铸造工艺设计及模拟CASTsoftCADCAE技术在滚筒粉碎机法兰铸件生产中的应用

铸造工艺设计及模拟CASTsoftCAD/CAE技术在滚筒粉碎机法兰铸件生产中的应用（北京北方恒利科技发展有限公司，北京100089）宋彬（朝阳重型机器有限公司，辽宁122000）罗瑞娟张红丽摘要：利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造模拟软件CAStsoftCAD/CAE对煤机设备铸件的凝固过程和充型过程进行模拟。通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进,最后设计出合理的铸造工艺。铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。关键词：铸造模拟；凝固过程；温度场；煤机设备铸件中图分类号：文献标识码：ACastingprocessdesignandSimulationofCASTsoftCAD/CAETechnologyInlargeminingequipmentcastingsproductionapplicationSONGBin（BeijingNorthFanghengLiTechnologyDevelopmentCo.,Ltd.,Beijing100089）Abstract:TheBeijingNorthHenglidatechnologydevelopmentlimiteddevelopmentofthecastingsimulationsoftwareCAStsoftCAD/CAEoncoalmachineequipmentcastingsolidificationprocessandfillingprocesssimulation.Basedonthesolidificationtemperaturefieldandanalysisofcastingdefects,Basedontheresultsofprocessimprovement,finallydesignsthereasonablecastingprocess.Computersimulationtothecastingprocesscanreduceorcancelthenewproducttechnologyexperiment,whichcaneffectivelyavoidthepossiblecastingdefects,ensureprocessreliability,shortennewproductdevelopmentcycle.Keyword:Castingsimulation;Solidificationprocess；Temperaturefield；Coalmachinecastings传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用；在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺实验来确定工艺；当工艺存在重大失误时，可能使得工艺方案被彻底推翻。通过工艺反复实验来确定工艺的方法，可能导致先前制作的模具报废，对于大型铸件来说模具费用会相当高，这会造成重大经济损失，同时严重影响新产品的试制，延长新产品的试制周期。近年来铸造过程计算机模拟技术得到飞速发展，使得通过铸造模拟来确定铸造工艺成为可能，铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。本次分析采用的软件是北京北方恒利科技发展有限公司的CASTsoftCAD/CAE软件。通过模拟分析发现工艺存在的问题，采取工艺改进措施后再次进行模拟，直到铸造工艺趋向合理。多年来,我厂铸钢件在铸造工艺上采用水平浇注,按其热节大小和轮廊尺寸设置冒口,为了获得无缩孔的铸件,往往要用与铸件同等重量的钢水作冒口。这样,铸造工时多,成品率低(50~65%左右),切除冒口要消耗大量氧气和乙炔,因而铸钢件的成本较高。