鑄造工藝模擬CASTsoft CADCAE技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化中應(yīng)用.doc

鑄造工藝模擬CASTsoft CAD/CAE技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化中應(yīng)用北京北方恒利科技發(fā)展有限公司（100089） 宋彬摘要：利用北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)的鑄造工藝設(shè)計(jì)及工藝模擬 CAStsoft CAD/CAE技術(shù)對(duì)鑄件毛坯模數(shù)、工藝熱節(jié)計(jì)算、澆冒系統(tǒng)計(jì)算、澆注過(guò)程計(jì)算、凝固過(guò)程計(jì)算，對(duì)鑄件毛坯進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和鑄造工藝缺陷的進(jìn)行分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn),最后設(shè)計(jì)出合理的鑄造工藝。通過(guò)砂型重力鑄造8.05t鑄鋼件，材質(zhì)為CF-8M的閥體熔模精鑄件和一型4件的小型鑄鐵件等3個(gè)實(shí)例驗(yàn)證了工藝模擬的可靠性，表明采用鑄造模擬技術(shù)能取得事半功倍的效果。關(guān)鍵詞：鑄造工藝設(shè)計(jì)CADCAStsoft 鑄造工藝模擬CAE澆注過(guò)程凝固過(guò)程溫度場(chǎng) 工藝優(yōu)化中圖分類號(hào)： 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ACasting process simulation CASTsoft CAD/CAE technology in casting process design and optimization of applicationQiqihar northern machine Co., LTD. (161000) Heiyu-LongChina northern engine institute （037036） Chenri-junBeijing North Fangheng Li Technology Development Co., Ltd. (100089) Song BinAbstract: Use of Beijing north of hani technology development Co., LTD. Development of casting process design and process simulation CAStsoft CAD/CAE technology on casting blank modulus, hot day, the calculation process take system calculation, pouring process calculation, the solidification process of calculation, casting blank process design and casting process defect analysis, according to the results of the analysis process improvement, and finally the reasonable design of casting process. Through the sand gravity casting 8.05 t cast steel, material of CF-8 M body revestment casting and type of 4 pieces small iron castings and an example to verify the reliability of the process simulation, it is shown that the casting simulation technology can get twice the result with half the effort. Key words: Casting process design CADCAStsoft Casting process simulation CAEfilling process solidification process temperature fieldCasting process optimization 1、前言目前，大多數(shù)鑄造企業(yè)采用傳統(tǒng)工藝試錯(cuò)法進(jìn)行鑄件生產(chǎn)。傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)方法往往依賴于直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)，在鑄件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單和鑄造類似鑄件時(shí)，經(jīng)驗(yàn)可能起到一定的作用；在澆鑄大型、復(fù)雜鑄件且無(wú)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，只能通過(guò)反復(fù)工藝實(shí)驗(yàn)來(lái)確定工藝；當(dāng)工藝存在重大失誤時(shí)，可能使得工藝方案被徹底推翻。