鑄造cae軟件在鑄造工藝中的應(yīng)用

鑄造cae軟件在鑄造工藝中的應(yīng)用

在鑄造工藝的設(shè)計(jì)過程中，幻想設(shè)計(jì)包括大量復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算、表格、圖紙和修改。大多數(shù)中國(guó)的造船廠都依賴自己的經(jīng)驗(yàn)和手動(dòng)圖紙。近年來(lái),雖然有很多鑄造工作者一直致力于CAD系統(tǒng)的開發(fā),但大多數(shù)都是從繪圖的方便性上進(jìn)行研究,如使用ARX對(duì)AutoCAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā),使用ProE的二次開發(fā)工具對(duì)其進(jìn)行三維方面的二次開發(fā)等。這些研究雖然可以大大加快工藝圖形的繪制過程,但是對(duì)工藝設(shè)計(jì)方面的幫助少之又少。除此之外,還有一些研究所和大學(xué)開發(fā)了鑄造工藝CAD的模塊,但在使用時(shí)需要輸入模數(shù)、壁厚等參數(shù),而這些參數(shù)的計(jì)算合理與否直接影響到設(shè)計(jì)結(jié)果的優(yōu)劣。側(cè)重于凝固過程模擬的商品化鑄造CAE軟件系統(tǒng)近年來(lái)在我國(guó)發(fā)展比較迅速,如恒利公司的CASTSOFT、清華大學(xué)的FT-Star系統(tǒng)已比較成熟,帶給用戶可觀的經(jīng)濟(jì)效益,但是這些軟件只能幫助工藝人員來(lái)檢驗(yàn)工藝是否合理,而不能幫助工藝人員進(jìn)行工藝設(shè)計(jì),而本文提供的軟件開發(fā)思路剛好可以幫助工藝人員使用CAE進(jìn)行冒口系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1凝固時(shí)間的計(jì)算及設(shè)計(jì)步驟鑄鋼是趨于逐層凝固的合金,其常用的冒口設(shè)計(jì)方法主要有熱節(jié)圓法、模數(shù)法、三次方程法、熱模數(shù)法等。熱節(jié)圓法計(jì)算冒口是利用被補(bǔ)縮處熱節(jié)圓直徑,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按一定比例放大即得到所求圓柱形冒口直徑或腰圓形冒口寬度。而模數(shù)法是利用公式M=V/S計(jì)算鑄件的凝固時(shí)間,其中V為鑄件的體積,S為鑄件的散熱面積。與熱節(jié)圓法相比,由于模數(shù)法相對(duì)考慮了鑄件的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)散熱條件的影響,因而在估算鑄件凝固時(shí)間方面比熱節(jié)圓法及經(jīng)驗(yàn)法更為準(zhǔn)確,所以模數(shù)法在鑄造領(lǐng)域里得到了廣泛的推廣應(yīng)用。但是模數(shù)法無(wú)法擺脫人為分塊造成的影響,只能采用較高的比例系數(shù)來(lái)滿足補(bǔ)縮要求。騰飛,范柳光等人提出了熱模數(shù)法的方法,在模數(shù)法的基礎(chǔ)上考慮了鑄型條件和鑄件的過熱度等因素對(duì)鑄件凝固時(shí)間的影響。這與模數(shù)法相比有了一定的進(jìn)步,但是仍然是處于估算階段,而且無(wú)法預(yù)測(cè)各個(gè)熱節(jié)部位的相互影響。而借助于CAE軟件可以準(zhǔn)確的得到各補(bǔ)縮區(qū)域的凝固時(shí)間和該區(qū)域的收縮缺陷大小,那么就可以根據(jù)該部位的凝固時(shí)間和存在的缺陷大小來(lái)設(shè)計(jì)冒口和冷鐵了。基于CAE軟件進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)的步驟:(1)在不加任何冒口、冷鐵等工藝的條件下,計(jì)算鑄件的各孤立區(qū)的凝固時(shí)間和收縮體積;(2)根據(jù)各個(gè)孤立區(qū)的位置、缺陷大小和凝固時(shí)間,設(shè)計(jì)并布置相對(duì)應(yīng)的冒口;(3)對(duì)增加了冒口、冷鐵等工藝的鑄件進(jìn)行凝固過程計(jì)算,并預(yù)測(cè)鑄件中是否有缺陷;(4)若增加了工藝的鑄件中沒有任何缺陷或者可以達(dá)到使用要求的,再進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì);若鑄件中仍然存在缺陷,根據(jù)缺陷位置和大小,返回(2)重新設(shè)計(jì)和布置冒口、冷鐵等?；贑AE軟件進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。2cae系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冒口的設(shè)計(jì)包含兩部分的內(nèi)容,一是冒口的放置位置,二是冒口尺寸的計(jì)算。用鑄造CAE系統(tǒng)進(jìn)行冒口設(shè)計(jì),這個(gè)兩個(gè)問題都可以同時(shí)解決。