1铸造工艺方案设计1.1铸造工艺方法的选择人们在寻求提高铸钢件工艺出品率的方法，以往采用内冷铁、外冷铁、减小冒口尺寸可视为一种有效办法，对大平面铸件采用平浇工艺常有气孔及夹砂等缺陷。为此从2007年起我厂对板类、环类、条类等碳钢件、低合金钢件、高锰钢件采用倾斜浇注,但作为倾斜浇注应用在铸钢件上来提高铸钢件工艺出品率还没有被大多数人所重视。自从该工艺在我公司铸钢件上应用后，已形成比较成熟的工艺技术，取得了良好的效果。１倾斜浇注凝固机理分析铸钢件不同于铸铁件,具有自补缩的特性，但铸钢件具有冷却速度快、凝固期短，易形成集中缩孔的特性，因此在同等条件下，铸钢件比铸铁件更容易形核长大，受金属液冲刷作用，凝固层不断被消熔。被消熔部分凝固层增加了金属形核数和过冷度。因此金属液充型前沿很快凝固，实现了铸钢件顺序凝固和边浇注边补缩的特性。2三维建模2.1铸件的三维建模采用Pro-E软件对铸件进行三维建模，先将铸件毛坯输出，进行铸造工艺设计确定分型面，铸件摆放位置，确定工艺布置，冒口大小，浇注系统大小；再通过铸造工艺模拟软件进行铸造过程模拟，最后确定可行浇注工艺方案。2.2铸件毛坯、浇注系统、冒口系统、冒口套的三维建模由于在工艺模拟时，铸件毛坯、浇注系统、冒口系统属于工艺装配体部件且各部件材料及属性都不一样，三维建模保证建模工艺部件与实际生产工艺部件的位置、大小一致，要求铸件毛坯、浇注系统、冒口系统间面贴合。在工艺模拟时要求同种材料工艺部件组合成一个整体，生成一个STL文件。铸件倾斜浇注工艺铸型合箱后,使铸型的一端抬起一定的高度,利用钢液的自重压力原理,结合内外冷铁、浇注系统等工艺措施,并将冒口设置在铸件最高处,使远离冒口处向冒口保持递增的温度梯度,达到冒口最后凝固,实现顺序凝固,从而获得组织致密、无缩孔的健全铸件。确定砂型倾斜的角度一般应根据砂箱的长度和宽度尺寸而定。实际生产中,砂型的倾斜角度大约在6°~8°。砂型倾斜角度(垫高的尺寸)的选择应适当,如倾斜角度过大,由于钢液自重压力的提高,虽然能够提高钢液的补缩效果,但同时也增加了内浇道对砂型的冲刷作用,使铸件容易产生砂眼和跑火,既增加浇注成本又不利于安全。如果倾斜角度过小,钢液自重压力不够,难以达到补缩效果。矿山用滚筒粉碎机法兰属大型铸件,一般为单件生产。因为其使用环境,对材质的要求较高,尤其是在长时间压力情况下的耐磨性、密封性和高强度。企业一般选用ZG230-450钢。此外,由于法兰件属于较大的支撑件,要求铸件加工后表面光洁、无砂眼、裂纹、气孔等缺陷.根据法兰铸钢件的结构特点,设计了该铸钢件的铸造工艺方案.利用北京北方恒利有限公司CAE软件对该工艺方案进行了数值模拟.结果表明,铸件底部面积大,冷却快；铸件较高,中间处提前凝固；顶部冒口无法对铸件下部进行补缩,易在下部产生缩孔、缩松缺陷.通过改变分型面和浇注位置,同时将八个冒口改为两个冒口的方法,获得了较合理的铸造工艺方案.根据优化结果进行生产,成功地生产了直径与高度比为10的法兰铸件,避免了缩孔缺陷,保证了铸件的质量。表面质量及内部质量都有较大幅度地提高,经济效益也十分显著。铸件原工艺如图1所示；改后工艺如图2所示。图1原工艺图2改后工艺3工艺模拟及工艺优化的工作流程3.1工艺确定步骤步骤1：采用CASTsoftCAD铸造工艺设计模块进行工艺热节计算，确定冒口位置和冒口大小，确定铸件工艺布局，确定浇注系统。图3铸件浇注工艺设计优化流程图步骤2：采用CASTsoftCAE铸造工艺模拟模块进行铸造过程模拟，通过对铸造充型过程、凝固过程进行模拟及缺陷分析，最后得到可行的铸造方案。前处理：本次模拟时，铸件毛坯进行网格剖分的网格尺寸为4mm×4mm×4mm，共剖分网格1000万单元。3.2铸造模型构建及模拟计算按工艺要求添加砂型重力铸造相应的工艺参数。参数设置如下：铸件材料：ZG35CrMo，铸型材料：改性水玻璃砂，型芯选用：水玻璃砂，浇注温度：1600℃.北京北方恒利有限公司CAE模拟软件，是以传统的铸造工艺理论为基础，运用传热学、流体学和数值分析理论，结合计算机软、硬件技术，对铸造工艺进行模拟分析。