机械制造基础-铸造过程仿真技术.ppt

机械制造基础铸造过程仿真技术,材料科学与工程学院,铸造凝固过程仿真模拟研究室,内容介绍,（1）铸造工艺设计；（2）铸造模拟软件简介；（3）铸造CAD/CAE集成；（4）铸造模拟技术发展趋势；（5）实例应用；（6）凝固微观组织模拟研究,铸造模拟技术发展趋势,（1）由宏观模拟向微观模拟发展可以预测组织、结构、性能，从而调整生产工艺，生产出理想的凝固组织，达到优良的综合力学性能。（2）单一分散向耦合集成方向发展流场、温度场、应力/应变场、组织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。（3）共性、通用向专用、特性方向发展*解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题：压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连续铸造等特种铸造。*解决铸件的缺陷消除问题,铸造模拟技术发展趋势,（4）重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究重视在热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得与积累等基础性研究（5）重视物理模拟及精确测试技术（6）在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分*产品、模具CAD/CAE/CAM/RPM系统集成*与PDM（ProductDataManagement）系统集成,铸造模拟软件简介,铸造模拟软件可以对铸件形成过程中流场、温度场进行模拟，并且能够对铸造过程中产生的缺陷（如浇不足，冷隔，缩孔缩松缺陷）进行预测，从而对铸造过程所涉及的工艺参数工艺方案等做出评价和优化，达到降低铸造废品率，节省材料和劳动力，最大可能在降低成本，以及大幅度在缩短铸造工艺定型周期。,软件组成及功能,系统功能特点：（1）软件适合于多材质（铸钢、铸铁、铸造有色合金等），多种铸造方法（普通砂铸、金属型铸造、精密铸造、低压铸造、压力铸造、消失模铸造等）。（2）系统具有开放的数据库体系，包括200多种铸造材料参数并且用户根据需要可以自行添加材料数据库。（3）系统软件中文界面友好、操作方便。系统运行环境硬件（推荐配置）：PIV2.8CPU；内存512M，硬盘40G。软件：Win2000、WinNT、WindowXP等操作系统,软件组成及功能,3软件产品系列砂型重力铸造CAE砂型低压铸造CAE金属型重力铸造CAE金属型低压铸造CAE熔模精密铸造CAE压力铸造CAE.差压铸造CAE.消失模铸造CAE,软件组成及功能,铸造模拟软件,前处理,模型建立,网格剖分,凝固模拟,充型模拟,缺陷预测,模拟计算,后处理,数据库,应力模拟,一铸件的材质和结构,铸件的三维图,一铸件的材质和结构,该铸件为火车轴的侧架，铸件的材质为B级钢，（即C25钢）该铸件属于箱式结构，复杂薄壁铸件，轮廓尺寸为2235mm565mm420mm，质量为314KG，体积为4.0107mm3。内腔连接筋较多，平均壁厚25mm,最大厚度为31mm。中央导框框磨耗板面不加工，外导框间距、滑槽中心多个圆孔等配合面尺寸要求高。,二铸造工艺方法的选择,综合分析该铸件，选择用砂型铸造，由于该铸件为大型铸件，结构复杂。外型采用Z2520II型造型机，一箱一件，水玻璃砂；手工制芯，一箱一件过桥浇注。,三分型面选择,分型面在侧架纵向中心平面；为保证侧架滑槽的尺寸精度，将其设置在下型，铸号面位于上型。,四工艺参数的确定,1、铸件最小铸出壁厚：砂型铸造最小铸出壁厚为68mm，所以该铸件可以采用砂型铸造。2、铸件最小铸出孔：铸钢件最小铸出孔为60mm，所以该铸件所有孔都不需要铸出。3、铸件的尺寸公差：规定该侧架铸件一般公差按HB6103-1986CT7。4、机械加工余量：据铸造工艺设计表1-13知砂型铸造机械造型铸钢件等级为EH，这里取H为+7mm。,五砂芯设计,根据铸件结构知，需要模样一套，芯盒18个，具体如工艺图上所示，其中下芯顺序为17、18-16-12-7、8-9、11-10、12-15-2、3-4、5-14-6、131#芯与16#芯不留芯头间隙，其余砂芯上箱芯头间隙1mm，下箱芯头间隙0.5mm；砂芯分段部位做成直面，芯盒做稍板。下面的下芯芯座周边做出R3mm集砂槽；16#减轻如图，7#（8#）芯做减轻，吃砂量大于50mm。,六浇注系统设计,由于该铸件的材料为B级钢，采用转包式浇注系统，大铸件，从铸件外导框端头引入钢液，采用过桥浇注，一箱一件。1、确定包内直径：采用10t漏包，45mm包孔浇注铸件2、浇注时间：t=Q/q=447/42=10.6s,浇注过程中，应遵循缓流全速缓收流的浇注原则，且由于改侧架壁厚偏厚，因此点浇冒口3次。