（机械制造及其自动化专业论文）ccdz50型转向架轴箱铸造工艺研究.pdf

i e 塞童煎厶堂亟堂位盈塞主塞垴登 中文摘要 c c d z 5 0 型转向架使用于北京地铁5 号线和l o 号线地铁客车上，轴箱为该型 转向架上的一个关键零件。轴箱通过弹簧承受全车重量，在车辆运行过程中承受 各向的冲击载荷，它的铸造质量直接关系到客车的运行安全，因而该件要求组织 致密，不允许有缩孔，缩松和气孔等缺陷。 原轴箱的铸造工艺主要存在两个问题：一是工艺出品率过低，仅仅为3 4 ； 二是原工艺中冷铁使用过多，导致工艺比较复杂。通过原工艺方案的模拟，本文 对原工艺中冒口尺寸进行了优化，经过优化后的工艺出品率为3 9 ；同时重新为 原工艺确定出了更加合理的冷铁布置方式，减少了冷铁数量。按照优化后的冒口 尺寸和冷铁的布置方式生产的铸件经过检测达到了质量要求，这也验证了模拟过 程参数设置是比较合理的。由于原工艺经过优化后工艺出品率仍然比较低，又对 补缩系统进行了重新设计，最终设计出了明冒口和暗冒口两种形式的改进方案， 工艺出品率分别达到了5 1 和6 4 ，两种工艺方案经过实际生产验证均达到了设 计要求。 通过该轴箱的工艺改进过程，本文设计出了一套综合使用p r o e 和p m c a s t 的工艺设计流程，该流程使工艺设计更加科学合理，可以很大程度上缩小铸造工 艺设计周期，具有很大的实用价值。本文为今后企业合理利用p r o c a s t 进行工艺 设计及改进工艺提供了技术思路，对提高企业经济效益有重要的现实意义。 关键词：轴箱；铸造工艺；铸造模拟；p r o c a s t j e 斑窑堡厶堂亟堂位迨塞旦工b 至 a b s t r a c t c c d z 5 01 y p eb o 百ei su s e di nm et m i no fb e 巧i n gs u b w a yl i n e5 a n dl i n e1 0 ，t h e a x l eb o xi so n eo fm ek e yp a r c si nt h i sb o g i e a x l eb o xs u p p o r t sm et r a i nw i t hs p r i n g s ， s t a n d sa 1 1i m p a c t1 0 a d sd u r i n gt r a i nn l 皿i n g c a s t i n gq u a l i t yo fm ea x l eb o xh a sd i r e c t r e l a t i o n s l l i pw i t hm 皿i n gs a f e t yo fm et r a i n t h u s ，d e n s es 廿1 l c t l l r ci sd e m a n d e d ，c a s t i n g d e f e c t ss u c ha ss 城i l l 【a g ep o r o s i t y c a v i t ya n ds oo na r en o ta l l o w e d t h e r ea r et 、v om a i np r o b l e m si nt 1 1 eo r i 百n a lc a s t i n gp r o c e s s ，t h eo n ei st h el o w t e c h n i c sa v a i l a b i l i t ym t i ow h i c hi so n l y3 4 ；t l l eo t h e ro n ei sm a tt o om a n yc h i l l e r sa r c u s e dw h i c hc a u s e sp r o c e s st ob ec o m p l e x t h r o u g hs i m u l a t i o no ft h eo d g i n a lp r o c e s s ， r i s e r sa r e 叩t i m i z e d ，t h et e c h n i c sa v a i l a b i l i t yr a t i oi se i l h a l l c e