基于華鑄CAE模擬優(yōu)化4寸承接口鑄造工藝

華友兵

摘要：采用華鑄CAE軟件對(duì)4寸承接口在砂型鑄造過(guò)程中的流場(chǎng)和凝固場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，成功地消除了4寸承接口鑄件生產(chǎn)過(guò)程的縮孔縮松缺陷。模擬結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)中的情況吻合較好 。結(jié)果表明，CAE技術(shù)能為工藝方案的評(píng)價(jià)和改進(jìn)提供科學(xué)的依據(jù)，能優(yōu)化鑄造工藝方案，為企業(yè)帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：CAE;工藝優(yōu)化;鑄造

0 前言

鑄造生產(chǎn)的本質(zhì)是將金屬材料融化成液態(tài)金屬，再將液態(tài)金屬澆注進(jìn)模具型腔內(nèi)，在模具型腔內(nèi)凝固成型的一種熱加工技術(shù)。液態(tài)金屬進(jìn)入型腔內(nèi)進(jìn)行充型是鑄造的第一個(gè)階段。由于金屬充型的溫度和鑄造工藝設(shè)計(jì)的問(wèn)題，在這個(gè)階段會(huì)產(chǎn)生冷隔、夾雜、氣泡等缺陷，而這些缺陷對(duì)于產(chǎn)品來(lái)說(shuō)都是致命的。所以，認(rèn)清楚充型過(guò)程原理是獲得優(yōu)良鑄件的重要條件。而要明白充型過(guò)程并不簡(jiǎn)單，之前人們對(duì)金屬充型過(guò)程的認(rèn)知都是建立在長(zhǎng)期的實(shí)驗(yàn)總結(jié)上，對(duì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)依賴(lài)性很大。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的數(shù)值模擬液態(tài)成型技術(shù)越來(lái)越重視，自八十年代以來(lái)，人們?cè)诮饘僖簯B(tài)成型領(lǐng)域進(jìn)行了大量的學(xué)習(xí)研究和探索，在算法的實(shí)現(xiàn)、數(shù)學(xué)模型的建立、計(jì)算效率的提高以及工程實(shí)用化方面均取得了重大突破[1]?，F(xiàn)在金屬液態(tài)成型技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到工程應(yīng)用階段。使用液態(tài)成型技術(shù)，鑄造生產(chǎn)技術(shù)即將從經(jīng)驗(yàn)生產(chǎn)到計(jì)算機(jī)模擬論證的自動(dòng)化生產(chǎn)發(fā)展。通過(guò)液態(tài)成型模擬，人們可以提前預(yù)知產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，保證鑄造產(chǎn)品質(zhì)量，優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，縮短產(chǎn)品試驗(yàn)周期。

使用傳統(tǒng)工藝方法生產(chǎn)四寸承接口，材料為QT500-7鑄件，該鑄件采用砂型鑄造，無(wú)砂芯，自動(dòng)化砂型鑄造生產(chǎn)線生產(chǎn)，采用一模6件的金屬模具生產(chǎn)。在幾輪試模后發(fā)現(xiàn)，仍然有大量的冷隔產(chǎn)生。無(wú)法滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求，不僅產(chǎn)品質(zhì)量沒(méi)有穩(wěn)定的保證，而且生產(chǎn)成本很高，無(wú)法獲取足夠的利潤(rùn)。

針對(duì)以上出現(xiàn)的情況，先采用華鑄CAE軟件對(duì)該承接口按照原工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，找出原工藝的鑄造工藝缺陷。在針對(duì)原工藝的問(wèn)題進(jìn)行工藝模擬優(yōu)化。華鑄CAE工藝模擬結(jié)果得出沒(méi)有問(wèn)題后，再進(jìn)行試模。使用這種方法，不僅可以大量縮短模具生產(chǎn)周期，而且可以節(jié)省大量試模的材料成本。

1 研究方法

1.1 原鑄件鑄造工藝分析

4寸承接口（形狀如圖一）采用一模6件的砂型鑄造方式，采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，澆注溫度問(wèn)1460℃。單個(gè)鑄件質(zhì)量42.6kg，壁厚薄處為6mm。