通過(guò)工藝反復(fù)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定工藝的方法，可能導(dǎo)致先前制作的模具報(bào)廢，對(duì)于大型鑄件來(lái)說(shuō)模具費(fèi)用會(huì)相當(dāng)高，這會(huì)造成重大經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)嚴(yán)重影響新產(chǎn)品的試制，延長(zhǎng)新產(chǎn)品的試制周期。隨著各行業(yè)技術(shù)的發(fā)展，鑄件毛坯件的形狀更加復(fù)雜，鑄件質(zhì)量要求不斷提高，出品周期要求越來(lái)越短；傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式越來(lái)越不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。在鑄件生產(chǎn)中，合理的鑄造工藝確定是決定鑄件質(zhì)量和保證工期的最重要因素。傳統(tǒng)工藝試錯(cuò)法不能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件業(yè)的發(fā)展，鑄造信息化得到了很快的發(fā)展，目前鑄造模擬技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中得到很好的應(yīng)用，使得通過(guò)鑄造模擬來(lái)確定鑄造工藝成為可能，鑄造過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實(shí)驗(yàn)，能夠有效地避免可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產(chǎn)品的試制周期。本文主要通過(guò)CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)介紹鑄造工藝設(shè)計(jì)及鑄造工藝模擬在典型鑄造方法和典型鑄造工藝中的應(yīng)用。通過(guò)模擬分析得出鑄件毛坯模數(shù)、鑄件毛坯熱節(jié)位置和大小、進(jìn)行澆冒口設(shè)計(jì)，解決工藝存在的問(wèn)題，調(diào)整優(yōu)化工藝指導(dǎo)實(shí)際鑄件生產(chǎn)。2、鑄造工藝設(shè)計(jì)及工藝優(yōu)化技術(shù)鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD及鑄造工藝模擬CAE系統(tǒng)框圖（圖1），鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD由鑄件重量、體積、模數(shù)、補(bǔ)縮、澆鑄等工藝參數(shù)計(jì)算和工藝圖繪制、三維自動(dòng)轉(zhuǎn)二維、工藝卡自動(dòng)繪制組成；鑄造工藝模擬CAE集鑄造過(guò)程仿真、鑄造缺陷定量預(yù)測(cè)及結(jié)果定量顯示?；舅悸肥牵?）、將三維設(shè)計(jì)完成的鑄件毛坯（含加工余量）輸入到鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD中，進(jìn)行澆注系統(tǒng)計(jì)算、冒口計(jì)算、冷鐵計(jì)算、孤立熔池計(jì)算、模數(shù)計(jì)算；2）、根據(jù)計(jì)算結(jié)果大小和位置將澆注系統(tǒng)、冒口（冷鐵）添加到鑄件毛坯中；3）、將初始化的澆注系統(tǒng)和冒口信息輸入鑄造工藝模擬CAE，進(jìn)行鑄造過(guò)程模擬仿真，優(yōu)化澆注系統(tǒng)和冒口，將優(yōu)化好的澆冒信息輸出，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。圖1 鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD及鑄造工藝模擬CAE系統(tǒng)框圖(Casting process design CAD and casting process simulation CAE system diagram )3、鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD及鑄造工藝模擬CAE應(yīng)用實(shí)例 鑄造工藝設(shè)計(jì)及工藝模擬 CAStsoft CAD/CAE系統(tǒng)廣泛用于航空、航天、兵器、船舶、電子、冶金機(jī)械、汽車等行業(yè)產(chǎn)品，已有300多家鑄造企業(yè)應(yīng)用，參與工藝現(xiàn)場(chǎng)模擬工作近800臺(tái)套。采用CAStsoft CAD/CAE技術(shù)進(jìn)行體積法和模數(shù)法進(jìn)行澆注系統(tǒng)計(jì)算、冒口（冷鐵）計(jì)算，澆口棒計(jì)算（熔模精鑄）和澆冒口位置確定，初步確定工藝，通過(guò)澆注過(guò)程凝固過(guò)程進(jìn)行分析，進(jìn)一步優(yōu)化合理工藝，從而縮短工藝試制周期、降低工藝試制成本。31某砂型重力鑄鋼工藝設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化311鑄造工藝設(shè)計(jì)鑄件材料：GS17CrMo5_5，通過(guò)鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD計(jì)算毛坯重：8.05噸，采用體積法進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)（圖2，圖3），確定計(jì)算鑄件熱節(jié)和有利于工藝的放置方向。