基于华铸CAE100的球铁件壳型铸造工艺开发

1基于华铸CAE10.0的球铁件壳型铸造工艺开发张光明，王泽忠(四川工程职业技术学院材料工程系，德阳，618000)摘要：针对球铁件壳型铸造工艺，用数值模拟的方法，计算了初步铸造工艺方案下铸件的凝固过程，根据液相分布的动态过程探讨了孤立液相区情况，并结合球铁凝固特点给与分析，最终通过试制，确保了相应壳型铸造工装的设计一次成功，为该件的顺利生产奠定了基础。关键词：壳型铸造；工艺开发；数值模拟DevelopmentofShell-moldFoundryTechnologyfortheDuctileIronCastingBasedonInteCASTSoftwareZHANGGuangming,WangZezhong(SichuanEngineeringTechnicalCollege,Deyang,618000,China)Abstract：BasedontheInteCASTsoftware,thesolidificationprocessofshell-moldcastingtechnologyfortheductileironcastingisstudied.Accordingtodynamicdistributionofliduidusphase,theisolatedliduidusphaseisillustratedandanalysedincombinationwithsolidificationfeaturesoftheductileironcasting.Finally,trialproductionprovesthattheinitialdesignedfoundrytechnologyismanageableandfeasible.Thus,thesuccessofrelativemolddesigncanbeachievedthoroughly,whichlaysthefoundationoftheprocessyield.Keywords：Shell-moldcasting;technologydevelopment;numericalsimulation铸造CAE技术是采用计算机及相关软件对铸件的充型和凝固过程进行数值模拟【1】，并对得到的数据进行处理分析，以预测缺陷，优化工艺。它对改造和提升传统铸造技术，降低产品成本、提高铸造企业竞争力有着不可替代的作用，其应用和推广必将为铸造行业带来很大的经济和社会效益，是现代铸造的发展方向之一。本文中笔者采用Pro/EngineerWildfire3.0三维造型软件对某厂准备生产的壳体球墨铸铁件及其工艺系统进行三维实体造型，用华铸CAE10.0软件进行凝固过程数值模拟，通过对设计的铸造工艺的液相动态变化过程分析，预测了该工艺的可行性；随后采用实际生产加以验证，最终成功地开发出该壳体球铁件壳型铸造新工艺，降低了开发成本，缩短了开发周期，取得了良好的经济效益。1壳体球铁件概况该件为某铸造企业准备采用壳型铸造新工艺生产的一种批量比较大的铸件，材质为QT500-7，铸件不允许出现缩孔、缩松缺陷，并要通过油压渗漏试验。由于厂家是首次在球墨铸铁件上采用壳型铸造工艺，为提高工艺可靠性并能确保模具开发一次成功，设计人员希望能借助铸造CAE技术分析工艺，增加可靠性，并将这一任务委托给四川工程职业技术学院材料工程系铸造CAE技术应用服务中心。2壳体球铁件凝固过程数值模拟根据分析目的，确定了以下分析步骤：（1）首先按照球铁件铸造工艺设计特点，结合铸件形状，初步设计出工艺方案。（2）对设计的铸造工艺进行凝固过程分析，初步判断铸件缩孔及缩松倾向，若可行即可投入木模试生产来验证，若不满意液相分布状况，则改进工艺再分析，直到得到比较合理的液相分布，再投入木模试生产来验证。铸造CAE系统具体过程主要包括导入三维实体模型、网格剖分；确定材料热物理性能、生产过程参数、初始条件和边界条件；物理场数值计算；结果显示等几个步骤【2】。2．1铸造工艺系统的三维实体造型该铸件及其浇注系统、冒口的三维造型及装配工作在Pro/EngineerWildfire3.0软件上完成。华铸CAE10.0分析系统是一套基于有限差分原理编制的用于模拟铸造充型凝固过程的计算机数值仿真软件，大致分为前处理、计算分析和后处理三个基本模块。前处理模块主要用于模拟实际物理环境的计算环境的设置，计算分析则用于数值求解，而后处理主要对各种数值解以多种表达方式显示出来，以增强数值解的可读性及结果的分析和判定。