原工藝直澆道最小截面大小的直徑D=40mm，故直澆道截面A=20*20*3.14=1256mm2。橫澆道截面積S=（28+35）*40/2=1260 mm2。內(nèi)澆道截面積L=40*4.5=180*12=2160 mm2。

原工藝截面積比例：直：橫：內(nèi)=1256：1260：2160=1：1：1.9，內(nèi)澆口截面積過(guò)大，導(dǎo)致充型時(shí)，有些內(nèi)澆口鐵水充滿(mǎn)，而有些內(nèi)澆口鐵水不足，甚至沒(méi)有鐵水進(jìn)入，影響充型速度。使得鐵水降溫過(guò)快。

1.2華鑄CAE軟件分析介紹

使用原來(lái)的鑄造工藝，對(duì)原工藝進(jìn)行充型的流場(chǎng)和凝固時(shí)的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。分析結(jié)果如圖4和圖5。從圖4結(jié)果可以明顯看出由于4寸承接口屬于薄壁件，使用原工藝充滿(mǎn)型腔后，由于局部鐵水的溫度已經(jīng)降低到凝固點(diǎn)以下，失去流動(dòng)性，當(dāng)兩股冷鐵水匯合后，不能完全融合，會(huì)產(chǎn)生冷隔。對(duì)比圖5，模擬結(jié)果和實(shí)際生產(chǎn)后產(chǎn)品所產(chǎn)生的缺陷位置和類(lèi)型完全一樣。所以，對(duì)于華鑄CAE軟件的分析結(jié)果是有很高的參考價(jià)值。

1.3研究步驟

使用華鑄CAE對(duì)4寸承接口進(jìn)行數(shù)值模擬的時(shí)候，要分三個(gè)步驟來(lái)進(jìn)行：首先是數(shù)值模型的建立，使用三維軟件對(duì)產(chǎn)品工藝進(jìn)行造型，造型完畢要對(duì)三維模型進(jìn)行處理，將其轉(zhuǎn)化為STL格式，使用華鑄CAE軟件對(duì)STL格式的數(shù)值模型進(jìn)行網(wǎng)格剖分 ;其次是模型計(jì)算階段，這個(gè)階段是我們要輸入產(chǎn)品的鑄造參數(shù)進(jìn)入華鑄CAE ，其中包括產(chǎn)品材料，澆注溫度，等等一系列熱物性參數(shù)。計(jì)算模擬產(chǎn)品的溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)。最后一步是后處理階段通過(guò)對(duì)我們計(jì)算出的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的結(jié)果，華鑄CAE會(huì)以圖片和動(dòng)畫(huà)的形式直觀展示金屬充型的過(guò)程和成型以后的凝固過(guò)程，同時(shí)在結(jié)果中，可以清晰找出產(chǎn)品成型后的缺陷，包括冷隔、氣泡已經(jīng)縮松縮孔的位置尺寸。為最終制定優(yōu)良的鑄造工藝提供參考。

1.4 承接口工藝改進(jìn)方案

橫澆道從澆口位置分成兩股鐵水，一股鐵水澆兩個(gè)件，另一股鐵水要澆4個(gè)件。所以橫澆道截面積不能保持完全一致。故要將如圖6橫澆道分為3部分截面積比例為：1號(hào)：2號(hào)：3號(hào)=1：2：1.5。修改2號(hào)橫澆道截面積加大一倍，3號(hào)澆道加大0.5倍，修改后2好橫澆道截面積=（38+29）*45/2=1508 mm2，1號(hào)橫澆道截面積不變=（28+22）*30/2=750 mm2。3號(hào)澆道不影響澆注系統(tǒng)比例。故橫澆道截面積=750+1508=2258 mm2。內(nèi)澆口截面積大小不變?yōu)椋?160 mm2。修改后澆注系統(tǒng)截面積比例為：直：橫：內(nèi)=2205：2201：2160=1：1：1.05。