dt o3 9 a r e ro p t i m i z e d ； s i m u l t a i l e i 饥m u c hl o 百c a ld i s p o s a lp l a i lo fc h i l l e r si sd e s i 印e d ，w h i c hr e d u c et h e n u m b e ro f c h i l l e r s t 1 l ec a s tp r o d u c e da c c o r d i n gt ot h e 叩t i m i z e dr i s e ra i l dd i s p o s a lp l a n o fc h i l l e r sm e c t st h eq u a l i t yr e q u i r e m e n t ，i tv a l i d a t e st h a tt h ep a r a m e t e rs e t t i n gi s r e a s o n a b l e t h ed e f e c ti st h a tm et e c h n i c sa v a i l a b i l i t yr a t i oi ss t i l ll o wa f t e r 叩t i m i z e d ， s ot h ef e e d i n gs y s t e mi sd e s i 孕1 e da g a i n t h co p e nr i s e rp r o c e s sa n dm eb l i n dr i s e r p r o c e s sa r ed e s i 弘e da tl a s t ，m et e c h n i c sa v a i l a b i l i t yr a t i oo f t h em oi m p r o v ep m c e s si s 5 1 a i l d6 4 ，m et w oi m p r o v ep m c e s s e sm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n tb yt h er e a l p r o d u c t v a l i d a t i o n 1 h r o u g ht h ec o u r s eo fi m p r o v i n gp r o c e s so na x l eb o x ，as e r i e st e c l l l l i c sd e s i g n i n g n o wu s i n gp r o ea l l dp r o c a s ti sd e s i 印e d ，t h en o wm a k et e c t l i l i c sd e s i 驴b em o r e s c i e m i 丘ca n dr e a s o n a b l e ，w h i c hc o u l dr e d u c em ep e r i o do f t e c h l l i c sd e s i g ng r e a t l y t h i s p a p e rp r o v i d e st e c l l i l i c sr e f e r e i l c ef o rc o r p o r a t i o nt oi m p r o v ec a s t i n gp o c e s sw i m p r o c a s ta n dh a si m p o n a n tm e 硎n gf o rc o r p o r a t i o nt oe n h a n c ee c o n o m yb e n e f i t k e y w o r d s ：a x l eb o x ；c a s t i n gp r o c e s s ；c a s 血培s i m u l a t i o n ；p r o c a s t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数掘库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：胡安生导师签名：也，口，童 签字日期：7 口口7 年肛月，7 日签字日期：y 矿年f 月，7 日 = 也i ! 