（材料学专业论文）工程零件结构及铸造工艺计算机辅助设计.pdf

硕士学位论文 捅要 铸造在国民经济中占有重要地位。随着世界统一市场的形成和市场 经济的发展，铸造企业面临着日益激烈的竞争和严峻的挑战。传统的铸 造设计、生产方式已不能适应市场对企业的要求。铸造企业必须变更传 统的生产方式，引进新技术、新方法。 铸造过程c a d c a e 技术用电脑建模、电脑浇铸的方法来可视化地显 示出铸造全过程以及缺陷形成过程。这可以彻底改变铸造工艺方案制定 过程中的不确定性，确保工艺的可行性和铸件质量、缩短产品开发周期、 降低成本，对提高铸造企业的生产水平和竞争力具有重要的现实意义。 本文利用p r o e 作为三维造型软件，利用m a g m a s o f t 对铸造工艺优 化设计有良好的评价功能，对铸件铸造生产过程进行了c a d c a e 研究。 应用该技术成功地对铸件进行充型凝固数值模拟，准确地反映了铸件充 型凝固过程的实际状况，预测了可能产生的铸造缺陷及产生缺陷的部位。 研究结果表明在靠近铸件热节及最后凝固的部位放置冒口，使之顺序凝 固，能有效地改善热节状态，可以达到消除和控制缺陷的目的，而且所 模拟的铸钢件经过实际检验，铸件能够达到质量要求，这证明利用数值 模拟技术优化的铸造工艺是有效和可行的。 将c a d c a e 技术应用在铸造工业中，可以快速、准确、低成本地研 究铸造生产全过程。采用这项技术对于彻底改变铸造工艺方案制订中的 盲目性、确保铸件质量、提高铸造生产率乃至推动铸造技术的发展都进 步具有举足轻重的作用。 关键词：c a e 技术；铸造工艺；充型过程；凝固过程；数值模拟 a b s trac t f o u n d r yp l a y sag r e a tf o l ei n t h ec o u n t r y se c o n o m y w i t ht h e1 o r m l n g o ft h ew o r l d w i d em a r k e ta n dt h eg r o w i n go f t h em a r k e te c o n o m y ， t n e f o u n d r yp l a n t s h a v et of a c et h em o r ea n dm o r e s e v e r ec o n t e n t l o na n q c h a l l e n g e t h et r a d i t i o n a lp r o d u c t i v em o d e la n dc a s t i n gd e s l g n l sn o ta b l e t om e e tt h ed e m a n d so ft h em a r k e t s t h ef o u n d r yp l a n t s w o u l dh a v et o c h a n g e t h e i rt r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n g m e a n sa n d i n t r o d u c e n e w t e c h n 0 1 0 9 i e sa n dn e w m e t h o d s t h et e c h n o l o g yf o rs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h es o l i d i f i c a t i o n p r o c e s s e s o ft h ec a s t i n g s ， s o c a l l e d t h ec a s t i n gc a d c a et e c h n o l o g y ， d i s p l a y st h ew h o l ep r o c e s so ft h ec a s t i n ga n dt h e f o r m a t i o no f t h em o d e l s a n dt h ed e f e c t sv i s u a l l yi nt h ec o m p u t e r b yu s i n gt h et e c h n o l o g y o tc a s t l n g c a d c a e t h eu n c e r t a i n t yo ft h ep l a n e o ft h ec a s t i n gp r o c e e d l n g n a s e n t i r e l yd i s a p p e a r e d ，a n dt h eq u a l i t yo ft h ec a s t i n g s m o r e o v e r ，1 t s h o r t e n s t h ed e r i o do ft h ei n v e n t i o no fn e wp r o d u c t sa n d1 0 w e r st h ec o s