,3、按包孔断面确定浇注系统各断面采用过桥水口两个内浇道由分型面引入，根据F孔F直F横F内=1：（1.82）:(1.82):2确定直浇道、横浇道、内浇道的断面尺寸为：直浇道为圆形断面2个452mm：横浇道为梯形断面2个（50.60）50mm:内浇道为梯形断面2个（50.60）50mm。直浇道截面示意图,内浇道截面图外浇道与内浇道尺寸一致3.6.4确定各道长度：直浇道高度为420mm，横浇道长度为170mm,内浇道长度为20mm。,七冒口设计,1.上侧冒口设计：运用模数法1）铸件模数：外侧导框结构如图所示,热节圆直径=34mm,则其模数M件=/2=17mm。2）冒口模数：保温冒口的模数M保=0.8M件=0.817=13.6mm。3)选择冒口：2#保温冒口套的尺寸如图所示,其模数为14mm。M41#M保,因此可以选用。,3、铸件工艺出品率的校核,八冷铁的设计,分析铸件整体结构,通过viewcast模拟结果：铸件需要在侧壁安放方形冷铁，冷铁长、宽、高各尺寸分别为30、30、30(单位mm)，在中央圆凸台上其尺寸大小为直径为40，高度为30mm圆冷铁,第二章侧架铸件工艺优化,一、三维实体造型二、凝固过程计算机模拟三、铸件充型过程数值模拟四、加上浇注系统的模拟,一、三维实体造型,运用Pro/E对吊架前侧架铸件及其工艺进行三维实体造型：,二、凝固过程计算机模拟,运用viewcast软件对铸件进行三维实体网格剖分，铸件充型流场、温度场等模拟，铸造缺陷预测，铸造缺陷分析，添加冒口、冷铁等工艺设计及优化。借助该软件，可以实现对铸件形成过程中的流场、温度场、热应力场进行模拟，并且能够对铸件生产过程中的缺陷（如浇不足,冷隔，缩孔缩松等缺陷）进行预测，从而实现对铸造过程所涉及的工艺参数、工艺方案做出评价和优化，达到降低铸造废品率，节省材料和劳动力,最大可能的降低成本,以及大幅度地缩短铸造工艺定型周期。,1、运用viewcast软件对原始铸件进行凝固场模拟首先进行网格剖分,网格剖分完成后,开始进行凝固模拟，选择Solver下拉菜单中的Solidification进行个参数的设定，参数设定完成后点开始计算。,2、加上冒口及冷铁初步模拟，分析上图，其顶部凸台位置的冒口颈处还有缺陷，分析可知其冒口颈太细，需要加大冒口颈，,修改工艺后再次模拟，结果如图改进冒口以后基本没有大的缺陷了，但图中还有一些小的缺陷，在图中黄色部位容易形成缩松，修改工艺，加冷铁,三、铸件充型过程模拟首先划分网格，其充型如图所示,充型1%,充型30%,充型60%,充型100%,四、加上浇注系统的模拟,1.加上浇注系统的凝固缺陷图,2、铸件凝固过程模拟,凝固15%,凝固50%,凝固85%,凝固98%,软件组成及功能,4具体功能（1）前处理模块铸造三维工艺组装图,软件组成及功能,（2）温度场模拟此模块可以可以判断补缩系统的合理性：计算铸件凝固冷却过程中随时间的温度变化。,铸件温度场和凝固过程模拟,软件组成及功能,（3）流场模拟模块随时间流动位置预测浇不足随时间压力分布流动过程温度分布,铸件流场和矢量模拟,软件组成及功能,（4）缺陷预测缩孔缩松缺陷预测，可定量描述铸件中的缺陷位置,铸件缺陷位置预测,软件组成及功能,（4）材料数据库模块建立了各种铸造材质与温度有关的热物理数据，用户也可以添加新材质的热物理参数，如液固相温度、潜热、热容、热传导系数、密度、粘度等。,密度参数,导热率参数,软件组成及功能,（5）后处理模块主要实现对温度场、流场及缺陷预测的计算结果进行可视化处理，从而可实现在计算机上可直观显示铸造过程的各种现象。后处理显示形式为：整体显示结果不同截面显示结果流动及凝固动态显示结果旋转、缩放显示流动矢量显示,实际生产运用砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱工艺图,实际生产运用砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱充型模拟,实际生产运用砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱温度场模拟,实际生产运用砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱凝固过程模拟,实际生产运用砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱致密度预测,实际生产运用砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座铸造工艺装配图,实际生产运用砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟,实际生产运用砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟状态图,实际生产运用砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座温度场模拟,实际生产运用砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟状态图,实际生产运用砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析,实际生产运用砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析,实际生产运用砂型重力铸造（实例3）,应用实例,材料：CF-8M，铸件模拟工艺和实际生产工艺图,实际生产运用砂型重力铸造（实例3）,应用实例,材料：CF-8M，铸件模拟缺陷各实际生产剖析对比,实际生产运用砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体工艺图,实际生产运用砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体充型过程模拟,实际生产运用砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体温度场模拟,实际生产运用砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体凝固过程模拟,实际生产运用砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体缺陷位置,实际生产运用砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体实体,实际生产运用熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件工艺图,实际生产运用熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件充型模拟,实际生产运用熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件凝固过程模拟,实际生产运用熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件缺陷预测,实际生产运用熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件缩松预测,实际生产运用高压铸造（实例6）,应用实例,材料：铝合金，4.5kg压铸铸件工艺图,实际生产运用高压铸造（实例6）,应用实例,材料：铝合金，4.5kg压铸铸件充型过程,实际生产运用高压铸造（实例6）,应用实例,材料：铝合金，4.5kg压铸铸件充型状态,最后充型位置,实际生产运用消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件工艺装配图,实际生产运用消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件充型模拟,实际生产运用消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件温度场模拟,实际生产运用消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件凝固过程模拟,实际生产运用消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件缺陷预测,微观组织模拟研究工作,中心从2000年开始进行微观组织模拟技术的研究工作，经过3名硕士研究生和2名博士生的研究，在相场法模拟枝晶生长方面取得了一定的进展。现已着手对多晶粒、多尺度的组织模拟以及共晶合金的形核、生长机理做进一步的探索。,枝晶生长过程模拟结果,首先晶核从圆形转换为方形,接着出现四个主干并且此从生成二次枝晶和三次枝晶.,噪声的影响,(a),(b),无噪声(a)相场;(b)温度场,(a),(b),有噪声(a)相场;(b)温度场,枝晶出现一些分支,枝晶是光滑的,初始半径的影响,枝晶尖端半径和枝晶尖端生长速度的影响,空间步长对枝晶尖端半径和尖端生长速度的影响,空间步长的影响,不同空间步长对枝晶形貌的影响,x=1.2x=1.4x=1.6x=1.8,x=0.2x=0.4x=0.6x=0.8x=1.0,随着空间步长的增大,枝晶形貌变形越大.所以空间步长在计算过程中选择必须合理.,空间步长的影响,各向异性因子的影响,枝晶尖端半径(mm),枝晶尖端生长速度(m/s),Radius,Velocity,各向异性系数,对枝晶尖端生长的影响,各向异性因子对枝晶形貌的