銮垣厶堂亟堂位逢塞 独创性声明 一丝剑眭岜明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：胡睇兰 签字日期：2 口口7 年，工月，7 日 致谢 本论文是在导师张励忠教授的精心指导下完成的。从论文的选题，研究思路、 相关实验的完成及论文写作过程中，他严谨求实的治学风范，孜孜不倦的育人态 度，丰富的理论知识和实际经验，给我留下了深刻的印象，并将一直鞭策着我， 使我终身受益。在此，向导师表示衷心的感谢，致以崇高的敬意! 特别感谢实验室邢书明教授和鲍培玮老师，他们也给予我很多指导和帮助。 感谢长客铸造厂在实验过程中给予的大力支持。另外，我还要感谢学校的老师和 同学，以及一切给我帮助的人，祝他们工作顺利，万事如意! 韭塞窒丝厶堂堡堂缱逾塞绪迨 l 绪论 铸造生产是获得机械产品毛坯的主要方法之一，是机械制造工业的重要基础， 对国民经济的发展及国防力量的增强起着重要的作用。近年来，我国铸造业获得 飞跃发展，从2 0 0 0 年以来，我国铸件产量一直居世界首位。虽然我国从铸件产量 而言已经成为铸造大国，但从综合质量、材质结构、成本、能耗、效益和清洁生 产等方面看远非铸造强国。专家指出，我国铸造行业与发达国家相比存在的差距 主要表现在铸件综合质量、铸造生产工艺和技术装备等基础条件方面。由于技术 工艺方面的差距，造成能源、物料消耗高于发达国家。我国同类铸件比发达国家 重1 0 到2 0 。我国铸件工艺出品率，铸钢为5 5 ，铸铁为6 4 ，非铁合金为7 0 ， 而工业发达国家则分别为6 0 、6 8 和8 0 。我国的铸造企业近三万家，与发达国 家相比企业多，专业化程度低，集约化程度低，劳动生产率也较低。随着改革开 放和经济建设的发展以及w t o 的加入，铸造市场也亟牦着更加激烈的竞争。所以 对铸件生产实现科学化控制，确保铸件质量，降低铸件成本，增强竞争能力，提 高经济效益对于我国传统工业的技术改革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吐 近年来，伴随着计算机技术的发展，铸造工艺计算机辅助设计，铸件凝固 过程数值模拟等多项技术已大量的应用于实际生产当中，计算机技术的推广使用 使古老的铸造业发生了天翻地覆的变化，传统铸造的生产手段和组织模式得以彻 底变革，使铸造技术由“经验”走向“定量”。传统的工艺设计需通过多次试验，反 复摸索，最后根据多种试验方案的浇铸结果，选择出能够满足设计要求的铸造工 艺方案。这样多次的试铸需要花费很多的人力、物力和财力。现在通过数值模拟 技术，它可以在不进行实际浇注的情况下模拟铸件的充型、凝固、传热、应力场、 微观组织分布、缩孔及缩松的形成等过程，可以大大提高生产效率及经济效益， 对于铸造生产具有重要的意义。根据美国科学研究院工程技术委员会的测算，模 拟仿真可提高产品质量5 1 5 倍、增加材料出品率2 5 、降低工程技术成本1 3 3 0 、降低人工成本5 2 0 、增加投入设备利用率3 0 6 0 、缩短产品设计 和试制周期3 0 6 0 等u j 。 1 1 充型过程数值模拟发展概况 1 1 1 充型过程数值模拟的目的 韭丞窑适厶堂亟土堂位丝塞绪迨 充型过程的主要作用是平稳地导入液态会属以及调节铸型和铸件各部分温度 分布以控制铸件的凝固顺序。铸件充型过程中会产生氧化、传热、热损失、冲击 破坏等一系列化学和物理的变化，许多铸造缺陷，如卷气、央渣、缩孔、冷隔等 都与充型过程有关，因此良好的充型过程是保证铸件质量的前提条件。充型过程 数值模拟的目的有二：一是通过模拟分析液态金属在浇注系统和铸型中的流动状 态，可以优化浇注系统，防止液态金属在浇道中的吸气，消除流股分离现象以避 免铸件氧化，减轻紊流以降低空气进入液态金属中的可能性，利用浇注系统挡渣， 在多个横浇道和内浇道内达到金属液流的均匀分配，减轻液态金属对铸型的侵蚀 和冲击：二是为随后进行的凝固过程数值模拟提供较准确的初始温度场，进一步 提高凝固模拟的精度【4 】。 