t s a l l a b o v e p o i n t sh e l pt oe n h a n c e t h ep r o d u c t i v el e v e lo ft h ef o u n d r yp l a n t s i tu t i l i z e sd e s i g ns o f t w a r ep r o et o c r e a t et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l l n g f o rc a s t i n gs t e e lv a l v eb o d y ，u s e sm a g m a s o f t h a sg o o da p p r a l s a lt u n c t l o n s t oc a s t i n gt e c h n 0 1 0 9 yo p t i m i z a t i o nd e s i g n ，a n dp u tu p c a d c a er e s e a r c h o nv a l v eb o d yp i e c e so ft h ew h o l ec o u r s e t h et e c h n o l o g ys u c c e e d s 1 nu s l n g1 t t og oo nt h ef i l l i n ga n ds 0 1 i d i f i c a t i o n n u m e r i c a ls i m u l a t i o n o f c a s t l n g s ， f e f l e c t sa c t u a ls t a t eo fc a s t i n g sa c c u r a t e l y ，p r e d i c t sd e f e c tt h a tm a y a p p e a r s d u r i n gf i l l i n ga n ds 0 1 i d i f i c a t i o np r o c e s st h e na s c e r t a i n s t h ep o s i t l o no t t h e d e f e c t p u t t i n gr i s e rc l o s et o v a l v ec a s t i n g s h o t s p o tp o s i t l o n ， 1 tm a k e s c a s t i n g ss o l i d i f yo r d e r l y ， i tc a ni m p r o v eh o t 。s p o ts t a t e e f t e c t l v e l y ， c a n a c h i e v et h eg o a lo fd i s p e l l i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ed e f e c t ，p r o v e st h a t t h e c a s t i n gt e c h n o l o g yo fu t i l i z i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oo p t i m i z e i se t t e c t l v e a n df e a s i b l e a n dv a l v eb o d yp i e c ei sp r o d u c e di nf a c t ，c a s t i n gq u a l l t y c a nu p t oi ti sr e q u i r e dt0 i naw o r d ，a p p l y i n gc a d c a et e c h n 0 1 0 9 yt o c a s ti n d u s t r yc a ns t u d y t h ew h 0 1 ec o u r s eo fc a s tp r o d u c t i o nw i t hs p e e d i n e s s ，n i c e t y ，l o w c o s t l o a d o p tt h i st e c h n 0 1 0 9 yf o rc h a n g i n gt h eb l i n d n e s sc o m p l e t e l yw h l l em a k l n g t h ec a s t i n gt e c h n o l og ys c h e m e ， g u a r a n t e e i n g c a s t i n gq u a l l t y ， r a l s l n g p r o d u c t i v i t yo fc a s t i n ga n de v e np r o m o t i n gc a s tt e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s