大型鋁合金綜合傳動箱鑄造工藝模擬

1、大型鋁合金前罩鑄造工藝模擬中國北方發(fā)動機研究所（037036） 陳日軍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)的鑄造模擬軟件CAStsoft對大型鋁合金綜合傳動箱鑄件的凝固過程和充型過程進行模擬。通過對凝固過程的溫度場和鑄造缺陷的分析，依據(jù)分析結(jié)果對工藝進行改進,最后設(shè)計出合理的鑄造工藝。鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實驗，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。關(guān)鍵詞：鑄造模擬 凝固過程 溫度場 鋁合金傳動箱鑄件Simulation of Casting Technology on lange

2、r alnico Wheel BoxNorth China Engine Research Institute (037036) chengrijunBeijing North Hengli Science and Technology Co., Ltd.（100089） songbinAbstract:By using Beijing North Hengli Science and Technology Co., Ltd. cast simulation software CAStsoft simulates langer alnico Wheel Box in this text .Ma

3、inly including solidiy course and injection course. It analyzed temperature field and defect might produce. Using analysis result improved the technology and design reasonable technology. Casting computer simulation can be reduced or canceled new products on the technology ,It can effectively avoid

4、the possible casting error process to ensure the reliability of the new products developed to shorten the cycle.Keywords: Simulation of Casting solidiy course temperature field alnico Wheel Box中圖分類號： 文獻標識碼：A傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計方法往往依賴于直覺經(jīng)驗，在鑄件結(jié)構(gòu)較為簡單和鑄造類似鑄件時，經(jīng)驗可能起到一定的作用；在澆鑄大型、復(fù)雜鑄件且無相關(guān)經(jīng)驗時，只能通過反復(fù)工藝實驗來確定工藝；當工藝存在重大失

5、誤時，可能使得工藝方案被徹底推翻。通過工藝反復(fù)實驗來確定工藝的方法，可能導(dǎo)致先前制作的模具報廢，對于大型鑄件來說模具費用會相當高，這會造成重大經(jīng)濟損失，同時嚴重影響新產(chǎn)品的試制，延長新產(chǎn)品的試制周期。近年來鑄造過程計算機模擬技術(shù)得到飛速發(fā)展，使得通過鑄造模擬來確定鑄造工藝成為可能，鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實驗，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。本次分析采用的軟件是北京北方恒利科技發(fā)展有限公司的CASTSOFT軟件。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)工藝存在的問題，采取工藝改進措施后再次進行模擬，直到鑄造工藝趨向合理。1. 鑄造工藝方案設(shè)計11鑄造工藝方

6、法的選擇：由于綜合傳動箱屬于大型復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件，鑄件最薄的地方為6mm,最厚大的地方為80×110×120，外輪廓尺寸為860×920×510，且最后機械加工出4個Ø12的高壓油道，油管要進行壓力試驗，試驗的壓力為2.22.5 Mpa ，5分鐘不允許滲漏。用砂型重力鑄造難以保證順利充滿和厚大部位不產(chǎn)生疏松，特別是高壓油管處質(zhì)量。低壓鑄造工藝具有金屬液充型平穩(wěn)、鑄件在壓力下結(jié)晶，生產(chǎn)的鑄件縮松、氣孔、夾雜少的優(yōu)點，因此選用砂型低壓鑄造的工藝方案。在砂型、砂芯鑄件相應(yīng)厚大的地方放置冷鐵調(diào)節(jié)鑄件厚大部位的冷卻速度。12澆注系統(tǒng)位置的選擇：因傳動箱

7、的軸瓦處壁厚度為45mm，且軸瓦處是傳動箱受力最大的部位，所以對此處的組織要求高，不允許有縮松、氣孔等鑄造缺陷，為了使得鑄件實現(xiàn)順序凝固且保證軸瓦處的力學(xué)性能，在幾處軸瓦處共設(shè)6道內(nèi)澆口，通過厚大內(nèi)澆口在壓力下對其進行補縮。2. 三維建模21鑄件的三維建模：采用Pro-E軟件對鑄件進行三維建模，并在鑄件的基礎(chǔ)上加澆注系統(tǒng)。22冷鐵的三維建模：由于在工藝模擬時冷鐵屬于另外的實體附在鑄件上，要求冷鐵與鑄件間面貼合。由于鑄件的一些地方是不規(guī)則的曲面所以冷鐵的形狀也為不規(guī)則曲面形狀即為隨形冷鐵，同時由于鑄件的熱節(jié)不連續(xù)相互間孤立、分散，所以冷鐵也分散分布，相互間不相連，而在工藝模擬時要求同種材料的冷鐵

8、組合成一個整體，生成一個STL文件。加澆注系統(tǒng)鑄件三維模型如圖1所視；加澆注系統(tǒng)、冷鐵的鑄件三維模型如圖2所視：圖2 加澆注系統(tǒng)、冷鐵的鑄件三維模型圖1 加澆注系統(tǒng)鑄件三維模型3. 工藝模擬及工藝優(yōu)化的工作流程圖（圖3）圖3 鑄件澆注工藝設(shè)計優(yōu)化流程圖31前處理：本次模擬時，鑄件、鑄型及冷鐵網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格尺寸為5mm×5mm×5mm，共剖分網(wǎng)格6351545個。32凝固過程模擬：按工藝要求添加低壓鑄造相應(yīng)的工藝參數(shù)。參數(shù)設(shè)置如下：鑄件材料為ZL101A.砂型為樹脂砂。冷鐵的材料為HT250。澆注溫度為700。保壓壓力為0.065MPa，保壓時間1500秒。通過凝固過程、溫度