1 1 2 国外充型过程数值模拟发展研究状况简介 充型过程数值模拟的研究开始于2 0 世纪8 0 年代。1 9 8 3 年，w s h u a l l g 在美国匹 兹堡大学和r ，a s t o e t l r 教授首先将计算流体力学的研究成果用于鳃决铸造充型问 题，将二维流体流动计算软件m a c 用于铸件充型过程的研究，模拟了液态金属流 入矩形水平型腔和阶梯式垂直型腔的充型过程【5 1 。1 9 8 8 年，r a s t o e h r 等人又进行 了流动与传热的耦合计算【6 】。而w s h w a l l g 后来将s 0 l a 与m a c 结合起来模拟了试 件三维充型凝固过程【7j ，并在水力模拟实验验证和压力迭代不收敛问题的处理上作 了较多的工作【8 j 。 1 9 8 4 年，美国学者p vd e s a i 首先将充型过程的流动与传热结合起来，研究了 强制对流条件下内浇道中的温度分布【9 】。 1 9 8 5 年，匹兹堡大学的c m w a n g 将s o l a v o f 软件加以改进，计算了一个三 爪滑轮的二维充型过程，计算结果与高速摄影实验结果基本一致i 1 9 9 3 年，又将 该项技术用于消失模铸件充型凝固过程模拟，预报了铸件充型过程中可能出现的 模型材料卷入金属液内的缺陷1 1 “。 1 9 8 6 年，德i 雪亚深( a a c h e n ) 大学的p r s a h m 与 l w a h e 也模拟了上述同一种滑 轮的充型过程，只是改变了流体的入口方位【1 2 1 。同年，美国m 9 0 衄e 国家实验室的 h m d o m 锄l l s 等人将三维c o m m 软件用于模拟一个简单形状铸件的流动和传热 过程，软件中借鉴了p a t a i l l 【a r 的方法和v o f 法。 1 9 8 7 年，在丹麦科技大学访问的中国学者王君卿将二维s o l a v o f 发展成三 维计算程序，并加入三维传热计算，模拟了一个铸铁三通管的三维充型凝固过程， 与实验取得了基本一致的结果。研究还对比了二维s m a c 、s o l a v o f 及s v i p l e 软件，结果表明，s o l a v o f 在计算速度上优于其它三种，而计算精度并无多大 2 瘟銮逢厶堂亟堂缱途塞蟹途 差别【】，直到现在，一些商用软件包括一些有关论文采用的充型计算基本技术均 由s o l a v o f 发展而来。 1 9 8 8 年，匹兹堡大学的h j “n 和r r a s t o e h r 将二维s o l a v o f 与传热计算结 合，预报了扁平铸件充型时冷隔情况1 1 “。同年，开本东北大学的安斋浩一等入采 用伪三维s m a c 方法解析了压铸件的充填过程，预测了铝合金压铸件的冷隔缺陷， 并与水力模拟实验对比，验证了充填过程数值模拟结果i 。 1 9 9 1 年，美国的s h e ac h e l l 等人改进了二维的s m a c 算法，使其在流体流动计 算结果的对称性及流股交汇面的处理上有较大发展【1 ”。加拿大国家研究院工业材 料所的c a b o n g 等人采用三维有限元法模拟了压铸件的充填过程i 蝎】。 1 9 9 3 年在美国召开的第六届铸造、焊接和凝固过程模拟国际会议上，有十几 篇论文介绍了在充型凝固过程数值模拟技术研究方面的进展情况【19 1 。主要内容包 括：新山英辅和安斋浩一提出了一种自适应压力迭代法，解决了s o l a 算法不易收 敛的问题；比利时w t c m 铸造中心的e x u 等人对v o f 法作了适当改进，模拟了球 铁件的充型凝固过程；德国m a g m a 公司的d 。m l i p i n s k i 等人考虑了紊流的影响， 模拟了压铸件的充型凝固过程；美国匹兹堡大学的c w a n g 模拟了消失模铸件的 充型凝固过程，预报了充型过程中可能出现的模样材料卷入金属液内的缺陷；大 中逸雄等人考虑多孔介质中的流动及反压影响，模拟了纤维增强复合材料铸件的 三维充型和凝固过程。 1 9 9 5 年在美国召开的第七届铸造、焊接和凝固过程模拟国际会议上，英国伯 明翰大学的j c o m p b e l l 等人公布了充型凝固过程基准实验( 1 1 1 eb e n c h m a r k t e s c ) 结 果【2 ”，试验合金为纯铝，铸型材料为树脂砂，采用较高的直浇道以造成紊流，并 用x 射线摄像技术记录金属液充型状态变化。