ProCAST在大型复杂铸件工艺优化中的应用

ProCAST在大型复杂铸件工艺优化中的应用黄引平马敏团郝炜中国船舶重工集团公司第十二研究所2007.92007ESI用户论文集ProCAST在大型复杂铸件工艺优化中的应用ProCASTApplicationInLarge-scaledComplexCastingsOptimized黄引平马敏团郝炜(中国船舶重工集团公司第十二研究所成形与仿真研究室)摘要:基于产品信息化思路，论文首先完成大型复杂铸件产品信息库的创建；利用采集的产品数据信息应用UGNX软件中的高级曲面建模功能完成某军用柴油机机体、缸盖铸件及其工艺的数字化建模；借助于ProCAST系统及现场技术人员多年生产实践经验，以柴油机机体铸件CAD/CAE工艺优化为例，应用ProCAST软件实现铸造工艺设计—校核—再设计—优化设计的全过程调整。实践表明，ProCAST软件预测铸件缺陷准确，能为新产品试制工艺的改进提供可靠依据，并对改进后的工艺方案进行验证和优化。关键词:ProCASTUGNXCAD/CAE铸造工艺优化1概述随着航空、航天、船舶、汽车、机械等各行业的蓬勃发展，大型复杂铸件的需求量越来越大。近三十年以来，尤其是近十年，我国经济总量快速跃升，其中造船工业增长迅猛，造船由1998年占世界总量的5%猛增到2006年的20%左右。为舰船配套的柴油机数量大幅增加，柴油机所配机体、缸盖需求数量增长数十倍，这就对柴油机机体和缸盖的整体质量水准提出了新的、更高的要求。缩短制造周期、及时提供足额数量高品质产品，同时降低制造过程成本、提高服务水准，成为供、需双方的共同期望和必须面对的问题。CAD/CAE技术的飞速发展及其在铸造生产中的广泛应用，可以通过对制造工艺过程进行数值模拟及仿真，使得上述目标得以实现。这项工作以数值计算为基本方法，对铸造过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现，可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，以提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高市场竟争能力。同时，用计算机等高新技术来改造制造传统产业是国内外科学技术发展的共同趋势，是铸造领域的学科前沿，也是铸造工艺由“经验设计”走向“科学指导”的重要途径，具有重大的实际意义。12007ESI用户论文集2产品信息库的创建目前大多三维软件以特征来描述几何、构造产品信息模型，这样既包括产品的形体信息，又包括产品的功能特征、工艺特征和加工特征，对产品具有更全面的描述能力，是实现CAD/CAM/CAE集成的重要技术方法。2.1产品技术信息的收集、处理和数字化创建某柴油机机体（见图1）的模型［1］与产品技术信息库，首先对此产品的技术信息进行全面收集、处理并使技术信息数字化，如产品各部分的设计基准、参照基准在哪里，这是以后加工基准和装配基准的基础；之后分析各部分结构的几何形状特征、相互依赖关系，这些是构成设计产品的基本要素，其占据空间的尺寸形状、位置至关重要；还有产品设计的材料设定、单位设置等相关设计意图的获取建立。图1某机体铸件的建模Section13-Dmodelofadieselenginebody2.2产品技术信息库在计算机上建立大型复杂铸件（机体、缸盖等）三维模型及其浇冒系统、内外冷铁等工艺三维模型后，根据柴油机铸件的生产条件，应用ProCast模拟软件对铸件的充型和凝固过程进行数值模拟并反复优化工艺，建立最优铸件成形的技术信息库系统（见图2）。建立产品的设计信息库产品技术信息库建立产品的工艺信息库建立产品的制造信息库建立产品的设计基准信息库建立产品的几何形位特征库建立产品的精加工信息库建立铸件砂芯砂型信息库建立产品热分析前处理库建立铸件成形参数信息库建立产品的相关设定信息库建立浇冒系统设计信息库22007ESI用户论文集图2产品技术信息库系统图Section2thesystemoftechnicalinformationdatabaseforproducts3CAD的工程应用与实践3.1工艺设计在正确领会设计图纸意图后建立产品模型［2］，建立工艺信息库，设计出铸件的浇注系统、冒口、冒口套、内外冷铁等，并进行工艺系统建模（见图3）。图3某机身工艺系统建模Section33-Dmodelofadieselenginebodytechnicssystem某机身铸件用钢管（见图4）：中心内油管一段，尺寸为φ152（外圆）xφ100（内孔）x6350，δ＝5mm；机身后端左右两侧各一小段，圆形截面尺寸为φ60（外圆）xφ50（内孔），δ＝6mm；详见下图。图4某机身内钢管的建模Section43-Dmodelofadieselenginebodyinnersteeltube同时，在建模中考虑铸件的加工余量与拔模斜度等工艺参数。在所有这些工艺设计建模完成后，即可进行模型的网格剖分，为大型复杂铸件的热流动分析前处理提供原始依据。3.2铸造模具生产和机械加工根据模型的特征信息生产出铸造用的模具或砂芯（见图5、图6），也可以利用激光快速成形技术得到铸件产品本身［3］，例如某柴油机缸盖的激光快速成形（见图7）；在产品精加工过程中，可根据这些工程数据信息快速生成NC加工程序，完成产品的最终加工；最后，可32007ESI用户论文集以根据以上这些工程技术信息进行产品的数据管理（PDM），进行在线检测、质量评估及装配调试等生产活动一体化管理。图5某缸盖气道的激光快速成型图6某缸盖水道的激光快速成型Section5laserrapidmoldingforacapcovergaspathSection6laserrapidmoldingforacapcoverwaterpath图7某缸盖的激光快速成型Section7laserrapidmoldingforatypeofcapcover4CAE的工程实践与分析近年来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件。