圖2 工藝放置方案1 圖3 工藝放置方案2Technology placed plan 1 Technology placed plan 2圖4 工藝放置方案1熱節(jié)及收縮情況 圖5 工藝放置方案2熱節(jié)及收縮情況(Technology plan 1/2 hot day and placed contraction )根據(jù)模擬計(jì)算缺陷的結(jié)果（圖4，圖5），可以知道工藝放置方案1熱節(jié)集中，并且現(xiàn)場(chǎng)操作方便。所以按方案1計(jì)算澆冒口。經(jīng)分析，該鑄件的縮孔主要存在于兩個(gè)部位，其他部位的縮孔體積很小可以忽略，這兩個(gè)部位的縮孔大小為47845441.8mm2和 86681.7mm2。 從缺陷結(jié)果來(lái)看，這兩部分幾乎是連成一體的，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和補(bǔ)縮的需要，對(duì)此兩部分進(jìn)行集中補(bǔ)縮。則可認(rèn)為每個(gè)縮孔的體積為24000002.04 mm2。根據(jù)計(jì)算出的缺陷的大小，進(jìn)入冒口設(shè)計(jì)CAD，見(jiàn)圖6。其中一個(gè)冒口采用圓形明冒口，另一個(gè)采用腰圓明冒口。對(duì)圓形明冒口進(jìn)行設(shè)計(jì)，收縮率采用5%，則該明冒口的設(shè)計(jì)結(jié)果為：d=h=654.789mm，該冒口的模數(shù)為11.61cm：,該冒口的體積為267.31 cm3 ,該冒口質(zhì)量為1813.0914kg，因此本實(shí)例采用了 冒口直徑為650mm，高也為650mm的圓形明冒口，設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖4。對(duì)腰型明冒口進(jìn)行設(shè)計(jì)，收縮率采用5%，則該明冒口的設(shè)計(jì)結(jié)果為：a=522.0798mm，b=783.10mm,冒口高為652.59mm，該冒口的模數(shù)為11.42cm：,該冒口的體積為267.32 cm3 ,該冒口質(zhì)量為1821.76kg，因此本實(shí)例采用了 冒口直徑為520mm，長(zhǎng)為780mm，高也為650mm的腰圓明冒口。 圖6 冒口設(shè)計(jì)框圖 圖7 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖(Take feeder design diagram) (Pouring system design diagram)該鑄件質(zhì)量為8.05噸，最大尺寸為1587 X 1990 X 1630，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)（圖7），設(shè)計(jì)澆道為：直澆道為圓形 ：直徑 80mm 兩個(gè)直澆道。橫澆道為梯形： 上底寬為55，下底寬為60，高為50mm，共4個(gè)橫澆道。內(nèi)澆道為圓形 ：直徑為 53mm，共10個(gè)。 312鑄造工藝模擬優(yōu)化 通過(guò)鑄造工藝模擬軟件對(duì)計(jì)算好的澆冒系統(tǒng)進(jìn)行模擬，如圖8，圖9，圖10，圖11。圖8 澆注工藝圖 圖9 澆注工藝模擬缺陷位置圖(Pouring process figure) ( Pouring process simulation defects locations )圖10 澆注工藝圖 圖11 澆注工藝模擬缺陷位置圖(Pouring process figure) ( Pouring process simulation defects locations )（保溫冒口套，覆砂冷鐵） 通過(guò)圖8工藝進(jìn)行模擬后，發(fā)現(xiàn)冒口尺寸偏大且有點(diǎn)高，鑄件下部有集中縮松情況；為了保證鑄件質(zhì)量和減少鋼水用量，給合實(shí)際生產(chǎn)情況，采用減小冒口，增加保溫冒口套，保溫覆蓋劑，增加覆砂冷鐵的組合工藝（具體如圖10所示）；通過(guò)模擬分析，澆注工藝比較合理（圖11）。實(shí)際采用圖10工藝方案進(jìn)行生產(chǎn)，產(chǎn)品澆注成功。鑄件在機(jī)械加工后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。能夠滿足設(shè)計(jì)要求，從而也驗(yàn)證工藝模擬的有效性。32某熔模精密鑄造工藝設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化下面是某熔模精鑄企業(yè)的閥體產(chǎn)品，鑄件材料：CF-8M，通過(guò)鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD和鑄造工藝模擬優(yōu)化CAE，采用體積法進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)定型的例子。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如圖12，圖13，圖14，圖15。 圖12 工藝放置方案1 圖13 收縮位置和收縮量(Technology placed plan 1 ) (Contracted position and shrinkage ) 圖14 工藝放置方案2 圖15 收縮位置和收縮量(Technology placed plan 2) (Contracted position and shrinkage )通過(guò)對(duì)兩種工藝布置方向，可以看出：工藝方案1工藝布置方向集中收縮位置靠近上部和下部，工藝方案2工藝布置方向集中收縮位置靠近上部；根據(jù)熔模精鑄的工藝特點(diǎn)：通過(guò)澆口或澆口棒或澆注系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)縮，鑄型為等厚多層材料組成的。