2 結(jié)果與分析

充型過(guò)程中金屬流動(dòng)與傳熱的模擬與分析是計(jì)算機(jī)輔助鑄造工藝設(shè)計(jì)與分析（AD/CAE）的重要組成部分。首先，對(duì)液態(tài)金屬在澆注冒口系統(tǒng)和鑄造模具中的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬分析。通過(guò)優(yōu)化澆注冒口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，防止?jié)驳纼?nèi)液態(tài)金屬的吸入，消除流股分離，避免鑄件氧化，減少湍流，減少空氣進(jìn)入液態(tài)金屬的可能性，利用澆注系統(tǒng)擋渣實(shí)現(xiàn)多澆道和內(nèi)澆道內(nèi)金屬。液流的均勻分布可以減輕液態(tài)金屬對(duì)模具的侵蝕和沖擊。另一方面，通過(guò)模擬分析充型過(guò)程中液態(tài)金屬和模具的溫度變化，可以預(yù)測(cè)冷隔和澆注不足等缺陷，為后續(xù)的凝固過(guò)程模擬分析提供初始溫度場(chǎng)條件。這種模擬計(jì)算過(guò)程對(duì)薄壁鑄件的模擬分析更為重要：由于充型過(guò)程計(jì)算中涉及的控制方程多而復(fù)雜，需要求解連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，并對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)進(jìn)行迭代。極大地計(jì)算量大，迭代結(jié)果容易發(fā)散，加上自由面邊界問(wèn)題的特殊處理，模擬結(jié)果困難。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等一系列問(wèn)題使得填充過(guò)程的數(shù)值模擬十分困難。

通過(guò)對(duì)前兩個(gè)模塊的處理，得到了不同時(shí)間的鑄造流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的大量數(shù)據(jù)?；诳諘r(shí)四維空間的場(chǎng)用后處理模塊的三維彩色圖形表示，并進(jìn)一步合成成動(dòng)畫(huà)。通過(guò)充型過(guò)程的模擬，可以預(yù)測(cè)引氣和夾雜的數(shù)據(jù)，充型與傳熱的耦合計(jì)算可以預(yù)測(cè)澆注和冷隔的不足。通過(guò)對(duì)凝固過(guò)程的模擬，可以判斷縮孔、縮松的位置、尺寸和形狀，并可以觀察到各部位在不同時(shí)間的溫度變化。使用改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化的工藝進(jìn)行模擬，其結(jié)果如圖7，從圖中可以看出，當(dāng)澆注系統(tǒng)優(yōu)化后，整個(gè)鑄件都能夠順利充滿(mǎn)型腔，并且溫度都在凝固點(diǎn)以上，故難以產(chǎn)生冷隔缺陷。

3.結(jié)論

利用華鑄CAE對(duì)鑄件凝固過(guò)程進(jìn)行模擬分析，根據(jù)圖紙和工藝方案進(jìn)行三維實(shí)體造型，生成若干STL格式文件。然后，利用預(yù)處理模塊的自動(dòng)網(wǎng)格生成功能，得到鑄件、鑄件等實(shí)體的離散模型。然后由計(jì)算處理模塊進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)的耦合計(jì)算。通過(guò)耦合計(jì)算，得到了結(jié)晶器各部位的初始溫度，并計(jì)算了凝固過(guò)程的溫度場(chǎng)。通過(guò)后處理功能，將計(jì)算得到的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)可視化為各種可視化圖形、曲線和工藝動(dòng)畫(huà)，揭示充型和凝固過(guò)程的行為細(xì)節(jié)，為工藝決策和工藝控制提供可靠的定性和定量依據(jù)。

有結(jié)果可知，通過(guò)軟件模擬計(jì)算，可以極大地提高鑄造工藝開(kāi)發(fā)進(jìn)程，提高工作效率，節(jié)約產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]柳百成，鑄件凝固過(guò)程的宏觀及微觀模擬仿真研究進(jìn)展 [J]. 中國(guó)工程科學(xué) ，2000，2（9）：29-37.

[2]姚真裔 ，曾健 ，顧寶峰.模具 CAD/CAM/CAE集成制造在鑄造中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù) ，2003，24（4）：280-281.

基金項(xiàng)目：模具設(shè)計(jì)與制造實(shí)訓(xùn)中心（項(xiàng)目編號(hào)：2016sxzx050）。