从功能上看，许多软件大都基于有限差分法，可以对砂型铸造、金属型铸造、精密铸造、压力铸造等多种工艺进行温度场、流场的数值模拟，并可以预测铸件的缩孔、缩松等缺陷，但对应力场的模拟及裂纹的预测显得力不从心。42007ESI用户论文集ProCAST软件是由ESI公司开发的基于有限元法（FEM）的铸造过程模拟软件［5］，能够进行流场、温度场、应力场三场耦合模拟。ProCAST采用基于有限元法（FEM）的数值计算方法，与有限差分法（FDM）相比，有限元法具有较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。ProCAST提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响，能够模拟出低压铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程；在应力分析方面，通过采用弹塑性和粘塑性及独有的处理铸件/铸型热和机械接触界面的方法，使其具有分析铸件应力、变形的能力。通过分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。图8展示了铸件工艺优化的整个流程。图9为ProCAST软件进行模拟分析的步骤。3D模型几何修补网格划分Meshcast材料及边界加载Precast数据转换Datecast计算Procast结果分析Viewcast温度场流场凝固分数凝固时间缩孔缩松客户初始的CAD模型工艺加载、几何修复CAE模拟模拟结果分析重新设计浇冒系统CAE模拟及结果分析铸件质量满足要求NoYes投入生产图8铸件工艺优化流程图图9ProCAST分析流程Section8flowchartforcastingtechnicsoptimizedSection9ProCASTanalyzedflowchart在设计过程引入CAE来指导设计决策，通过对大型复杂铸件制造工艺过程进行数值模拟及仿真，对铸造过程（见图10）中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应52007ESI用户论文集图10柴油机缸盖铸件固相分数模拟Section10solidificationsimulationforatypeofcapcover力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现，可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，最终提高铸件质量［6］，缩短试制周期，降低生产成本，提高产品竟争力。4.1铸件充型模拟铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，利用ProCAST软件能够较为准确的表达充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要的意义。为了检验ProCAST软件在流场预测方面的准确性，我们选用了英国伯明翰的J.Campbell进行的纯铝充型的基准试验，来验证软件的准确性。试验结果的X-射线充型结果如左图，右图为ProCAST软件的模拟情况，见图11。从图中可以看出，ProCAST软件能够准确模拟整个铸件的充型过程，很好的预测出了浇注系统的卷气缺陷。62007ESI用户论文集图11实际浇注与ProCAST软件模拟结果对比Section11contrastfactpourliquidforresultwithProCASTsoftwaresimulation在叶轮铸件的铸造工艺设计中，我们应用ProCAST软件很好的预测了叶轮铸件浇注系统的不合理设计，并提出了工艺改进，使该铸件一次浇注成功。原设计工艺中叶轮各个内浇口流量分布极为不合理，经改进后铸件充型较为均匀，见图12，各内浇口流量分布较为均匀。72007ESI用户论文集图12浇注系统改进前后对比Section12contrastimproveronformergatingsystemwithprecedinggatingsystem4.2铸件凝固模拟铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都在铸件凝固过程中形成，因而，比较精确的再现铸件的凝固过程，对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要，ProCAST软件能够较为准确的预测铸件的缩松和缩孔缺陷，软件提供多种基于不稳定热传导计算的铸件缩松和缩孔缺陷预测方法，常用的有：温度梯度法、固相率梯度法、凝固时间梯度法、Niyama判据法及其变种、ProCAST软件自带的与密度相关的判据等。工程师可以通过多种判据的综合应用，达到预测缩松和缩孔缺陷的目的。我们在优化某铸钢件时，综合应用了多种判据，经过数次模拟分析，最终成功地解决了生产中的铸件缩松和缩孔问题。最初铸件的工艺经模拟分析，应用温度梯度法和固相率梯度法显示无缺陷，而应用ProCAST软件自带的判据显示两处有缩松和缩孔缺陷，这与实际铸件探伤结果一致，见图13，图14，图15，图16。经分析认为该两处缩松缺陷的产生是因为两个大冒口的热影响造成的，而为了提供液态补缩不可能改变冒口的大小和位置，因此为了消除冒口的热影响，在两冒口之间设置冷铁，使用软件经过多次优化，最终解决了问题，所生产的铸件内部致密无缺陷。图13铸件倾斜浇注温度场图14铸件固相分数分布图Section13castinginclinepouringtemperaturefieldSection14castingsolidificationfractiondistributing82007ESI用户论文集图15铸件凝固时间分布图图16铸件缩孔缩松分布图Section15castingsolidificationtimedistributingSection16castingshrinkagevoidorshrinkageporositydistributin