华铸铸造工艺分析实例

华中科技大学凝固模拟研究室z预测铸件缺陷，优化铸造工艺z降低毛料消耗，提高工艺出品z增进科学决策，减少经验依赖z缩短试制周期，节省试制费用z敏捷市场反应，增强竞争优势z改善企业形象，促成外销订货-1-华铸CAE/InteCAST铸造工艺分析系统实例说明一、软件介绍华铸CAE/InteCAST　铸造工艺分析软件集成系统是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具，是华中科技大学（原华中理工大学）经十数年研究开发，并在长期的生产实践检验中不断改进、完善起来的一项软件系列产品。它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质（包括铸钢、球铁、灰铁、铸造铝合金等）、多种铸造方法（砂型铸造，金属型铸造，压铸，低压铸造，铁模覆砂铸造等）下铸件的凝固分析、流动分析以及流动和传热耦合计算分析。实践应用证明，本系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。华铸CAE/InteCAST的研制与开发过程中，先后完成了多项国家与省部级科研攻关项目，并获得多项省部级科技进步奖，其中包括中国船舶工业总公司的“铸造工艺参数的优化”、湖北省科委的重点科技攻关项目“球墨铸铁凝固模拟及铸造工艺CAD”、“多材质铸件凝固模拟及铸造工艺CAD”及国家教委博士点专项基金项目“气化模铸造充型过程数值模拟及其质量控制”等。上述项目均已通过省部级的专家鉴定，鉴定认为诸多成果处于国内领先地位，达到国际先进水平。华铸CAE/InteCAST　铸造工艺分析软件集成系统已在国内众多工矿企业推广应用，其中包括中船总宜昌四零三厂、广西玉林柴油机厂、南海中南铝合金轮毂有限公司、中国机车车辆总公司石家庄车辆厂、宁夏吴忠仪表厂、中船总十二研究所、江汉石油四机厂、第二汽车制造厂、洛阳矿山机械厂、常州柴油机厂、武昌造船厂、鞍山钢铁公司、航天第三研究院、兵器工业部617厂、兵器工业部618厂、江津增压器厂、广东韶关铸锻总厂、浙江日月铸造有限公司、青岛四海电力铸造厂、山东金鼎铸造有限公司、大连重型机床厂、山西榆次液压件厂、四川太升铸造有限公司、合肥叉车总厂、郑州铝厂、福州大学、上海柴油机厂等。并对首都钢铁公司、柳州工程机械厂、洛阳拖拉机厂、东方汽轮机厂、沪东造船厂、江岸车辆厂、武汉铸造厂、河北磁县汽车配件厂、山东潍坊柴油机厂、山东第一机床厂、国营山西541厂、兵器工业部447厂、铁道部山西永济机车厂、山西太原长锋耐磨件有限公司、山西临猗汽车配件厂、包头大众铸造有限公司、河北邢台轧辊集团、河北张家口煤炭机械有限公司等企业实际铸件的铸造工艺进行了模拟分析。实际应用表明，本系统可以很好地分析实际铸件的生产过程，预测卷气、冲砂、加渣、浇不足、冷隔、缩孔、缩松等铸造缺陷，能够有效地优化工艺，提高产品质量，降低废品率、缩短产品试制周期，降低生产成本，对实际生产具有重要的指导意义。对上述某四个工厂的追踪统计显示，在1995年至1998年初的两年多时间内，运用本系统带来的直接经济效益达到1700多万元，效果颇为显著。华铸CAE/InteCAST　铸造工艺分析软件集成系统曾作为全国唯一的一个铸造CAD成果参加了“首届全国计算机应用博览会”，受到国家科委主任宋键的高度评价。另外中央电视台、“全国CAD应用工程通报”都曾报道过该系统的应用情况。本系统曾作为南海中南铝合金轮毂有限公司863/CIMS工程的重要组成部分，1998年顺利通过国家科委的验收，国内外专家给予了高度赞扬。华铸CAE/InteCAST经过多年的努力，目前已成为一个比较成熟的商品化、实用化、集成化铸造工艺CAE系统。与国外同类软件相比，功能大体相同，但价格上要廉价得多，同时在技术服务、信息交流及后续版本升级等方面具有国外软件不可比拟的优势；与国内同类软件对比，本软件系统，在商品化、实用化、集成化等方面具有相当的优势。