h a s 2 v e r yi m p o r t a n tf h n c t i o n 硕士学位论文 k e y w o r d s ： c a et e c h n 0 1 0 9 y ； c a s t i n gt e c h n o l o g y ； m o l d f i l l i n g p r o c e s s ；s o l i d i f i c a t i o np r o c e s s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 3 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：妒牌4 月2 声 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 日期：声降 日期：汐伊 6 月沙日 6 其涉日 糨抛 硕士学位论文 第一章绪论帚一早珀t 匕 1 1 课题的背景及意义 铸造生产通常是指用熔融的合金材料制造产品的方法，将液态金属 注入预先制各的好的铸型使之冷却、凝固、，而获得的毛坯或零件，这种 制造过程称为铸造生产，简称铸造。 在制造业的诸多材料成型方法中，铸造生产具有以下独到的优点： ( 1 ) 适用范围广。铸造法几乎不受铸件大小、厚薄和形状复杂程度的 限制，铸造的壁厚可从几毫米到十几米，质量从几克到几百吨以上。适 合产生形状复杂，特别是内腔复杂的零件。 ( 2 ) 铸造法能采用的材料广，几乎凡能熔化成液态的合金材料均可用 于铸造。对于塑性较差的脆性合金材料，铸造是唯一可行的成型工艺， 在工业生产中以铸铁件应用最广，约占铸件总产量的7 0 以上。 ( 3 ) 铸件具有一定的尺寸精度。在一般情况下，比普通锻件、焊接件 成形的尺寸精确。 ( 4 ) 成本低廉、综合经济性能较好、能源材料消耗及成本为其他金属 成形方法所不及。 我国铸造生产历史悠久，但目前我国铸造行业的技术水平与国外相 比有很大差距，这严重制约着国民经济的发展。我国铸件年产量已超过 10 0 0 万吨，居世界第二，但其中高性能、优质铸件的比例只占2 0 7 ，而 美国已占4 0 7 ( 19 9 8 年统计) ；精确铸件( n e ts h a p ec a s t i n g ) 比例只占2 ， 而美国已占13 ( 19 9 4 年统计) 。又例如，服务于航空、航天工业的精确 熔模铸造业，全世界销售额为5 2 3 亿美元，其中美国为2 4 8 亿美元，占 4 7 4 ，而中国只有1 8 亿美元，仅占3 4 。 随着现代化技术的发展，尤其是计算机技术的日趋成熟。随着铸造 c a e 技术( 铸件充型和凝固过程计算机仿真模拟分析) 的普及深入，传统 的铸造业正在从凭借经验生产转为在理论指导下的科学生产，应用c a e 技术有助于铸造工程技术人员在制定工艺方案过程中对铸造有直观、准 确的了解。对可能出现的各种铸造缺陷提出预报，对不同的工艺方案进 行比较，在实际生产前采取有效的工艺措施避免缺陷产生，从而解决和 改善了这一问题。该技术的应用，会将铸造产品的开发和质量改进手段 提高到个新台阶【2 。4 】。 工程零件的结构及铸造工艺的计算机辅助设计 1 2 国内外铸造成型加工技术发展趋势 1 2 1 我国铸造成型加工技术 我国的铸造技术已有6 0 0 0 年的悠久历史，是世界上最早掌握铸造技 术的文明古国之一，2 5 0 0 多年以前就铸出了2 7 0 k g 的铸铁刑鼎。我国古 代的铸造技术居世界先进行列。由于过长的封建社会影响了科学技术的 发展，阻滞了铸造技术前进的步伐。新中国成立以来的5 0 多年中，自2 0 世纪5 0 年代初至今，几乎从零开始，逐步发展到现在这样的规模，成绩 是巨大的。现在铸造在我国是一个很大的行业，产量居世界第二位，达 年量1o o o 万一12 0 0 万吨，厂点多达2 万多个，已经成为了国家重要的基 础工业之一。 目前我国铸造行业的技术水平与国外相比有很大差距，这严重制约 着国民经济的发展。我国铸件年产量已超过10 0 0 万吨，居世界第二，但 其中高性能、优质铸件的比例只占2 0 7 ，而美国已占4 0 7 ( 19 9 8 年统 计) ；精确铸件( n e ts h a p ec a s t i n g ) 比例只占2 ，而美国己占13 ( 19 9 4 年统计) 。又例如，服务于航空、航天工业的精确熔模铸造业，全世界销 售额为5 2 3 亿美元，其中美国为2 4 8 亿美元，占4 7 4 ，而中国仅有1 8 亿美元，只占3 4 。另外，我国铸件重量平均比国外重l0 2 0 ，劳动 生产率低5 8 倍，而能耗高2 倍。再以汽车发动机缸体铸件为例。我国 生产的发动机缸体铸件平均壁厚为 5 5 6 0 m m ，而国外只有 3 5 4 5 m m 【5 7 】。 1 2 2 铸造行业的发展趋势 现如今全球一体化进程加快，制造加工企业之间的竞争越来越激 烈，国内市场将成为国际市场的一部分，国内制造加工业要赢得竞争， 就要以市场为中心，以满足顾客需求为主线，以技术创新为驱动力，快 速地顺应市场变化，并迅速占领市场。