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河南科技大学毕业设计(论文)I挂舵臂铸造成形过程的计算机模拟摘要介绍了铸造过程数值模拟技术的一些基本的原理和应用。采用华铸CAE软件对大型铸钢件挂舵臂的铸造成形过程温度场进行模拟。选用了Solidworks三维造型软件生成铸件以及冒口、浇注系统、冒口套、冷铁等工艺参数的三维实体模型，并导出STL格式文件作为接口文件，然后用华铸软件进行模拟计算处理。模拟结果作为改良挂舵臂铸造工艺的依据，在挂舵臂肋板热节处设置冷铁来提高凝固速度，在冒口上加设保温冒口套来提高冒口的金属液补缩能力。通过对凝固过程温度场的模拟分析，优化了原始工艺。利用计算机模拟技术，判断铸造工艺的合理性，辅助完成工艺优化的方法，能够彻底克服传统工艺设计方法的缺点，提高设计质量，缩短试制周期，降低生产成本。将模拟优化后的工艺用于中信重机公司铸锻厂的实际生产中，结果表明：通过合理设置冒口、冷铁的位置和大小，合理选择浇注系统及分型面，可以控制冶炼和热处理工艺，保证铸件符合顺序凝固的原则，生产出组织致密、性能优良、各项指标达到用户要求的优质挂舵臂铸件。关键字：挂舵臂，华铸CAE，缩孔，工艺优化河南科技大学毕业设计(论文)IIComputerSimulationforCastingProcessofRudderArmABSTRACTThisarticlehasintroducedtheprinciplesandapplicationsofnumericalsimulationofcastingprocess.HUAZHUCAEbeenusedtoimitatethetemperaturefieldinthecastingprocessofthelargerudderarm.Inthisexperiment,Solidworks,athree-dimensionalmodelingsoftware,hasbeenusedtocreatethethree-dimensionalentitymodelofcastingandriser,poursystem,riserset,coldiron,etcandleadoutfileswhoseformsareSTLastheinterfacefiles.AndthenIntecasthasbeenusedtoimitatethecomputing.Thesimulationresultisusedasthebasicofimprovingthecastingtechnologyoftherudderhorn.Inordertoenhancethespeedofsolidification,coldironsaresetupintheribhotspotofrudderarm.Andtoimprovethecontractioncompensationcapacityofmoltenmetaloftheriserhead,theinsulatingrisersleevehasbeensetup.Throughthesimulationanalysistheoriginaltechnologyhasbeenoptimized.Utilizingthecomputermodelingtechniquetojudgetherationalityofcastingtechnologyandtoassisttheoptimizationofcastingtechnologycanovercometheshortcomingofthetraditionalmethodoncraftdesigncompletely.Thatcanimprovedesignqualityandshortenproductioncycleaswellasreducetheproductioncost.CITICheavymachineryCO.adoptedtheoptimizedtechnologyintheactualproduction.Theresultsshowsthatcastofrudderarmwithcompacttexture,highqualityandsatisfyingparameterscanbeproducedbyproperlysettingthepositionandsizeofriserandcoldiron,properlychoosingperfusionsystemandpartingplane，controlingsmeltingandheattreatmentprocessandensuringthatthecastaccordtotheprincipleofsequentialsolidification.KEYWORDS：rudderarm,HUAZHUCAE,shrinkage,processoptimization河南科技大学毕业设计(论文)III目录第一章绪论.1§1.1造船业的发展与挂舵臂铸件的介绍.1§1.2挂舵臂的传统铸造工艺.3§1.2.1挂舵臂成型特点.4§1.2.2传统铸造工艺.4第二章挂舵臂缩孔、缩松等缺陷的研究.7§2.1缩孔、缩松产生的原因和过程.7§2.2挂舵臂生产中缩孔、缩松等缺陷的产生.8§2.3挂舵臂生产中缩孔、缩松缺陷的防止.9§2.3.1挂舵臂铸件中缩孔位置的确定.9§2.3.2挂舵臂铸件生产中缩孔的防止.11第三章挂舵臂成形过程温度场数值模拟及工艺优化.13§3.1计算机技术在铸造生产中的应用.13§3.2华铸CAE的概述.14§3.3华铸CAE对挂舵臂铸造过程温度场的模拟.16§3.3.1STL文件的前置处理.16§3.3.2温度场的计算分析.17§3.3.3模拟结果显示与分析.19§3.4挂舵臂铸造工艺优化.20第四章挂舵臂铸钢件的实际生产.23结论.27参考文献.28致谢.