎng)未能有效發(fā)揮作用，能力富余，成本上升；使用CAE仿真軟件對過濾網(wǎng)進(jìn)行仿真模擬，可以提供工藝設(shè)計的準(zhǔn)確性[3]。

3.1 澆注系統(tǒng)及過濾網(wǎng)設(shè)計

公司某產(chǎn)品，鑄件毛坯質(zhì)量3 150 kg，澆注質(zhì)量：3 500 kg。使用120×120×22（mm）碳晶過濾網(wǎng)，供應(yīng)商提供過濾網(wǎng)能力為6 kg/cm2，最大過濾速度為22 kg/s，過濾網(wǎng)有效過濾面積為100 cm2，即單個過濾網(wǎng)最大過濾網(wǎng)能力600 kg。理論計算需要6塊過濾網(wǎng)，每塊過濾網(wǎng)平均過濾量為567 kg，滿足過濾網(wǎng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。但實際生產(chǎn)中，發(fā)生多次過濾網(wǎng)破碎進(jìn)入鑄件的情況。

對澆注系統(tǒng)及過濾網(wǎng)設(shè)計進(jìn)行研究，按照圖3形式，從直澆道到橫澆道末端依次對過濾網(wǎng)編碼1#、2#、3#、4#、5#、6#。現(xiàn)使用MAGMA模擬軟件對單片過濾網(wǎng)的過流量進(jìn)行模擬，在模擬軟件中將每個內(nèi)澆道及過濾網(wǎng)分別進(jìn)行定義，對產(chǎn)品做壓力充型+凝固模擬，對模擬結(jié)果中每個過濾網(wǎng)的流速和流量進(jìn)行分析，具體見圖4和表1。表1中，進(jìn)流時刻是指從開始澆注到鐵液開始進(jìn)入對應(yīng)過濾網(wǎng)的時間；最大進(jìn)流速度是指在整個鐵液通過相應(yīng)過濾網(wǎng)過程中最大速度；流量是指通過相應(yīng)過濾網(wǎng)的鐵液質(zhì)量。

圖3 澆注系統(tǒng)及過濾網(wǎng)編碼

圖4 MAGMA模擬結(jié)果

表1 過濾網(wǎng)進(jìn)流模擬結(jié)果

3.2 仿真模擬結(jié)果

經(jīng)過模擬，流過過濾網(wǎng)的鐵液量L=L1+L2+L3+ L4+L5+L6=3 360 kg；單個過濾網(wǎng)的過濾量由大到小的順序如下： L5＞L3＞L2＞L6＞L1＞L4；單個過濾網(wǎng)的流速由大到小的順序如下： V5＞V3＞V2＞V6＞V1＞V4；鐵液流速全部在過濾網(wǎng)所能承受范圍內(nèi)，從流量的角度判斷過濾網(wǎng)較安全；1#、2#、3#、4#、5#、6#過濾網(wǎng)小于過濾網(wǎng)理論過濾能力，無沖碎風(fēng)險；5#過濾網(wǎng)過濾量723 kg超過過濾網(wǎng)理論過濾能力，超過量723/600=121 %，有較大風(fēng)險。

3.3 實際結(jié)果驗證

為了驗證模擬結(jié)果，我們選擇鑄件有夾過濾網(wǎng)的產(chǎn)品，對其澆注系統(tǒng)進(jìn)行解剖檢測，結(jié)果如圖5所示，其中左側(cè)圖片為發(fā)現(xiàn)鑄件夾過濾網(wǎng)，中間為解剖1#、2#、3#、4#、5#、6#過濾網(wǎng)的結(jié)果，右側(cè)圖片為解剖5#過濾網(wǎng)的結(jié)果，可以明顯發(fā)現(xiàn)5#過濾網(wǎng)發(fā)生破碎，進(jìn)入鑄件導(dǎo)致夾過濾網(wǎng)缺陷。

圖5 過濾網(wǎng)解剖示意圖

4 品質(zhì)改進(jìn)

通過MAGMA模擬和現(xiàn)場鑄件解刨發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場品質(zhì)問題吻合。發(fā)生以上問題，主要是由于澆注系統(tǒng)及過濾網(wǎng)設(shè)計時，未充分考慮到內(nèi)澆口與直澆道與橫澆道的配合關(guān)系，由于液態(tài)流動壓力及過濾網(wǎng)的作用，發(fā)生不同的內(nèi)澆道進(jìn)流量不同，但是我們往往按照每個內(nèi)澆道等流量的方法設(shè)計，從而導(dǎo)致部分內(nèi)澆口處的過濾網(wǎng)超過流量使用，發(fā)生品質(zhì)問題或產(chǎn)生風(fēng)險，需要對其設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)。