换句话说，就是要以最短的产品 研发周期、最优的产品质量、最低廉的制造成本及最好的技术支持和售 后服务来生产适销对路的产品，去进入市场，占领市场，进而领导市场。 面对不可预测、瞬息多变的市场，企业的生产经营活动必须具有高度的 敏捷性、动态性和柔性，这已成为企业赢得竞争的必要条件。正是基于 上述形势，面对机遇与挑战，铸造产业要立足并赢得竞争，必须走科技 创新与发展之路。电子计算机的出现，在科学技术上引起了一场深刻的 革命。计算机在铸造生产中的应用已经日益受到铸造行业的高度重视。 随着计算机计算能力、逻辑判断能力与人工智能化能力的增强，可以实 2 硕士学位论文 现对铸造工艺参数、铸造设备与铸造生产过程进行一定的检测与控制； 可以进行铸造工艺、工装的优化设计，从而有效地确保铸件质量、缩短 试制周期、降低铸件生产成本、增加产品种类，提高铸造生产的经济效 益与社会效益，提升产品在市场中的应变能力与竞争实力。计算机在铸 造生产中的应用已成为生产高质量铸件的必备条件，也是铸造生产现代 化的主要发展方向。专家预言，计算机技术在铸造领域将获得更广泛的 实际应用，只要将铸件图纸、铸型材料、铸造合金液热物性与凝固特性 以及质量要求等数学模型输入，计算机就可以给出合理的浇冒口系统设 计方案，并根据相应的数值模拟技术对可能出现的缺陷位置及其过程进 行缺陷分析。因此，用计算机技术改造和提升传统铸造行业的水平己成 为铸造技术的重要发展趋势。 1 9 9 6 年美国出台的下一代制造( n e x tg e n e r a t i o nm a n u f a c t u r i n g ) 计 划，提出了十项关键技术，其中就包括先进制造工艺与装备( n e x t g e n e r a t i o nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa n de q u i p m e n t ) 建模与仿真( p e r v a s i v e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n ) 两项关键技术。人、技术与管理是未来制造业 的三个基本要素。美国在公布19 9 5 年联邦政府材料科学与工艺研究及 开发计划时强调指出：美国经济繁荣及国家安全很大程度上依赖于先进 材料的研究开发与产业化。为了对付全球化的竞争，改善材料及相关的 制备技术对国家来说是非常重要的。美国联邦政府的材料科学、工艺研 究与开发计划的策略目标及美国自然科学基金会均把材料合成制备与 加工成型的基本理论和模拟仿真作为优先资助领域。由此可见，材料制 备、成型加工及成型加工过程的计算机模拟仿真是当今国际公认的制造 科学与材料科学的重要前沿领域。 目前，世界各国铸造成型加工技术的研究发展方向：一是重大工程 中的特大型零件的关键铸造技术；二是精确成型技术( n e ts h a p e c a s t i n g ) ，例如铸件的轻量化、强韧化、精密化及工艺的复合化将是精 确铸造成型技术发展的主要内容；三是用计算机模拟仿真技术来逐步代 替传统的经验性研究方法邛1 引。 1 3 计算机在铸造中的发展及应用 计算机技术的引入，使铸造工艺c a d 系统逐渐形成。铸造工艺c a d ， 一般认为是计算模拟、几何模拟和数据库有机结合，是利用计算机辅助 铸造工作者优化铸造工艺，预测铸件质量，确定铸造方案，估算铸造成 本，显示并绘制铸造工艺图、工艺卡等技术文件。将计算机的快速、准 确和工艺设计人员的经验、思维、综合分析能力结合起来，可以缩短工 丁程零件的结构及铸造工艺的计算机辅助设计 艺设计周期、提高设计水平，有利于提高产品质量和更新换代，以及提 高产品的市场竞争力，具有显著的经济效益。铸造工艺c a d 的研究与应 用，最终的目的是要把我国的铸造工艺科学化、现代化，以期尽可能地 以最少的人力、物力，以最高的效率获得最优质的铸件，其意义深远。 铸件凝固过程数值模拟开始于2 0 世纪6 0 年代，丹麦人k f o r s u n d 最早 采用有限差分法进行铸件凝固过程的传热计算。而第一次成功的应用则 属于三年后美国专家g j h e n z e l 和g j k e v e r i a n 对汽轮机内缸体铸件 进行的数值计算，其温度场的计算结果与实测值相当接近。他们的成功 使研究者意识到用计算机数值模拟技术研究铸件的凝固过程的巨大潜力 和广阔的前景，由此开辟了铸件凝固过程数值模拟的先河。2 0 世纪8 0 年代是数值模拟研究最为活跃的时期，代表性的研究工作包括：l9 8 4 年 p r s a h m 和p n h a n s e n 及其合作者在德国所做工作，19 8 4 年j t b e r r y 和j a m b o u l e t 在美国所做工作，以及19 8 7 年日本的i o h n a k a 及其 同事的研究工作。经过数十年的努力，铸造过程的温度场数值模拟及缩 孔缩松预测、充型过程模拟、应力分析、微观组织预测等方面的关键技 术研究及实用化进程方面都取得了突破性进展，已经进入工程实用化阶 段，铸造生产正从只凭经验走向科学理论指导阶段，国内外均有商品化 软件或提供网络化技术服务。