有九个研究小组在事先未知结果的前 提下对试件充型凝固过程进行了模拟，结果表明，大部分软件计算的充型状态与 实验结果接近，可以预报卷入气孔缺陷的形成，但无法计算气体在金属液中的变 化。 1 9 9 8 年在美国圣地亚哥召开的第八届铸造、焊接和先进凝固过程模拟国际会 议上，论文内容涉及充型凝固、微观组织、应力应变模拟【2 ”。在充型凝固过程模 拟方面，大中逸雄提出了一种采用非结构化网格的直接差分新方法，能够克服有 限差分法采用结构化网格造成的边界上的计算误差，尽管在相同计算单元数的情 况下，直接差分法的计算时日j 是传统计算方法的2 3 倍，但由于所用计算单元数大 大减少，因此可以做到在不损失计算精度的前提下c p u 时间与传统方法接近；同 本大阪大学的j z h u 等人对充型过程直接差分法计算所用几何信息的处理方法和 压力迭代方法进行了改进，大大节省了直接差分法的c p u 时问，而计算精度却没 有多大降低；美国流体科学公司的c ，w h i n 等人阐述了其用于消失模铸造( l f 或 些立交道厶堂亟堂位论塞 绪论 e p c ) 的三维计算模型和计算方法，并将l f 模型和缺陷预测模型加入至u f l o w 一3 d 中， 较成功地用于汽车铸件；英国伯明翰大学的m r j ol l y 等人用m a g m a s o f i 和 f 1 0 w 一3 d 两个软件包和x 射线数掘对传统设计的灰铸铁凸轮轴的浇注系统进行了研 究，认为铸件内的气孔和夹杂主要是由于浇注系统内流体的过分湍流造成的。 1 1 3 国内充型过程数值模拟发展研究状况简介1 2 2 】【2 3 】【2 4 】 国内虽然对于铸件充型模拟基础理论研究起步较晚，但是发展迅速，在该项 研究上基本可以跟踪世界先进水平，在数学模型的选择、数值计算方法的改进及 实际生产应用等方面已取得许多研究成果。国内也有了自己的商品化模拟软件， 包括清华大学开发的f t s t a r 和华中理工大学开发的s c s 软件及华北工学院铸造工 程研究中心开发的c a s t s o n 软件。但国内在软件开发和实际应用方面与发达国家 相比，无论从功能、计算速度和模拟精度等方而还有较大的差距。 1 2 凝固过程数值模拟发展概况 1 2 1 凝固过程数值模拟的意义 凝固过程数值模拟研究早于充型过程的数值模拟研究，目前已达到相当水平， 并日趋成熟。铸造凝固过程数值模拟的实质是：对铸件成型系统( 铸件、型芯及铸 型等) 进行几何离散，在数学模型的支持下用计算机通过数值计算来显示、分析和 研究铸件凝固过程的物理场( 如温度场，流场、热应力场以及质量场等) ，并结合相 关的判据和方法来研究铸造合金凝固理论，预测及控制铸件质量的一种技术。 铸件凝固过程是决定产品质量的重要环节，大部分铸造缺陷均产生在这一过 程或与之密切相关。同时，由于这一问题相当复杂：液体进入型腔后，温度和流 态的变化，凝固如何进行，缺陷如何生成等存在很多问题。如果只依赖实际经验 来判断是具有相当盲目性的。在研制新铸件工艺或改进工艺时，利用计算机辅助 设计和模拟分析一体化技术( c a d c a e ) ，实现模拟试浇、质量预测，可以在计算 机上展示金属液进入铸型到凝固的全过程，并根据各种判据功能找到形成缺陷的 部位，以便确定合适的工艺方案，从而大大节约新产品试制和工艺改进的成本， 迅速地缩短总的生产周期，将缺陷降到最低的水平，同时也降低了由于模具、工 艺、结构的设计不合理带来的风险。 4 些丞至堑厶堂亟堂熊途塞绪途 1 2 2 国外凝固过程数值模拟的发展研究状况简介 铸件凝固过程数值模拟技术的研究始于2 0 世纪6 0 年代。19 6 2 年，丹麦学者k f o r s u n d 首先把工程应用中提出的有限差分近似法第一次用于铸造凝固过程的传热计 算，开辟了用计算机数值计算法进行凝固理论研究的新途径。1 9 6 5 年，美国通用 电器公司的j h h e n z e l 和k k e v 甜a n 应用瞬态传热通用程序对9 吨重的大型铸钢件 汽轮机缸体进彳亍了数值模拟，获得了与实测结果相近的温度场【25 1 。