错误!未定义书签。河南科技大学毕业设计(论文)1第一章绪论§1.1造船业的发展与挂舵臂铸件的介绍中国造船业经过几代人的努力，取得了令世人瞩目的成就。2006年中国造船产量达到1400万载重吨，占世界造船总产量的20%份额，造船总量位居世界第三1。中国船舶工业应以加入WTO为契机，抓住新的机遇，放眼世界，充分利用国内和国外两个资源、两个市场，努力创新，“做大、做强”中国船舶工业。从世界造船竞争格局的演变看，进入新世纪，世界造船业结构调整和产业转移步伐加快，中国造船业正在迅速崛起，在世界造船业中的地位日益突出。中国船舶工业已经进入实施跨越式发展的新时期，呈现强劲的增长势头和巨大的发展潜力，中国船舶工业所具有的综合比较优势，使中国最有希望成为下一个造船王国。按照船舶系统“十一五”规划，加强船舶自主设计能力、船用装备配套能力和大型造船设施建设，优化散货船、油轮、集装箱船三大主力船型，如图1-1所示，重点发展高技术、高附加值的新型船舶和海洋工程装备。这不仅仅是中国船舶制造工业的发展，无疑也对中国整体高技术制造生产、高质量铸件生产提出更高要求。据计算，每百万吨载重船需要船厂外协的铸锻件1万2万吨。所以船用铸件，尤其是大型船用铸件的生产技术对造船业的发展有着极大的影响。散货船20万吨油轮河南科技大学毕业设计(论文)2集装箱船图1-1三大主力船型众所周知，船舶的航行除了前进的动力，还需要方向的确定和转变，而舵就是船舶转变方向的设备，所以舵系是船舶航行最主要的设备之一，直接关系到船舶航行的安全性能。舵系的设计是一项比较复杂的工作，在外装区域设计中占有重要的地位，其质量的好坏直接影响到整艘船舶下水节点和建造质量2。作为本研究对象的挂舵臂为船舶上重要部件之一(如图1-2)，其用途是来承受舵转动时所使与的拉应力与压应力。挂舵臂与艉轴管安装位置示意如图1-3所示，从而挂舵臂结构复杂、形状特殊、尺寸精度要求高。另外，挂舵臂几乎所有面均设计为曲面，以使船舶在航行中所受阻力小。图1-2挂舵臂河南科技大学毕业设计(论文)3图1-3挂舵臂与艉轴管安装位置示意图以上种种的使用要求和设计思想无不体现对高技术制造业尤其对铸造业的迫切需求。挂舵臂铸钢件大都为小批量生产，铸件重量大（单件重量80157t）耗用钢水材料多，进行反复试浇显然是不合理的，而传统的铸造工艺往往只是凭借铸造工艺人员的实际经验进行，常常需要反复试浇，进行超声波探伤和磁粉探伤等鉴定和分析之后，才能得到一个合理、优化的铸造工艺方案。本文正是探讨利用先进的计算机模拟技术（CAE）对大型铸钢件挂舵臂铸造成形过程的温度场进行模拟，预测缩孔、缩松缺陷，进而对铸造工艺进行优化，改变传统的“试制”模式，以计算机技术提高铸造业铸造技术水平，并为中国船舶工业的发展作出贡献。§1.2挂舵臂的传统铸造工艺大型挂舵臂铸钢件是支撑、吊挂舵结构的关键件，挂舵臂的性能和质量在船舶航运中起着非常重要的作用。生产中不但要保证铸件的形体尺寸完美地符合图纸规定的流线型外表，以减小轮船在大海中行驶的阻力。还要控制内部质量，保证挂舵臂在恶劣的工作环境下满足使用要求，确保整个船只的安全航行。本设计挂舵臂铸件材质为KSC49,化学成分见表1-1，其中残余元素Cr、Ni、Mo、Cu总含量1%，外型轮廓尺寸为7629×1860×5639mm,重量为82t，结构形状复杂，铸件尺寸公差要求较严格，铸造难度大，浇冒口处、圆角处、机加工表面和特殊表面均要求超声探伤和着色探伤。为此应该对该铸件进行了仔细的分析，制订合理可行的铸造工艺，以生产出合格的铸件。河南科技大学毕业设计(论文)4表1-1KSC49的化学成分（Wt%）材质CSiMnPS残余元素（总量不大于1）CrNiMoCuKSC490.180.230.400.600.890.920.0250.010.200.500.200.30§1.2.1挂舵臂成型特点挂舵臂铸件的成形过程具有如下特点：1.由表1-1可看出，碳量在Fe-C相图中位于包晶区，凝固特性决定铸件易形成显微缩松，磁粉探伤后出现超标磁痕显示，特别是加工后不易进行返修、焊补和回火处理3。2.结构复杂、形状特殊，几乎所有面均为曲面，形状均为流线型，每个断面尺寸均不相同，其特殊的结构特点为工艺编制、造型、清理等工序均带来不便。3.挂舵臂质量要求高，形位公差要求极其严格，且要求磁粉探伤和超声波探伤。而中间型腔芯子易漂浮，使铸件壁厚不均匀。4.铸件尺寸大、重量大，最大重量达150t，钢液总量200t以上，需要三包钢液合浇，给生产组织和质量管理增加了难度。各船级社船都要求在船用铸钢件重要部位进行超声波探伤和磁粉探伤，所以铸造工艺设计中必须采用针对性的技术措施有效地预防各种铸造缺陷。§1.2.2传统铸造工艺挂舵臂铸钢件是船舶的必备部件，随着船舶工业的发展，各工矿企业在挂舵臂的长期生产过程中不断探索，制定了传统的制作工艺。1.浇注位置的选择由于挂舵臂铸件体积大，尤其是两个曲面型侧面近似于两个大平面，为避免曲面形侧面平躺时朝上的大平面产生夹砂结疤类缺陷，把铸型实体从平躺状态翻转90°，成为侧立状态，并以此状态进行浇注。2.分型面的选择分型面是两半铸型相互接触的表面。从挂舵臂铸件的体积、结构考虑采用了立浇工艺，再综合考虑顺序凝固原则、分型面选择原则以及挂舵臂侧立形态，最终选择四个分型面，五箱造型。其中三个分型面分别在三层横浇道处，最上一层