毕业论文范文——利用ProCAST软件模拟分析砂型铸造工艺

西安航空职业学院毕业论文利用ProCAST软件模拟分析砂型铸造工艺姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要： 在砂型铸造工艺设计中，使用ProCAST模拟分析软件，模拟分析，确定最优方案。通过实际生产验证，避免了缩松、夹渣进浆的铸造缺陷，解决了起皮问题。结果表明，ProCAST模拟分析软件，在参数设置合理的情况下，模拟结果与实际生产有较高的吻合度，对砂型铸造的工艺设计及铸造缺陷问题的解决，有指导性意义。关键词：砂型铸造；排气歧管；高镍球铁；ProCAST；铸造工艺 高镍奥氏体球墨铸铁汽车排气歧管，在中高档轿车中有着广泛的应用。砂型铸造是大批量生产高镍球铁铸件的基本工艺。高镍球铁，有流动性差，凝固收缩大，浇注温度高等工艺特点。铸件缩松倾向大，表面易夹杂、起皮。同时排气歧管结构复杂，形状不规则，流道精密度高，壁厚较薄，铸造工艺难度大。ProCAST采用有限元方法实现对铸件充型过程、温度场、应力场及缺陷的计算和预测1，能够仿真缺陷形成、微观组织、缩孔缩松和应力变形等2。本文主要研究CAE技术在砂型铸造工艺设计及铸造缺陷问题解决上的应用，依靠ProCAST模拟分析结果，为铸造工艺设计及生产提供理论依据，缩短新产品试制周期，降低生产成本。1 铸件结构技术要求及生产条件1.1 产品的结构特点本文所涉及到的铸件产品为某公司的排气歧管。铸件结构见图1，轮廓尺寸为342mm236mm48mm，管道壁厚4.30.5mm，出气法兰厚16mm，进气法兰厚17mm，产品加工孔位置较多，孤立热节多。1.2 产品技术要求铸件要求：流道表面不应有飞边、结疤等影响气体流动的铸造缺陷，铸件无砂眼、气孔、缩孔和粘砂等影响机械性能的铸造缺陷，材质为GJSA-XNiSiCr3552 执行标准VW50021，化学成分（%）：（C2.0；Si: 4.55.5 ；Mn: 0.51.0 ；P0.05；S0.02；Ni: 3436；Cr: 1.752.25；Cu0.5；Mg0.03 ；RE0.01）。金相组织：a)石墨形态：壁厚处，球化率80%，石墨尺寸58级；管壁处，球化率85%，石墨尺寸58；b)基体组织：奥氏体+少量碳化物。力学性能:a)硬度：130260HB；b)抗拉强度370MPa；c)延伸率10%；d)；屈服强度200MPa。所有排气歧管要求100%进行试漏，试漏压力为2bar，泄漏量小于60ml/min。1.3 生产工艺条件（1）熔炼球化工艺；使用3T中频炉感应电炉熔炼，先加入生铁、部分废钢，待部分废钢熔清后，再加入部分增碳剂和废钢（等比例循环加入）、回炉料。合金待熔炼后期（约 14501500） 加入，先后加入铬铁、镍铁、钼铁、硅铁等。当铁液升温至 1540后，调整化学成分，合格后，升温至 16101620后，停电静置 58min 后准备出炉。球化处理前，将称量好的球化剂加入包坑内，用 FeSiSr覆盖并用平冲拍实。控制出炉温度 16001630。出铁至处理铁液量约 2/3 时，加入 FeSiSr 孕育剂，出完剩余铁液量。随流孕育剂使用硅锶锆孕育剂，随流孕育量0.080.12%。（2）造型制芯工艺；采用东久造型线。型砂标准：湿压强度0.120.16Mpa，紧实率3040%，水分3.04.0%，透气性120170，含泥量1215%，硬度85g，有效膨润土710%。制芯使用氧化铁红覆膜砂。覆膜砂标准：熔点:1005 发气量16.0ml/g ，灼烧减量4% ，常温抗拉强度4.0MPa，常温抗弯强度8.0MPa，热态抗拉强度2.0MPa，热态抗弯强度4.0MPa，粒度:50100 目75%。2 铸造工艺设计及模拟2.1 工艺设计东久线造型线生产，一模两件，单件毛坯重量4.7kg，整箱铸件22kg，计算7s浇注完毕。进气法兰采用压边顶冒口进行补缩，出气法兰分段补缩3，管壁位置冒口，出气法兰位置冒口，进火。浇注系统采用半封闭式，见图2，内浇道处于横浇道中部，内浇道与进火冒口之间的交接位置圆弧相切。2.2 模具及型芯设计使用Creo Parametric 4.0绘图软件，设计模具及型芯见图3。