-2-二、典型铸件实例说明z实例一（普通铸钢件）温度场：1、计算环境：铸件最小壁厚：22mm计算网格大小：5mm计算网格数：352.8万铸件材质：C=0.29Si=0.3Mn=1.1P=0.035S=0.035浇铸温度：1580℃铸件重量（包括浇冒系统）：52.7Kg2、工艺图：如图一（注：深蓝色为冷铁）3、结论：（1）通过现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的液相分布，可以发现此工艺冒口（如图二）的补缩通道在此时已完全中断。为便于对图二中的问题进行分析,进行了（如图三）所示的截面剖分。从中可以清晰看到冒口的补缩通道已完全中断。Ⅰ处为液相孤立区，将出现严重的缩松、缩孔缺陷。（2）随着时间的推移,为便于进行缺陷分析，进行了如图四、图五所示的截面剖分。从中可明显发现Ⅰ处钢水补缩通道在此中断，此处将出现缩松、甚至缩孔缺陷。图一图二图三Ⅰ-3-流动场：1.计算环境：铸件最小壁厚：22mm计算网格大小：12mm计算网格数：12.7万浇铸温度：1580℃铸件重量(包括浇冒系统)：52.7Kg2.工艺图：同上图一3.结论：(1)通过改进后工艺的流动场凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的冲型速度，如图六所示此工艺方案对于流动场相对较合理。(2)通过对此工艺流动场截面如图七的分析，发现图中I处容易卷气、夹渣。图四图五图六ⅠⅠ-4-z实例二（普通低合金铸钢件）温度场：1.计算环境：铸件最小壁厚：10mm计算网格大小：4.5mm计算网格数:：770万铸件材质：ZG30MnMo浇铸温度：1550℃铸件重量(包括浇冒系统):：230Kg2．工艺图：见图八3．结论：（1）通过现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的液相分布，可以发现此工艺冒口（如图九）的补缩通道在此时已完全中断。（2）为便于对图九中的问题进行分析,进行了(如图十)所示的截面剖分。从中可以清晰看到冒口的补缩通道已完全中断。Ⅰ处为液相孤立区，将出现严重的缩松、缩孔缺陷。Ⅰ图七图八图九-5-（3）过华铸CAE后处理模块中的缺陷判断功能可预测此铸件缺陷最终大小如图十一、图十二中的7#、8#、11#、12#所示，其中9#、10#为冒口。Ⅰ图十图十一图十二-6-流动场：1.计算环境：铸件最小壁厚：10mm计算网格大小：9mm计算网格数：96万浇铸温度：1550℃铸件重量(包括浇冒系统)：230Kg2.工艺图：同上图八3.结论：（1）通过改进后工艺的流动场凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的冲型速度，可以发现此工艺（如图十三）在I、II处冲型速度明显小于其它处，说明此处气排不出去。（2）通过对此工艺流动场截面如图十四的分析，发现图中I处明显卷气、夹渣。z实例三（熔模铸钢件）温度场1.计算环境：铸件最小壁厚：4mm计算网格大小：2mm计算网格数:：291万铸件材质：ZG42CrMo浇铸温度：1600℃铸件重量(包括浇冒系统)：12Kg2.工艺图：见图十五图十三图十四ⅠⅡⅠ图十五-7-3.结论：(1)通过现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的液相分布，可以发现此工艺如图十六、图十七、图十八Ⅰ处的补缩通道此时已完全中断。在这些地方将出现严重的缩松、缩孔缺陷。(2)建议降低铸件的浇铸温度并严格控制。另外直浇道根部适当放大点。图十六图十七图十八ⅠⅠⅠ-8-z实例四（球铁件）温度场：1.计算环境：铸件材质：QT400铸件最小壁厚：10mm计算网格大小：5mm计算网格数：666万浇铸温度：1350℃铸件重量(包括浇冒系统)：415Kg2.工艺图：见图十九（注：深蓝颜色处为冷铁）3.结论：(1)通过现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的铸件色温，可以发现此工艺如图二十中的Ⅰ处(四个冒口根部)。在此时(铸件凝固过程中的碳化膨胀)四个冒口根部未完全封闭,导致铸件的铁水挤入冒口中,铸件将在这些地方出现缩松。(2)建议控制冒口的压边大小，使铸件凝固过程中的碳化膨胀时四个冒口根部完全封闭。z实例五（大型铸钢件）温度场1.