1 9 6 6 年美国铸 造学会传热委员会制定了一项研究铸件凝固过程数值模拟的长期计划。从此世界 上许多国家相继都开展了铸件凝固过程计算机数值模拟的研究。 七十年代：美国m i c h i g a i l 大学的r d ，p e h l k e 和m a h 伽旧等人用s a u l y e v 显式差分 法和交替隐式差分法对低碳钢“t ”形和“l ”形试样及带有法兰边的深筒铜合金 铸件的进行了凝固模拟，将计算机模拟的温度与实测的温度绘出了对比曲线，获 得了温度场等时线及等温线的分布图。以m i c h i g a n 大学的r d ，p e h l k e 教授等人相 继研究了数值计算模型【2 6 l ，铸件和铸型的热物性参数测试及研究【2 7 】、铸件铸型界 面气隙形成规律及传热方式、铸件铸型膨胀收缩和型壁移动等基础性工作【2 8 l 。 p e h l k e 等人发表了大量具有广泛影响力的论文，对计算机技术、数值计算方法和铸 件凝固过程原理的描述等问题做了详细的评价。这些最初的研究成果给世界各国 的研究工作打下了良好的基础。在日本，以大中逸雄、新山英辅为代表，对凝固 数值模拟开展了较深入和细致的研究。大中逸雄采用直接差分法对铸件进行模拟 计算。直接差分法物理意义明确、单元划分灵活、对复杂形状的铸件易于表达，提 供了一种通向三维的可行途径。大中逸雄还大量研究了铸件缩孔、缩松预测方法 及其产生原因，并对几种常用的缺陷判别方法如等时凝固曲线法，温度梯度法， 透过率梯度法进行了简单评述。新山英辅在铸件凝固数值模拟的研究方面也相当 活跃，其中发表的最有影响力的文章是“大型铸钢件缩孔缩松位置预测”。新山 英辅使用有限差分法，根据温度梯度法及g r 法建立的铸钢件缩孔缩松的判别 法，与实验取得了较好的一致结果。这些研究成果为世界各国的研究工作打下了 良好的基础，并在七十年代掀起了世界范围的计算机凝固过程数值模拟的热潮。 八十年代：在美国国家科学基金会的资助下，组成了以g e o r 西a 工学院j t b e r r y 教授和m i c h i g a i l 大学的r d p e h l k c 教授为首的联合研究小组，开展了以最终 实现铸造工艺计算机辅助设计为目标的系统研究1 2 9 1 。他们把数值模拟，几何模拟 和数据库的有机结合提出了铸造工艺c a d 的概念，并逐步完成了计算机辅助设计 的几何模型。这期间取得的成果主要是：是建立了新的数学模型和各种判据， 使模拟计算结果不断趋近于实测结果，这表明温度场的数值模拟技术已比较成熟。 另一方面，由于凝固基础理论研究中所取得的新成果，使宏观模拟计算与微观的 e 立窒煎厶翌亟堂位监塞绻论 结晶过程有机结合成为可能。随着现代计算机技术的高速发展，一些商用化的软 件相继出现。1 9 8 9 年，世界第一个铸造c a e 商业化软件在德国第7 届国际铸造博览 会上展出，是由德国a a c h e n 大学的s a h m 教授主持丌发的，称之m a g m a s o f l 软件。 同时展出的还有英国的s o l s t a r 软件。 九十年代以来，铸造c a e 商业化软件逐渐增加，功能同益强大。其中德国的 m a g m a s o r 软件，法国的s i m u l o r 软件及同本的s 0 1 d i a 等软件都增加了三维流场分 析功能，大大提高了模拟分析速度，但都要在工作站上运行。目前国外的三维数 值模拟软件开发日趋完善，并在实际生产中得到广泛应用，并取得良好的效果。 1 2 3 国内凝固过程数值模拟的发展研究状况简介4 】【2 3 】【2 4 【3 0 】 我国从七十年代开始进行铸造凝固过程数值模拟研究，首先是众多高校和研 究所进行了广泛的铸件凝固数值模拟基础性的研究。大连理工大学采用有限差分 法对大型铸件凝固过程温度场进行了模拟计算。沈阳铸造研究所采有限差分法的 绝热稳定差分格式对大型水轮机叶片进行数值模拟计算，并取得了满意的效果。 大连工学院的郭可仞、金俊泽等人率先进行了凝固计算机模拟的开发工作，提出 了纯金属及各种合金潜热释放，固楣率计算、铸件一铸型界面气隙、材料热物性 等问题的处理方法。西安交通大学用直接差分法对金属铝和铝合会进行了二维、 三维模拟。