铸造过程数值模拟技术在计算的容量、速 度、准确程度方面不断提高，模拟分析的范围也迅速地扩大，从宏观模 拟转向微观组织模拟。目前铸造充型凝固过程数值模拟的发展已进入工 程实用化阶段，各种商业化模拟软件包可用于指导实际生产，应用较为 广泛的有德国m a g m af o u n d r yt e c h n o l o g i e s 公司的m a g m a s o f t 、美国 u e ss o f t w a r e 公司的p r o c a s t 、a m e r i c a nf o u n d r y ss o c i e t y 公司的a f s s o l i d i f i c a t i o ns y s t e m ( 3 d ) 、n o v a c a s ta b 的n o v a f l o w & s o l i d 、s i m t e c 公司的s i m t e c 、f l o ws c i e n c e 公司的f l o w 3 d 、芬兰c a s t e c h 公司的 c a s t c h e c h ，以及美国e k k公司的e k km e t a lc a s t i n g s i m u l a t i o n s o f t w a r e 等。此外，清华大学开发了铸造c a d c a m 系 统f t s t a r ，它以毛坯的铸造工艺设计及仿真为核心内容，主要包括基于 产品的铸造毛坯生成、铸造工艺c a d 、网格自动划分、温度场和流场计 算、缩孔缩松等缺陷预测，以及数据库和彩色图形后处理等模块。铸造 工艺计算机辅助设计( 铸造c a d ) 技术日臻完善，基于特征化造型的铸 造c a d 系统将是铸造企业实现现代化生产铸造工艺设计的基础与前提。 新一代的铸造c a d 系统将是一个集模拟分析、专家系统、人工智能于一 体的集成化系统，覆盖整个铸造生产过程的各个方面，采用模块化的体 系和统一的数据结构，并且能够与c a m 、c a p p 、e r p 、r p m 等无缝集成。 4 硕十学位论文 近年来，国内外在铸造工艺计算机辅助设计方面已作了较多的研究和开 发，相继出现了一批较实用的软件，如美国铸造协会( a f s ) 的 a f s s o f t w a r e 软件，可用于铸钢铸铁的浇冒口设计；英国f o s e c o 公司的 f e e d e r c a l c 软件可计算铸钢件的浇冒口尺寸，补缩距离及选择保温冒 口套等；丹麦d i s a 公司的d i s a m a t i c 软件专用垂直分型生产线的浇冒 口设计；清华大学研制开发的f t c a d 软件适用于球铁浇冒口系统设计： 铸造工艺辅助设计集成软件c a s t c a d 适用于铝合金、铸件和铸钢生产； 华北工学院开发的铸钢件集成软件提出了改进r u d d l e 三次方法设计冒 口且实现了参数化设计。此外，还有许多这方面的软件都已在铸造生产 中得到较好的应用，产生了明显的经济效益。15 1 。 1 4 本文主要研究的目标及内容 c a e 软件可在计算机上对铸造充型、凝固过程进行模拟。不必实际 铸造即可判定该工艺的优劣，通过对铸件铸型进行c t 式的动态剖分可 以对铸件充型及凝固过程的任意时刻，任意部位进行局部或整体性的透 视观察，为铸造工艺提供较为可靠的依据。同时铸造c a e 对铸件生产实 现科学化控制，确保了铸件质量，缩短试制周期，降低铸件成本，增加 竞争能力，提高经济效益，加速产品更新技术换代，促进我国传统工业 的技术改造和国民经济向质量效益型健康发展有着非常重要的现实意义 结合工艺设计、数值模拟和实际的试验结果，将c a d c a e 技术应用 于大型复杂铸件的制备过程以解决工程实际问题，并完成产品的开发和 质量改进，建立了一种科学、高效、低成本的产品开发过程和方法。 主要研究内容为在p r o e 中三维造型；分析铸件的合理性，完善数 据库，添加铸造工艺；而后进行网格剖分和各种参数的设定；借助 m a g m a s 0 f t 进行数值模拟；显示铸件的填充过程、凝固过程的温度场、 应力场、流场情况，查看热节或缩孔、缩松、夹渣等缺陷的生成、分布 情况；最后判断工艺是否合理：是则进行定案生产，否则进行工艺优化。 将铸件工艺设计和铸造模拟更好地结合起来，在合理的工艺设计的基础 上进行模拟凝固，以减少工艺修改的次数。从解决以上几方面的问题着 手，将铸造c a e 技术应用到产品开发中，使其对工艺设计的指导作用逐 步体现出来，从而将在生产线上完成的工作通过c a d c a e 来完成，减小 因工艺设计不当而造成的损失和缩短产品开发周期并提高企业的核心竞 争力。从图1 可看出传统的铸造行业中研发过程的周期相当冗长，这是 因为每次试验和修改产品、工艺都必须依赖实物模型。借助铸造c a e 软 件可在计算机上对铸造的全过程进行模拟，省掉了传统的“编工艺一试制 t 程零件的结构及铸造r t 艺的计算机辅助设计 过程一质量分析一修改工艺”的过程，将质量隐患消灭于铸前。