9、場及縮孔、縮松的判定可以看到鑄件有8處存在縮孔，其中在80×110×220處存在嚴重縮孔缺陷。從溫度場、凝固過程及冷卻速度的分析可以清晰看到熱節(jié)周圍的溫度遠低于熱節(jié)區(qū)的溫度（在溫度場狀態(tài)圖中標示位置），早于熱節(jié)凝固，使得熱節(jié)最后凝固形成縮孔。如下圖4-9所示。通過此次模擬可以看出先前制定的工藝存在問題。圖5 凝固分數(shù)為60%時的溫度情況圖圖4 凝固分數(shù)為30%時的溫度情況圖圖7 凝固分數(shù)為100%時的溫度情況圖圖6 凝固分數(shù)為85%時的溫度情況圖圖9 鑄件縮孔位置圖圖8 凝固過程狀態(tài)結(jié)果圖4. 鑄造工藝的改進：針對工藝模擬結(jié)果，對工藝進行改進，具體改進如下：在80×

10、;110×220處放置大的暗冒口，對此處進行補縮。80×110×220處的Ø60孔處放置內(nèi)冷鐵。在其它7處有縮孔處放置相應(yīng)冷鐵，并調(diào)整附近其它冷鐵的布置。工藝改進后再次進行模擬。通過模擬結(jié)果的溫度場、凝固過程及縮孔、縮松的判定可以看出鑄件在80×110×220處得到了冒口有效的補縮，縮孔明顯移入冒口內(nèi)。其它幾處有缺陷的地方，也可以看出通過冷鐵的添加與調(diào)整大大地減小了縮孔、縮松現(xiàn)象。達到了預(yù)期目標。如圖10-13所示： 圖11 凝固過程溫度情況狀態(tài)圖圖10 改進工藝后加澆注系統(tǒng)與冷鐵的三維模型圖13 改進工藝后縮孔位置圖圖12 改進工藝

11、后凝固過程狀態(tài)圖5. 結(jié)果與分析：使用CASTSOFT軟件可以有效地預(yù)測出工藝設(shè)計中存在的問題，能夠預(yù)測出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)此模擬結(jié)果改進、優(yōu)化鑄造工藝。利用三維建模軟件可以很方便地進行澆注系統(tǒng)、冷鐵等改進，同時利用CASTSOFT軟件可以對鑄造工藝參數(shù)如：澆注溫度、充型時間、保壓壓力、保壓時間等的改進，改進后再次進行模擬，經(jīng)過多次改進直到消除鑄造缺陷。這對于大型復(fù)雜鑄件有很重要的意義，它可以減少工藝試驗的次數(shù)，甚至可以取消工藝試驗，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)的競爭力。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，前后共鑄造10臺份傳動箱，鑄件在

12、機械加工后沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，加工后的高壓油道在進行2.5MPa的高壓試驗時未發(fā)生滲漏現(xiàn)象。能夠滿足設(shè)計要求，從而也驗證工藝模擬的有效性。6結(jié)語：通過此次模擬可以總結(jié)出以下幾點經(jīng)驗低壓鑄造很適合大型復(fù)雜薄壁鑄件的鑄造，它不但可以保證薄壁處的順利充型，也可以通過內(nèi)澆口在壓力下對鑄件厚大部位進行補縮。同時鑄件是至下而上充型，所以充型平穩(wěn)，不會產(chǎn)生二次造渣現(xiàn)象使用砂型、砂芯內(nèi)附冷鐵的工藝可以有效消除鋁合金鑄件的縮松現(xiàn)象，同時可以大大提高厚大部位處的力學(xué)性能。對于特別厚大的地方，由于條件所限不能通過澆注系統(tǒng)補縮，采用冷鐵也不能徹底消除鑄造缺陷時，必須采用暗冒口進行補縮，因低壓鑄造所用的冒口為暗冒口，所以冒口的尺寸要適當加大。作者：陳日軍:男,1973年生,山西省大同縣人,1996年畢業(yè)于華北工學(xué)院鑄造工藝與設(shè)備專業(yè),并獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位,同年7月分配到中國北方發(fā)動機研究所從事鑄造工藝設(shè)計與研究，近幾年主要從事大型鋁合金鑄件的低壓鑄造工藝設(shè)計與研究如發(fā)動機曲軸箱體缸蓋及大型傳動箱箱體等鋁合金鑄件的低壓鑄造工藝設(shè)計工程師電話：2-E-mail:chenrijun688。 宋彬：北京北方恒利科技發(fā)展有限公司工作，從事鑄造數(shù)值化模擬技術(shù)相關(guān)工作。電話E-mail:sb1486。參考文獻1 李慶春 鑄件形成理論基礎(chǔ) 機械工業(yè)出版社 19