鑄鋼芯盤的鑄造工藝設(shè)計(jì)

鑄鋼芯盤的鑄造工藝設(shè)計(jì)

通過將金屬高溫氧化到封閉的腔中，可以獲得所需零件的復(fù)雜熱態(tài)。整個過程難以實(shí)時(shí)觀察，間接測試也非常困難。傳統(tǒng)材料的鑄造工藝設(shè)計(jì)建立在試錯基礎(chǔ)上,很難體現(xiàn)出科學(xué)性;由于試錯法的試驗(yàn)周期長、成本高,所以這種設(shè)計(jì)方法越來越不能與現(xiàn)代化生產(chǎn)相適應(yīng)。計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)提供了一種更有效的設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的方法,這樣鑄造過程就可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行模擬來實(shí)現(xiàn),即降低了成本,也縮短了試驗(yàn)的周期。以往的計(jì)算機(jī)程序大多數(shù)都是對傳統(tǒng)工藝進(jìn)行模擬并改進(jìn),很難單獨(dú)利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行鑄件補(bǔ)縮系統(tǒng)和澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。比利時(shí)WTCM鑄造中心采用有限體積法開發(fā)了ViewCast軟件,該程序能夠?qū)Τ湫湍踢^程流體流動與傳熱過程進(jìn)行耦合模擬,并且能夠通過模擬結(jié)果進(jìn)行澆注及補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。研究中,采用ViewCast對鑄鋼芯盤進(jìn)行補(bǔ)縮及澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1充型過程模擬金屬液的流動過程通過Navier-Stokes方程和連續(xù)方程進(jìn)行計(jì)算,傳熱過程通過傳導(dǎo)和對流控制。公式如下:式(1)和(2)中,ρ為流體密度,t為時(shí)間,μ為動力黏度,P為壓力,g為重力加速度,V為速度向量,Φ為速度分量。方程(3)中,T為溫度,c為常壓下的比熱,k為導(dǎo)熱率,E為熔化潛熱。通過表示液體百分?jǐn)?shù)的F函數(shù)來控制液態(tài)金屬自由表面:F=0時(shí),表示該元素為空;F=1時(shí),表示該ViewCast元素中充滿液體;0<F<1時(shí),表示該單元為自由表面。在這種模型中,金屬液和空氣之間的界面為不連續(xù)的自由表面。函數(shù)F通過式(4)進(jìn)行計(jì)算表面拉應(yīng)力Pst,通過各方向自由表面輻射線的弧度進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)弧度值進(jìn)行表面拉應(yīng)力計(jì)算的公式如式(5)所示。式中,σ為液體金屬表面的拉力,ri、rj、rk為各個坐標(biāo)軸上的弧度,sign(+,-)分別表示凸出或凹下的表面。將表面拉應(yīng)力加到Navier-Stokes方程式(1)后,將使壓力梯度發(fā)生改變并影響速度場。采用有限體積法離散控制方程,矩形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來代替鑄件和鑄型,最后,所有的有限體積變成為三個坐標(biāo)軸方向上的變量。在每個單元中,用錯開的柵格來描述控制方程,用上差分代替中心差分進(jìn)行對流計(jì)算,并用SOLA算法來計(jì)算速度壓力修正量。該程序還能夠預(yù)測充型過程的冷隔現(xiàn)象,模型是基于液態(tài)金屬的臨界固相分?jǐn)?shù)建立的。充型過程中,液態(tài)金屬開始降溫,當(dāng)固相分?jǐn)?shù)超過臨界值后,該元素處的金屬就停止流動,這樣就會預(yù)測出冷隔缺陷。2凝固過程及缺陷預(yù)測傳統(tǒng)的補(bǔ)縮系統(tǒng)是基于模數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)的,但是對于復(fù)雜的鑄件的模數(shù)很難進(jìn)行計(jì)算,因此無法利用模數(shù)法進(jìn)行補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)使補(bǔ)縮系統(tǒng)的計(jì)算變得很容易實(shí)現(xiàn)。為了保證補(bǔ)縮的順利進(jìn)行,冒口的凝固時(shí)間應(yīng)該大于鑄件的凝固時(shí)間;另外冒口處必須有足夠的金屬液對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮,金屬液的量通過試驗(yàn)得出。