计算机技 术应用于铸造产业之后除围绕产品研发、制造过程，数据管理外，还形 成了计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机辅助工程 ( c a e ) 等先进的计算机技术，减少了对实物模型的依赖，从而降低了生产 成本【1 6 - 18 1 。 图1 传统的铸造过程 1 4 1 课题研究的目标 1 m a g m a s o f t 自带的参数库中材料标准都是德国标准，且种类较 少。进行实际工艺模拟时需要进行对照转化，而且有些材料没有其对应 的德国标准，给生产模拟带来麻烦和阻碍。所以首先要解决材料标准的 问题，准确的材料标准是准确模拟凝固过程的保证。 2 利用c a e 技术对铸件充型凝固过程仿真模拟。实现对铸件缺陷 的预测，达到铸造工艺的最优化，并总结出铸件充型凝固过程分析结果。 1 4 2 课题的研究内容 1 将德国标准( d i n ) 、国标( g b t ) 和国际标准( i s o ) 进行对照， 完善m a g m a s o f t 添加数据库中没有的材料，对数据库进行扩充，通过 实验的方法检验所录入材料的可靠性。 2 模拟铸件凝固过程，预测缺陷，找出最佳工艺。 1 4 3 需要解决的关键性问题 l 、材料参数的获取、录入和优化。确定参数设定误差对模拟结果的 影响。 2 、利用c a e 技术对铸件充型凝固过程进行分析总结。对铸造工艺 进行优化。 6 产 夏 一 硕十学位论文 3 、设计实验，对优化结果进行验证。 1 5 拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性 分析 1 5 1 材料参数的确定方法 对于添加材料过程中，确定材料的热物性参数及其相应机械性能参数， 有以下几种办法。 1 从数据库中找到成分相同的对照的材料的，可以直接用 m a g m a s o f t 数据库中的参数，只要将材料的名称按照钢号的对照表， 把德国标准转化为相应国标和国际标准就可以了。 2 对于在m a g m a so f t 数据库中找不到相应对照的钢号，可以通 过实验的方法来测定其相应热物性参数和机械性能参数来完成材料的添 加。 1 5 2 铸件结构进行工艺性分析 1 对铸件进行铸造工艺设计。 2 使用三维造型软件( p r o e ) ，对铸件三维建模。 3 使用c a e 软件( m a g m a s o f t ) ，对铸件充型凝固过程进行模拟仿 真。 4 通过对模拟仿真结果分析总结，与传统铸造工艺对比，优化现有 工艺，使铸件达到最佳设计要求。 5 总结铸件工艺优化设计方案 7 丁程零件的结构及铸造t 艺的计算机辅助设计 1 6 小结 ( 1 ) 介绍了铸造成型技术的国内外发展趋势、铸造c a d c a e 技术的 发展概况及铸造c a e 技术在铸造行业的应用的重要性。 ( 2 ) 针对传统铸造工艺设计方法的能耗高、成本高、出品率低及试制 周期长的特点，提出利用铸造c a e 技术对工艺进行仿真模拟，并与实际 的试验结果相结合来完成产品的开发和质量改进。并介绍了课题的任务、 课题的意义。 硕士学位论文 第二章c ae 技术在铸造过程中的理论依据与原理 计算机技术的飞速发展，已使计算机成为自电力发明以来最具生产 潜力的工具。数字化时代正在一步一步向我们走来。计算机辅助设计 ( c a d ) 、计算机辅助工程分析( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 等技术在铸 造领域得到了广泛的应用，并已成为铸造学科的技术前沿和最为活跃的 研究领域。只要将铸件图样、铸型材料、铸造合金热物性参数、凝固特 性及数学模型等输入计算机，可计算出合理的浇冒口系统。运用相应的 数值模拟技术可对设计的工艺进行屏幕试浇，模拟铸件凝固过程，预测 凝固缺陷、微观组织、残余应力；再利用先进的图像显示技术对屏幕试 浇结果做出逼真的三维图像显示，对缺陷位置、程度进行全面的评估， 从而提出工艺改进措施，进行新一轮工艺设计优化、屏幕试浇、工艺校 核。随着这一技术的逐渐成熟和实用化，其应用已不仅仅局限于对成形 铸件进行工艺分析和评判，研究人员已将其作为实现并行工程环境下产 品的虚拟制造的一个关键技术，同计算机辅助产品设计、计算机辅助加 工工业规划、计算机辅助制造集成在一起，来达到从全局出发，优化产 品设计、提高产品质量、缩短制造周期的目的【19 。2 。 2 1 铸造cae 数值模拟的理论基础 本文以课题组采用有代表性的德国m a g m a 公司的m a g m a s o f t 进 行阐述，m a g m a s o f t 的铸造模拟模型和理论是当今世界上最先进的模拟 软件之一 2 1 1 充型过程数值模拟 m a g m a s o f t 采用so l a v o f 算法进行充型的模拟分析。充型时的金属 液可以被看成不可压缩牛顿流体的非稳态流动，包含质量守恒方程、运 动方程和能量方程。 2 1 1 1控制方程 1 质量守恒方程( 连续方程) 对于不可压缩流体，质量守恒方程的数学形式为： 机五：亟+ 盟+ 丝：o ， ) 巩 砂 瑟 。 