哈尔滨工业大学对固相转移条件下金属凝固过程传热、传质及流动进 行了数值模拟。北京航空航天大学，西北工业大学，北京肮空材料研究所等单位 在精密铸造方面做了大量工作。重庆大学的陈海青、李华基等对铝合金板件砂型 铸造进行了模拟计算，并实测了砂型的导热系数。哈尔滨工业大学的王深强等开 发了二维铸件凝固模拟及缩孔缩松判别的软件。西北工业大学的喻秋平等对不同 的数值计算方法进行了分析比较，并分析了界面热交换系数对温度场的影响。清 华大学和哈尔滨工业大学进行了化学成分偏析场方面的数值模拟研究。清华大学 研究开发了f t s o l v e r 模拟软件。此外很多高校都进行了凝固模拟方面的基础性研 究。 国内在凝固数值模拟方面虽然起步较晚，但发展迅速。凝固过程温度场数值 模拟经过多年发展，已经比较成熟，现在的主要工作集中在提高模拟精度以及对 一些特殊工艺的处理方面，如全面考虑传导、对流和辐射三种热方式的温度场数 值模拟研究。近年来，目i ；i 国内开发的商品化软件的部分功能己与国外相当，可 以满足铸造工厂的一般需要，与国外软件相比更符合中国企业的生产实际情况， 所以使用更加方便。目前国内使用铸造模拟软件的工厂越来越多，取得了很好的 经常效益。相信在国家的大力支持下，加上国内高校与企业的共同努力，我们的 6 丝宝窑遁厶堂亟望缱捡塞绪淦 铸造凝固数值模拟技术有着广阔的发展前景。 1 3 本课题的背景 地铁五号线是目前北京市水平最高、现代化程度最高的一条地铁线路，它将 为2 0 0 8 年第2 9 届奥运会提供服务。北京地铁五号线采用的电动客车其中的3 2 列 由长春轨道客车股份有限公司承造。本课题是与长客合作的一个科研项目。本课 题主要对由长客生产的在北京地铁五号线电动客车上使用的轴箱进行工艺优化。 轴箱安装在地铁客车车轴两端轴颈上，将轮对和侧架或构架联系在一起，使 轮对沿钢轨的滚动转化为车体沿水平的平动；承受车辆的重量，它将全部簧上载 荷( 包括铅垂方向的动载荷) 传给车轴，并将来自轮对的牵引力、制动力和冲击作 用传到构架上去，轴箱安装位置如图1 1 所示。此外，它还传递轮对与构架间的横 向和纵向作用力。轴箱体是地铁车辆安全运行的一个重要部件，因此该件的质量 要求严格，不允许有缩7 l 、缩松及气孔等缺陷。 图卜l 轴箱安装位置 f i g 1 一1 1 1 1 s t a l l a t l o np o s l t i o no f t l l ea ) 【l eb o x 该轴箱在生产中存在的主要问题是：工艺出品率过低，仅为3 6 ，因此生产 业立銮丝是翌亟至位监塞绪论 过程中对原材料、劳动力和能源都造成了极大的浪费；另外是冷铁使用过多，导 致造型工艺比较复杂。 目丽铸造业普遍存在的问题是工艺设计多数凭借经验，工艺优化时一般采用试 错法，导致研发周期长，耗费大量的人力和物力。在工艺研发时，特别是在工厂 很多情况下当工艺满足质量要求时就认为是大功告成了，一般不去考虑这个工艺 是否是最优化的，是否还能进一步提高工艺出品率，因为这个优化过程需要更长 的时间，所以工艺人员并不再进一步进行研究了。随着社会主义市场经济的发展 和国际市场竞争的需要，对铸件的质量要求越来越高，交货期越来越短，人们迫 切寻找一种可靠的、科学的设计手段来提高产品质量，缩短试验周期，节约生产 成本，提高产品的市场竞争力。随着计算机技术的发展，铸造过程模拟技术应运 而生，它可以使铸造工艺设计由经验走向由科学指导，它也成为了改造传统铸造 业的必由之路。 1 4 本课题的意义 铸造是将高温液态金属浇注到封闭的型腔中，获得所需零件的复杂热成形过 程。整个过程难以实时观察，间接测试也十分困难，传统的工艺设计建立在“试 错”基础上，很难体现出科学性，因此，对铸造充型和凝固过程进行计算机模拟 是非常必要的。通过利用铸造模拟软件，可在计算机上对铸造全过程进行模拟， 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， 可以对铸件充型和凝固过程中的任一时刻、任一部位进行局部或整体性的透视观 察，为铸造工艺的制定提供较为可靠的依据，对铸造结果和缺陷基本可以做到“未 铸先知”和“防患于未然”，还可以自动评定工艺水平，如精确的工艺出品率和铸 件重量等等。