選擇工藝方案2布置進(jìn)行補(bǔ)縮系統(tǒng)計(jì)算，計(jì)算情況如圖16。圖16 工藝裝配圖 圖17 缺陷位置圖(Assembly process) (Defects locations)通過(guò)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)置：鑄件材料（CF-8M），澆注溫度（1580度），模殼溫度（850度），模殼材料（硅溶膠）。從模擬情況（圖17）可以看出：在鑄件下部還有一些縮松缺陷，由于此產(chǎn)品比較大，考慮到模殼強(qiáng)度和熱裂情況。最后采用將模殼掩埋的方法進(jìn)行澆注，既解決了模殼強(qiáng)度問(wèn)題，減弱熱裂，又保證了鑄件下部質(zhì)量。實(shí)際澆注成功，且采用鑄造工藝設(shè)計(jì)CAD和鑄造工藝模擬優(yōu)化CAE進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)成功實(shí)現(xiàn)熔模精密閥門（30KG-600KG）的生產(chǎn)，鑄件在機(jī)械加工后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷。能夠滿足設(shè)計(jì)要求，從而也驗(yàn)證工藝模擬的有效性。具體現(xiàn)場(chǎng)情況如圖18，圖19。 圖18 實(shí)際蠟?zāi)＝M樹 圖19 實(shí)際澆注現(xiàn)場(chǎng)(Actual wax module tree ) ( Actual pouring case)33某鑄鐵工藝設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化思路與前兩個(gè)例子基本相似，凝固補(bǔ)縮不同：鑄鐵固液溫差較大，糊狀凝固方式，除有凝固收縮外另有石墨化澎漲補(bǔ)縮方式。在工藝設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化時(shí)，要考慮鑄型強(qiáng)度，含水情況，球化劑情況，球化等級(jí)等情況因素。可采用鑄鐵CAD/CAE專用模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化，下面是設(shè)計(jì)后的工藝模擬分析情況。 圖20 鑄造工藝裝配圖 圖21 澆注過(guò)程狀態(tài)圖( CASTing Assembly process) (Pouring process state)圖22 溫度場(chǎng)狀態(tài)圖 圖23 鑄型溫度場(chǎng)狀態(tài)圖(Temperature field state ) (Casting on temperature field state )圖24 凝固過(guò)程狀態(tài)圖 圖25 缺陷位置圖(Solidification process state) (Defect position) 圖26 缺陷位置剖析圖 圖27 實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)圖(Defect position analysis) ( Actual pouring case)4. 結(jié)果與分析：使用CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)可以有效地預(yù)測(cè)出工藝設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，能夠預(yù)測(cè)出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)此模擬結(jié)果改進(jìn)、優(yōu)化鑄造工藝。利用三維建模軟件可以很方便地進(jìn)行鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、冒口套等改進(jìn)，同時(shí)利用CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)可以對(duì)鑄造工藝參數(shù)如：模數(shù)、工藝熱節(jié)計(jì)算、澆冒口設(shè)計(jì)、澆注溫度、充型時(shí)間、鑄型材料、冒口套、冷鐵等的改進(jìn)，改進(jìn)后再次進(jìn)行模擬，經(jīng)過(guò)多次改進(jìn)直到消除鑄造缺陷。這對(duì)于大型復(fù)雜鑄件有很重要的意義，它可以減少工藝試驗(yàn)的次數(shù)，甚至可以取消工藝試驗(yàn)，保證鑄件一次試制成功。從而大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。依據(jù)此次模擬結(jié)果制定的工藝用于生產(chǎn)后，效果良好，目前已有300多家企業(yè)采用該設(shè)計(jì)方法進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化，效果明顯。使用CASTSOFT CAD/CAE技術(shù)可以對(duì)多種鑄造工藝和材料進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)和模擬。包括：鑄鋼、鑄鐵、鑄鋁、鑄銅，