采用CAD技術(shù)的砂型鑄造工藝分析與仿真

謝祖華, 李云妹

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機械工程系,福州 350007)

我國鑄造水平一直落后于發(fā)達(dá)國家，如鑄件鑄造性能差，容易出現(xiàn)熱裂、縮孔等，而且成本高、周期長，容易造成資源的浪費.鑄造工藝設(shè)計需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐，鑄造工藝CAD系統(tǒng)的使用能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高工藝質(zhì)量.當(dāng)前國內(nèi)鑄造企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到CAE的重要性，并且已經(jīng)廣泛使用此技術(shù).但是CAD軟件仍然采用二維設(shè)計，工藝設(shè)計效率低下，本文主要分析砂型鑄造CAD系統(tǒng)工藝改進(jìn)[1].

1 技術(shù)路線和開發(fā)平臺

圖1 鑄造工藝設(shè)計開發(fā)技術(shù)路線

在開發(fā)過程中，利用CAD軟件腳本語言以及C++特點實現(xiàn)，使其能夠滿足鑄造工藝設(shè)計要求，開發(fā)技術(shù)路線見圖1.

工藝設(shè)計軟件采用C++語言和軟件自身腳本語言程序，Script在文本格式下編寫、修改，在Sinovation環(huán)境下編譯.采用Vistual Studio開發(fā)環(huán)境.

2 鑄造工藝參數(shù)CAD設(shè)計

鑄造工藝參數(shù)CAD設(shè)計包括最小鑄出孔、加工余量設(shè)計、拔模斜度、冒口等.

2.1 最小鑄出孔

最小鑄出孔的設(shè)計與合金種類、鑄件種類、直徑、厚度等有關(guān)，灰鑄鐵件、普通碳鋼和低合金鋼最小鑄出孔尺寸見表1、表2.

表1 灰鑄鐵件不同鑄出孔直徑

表2 普通碳鋼和低合金鋼最小鑄出孔尺寸

2.2 加工余量和拔模斜度設(shè)計

依照GB/T6414-1999中的規(guī)定，要求機械加工余量的設(shè)計全部滿足毛坯鑄件需求，而且需要根據(jù)成品鑄件的尺寸合理選擇，鑄件某一部位最大尺寸應(yīng)小于成品尺寸加工余量，如果存在傾斜，還需要考慮傾斜角度[2-3].如果鑄件本身沒有足夠的結(jié)構(gòu)斜度設(shè)計，應(yīng)該在工藝設(shè)計中設(shè)計拔模斜度，保證鑄件質(zhì)量，適當(dāng)增加鑄件壁厚.如果鑄件內(nèi)表面沒有采用砂芯，外表面可以存在較大斜度，原則上要求機械造型的上箱尺寸在0.3D以下，下箱尺寸在0.3D以下.隨著鑄造工藝的發(fā)展，精度要求可能還會提高，斜度會減少.

鑄件線收縮率是指鑄件從收縮開始溫度冷卻到室溫的收縮量，可以表示為ε=(L1-L2)L1×100%，其中L1、L2分別是模樣長度和鑄件長度，收縮率不僅考慮了其他因素對鑄件收縮的影響，同樣考慮了結(jié)構(gòu)、種類等對收縮率的影響.各類鑄件收縮率見表3.為得到精度更高的鑄件，需要根據(jù)實際情況合理確定收縮率[4].

表3 各種鑄鐵件鑄件線收縮率

2.3 冒口和澆筑系統(tǒng)CAD設(shè)計

冒口在鑄件上的位置包括頂部和邊緣部位.在鑄造工藝設(shè)計中，需要分析鑄件熱節(jié)位置，得到需要添加冒口的位置，反復(fù)檢查熱節(jié)位置，直至滿足鑄件要求.熱節(jié)預(yù)測中，鑄件某點距離散熱面的記錄倒數(shù)之和就是熱節(jié)傾向，但是這個模型僅適合二維分析，對此模型進(jìn)行改進(jìn)，更加適合CAD軟件分析[5].

鑄件凝固時間與截面模數(shù)存在幾何關(guān)系，tr=C(V/A)2，H/f=Hf+CpΔTs，這是比較簡單比較鑄件凝固時間的方法.對于復(fù)雜鑄件，需要計算截面模數(shù)，SM=2/[Е1/di]，以上模型適合二維場所，需要作出改進(jìn)，在三維空間存在多個相接觸的網(wǎng)格單元，對該單元進(jìn)行簡化，得到每一個面上的散熱能力，Pi=1/di.

