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铸造工艺设计及模拟CASTsoft技术在铸件生产中的应用 |
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作者：宋彬 李胜 |
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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CAStsoft CAD/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：A
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CASTsoft CAD/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。
1. 铸造工艺方案设计
1．1铸造工艺方法的选择：
由于铲板（材料：ZG30CrMo）属于煤矿设备关键铸钢件，结构虽然比较简单，但厚薄不均，热节位置较多，产品工作环境恶劣，质量要求较高，外轮廓尺寸为1932×430×380，铸件毛坯在机加工和去应力处理后要进行组焊、装机，铸件的零件表面质量，内部质量和配合尺寸要求较高。为保证顺利充满和厚大部位不产生疏松，特别保证在焊接处和装配位置处的质量和尺寸，通过浇注系统设计和浇注时间的控制减少和避免气孔和渣孔产生，通过造型、涂料及浇注温度等方式保证表面质量，考虑铲板质量、批量的要求，结合我厂铸造现场生产能力，最后选用砂型重力铸造和改性水玻璃砂工艺的工艺方案。铸型选用：改性水玻璃砂，型芯选用：水玻璃砂，浇注温度：1600℃，冒口套：保温材料。
1．2浇注系统位置的选择：
铲板（材料：ZG30CrMo）长度方向是装配配合位置、铲板工作位置为最长方向法向及铲板前端和各加强筋根部组织要求高，不允许有缩松、气孔等铸造缺陷，为了使得铸件实现顺序凝固且保证工作位置的力学性能。满足要求的工艺分型有几种，通过铸造工艺设计软件及工艺模拟软件确定。
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、冒口套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、冒口套间面贴合。由于铸件的一些地方是不规则的曲面所以铸件毛坯、浇注系统、冒口系统、冒口套的形状也为不规则曲面形状即为随形铸件毛坯、浇注系统、冒口系统、冒口套，同时由于铸件毛坯、浇注系统、冒口系统、冒口套不连续相互间孤立、分散，所以在建模时也应分散分布，相互间不相连，而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。铸件毛坯三维模型如图1所视；铸件毛坯、浇注系统、冒口系统、冒口套的工艺三维模型如图2所视：
图1 铸件毛坯
3. 工艺模拟及工艺优化的工作流程图（图3）
图3 铸件浇注工艺设计优化流程图
3．1工艺确定步骤
步骤1：采用CASTSOFT/CAD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。
步骤2：采用CASTSOFT/CAE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。
3.1.1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：ZG30CrMo，铸型材料：改性水玻璃砂，型芯选用：水玻璃砂，浇注温度：1600℃，冒口套：保温棉。
3．3铸造工艺设计及铸造工艺方案初定
通过对铸件毛坯不同布局工艺热节位置的确定，分析选择便于实际生产的方案进行工艺设计，确定冒口位置和大小，确定浇注系统。 
通过CASTSOFT/CAE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CASTSOFT/CAE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CASTSOFT/CAE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冒口尺寸偏小，为节省钢水，采用不加大冒口而引入冒口套工艺消除缺陷，通过模拟铸件补缩工艺比较合理，存在严重缩孔缺陷位置消除。
铸造工艺装配图
铸件缺陷位置图
图8左图中所示冒口根位置形成收缩缺陷，通过右图加冒口套工艺缺陷消除。
图8
4. 实际生产和现场加工
通过CASTSOFT/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，情况如图所示。
5. 结果与分析：
使用CASTSOFT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CASTSOFT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。依据此次模拟结果制定的工艺用于生产后，效果良好，前后共铸造200套铲板，铸件在机械加工后没有发现铸造缺陷，组焊时未发生缺陷现象。能够满足设计要求，从而也验证工艺模拟的有效性。
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CASTSOFT CAD/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采用冒口套可节省钢水，减小冒口尺寸。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。
作者：
1、宋彬：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：13810507162，E-mail:sb1486@126.com。
参考文献
[1] 李庆春 铸件形成理论基础 机械工业出版社 1982年1月
[2] 李魁盛 铸造工艺及原理 机械工业出版社 1988年
[3] 范英俊 铸造手册之特种铸造 机械工业出版社 2003年2月
[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 机械工业出版社 1997年8月
[6]靳玉春，侯华，赵宇宏等材料成型过程数值模拟 兵器工业出版社1997年8月
[7]柳百成 等 铸造工程的模拟仿真 与质量控制 机械工业出版社， 2001年6月
[8]徐宏 铸造工艺设计及模拟技术 教育出版社(end)
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(4/28/2011) |
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