式中，d f l ，表示散度，“，“。，“：分别为沿x ，y ，z 方向上的速度分量。这 表明不可压缩流体的速度散度为零。 2 运动方程( n s 方程) 9 工程零件的结构及铸造。t ：艺的计算机辅助设计 对于不可压缩流体运动方程为： 尝= 一吉罢一c “罢+ v 考+ w 罢，+ v c 器+ 雾+ 窘， c 2 瓦2 一万衰一【“瓦w 万+ w 瓦) 押丽+ 矿+ 虿) 【己z 式中：重力在x 方向上的分量 尸：为压力 p ：为金属液密度 3 能量方程 能量方程的数学表达式为： c p 鲁坞昭棚= ( 枷椰+ s ( 2 3 ) 式中c 口：比热 删d ：梯度 丁：温度 s ：内热源 2 1 1 2 自由表面跟踪 金属液的充型凝固属于带有自由表面的流动问题。采用体积函数法 ( v o f ) 来处理自由表面。 自由表面控制方程： 等+ 昙耻。 ( 2 4 ) 式中f 为体积函数，变化范围为 o 1 的连续函数，f ( x ，y ，z ，f ) = 0 表示 在f 时刻该单元为空，既没有被充型，0 a 内) 的浇注系统称为收缩式浇注系统。液态金属在这种 浇注系统中流动时，由于浇道截面积越来越小，流动速度越来越大，从 内浇道进入型腔的液流流动速度很大，对型腔产生冲击，易引起喷溅和 剧烈氧化。但此种浇注系统在充型的最初阶段直至整个充型过程，都保 持充满状态，金属液中的渣子易于上浮到横浇道上部，避免进入型腔。 此外，这种浇注系统所占体积较小，减小了合金的消耗。这种浇注系统 主要用于不易氧化的铸铁件。 ( 2 ) 扩张式浇注系统直浇道、横浇道和内浇道截面积依次扩大的浇 注系统( 即a 直 a 横 a 直的浇注系统称 为半扩张式浇注系统。其优缺点介于扩张式和收缩式之间，液流比较平 硕士学位论文 稳，充型能力和挡渣能力比较好，适合于一般小型、结构简单铸件。 在浇注系统设计中，其浇道比对铸件质量有较大的影响，所以正确 选择浇道比也是浇注系统设计中一个重要内容。在生产实践中，对浇道 比的选择已积累了不少经验，也有不少专著文献。但由于铸件结构、生 产工艺等具体条件不同，很难归纳出一个行之有效、简单易行的确定方 法。有关资料和设计手册也列举了不同合金、不同结构铸件的浇道比， 可供选择时参考。 2 2 2 2 浇注系统的尺寸计算 在浇注系统的类型和引入位置确定以后，就可进一步确定浇注系统 各基本单元的尺寸结构。目前大都采用水力学近似或经验公式计算出浇 注系统的最小断面积，再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比， 最后确定各单元的尺寸和结构。 1 按流体力学公式计算浇注系统最小断面积 以流体力学为基础的计算方法，是把合金液视作普通流体，浇注系 统视为通道，对于半扩张式浇注系统，其最小断面积为直浇道底部的横 断面积。如果以浇口杯中的合金液面为一端，直浇道出口处为另一端， 在两个断面之间应用伯努利方程则可推导出计算浇注系统最小断面积的 公式为： 4 i 。= g o 0 4 4 3 聊q r 2 ，2 、 式中，g 为名义充填铸型的液体金属质量( k g ) ；彳为直浇道出口处的 断面积( c m 2 ) ；为流量消耗系数；f 为浇注时间( s ) ；y 为液体金属的密度 ( g c m 3 ) ；日。为平均计算静压头( c m ) 。 对于收缩式浇注系统，其最小断面积为内浇道的断面积，用伯努力 方程也可推导得到以上计算公式。按此公式，仔细确定式中各因素的数 值，即可算出浇注系统的最小断面积。 ( 1 ) g 和y 值的确定在计算的铸件确定以后，y 即已确定。铸件图 上一般已标出了铸件的质量，再加上浇注系统和冒口的质量即g 。但此 时浇注系统和冒口尚未设计出，可根据经验对铸件质量乘以适当的系数 来求得。对镁合金、铸钢件g 值一般为铸件质量的2 3 倍，铸铁件为 1 1 1 4 倍。 ( 2 ) 值的确定是合金液在充填浇注系统和铸件型腔的过程中， 由于受到各种摩擦阻力、水力学局部阻力和合金液与铸型的热作用、物 理化学作用等的影响，引起液流速度下降，流量消耗的一个修正系数。 1 9 下程零件的结构及铸造t 艺的计算机辅助设计 影响值的因素很多，难于用数学公式计算方法确定，般都按生产经 验和参考试验结果选定。铸铁和铸钢件的流量系数在0 25 0 5o 之间选 取；对于航空铝、镁合金铸件所用的扩张式浇注系统，其“值可在o 3 o 7 之间选取。实际铸造时，可根据铸件合金种类、浇注温度和铸件结构选 择。 ( 3 ) 百值的确定合适的浇注时间应根据铸件的具体结构、合金种类 和铸造工艺方法来确定。在有关资料中列举了大量的计算浇注时间的经 验公式和图表可供设计时选用。这些公式大部分不很完善，对铸铁等不 易氧化的合金铸件，主要依据铸件的质量来确定；航空产品铝合金和镁 合金铸件，常以液面在型腔中适宜的上升速度为确定浇注时间的基本依 据。 ( 4 ) 巩值的确定金属液平均计算静压头可由简单的水力学推导得 出如下公式： q 一筹 ( 2 2 3 ) 式中，h 为内浇道以上至浇口杯中合金液面的高度( c m ) ；j l l 为内浇道 以上型腔高度( c m ) ；c 为铸件型腔的总高度。 