在進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)之前,首先需要對(duì)鑄件零件的凝固過程進(jìn)行模擬計(jì)算,計(jì)算的目的是確定鑄件的熱節(jié)位置、凝固時(shí)間和鑄件的收縮量,為冒口設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。冒口設(shè)計(jì)流程如圖2所示。2.1凝固過程的確定一般來(lái)說冒口應(yīng)放在鑄件的最高位置或者是被補(bǔ)縮部位的附近。我們可以首先使用鑄造CAE軟件計(jì)算鑄件的溫度場(chǎng)分布,在此基礎(chǔ)上計(jì)算出鑄件在凝固過程中的孤立區(qū)域以及其各孤立區(qū)的最后凝固位置。然后在該部位選擇合適的地方放置冒口,或者依據(jù)其在鑄件的頂部還是底部來(lái)確定是明冒口還是暗冒口,如果該孤立區(qū)是處于鑄件底部那么選擇暗冒口,如果該孤立區(qū)處于鑄件的頂部則可以選擇暗冒口也可以選擇明冒口。2.2冒口凝固時(shí)間鑄件的凝固時(shí)間與模數(shù)之間存在關(guān)系:其中k為凝固系數(shù),與鑄件和鑄型的熱物理性質(zhì)有關(guān),同種條件下的凝固系數(shù)相同。冒口要起到補(bǔ)縮作用首先應(yīng)滿足冒口的凝固時(shí)間應(yīng)大于或者等于鑄件或者鑄件被補(bǔ)縮部位的凝固時(shí)間,即:根據(jù)關(guān)系式(1)、(2)以及冒口的特征,可以計(jì)算出冒口的尺寸。除了滿足關(guān)系式(2)之外,冒口應(yīng)存在足夠的液體量,以補(bǔ)縮鑄件和冒口本身的收縮,即:式中:V冒為冒口的體積;V件為鑄件或者被補(bǔ)縮部位的體積;ε為金屬在液態(tài)和凝固期的總體積收縮率(%)。冒口尺寸用關(guān)系式(3)進(jìn)行校核,如果不滿足,應(yīng)在滿足模數(shù)關(guān)系的條件下,加大冒口尺寸。2.3分塊凝固的要求在鑄件小熱節(jié)部位,可以采用冷鐵消除熱節(jié),達(dá)到順序凝固或者是分塊凝固的要求。這時(shí)需要先進(jìn)行冷鐵設(shè)計(jì),形成鑄件是順序凝固或者分塊凝固,再進(jìn)行冒口設(shè)計(jì),以便充分考慮冷鐵對(duì)凝固過程的影響。具體冷鐵設(shè)計(jì)過程參考鑄造手冊(cè)、鑄造工藝分冊(cè)或者鑄造工藝學(xué)。2.4冒口的選擇為了便于用戶直接使用,本文根據(jù)鑄造手冊(cè),建立了標(biāo)準(zhǔn)通用冒口庫(kù),如圖3所示。冒口分為標(biāo)準(zhǔn)邊冒口、標(biāo)準(zhǔn)球形冒口、標(biāo)準(zhǔn)腰形明冒口、標(biāo)準(zhǔn)腰形暗冒口、標(biāo)準(zhǔn)圓柱形明冒口和標(biāo)準(zhǔn)圓柱形暗冒口等,用戶可以根據(jù)模擬結(jié)果,直接選擇冒口。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)冒口設(shè)計(jì),用戶可以根據(jù)由凝固時(shí)間反算出來(lái)的當(dāng)量模數(shù)進(jìn)行冒口設(shè)計(jì),并在三維繪圖軟件上繪制。3澆注口的確定對(duì)于如圖4所示的法蘭鑄件,鑄件尺寸為570mm×659mm×652mm,鑄件質(zhì)量為435kg,采用重力砂型鑄造方法進(jìn)行生產(chǎn)。在進(jìn)行冒口設(shè)計(jì)之前,需要對(duì)鑄件進(jìn)行初次模擬,計(jì)算出鑄件的收縮體積和最后凝固部位的模數(shù)。法蘭鑄件最后凝固部位如圖5所示。由圖可以看出,需要補(bǔ)縮的區(qū)域分為兩個(gè)部分,需補(bǔ)縮部位1的模數(shù)為17.92mm,需補(bǔ)縮部位2的模數(shù)為23.5mm,收縮體積分別為1.29×106mm3、4.29×105mm3,如圖6所示。CAD設(shè)計(jì)程序讀入計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從數(shù)據(jù)庫(kù)中獲得被補(bǔ)縮區(qū)域1的冒口尺寸為150mm×300mm×225mm,被補(bǔ)縮區(qū)域2的冒口尺寸為120mm×180mm×150mm。把設(shè)計(jì)所得的冒口加入鑄件中,如圖8所示。采用CAE軟件進(jìn)行模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)缺陷全部留在冒口中,如圖9,設(shè)計(jì)合理。4cae軟件在確定初始冒口的應(yīng)用用凝固時(shí)間法計(jì)算的冒口符合實(shí)際鑄造過程,它是鑄件真實(shí)凝固過程的再現(xiàn),避免了人為分塊進(jìn)行模數(shù)計(jì)算造成的誤差,大大地提高了設(shè)計(jì)的精度,降低了工藝設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)結(jié)合CAE軟件計(jì)算出了熱節(jié)部位的凝固