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程無法得出鑄件的凝固時(shí)間,因此就無法采用該方法進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的產(chǎn)生,使得整個凝固過程都可以通過計(jì)算機(jī)來進(jìn)行觀察。ViewCast軟件中建立了鑄鋼冒口的數(shù)據(jù)庫,包括冒口的凝固時(shí)間和冒口徑的尺寸,計(jì)算出鑄件的凝固時(shí)間后,便可以計(jì)算出冒口和冒口徑的尺寸。首先對鑄件進(jìn)行凝固計(jì)算,根據(jù)熱節(jié)數(shù)和縮孔分布可以計(jì)算出需要冒口的數(shù)目;根據(jù)鑄件凝固時(shí)間和所需要補(bǔ)縮的體積,計(jì)算出冒口和冒口徑的尺寸。由于在鑄件上添加冒口后,凝固過程受到影響,進(jìn)而影響缺陷的分布,因此將鑄件及其補(bǔ)縮系統(tǒng)結(jié)合起來進(jìn)行凝固模擬,并觀察缺陷的分布。如果鑄件及補(bǔ)縮系統(tǒng)凝固后仍然在鑄件中出現(xiàn)缺陷,就對冒口及冒口徑進(jìn)行改進(jìn),直到得到最佳的補(bǔ)縮系統(tǒng)。鑄鋼芯盤的幾何模型(STL文件)如圖1所示,將STL文件導(dǎo)入ViewCast軟件,對鑄件進(jìn)行凝固過程模擬并預(yù)測鑄件中缺陷?？s孔缺陷預(yù)測的結(jié)果如圖2所示,鑄件的凝固時(shí)間如圖3所示。從模擬結(jié)果可以看出至少需要兩個冒口對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。根據(jù)凝固時(shí)間和所需要補(bǔ)縮的體積,計(jì)算出冒口和冒口徑的尺寸。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制出兩個頂冒口如圖4所示。雖然通過程序計(jì)算出了冒口及冒口徑,但由于冒口與鑄件相互影響,必須再進(jìn)行模擬以判斷缺陷的位置及大小,如果結(jié)果不符合要求再進(jìn)行修改。鑄件及補(bǔ)縮系統(tǒng)的縮孔缺陷預(yù)測結(jié)果見圖5。模擬結(jié)果表明,兩個冒口能夠有效的對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。3初始模擬結(jié)果根據(jù)鑄件及補(bǔ)縮系統(tǒng)的模擬結(jié)果進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先計(jì)算出鑄件的臨界體積,根據(jù)冒口及整個鑄件的高度確定澆道高度,由此可算得充滿臨界體積的最短時(shí)間,再根據(jù)該時(shí)間計(jì)算出阻流截面面積。將阻流截面設(shè)置在直澆道的底部,整個鑄件的充型時(shí)間由該截面確定;橫澆道放在內(nèi)澆道的下端,保證充入內(nèi)澆道的金屬液是平穩(wěn)的。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果繪制出鑄件、補(bǔ)縮系統(tǒng)及澆注系統(tǒng)如圖6所示。對鑄件進(jìn)行充型過程模擬,模擬結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出:金屬液充滿橫澆道后才通過內(nèi)澆道進(jìn)入鑄件,減小了金屬液與空氣的接觸,從而減小了鋼液的氧化;金屬液充入鑄件后在底部交匯,然后開始平穩(wěn)充型,沒有出現(xiàn)較大飛濺和卷氣;隨著充型過程的不斷進(jìn)行,充型過程更加平穩(wěn)。充型過程模擬結(jié)果表明,采用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)能夠滿足生產(chǎn)的要求。充型結(jié)束時(shí),鑄件中的溫度場如圖8所示。從圖8中可以看出,充型結(jié)束時(shí)鑄件中的溫度場分布不均勻,因此需要對鑄件重新進(jìn)行凝固過程模擬。計(jì)算后,鑄件中的缺陷如圖9所示,從圖中可以看出經(jīng)過充型凝固后鑄件中沒有出現(xiàn)縮孔缺陷。通過以上過程可以看出,利用ViewCast軟件進(jìn)行澆注及補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì),得出了較為合理的澆注補(bǔ)縮系統(tǒng)。根據(jù)模擬的結(jié)果進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證,圖10是采用新工藝生產(chǎn)的鑄件,通過實(shí)際的生產(chǎn)可以看出,經(jīng)過工藝改進(jìn)后得出的鑄造工藝方案是合理、可行的,能夠澆注出健全的、表面質(zhì)量良好的鑄件,經(jīng)粗加工及X射線探傷檢驗(yàn),沒有縮孔縮松缺陷,組織致密。4算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的應(yīng)用采用ViewC