计算环境：铸件材质：耐磨铸钢件铸件最小壁厚：70mm计算网格大小：20mm计算网格数：240万浇铸温度：1580℃铸件重量(包括浇冒系统)：26050Kg2.工艺图:见图二十一图十九图二十Ⅰ图二十一-9-3．结论:（1）通过现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的液相分布，可以发现此工艺冒口（如图二十二）的补缩通道在此时已完全中断。（2）为便于对图二十二中的问题进行分析进行了(如图二十三)所示的截面剖分。从中可以清晰看到冒口的补缩通道已完全中断。Ⅰ处为液相孤立区，将出现严重的缩松、缩孔缺陷。图二十二图二十三Ⅰ图二十四●实例六（灰铸铁件）温度场：1．计算环境：铸件材质：HT-250铸件最小壁厚：8mm计算网格大小：3.5mm计算网格数：2241万浇铸温度：1360℃铸件重量(包括浇冒系统)：370Kg2.工艺图：见图二十四-10-图二十七图二十五图二十六3．结论：(1)通过现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的液相凝固、铸件色温，可以发现此工艺如图二十五中铸件的整体凝固趋势以及铸件缺陷位置。(2)为便于对此铸件工艺进行分析，进行了如图二十六(液相分布)、图二十七（铸件色温）截面剖分，从而可清晰发现此二图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ处的缺陷位置及大小。(3)利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的铸型色温，如图二十八所示不同位置的铸件、砂芯、铸型在凝固过程中的温度分布，如图二十八所示Ⅱ处为砂芯，对应温标可发现此时此处砂芯温度超过1000℃。如果选用普通砂制做砂芯，将造成粘砂。(4)利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的温度曲线，可绘制铸件工艺凝固过程中不同位置（一次最多12个特殊点，包括铸件、砂芯、铸型等）的温度曲线。如图二十九所示。(5)利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的梯度分布，可分析铸件不同部位的温度传热方向、铸件热结位置，帮助分析铸件形成缺陷的原因。如图三十可明显的发现Ⅰ处铸件的传热方向为砂芯，因故造成砂芯温度超过1000℃。ⅠⅡⅢⅣⅢⅣⅠⅡ-11-ⅠⅡⅢ图二十八注：Ⅰ处为铸件，Ⅱ处为砂芯，Ⅲ处为铸型。图二十九图三十Ⅰ-12-●实例七（普通铸钢件）温度场、流动场：1.计算环境：铸件材质：ZG25铸件最小壁厚：25mm计算网格大小：温度场8mm流动场12.5mm计算网格数：温度场100万流动场29.6万浇铸温度：1550℃铸件重量(包括浇冒系统)：250.9Kg2.工艺图：见图三十一3.结论：(1)通过对端轴现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的液相分布，可以发现此工艺冒口及冷铁的分布配制相对比较合理。但Ⅰ区仍有小部分液相孤立（如图三十二），此处将出现铸件组织缩松缺陷。(2)通过对端轴现行工艺流动场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模拟分析软件后处理模块中的流体速度分布，可以发现此工艺浇铸系统分布不合理（如图三十三）所示Ⅰ区流体速度明显过大，钢水冲击砂芯严重。此处将出现冲砂缺陷。(3)建议修改浇铸系统的内浇口的位置，避免钢水冲击砂芯过大。图三十一注：深蓝色为冷铁，其余为铸件图三十二图三十三ⅠⅠ-13-●实例九（普通铸铝件）温度场1.计算环境：铸件材质：ZL101铸件最小壁厚：8mm计算网格大小：4mm计算网格数：538.3万浇铸温度：700℃铸件重量(包括浇冒系统)：62Kg2.工艺图:见图三十六●实例八（高锰钢铸件）温度场1.计算环境：铸件材质：Mn13铸件最小壁厚：17mm计算网格大小：8.5mm计算网格数：506万浇铸温度：1550℃铸件重量(包括浇冒系统)：909Kg2.工艺图：见图三十四3.结论:(1)通过对桥壳现行工艺温度场的凝固模拟计算分析。利用华铸CAE凝固模