首先，根据传统铸造工艺进行三维造型，然后把加入原铸造工艺铸件的三维图形转化为“STL”文件，导入CAE并进行网格剖分，根据需要进行计算分析（温度场、流动场、凝固场），根据计算结果分析员铸造工艺的合理性，并进一步优化，如此反复进行，直至铸造工艺达到最优，确定最后工艺。通过CASTsoftCAD铸造工艺设计模块进行不同工艺布局的铸件毛坯工艺热节位置计算和现场生产条件分析，最后选择左边工艺布局位置并进行了工艺冒口设计，浇注系统设计，待采用CASTsoftCAE铸造工艺模拟模块进行铸造过程模拟验证和工艺调整。3.3铸造工艺结果显示及工艺合理评定采用CASTsoftCAE铸造工艺模拟模块进行铸造过程模拟验证，通过凝固过程、温度场及缩孔、缩松的判定可以看到左图工艺6个冒口，为节省钢水，采用倾斜浇注工艺冒口为2个，通过模拟铸件倾斜浇注工艺没有缩孔缺陷，此工艺节省钢水比较合理，如图3和图4所示。图3原工艺图图4倾斜浇注工艺图4实际生产和现场加工通过CASTsoftCAD/CAE铸造工艺设计和工艺模拟，并进行试浇注，检验、探伤，铸件毛坯满足质量要求，进入批量生产。5结果与分析使用CASTsoftCAD/CAE软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题，能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷，并根据此模拟结果改进、优化铸造工艺。利用三维建模软件可以很方便地进行铸件毛坯、浇注系统、冒口系统、冒口套等改进，同时利用CASTsoftCAD/CAE软件可以对铸造工艺参数如：浇注温度、充型时间、铸型材料、冒口套、冷铁等的改进，改进后再次进行模拟，经过多次改进直到消除铸造缺陷。这对于大型复杂铸件有很重要的意义，它可以减少工艺试验的次数，甚至可以取消工艺试验，保证铸件一次试制成功。从而大大缩短新产品的试制周期，提高企业的竞争力。铸造CASTsoftCAD/CAE技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造技术，对降低产品成本、提高铸造企业竞争力有着不可替代的作用。它的应用和推广必将为铸造行业带来很大的经济和社会效益。6结语通过此次模拟可以总结出以下几点经验：①采用计算机进行铸造工艺设计直观且速度快，有利于新产品工艺开发和工艺优化；②组合使用CASTsoftCAD/CAE铸造工艺设计模块和模拟模块可大大节省工艺设计和模拟的时间和次数，模拟结果与实际相符；③采用倾斜浇注，可以大大的节约钢水。④砂型重力铸造改性水玻璃砂工艺适合铸钢件生产，铸件应力小，表面比较光滑。参考文献[1]李庆春·铸件形成理论基础·北京：机械工业出版社，1982.1[2]李魁盛·铸造工艺及原理·北京：机械工业出版社，1988[3]范英俊·铸造手册之特种铸造·北京：机械工业出版社，2003.2[4]王智平·底杯铸件铸造工艺模拟·铸造，2006，（2）：149-151[5]胡汉起·金属凝固原理·北京：机械工业出版社，1997.8[6]靳玉春，侯华，赵宇宏，等·材料成型过程数值模拟·北京：兵器工业出版社，1997.8[7]柳百成，等·铸造工程的模拟仿真与质量控制·北京：机械工业出版社，2001.6[8]徐宏·铸造过程模拟仿真及工艺设计,国防工业出版社，2011.11.01______________________________作者简介：宋彬：出生于1978年7月，材料成型及控制铸造专业，工程师，现在北京北方恒利科技发展有限公司工作，从事铸造数值化模拟技术相关工作。电话：[phone]，E-mail:[e-mail],[e-mail]。罗瑞娟：出生于1970年7月，机电一体化专业，助理工程师，现在辽宁朝阳重型机器有限公司工作，从事铸造模拟技术相关工作。电话：[phone]张红丽:出生于1986年4月，材料成型及控制工程专业，助理工程师，现辽宁朝阳重型机器有限工作，从事铸造技术模拟相关工作。电话:[phone]