在确定了、f 及日p 之后，就可用式( 2 9 ) 求出浇注系统的最小断 面积( 如计算收缩式浇注系统，最小断面积应是内浇道出口处的断面积) ， 再按已选定的浇注系统各单元断面积之比以及各单元的结构形式，即可 初步确定浇注系统的具体尺寸。由于在最初计算时预定的g 、f 的数值是 估算值，并且各单元断面积的实际比例与选定的也有出入，所以计算结 果还需经过验算和调查。 2 用反推法确定浇注系统截面尺寸 由铝、镁合金类易氧化的合金铸件的生产实践证明，内浇道的位置、 数量、断面形状和大小随铸件质量影响很大，采用上述方法，有时不能 满足实际生产的要求。因此，在生产实践的基础上成功地总结出利用“反 推法”来确定浇注系统各单元的尺寸。所谓“反推法”，就是根据铸件的具 体生产工艺、首先确定内浇道的数量及其断面积的大小，然后根据内浇 道的总断面积和已选定的浇道比，再确定其它单元的尺寸和结构，其具 体步骤如下： 根据铸件结构特点，选择浇注系统的类型和结构形式。 根据合金种类、铸件结构特点和生产工艺等具体情况，凭经验确 定内浇道的数量和总断面积。一般都根据现场生产经验数据，通过归纳 和总结，制订出表格形式，共设计同类铸件的浇注系统时选用。各种资 硕士学位论文 料列举的表格很多，此处不再一一详述。 根据与内浇道相连接的铸件壁厚，选择内浇道的厚度、宽度和长 度。 根据铸件特点选择浇道比，确定横浇道、直浇道等各单元的尺寸。 2 2 3 冷铁设计原理 冷铁具有激冷的作用，在铸件表面贴放冷铁的部分凝固速度要比邻 近的断面凝固速度快，因此，在贴放冷铁的这个断面上首先形成“v ”形凝 固前沿。这样形成的温度差等于自然末端区形成的温度差，所以在两个 冒口之间设置冷铁，可以使原来几乎没有温度差存在的中间区，变为有 较大温度差的激冷区，即人为末端区，它的模数曲线与自然末端区的模 数曲线相同。在板状件或杆状件上的两面或三面贴放冷铁，可使人为末 端区延长。为了获得致密的铸件，可使用外冷铁造成人为末端区，以减 少冒口的数量和提高铸件的工艺出品率，这是一项很重要的工艺措施。 2 2 3 1 外冷铁重量的计算 在铸件上除了为造成人为末端区所设置的冷铁以外，凡是设置冷铁 的部位都是铸件的热节区。因此，设置冷铁的部位，它所存储的热量必 定比它相邻部位的热量多。假定设置冷铁部位的铸件体积为，并且假 定与这一部位邻接的铸件的体积为炸，而且 砟。为了获得致密的铸件， 至少在设置了冷铁以后，它的凝固时间应与圪的凝固时间相等才能实现。 因体积差( 重量差) 引起的热量差( “) p ( 三+ 应由所设置的冷铁来吸收， 才能使得它们的凝固时间相同或相近。因此，从这个意义上说，冷铁可 引起铸件体积的虚假缩小。所需冷铁的重量，按热平衡的条件为 g 冷：尝禁巢熙 ( 2 - 2 4 ) 。冷冷铁吸收的热量( k j k g ) p 7 ( 一蟛) p ( l + u ) = k c ( 2 2 5 ) 啊络功掣旧 够 ( 2 2 6 ) 式中，为设置冷铁部位的铸件体积( d m 3 ) ；为与设置冷铁部位相 邻的铸件体积( d m 3 ) ；为凝固潜热( k j k g ) ；u 为过热度所含的热函 ( k j k g ) ；为凝固结束时冷铁的温度( ) ；c 为比热容( k j k g ) ；g 冷为所 需冷铁的重量( k g ) 。为了计算上的方便，对一可作如下变换 = 半筹2 圪等2 半2 警亿2 7 、 因此，公式( 2 12 ) 可写成 2 l 丁程零件的结构及铸造t 艺的计算机辅助设计 啄2 警警 2 8 ， 假定钢液浇注到砂型后的温度( 即与冷铁接触时的温度) 为15 5 0 和 凝固结束时冷铁的温度为6 0 0 ，则 咿4 等 ( 2 2 9 ) 式中，m 。为设置冷铁部位的铸件模数( c m ) ；m ，为与设置冷铁部位相 邻接的铸件模数( c m ) 。 利用上式就可以简便的计算出在模数较大的铸件部分所需设置冷铁 重量g 冷值，从而获得致密的铸件。 2 2 3 2 外冷铁表面积的计算 在某些条件下，在收缩的铸件与冷铁之间要产生气隙，它阻碍热量的直 接传导。实验证明，凝固时问随气隙的增大而增加，特别是当冷铁设置 在铸件的项部时，凝固时间甚至可接近砂型的数值。设置在底部的冷铁 不产生气隙。 对于铸钢，可算出无气隙时的铸件表面积增大因素y = 3 ；冷铁与铸件 有气隙时，可导出铸件表面积增大因数y = 2 。 铸件的几何表面积等于与砂型接触的表面积和冷铁接触的表面积之 和，即 氐= + ( 2 3o ) 又因设置冷铁后无气隙的虚假增大表面积为 2 + 3 = & + 2 ( 2 31 ) 所以 = 学 ( 2 3 2 ) 令 m r = k s s ，ss = k fm r 帆= & ，瓯= m 。 整理可得 2 斧 33 ， 基于同一原理，可得出冷铁与铸件之间有气隙时，铸件上所需设置 硕士学位论文 冷铁的表面积为 a 一( 眠一m ，) 。冷一1 西矿 ( 2 3 4 ) 2 2 3 3 内冷铁重量的计算 内冷铁的功用类似于外冷铁。生产中