由于该分析软件充分考虑了铸造生产的实际情况，在张光明（1972—），男，四川安县人，硕士，讲师、工程师研究方向：计算机在材料成型中的应用；电话:[phone]STL网格剖分时提供了一种所谓“优先级别”功能，使用户造型时对砂型的处理非常方便，仅需将它简化为一正六面体，然后与铸件、浇注系统、冒口等按尺寸正确装配，最后在同一坐标系下将各组成部分转化为STL格式的文件保存，至此就完成了铸造模型所有部分的三维实体造型工作。图1所示为整个分析模型在初步设计的铸造工艺方案下的三维实体造型图。图1壳体球铁件及其工艺系统计算机三维实体模型2.2网格剖分考虑到计算精度，为保证剖分单元的连通性【3】，兼顾计算精度和效率，将网格尺寸初定为4mm，剖分完成后调用华铸CAE前置处理模块中的网格检查功能，判断剖分单元是否连通，若有不连通的单元存在，则需调整剖分步长，减小网格尺寸，重新剖分，直到所得剖分结果中所有单元均连通。同时还需保证所得网格单元数不超过系统配置所允许的计算单元数。当然，在满足计算精度的前提下，优先选用网格单元数较少的剖分方案，以减少计算时间。综合考虑以上原则，最终确定采用网格尺寸为2mm的剖分方案，从而完成了实体网格剖分，图2所示为剖分成功后的网格几何模型（没有显示铸型部分）。图2壳体球铁件及其工艺系统网格剖分后的几何模型2.3凝固过程温度场的数值模拟获得满意的网格划分后，进入华铸CAE的计算模块，按照厂家提供的工艺参数对该铸件重力铸造过程计算参数进行设置，分别输入材料热物理性能、生产过程参数、初始条件和边界条件。为尽快得到结果以满足厂家生产的需要，我们仅对纯温度场进行了计算。所谓纯温度场计算，就是基于3“瞬时充填、初温均布”的假设，对凝固过程进行传热分析。如果想获得更精确的计算结果，就要先进行充型过程中的流动与传热耦合分析，然后以所得的温度分布为初始温度场，再进行凝固过程的温度场计算。2.4模拟结果的后置处理图3(a)～(d)是铸件在初步设计的工艺下凝固计算后液相分布及定量缩孔模拟结果。(a)凝固经历时间96.8秒(b)凝固经历时间208.5秒(c)凝固经历时间496.0秒(d)凝固经历时间1186.9秒图3液相分布及定量缩孔模拟结果2.5结合球铁凝固特点对凝固过程的分析4实践表明，仅根据传热学的原理分析球铁件的凝固过程是不够的，必须结合球铁的凝固特点加以补充。球墨铸铁在凝固过程中既有液态收缩、凝固收缩，又有石墨析出产生的膨胀。宏观上，铸件成形过程中所表现出的体积变化是膨胀、收缩相抵的净结果，所以均衡凝固理论认为，在铸铁中浇冒口的作用只是用来补充铸件冷却、凝固时产生的胀缩的差值，冒口不必晚于铸件凝固。按此原则，冒口模数或尺寸没有必要一定比铸件大。此外，壳型铸造时树脂砂壳型的刚度比传统砂型铸造的砂型的刚度高得多，基本没有型壁移动现象产生，有利于球铁石墨化膨胀产生的自补缩作用得以充分发挥。因此，采用这种工艺生产球铁铸件时，冒口尺寸适当减小同样能取得较好的补缩效果。根据图3模拟结果可知，铸件在此工艺下的凝固过程中仅有一处孤立液相区，冒口颈均提前封闭，从而为实现利用球铁石墨化膨胀产生的自补缩作用奠定了良好基础。厂家随后按此工艺进行了试验并解剖了孤立液相区域，共试验十件，没有一件产生缩孔缩松缺陷，从而保证了工装一次设计成功，缩短了试制周期。3结语铸造CAE技术以可视化方式模拟了铸造凝固过程，比较准确地反映铸造缺陷产生的状况和分布规律。通过模拟信息结合有限的生产验证，可找出工艺不足之处，减少试制成本和铸件缺陷，提高经济效益。参考文献:[1]周建新，刘瑞祥，陈立亮，廖敦明。铸造CAE技术在铸钢件中的应用。《热加工工艺》，2004，(11)：67[2]彭立明，毛协民，陈定兴，等．CAE技术在2VQS机油滤清器支架压铸工艺中的应用．铸造,2000,(3):160[3]陈立亮，刘瑞祥．华铸CAE/InteCast集成系统使用手册．武汉：华中科技大学华铸软件中心，2006．张光明的个人简介1990年9月－1994年6月在四川工业学院材料科学与工程系材料成型与控制专业读本科1994年7月—2001年8月就职于东方汽轮机厂，从事工艺及工装设计2001年9月－2004年6月在西华大学攻读材料加工硕士研究生，研究方向：计算机在材料成形中的应用2004年7月－至今在四川工程职业技术学院任教，主要讲授数控专业技术基础课及铸造技术专业课详细通讯地址：四川德阳泰山南路二段801号：四川工程职业技术学院材料工程系邮政编码：618000联系电话：[phone]