2.3 ProCAST模拟分析及结果判定：2.3.1 模拟分析将铸造工艺的三维图形导入ProCAST中，包裹虚拟砂箱，剖分2D，3D网格4，并进行处理。在铸造工艺参数界面，设置参数如下：浇口杯竖直向下；铸件材质GJSA-XNiSiCr3552，初始浇注温度1460，虚拟砂箱材质Green sand，初始温度20；铁液与虚拟砂箱，传热系数取500W/( K) ；选取浇口杯引流口，充型速度3kg/s；虚拟砂箱外表面与空气自由换热；砂型刚度系数0.8，石墨化膨胀系数0.8，充型及凝模拟储存步数为5；激活金属前端跟踪，参数设置为2。检查网格及工艺参数设置是否有误，无误开始进行计算。2.3.2 结果判定（1）铸件缩松判定：缩松倾向点如图4，加工位置无缩松，两两管壁交汇位置，局部厚大，有缩松倾向5，根据以往铸件生产经验暂不处理，先保证加工位置无缩松缺陷。（2）凝固过程判定：剖分冒口颈位置如图5，液相在凝固过程中不间断，可以实现顺序凝固，保证铸件凝固过程中始终得到冒口颈补缩，冒口颈凝固过程中始终得到冒口补缩，从而保证需要补缩位置及冒口颈不缩松。 （3）充型效果判定；浇注系统充型效果见图6，充型过程中，流头铁液未进入内浇道及型腔。横浇道及进火冒口中的铁液流速均小于0.4m/s，充型平稳。型腔中铁液交汇未包裹孤立气体区域，充型效果较好。 3 铸件理化检测3.1 技术要求检测化学成分检测，金相检测，球化率检测，力学性能检测，均符合标准要求。加工后试漏，泄漏量符合技术要求。3.2 X光探伤检测中间2-3缸，管壁夹角有缩松见图73.3 铸造缺陷样件试生产20件，有5件毛坯，在固定区域出现不同程度的起皮问题，见图8。4 生产结果与ProCAST模拟结果对比4.1 铸件缩松与模拟缩松对比ProCAST缩松体积测量，缩松倾向点体积为1.4ml的位置，探伤出现了轻微缩松，见图9。另外的两个缩松倾向点，缩松体积为0.4ml,0.3ml，没有出现缩松。根据以往模拟分析经验：缩松体积：00.5ml基本上不会出现缩松，0.51.5ml会有轻微缩松，1.53ml会出现缩孔。因此判定，缩松位置未超出图纸技术要求，故不作处理。在后续的熔炼中确保优质铁液，使缩松缺陷可控。4.2 铸件起皮与模拟充型对比铸件起皮位置，与充型模拟分析进行对比见图10，起皮位置为铁液交汇位置，并且交汇位置铁液流速较低，铁液在交汇位置温度较低。型芯为覆膜砂芯，制芯采用水平分型热芯盒制芯，射砂嘴在芯头位置，由于结构局限，型芯大部分位置不能倒空，形成空腔。型芯在铁液浇注过程中，发气量大，产生的气体不能通过空腔排出。经分析，型芯在浇注过程中产生的气体，进入铸件型腔，可能包裹在铁液交汇位置。又因为交汇位置，两股流头铁液温度较低，铁液融合不好，气体不易排出。后续工艺优化尝试，加大管壁位置内浇口截面积，提高充型速度，间接提高起皮位置的充型速度及铁液温度。实际生产验证40件毛坯，起皮问题得到解决。浇注系统的设计，直接影响了铁液在型腔中的流动方向，充型速度，铁液交汇位置，流头铁液的温度。设计的是否合理，不能通过实际生产来验证，需要使用ProCAST模拟分析软件来验证优化。后续生产出现铸造缺陷，对比模拟结果也有一定的参考价值。5 结束语砂型铸造工艺的设计，首先要保证的就是，铸件不能出现影响使用性能的缩松，铸件表面不能有夹渣，起皮等外观缺陷。新产品开发阶段，如何保证快速的交付合格的样件，对工艺设计提出了更高的要求。通过对ProCAST模拟分析软件的熟练掌握及应用，在铸造工艺设计阶段，在虚拟的三维设计中，把可能出现的铸造缺陷进行规避，或者试制前期得到解决，提高了一次试制成功的概率，节约试制成本，缩短了开发周期。参考文献1 周亚明，李莉，胡志勇，等.有限元模拟预测铸钢件的宏观缩孔缺陷J.铸造，2001,50（12）；743-745.2 吉晓霞，郭建政，李绍敏，等.三种铸造模拟软件对铸钢件铸造模拟之对比J .铸造，2013,62（11）；1084-1088.3 陈伟，田书涛，袁斌，赵新武.分段补缩在QT590-10过度盘上的应用.现代铸铁，1003-8345（2017）04-0031-04；31-34.4 李党育，苗春旺，张永福.耐热铸钢排气歧管铸造工艺数值模拟.铸造技术,1000-8365（