4.1 澆注系統(tǒng)及過濾網(wǎng)設(shè)計改進(jìn)

通常，在澆注系統(tǒng)設(shè)計時，對橫澆道與內(nèi)澆道均是恒截面，對于有多個進(jìn)流口的澆注系統(tǒng)來說，鐵液從直澆道進(jìn)入，流入橫澆道后總是直接沖到橫澆道端頭，并從遠(yuǎn)離直澆道的內(nèi)澆道率先進(jìn)流，這使得從直澆道進(jìn)入的鐵液不能平均的分配到每個內(nèi)澆道中，在直澆道的單側(cè)的內(nèi)澆道越多，各個內(nèi)澆道中的進(jìn)流時間和進(jìn)流量就越不均勻，越容易發(fā)生個別內(nèi)澆道大流量、高流速，個別內(nèi)澆道進(jìn)流量小或者反向進(jìn)流，增加了品質(zhì)風(fēng)險的可能性。為此，對澆注系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，減少直澆道單側(cè)的內(nèi)澆道數(shù)量，增大直澆道與內(nèi)澆口的距離，增大直澆道末端距離內(nèi)澆道的距離，或者修改各個內(nèi)澆道的面積來調(diào)整進(jìn)流量。具體修改結(jié)果如圖6，按照從左至右，依次排序為1#、2#、3#、4#、5#、6#，過濾網(wǎng)數(shù)量保持6塊，修改直澆道與過濾網(wǎng)和內(nèi)澆道的配合位置，并保證過濾網(wǎng)與直澆道、過濾網(wǎng)與橫澆道末端的距離。按照圖6的布置重新進(jìn)行模擬，具體模擬結(jié)果如表2所示。

圖6 改進(jìn)后澆注系統(tǒng)示意圖

表2 改進(jìn)后模擬結(jié)果

4.2 改進(jìn)后實際生產(chǎn)結(jié)果

按照改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，首件解剖結(jié)果見下圖，過濾網(wǎng)全部無破損。采用此方案連續(xù)生產(chǎn)34件，未再發(fā)生過濾網(wǎng)破碎導(dǎo)致的夾過濾網(wǎng)的缺陷。

圖7 過濾網(wǎng)解剖示意圖

5 結(jié)束語

(1)通過MAGMA模擬和現(xiàn)場鑄件解刨發(fā)現(xiàn)，模擬結(jié)果與現(xiàn)場品質(zhì)問題吻合，通過修改內(nèi)澆道和過濾網(wǎng)的設(shè)計，可以達(dá)到優(yōu)化過濾網(wǎng)使用的目的。

(2)通過使用鑄造CAE輔助技術(shù)對原有鑄造工藝進(jìn)行模擬改進(jìn)，縮短了工藝改進(jìn)周期，對整個缺陷的產(chǎn)生和改進(jìn)更加直觀、有效，降低生產(chǎn)成本，有效提高鑄造經(jīng)濟效益，滿足顧客要求，實現(xiàn)了供應(yīng)商和顧客雙贏的目標(biāo)。

[1] 宋賢發(fā). 利用鑄造CAE 技術(shù)優(yōu)化鑄造工藝[J]. 現(xiàn)代鑄鐵,2001(1) .

[2] 張云鵬，楊秉儉，蘇俊義，等. 鑄件凝固過程數(shù)值模擬的新進(jìn)展[J]. 鑄造技術(shù),1998（1）：34-36.

[3] 柳百成. 鑄件充型凝固過程數(shù)值模擬國內(nèi)外研究進(jìn)展[J]. 鑄造,1999(8): 40-45.

Application of CAE technology in casting fi lter design process

SONG Liang,SU ShaoJing, WANG HongTao
（KOCEL machinery Co.,Ltd., Yinchuan 750021,Ningxia,China）

This article describes the use MAGMA software to simulate the process of filter, can achieve rapid guide and optimized filter design, improve the success rate of products, bettler play the role of the fi lter , reducing the cost of products, improve the competitiveness of enterprises.

casting CAE；fi lter design；casting defects

TG244；

A；

1006-9658（2017）04-0048-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.014

2017-03-01

稿件編號:1703-1682

宋亮（1986—），男，工程師,現(xiàn)主要從事鑄鐵鑄造技術(shù)和管理工作.