冒口設(shè)計中，要求凝固時間大于逐漸被補縮部分凝固收縮時間，冒口所提供的補縮液量應(yīng)大于鑄件液態(tài)收縮量以及固態(tài)收縮量之和.在整個補縮過程中，冒口和鑄件補縮部分需要存在通道，保證順序凝固.冒口內(nèi)部應(yīng)該存在足夠的補縮壓力，保證補縮金屬液能夠流向特定區(qū)域中，克服阻力.冒口和鑄件相連接的節(jié)點應(yīng)該大于幾何熱點.

冒口設(shè)計方法較多，在本文研究中采用簡單模數(shù)法，認(rèn)為模數(shù)是鑄件補縮體積與散熱表面積的比值，表示為Tf=M2/K2，對于模數(shù)相同的鑄件，Chovorinov發(fā)現(xiàn)，鑄件完全凝固的時間與模數(shù)成正比，其中M為逐漸補縮部位模數(shù)，K為凝固系數(shù).只需要知道鑄件各個部分模數(shù)就能夠明白凝固順序，無需計算凝固時間，Tr>Tc.對于普通冒口而言，Mr=fMc，其中f為擴大系數(shù)，冒口不做澆口時，f=1.2，暗冒口，f=1.1.最后需要校正冒口補縮能力，保證足夠的金屬液補縮鑄件，依照逐漸體積補縮能力，普通冒口需要具有足夠的體積收縮.冒口對鑄件最大收縮能力依照公式Vcmax=Vr(Π-ε)/ε計算.

轉(zhuǎn)包澆注一般應(yīng)用在大批量小型鑄件的生產(chǎn)，而且多采用封閉式系統(tǒng)，內(nèi)澆道尺寸∑A內(nèi)=Gl/(tkS-1)，澆注時間t2=C2Gl，相對密度ρ=Gl/Vc，Gl是指澆注鋼液重量，Vc是指鑄件體積，鑄件相對密度小于鑄件密度.塞桿包澆注尺寸設(shè)計依照重量速度計算法，根據(jù)鑄件重量和結(jié)構(gòu)特點計算澆注時間和速度，選擇合適包孔[6].

3 CAD仿真結(jié)果

運用CAD技術(shù)輔助鑄造工藝設(shè)計，確定最佳工藝參數(shù).高溫金屬溶體填充鑄件型腔，形成過程非常復(fù)雜，將澆冒口系統(tǒng)看做金屬液通道，采用計算機流體力學(xué)模擬凝固過程.充型和凝固可以簡單理解為高溫溶體在幾何模型內(nèi)持續(xù)變化的過程，該過程遵循質(zhì)量守恒，假設(shè)金屬為不可壓縮液體，體積函數(shù)方程δ(ρu)/δt+Δ(Fu)=0，能量方程δ(ρcpT)/δt+Δ(ρcpTu)=λΔ2T+Qv.對金屬液在澆注系統(tǒng)內(nèi)流動情況，采用雷諾系數(shù)Re作為參考.采用CAE軟件求解方程，初始條件均由企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場直接測量，邊界調(diào)節(jié)通過相關(guān)單位熱傳導(dǎo)系數(shù)查詢.

選用CAD軟件作為數(shù)值模擬過程，給予Windows操作平臺進(jìn)行仿真分析.使用AnyPRE模塊，導(dǎo)入stl文件，定義各部分組間功能，設(shè)置澆口方向和模型，在求解中，劃分不同網(wǎng)格，進(jìn)行基本過程的設(shè)置.將目標(biāo)工藝設(shè)置為非金屬型鑄造，溫度常溫27 ℃，其他條件均為默認(rèn)值.選擇用戶自定義條件、各組件界面熱交換系數(shù)，查詢熱交換系數(shù)，見表4.經(jīng)過工藝之后得到仿真結(jié)果，工藝設(shè)計中，不適合在鑄件表面設(shè)置保溫冒口，鑄件型腔外圍可以設(shè)置補縮距離.若在砂芯處設(shè)置側(cè)冒口，就會導(dǎo)致開口方向出現(xiàn)問題，在埋設(shè)冷鐵時，需要避免埋設(shè)冷鐵導(dǎo)致堵塞[7].

表4 砂型鑄造熱交換系數(shù)表

4 結(jié)語

本文研究在CAD軟件源代碼基礎(chǔ)上，完成鑄造工藝CAD軟件的設(shè)計，從而能夠更加精確地計算鑄件整體模數(shù).采用簡單模數(shù)法設(shè)計冒口，方便用戶設(shè)計，更加貼近實際需求.在能夠滿足冒口尺寸基礎(chǔ)上，改進(jìn)模數(shù)模型，準(zhǔn)確預(yù)測鑄件熱節(jié)位置.