通过计算机对铸造过程模拟，铸造工艺人员可以事先制定出较为合 理的工艺，改变了传统的“编工艺一制模造型一试浇试铸一解剖铸件一修改工艺”的 工艺设计模式，将质量隐患消灭于浇注之前，再投入生产，大大缩短工艺试验周 期、确保铸件质量、提高工艺出品率、降低生产成本和废品损失，对企业有极高 的实用价值。据美国铸造联合会1 9 9 6 年的一项调查报告显示，采用计算机模拟技 术可以缩短产品试制周期4 0 ，降低生产成本3 0 及提高材料利用率2 5 。 轴箱质量关系到客车的运行安全，轴箱一旦出现质量问题，将产生严重的后 果，因而对轴箱的质量要求非常严格。通过对轴箱的铸造过程进行模拟，改进工 峦交道厶堂巫堂位论塞 绪监 艺，提高工艺的可靠性和工艺出品率。 开发出一套基于模拟的工艺开发流程， 技术参考。 1 5 本课题研究的内容 此外，通过轴箱的工艺优化过程的研究， 为今后企业进行工艺开发和工艺改进提供 l 、通过对轴箱原铸造工艺进行模拟分析，对原工艺冒口尺寸进行仞步的优化 及为原工艺确定出合理的冷铁布置方式，并找出原工艺可能存在的问题，为进一 步的工艺改进提供思路。 2 、在传统的工艺设计方法基础上设计出一套综合使用c a d c a e 软件进行工 艺开发和工艺改进的工艺流程。 3 、按照设计的工艺流程为轴箱设计工艺改进方案。 9 e 立窒道叁堂亟堂位迨塞鲢造杰型筮崮遒摧錾值搓型 2 铸造充型凝固过程数值模拟 2 1 铸造过程数值模拟常用的数值算法【4 】【3 0 】 3 l 】 3 2 】 2 1 1 数值计算方法 对于在求解域内所建立的偏微分方程，理论上是有真解( 或称精确解或解析 解) 的。但是，由于所处理的问题自身的复杂性，如复杂的边界条件等，造成很 难获得方程的真解。因此，就需要通过数值计算的方法把计算域内有限数量位置 ( 即网格节点) 上的因变量值当作基本未知量来处理，从而建立一组关于这些未 知量的代数方程，然后通过求解这些代数方程组来得到这些节点值，而计算域内 其它位置上的值则根据节点位置上的值来确定。数值计算即将本来求解随时间、 空间连续分布的问题转化为在时间域和空间域有限离散点上的问题，用这些离散 点上的值去逼近连续的分布。这样，求解偏微分方程的数值解法分为两个阶段： 一、用网格线将连续的计算域划分为有限离散的网格节点集，并选取适当的途径 将微分方程及其定解条件转化为网格节点上相应的代数方程组，即建立离散方程 组。二、在计算机上求解离散方程组，得到节点上的解。节点之间的近似解， 般认为光滑变化，原则上可以应用插值方法确定，从而得到定解问题在整个计算 域上的近似解。这样，用变量的离散分布近似解代替了定解问题精确解的连续数 据，可以预料，当网格节点很密时，离散方程的解将趋近于相应微分方程的精确 解。 对于瞬态问题，在时间坐标上也需要进行离散化，即将求解对象分解为若干时 间步进行处理。数值计算是基于对计算域的离散。 2 1 2 常用的数值算法 目i i i 充型凝固过程数值模拟的数值算法主要有有限差分法、有限元法及直接 差分法。铸造过程数值模拟中有限差分法广泛应用于铸件凝固过程的温度场计算、 充型过程数值模拟等方面。而有限元法主要应用于应力分析，也有用于温度场计 算和流动场分析的。下面主要介绍铸造过程数值模拟中应用最为普遍的有限差分 法和有限元法的基本原理及其优缺点。 1 、有限差分法 ( 1 ) 有限差分法的基本原理 t o 韭塞至丝厶堂亟堂垃盗塞 缝量左型拯凼遂显塑值攫熬 有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，简称h ) m ) 是求解偏微分方程式的一类 最经典的方法。它是将微分方程式的求解域划分为差分网格，用有限个网格节点 代替连续的求解域，然后将微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有 限个未知数的差分方程组，将微分方程问题转化为代数问题。最后求解差分方程 组以获得微分方程的数值近似解。 ( 2 ) 有限差分法的优缺点 有限差分法是充型凝固过程数值模拟的主要方法，其优点是算法公式容易推 导，易于程序实现，网格剖分算法简单，可做三维网格全自动剖分，并且剖分费 用远远低于有限元法。在处理铸造过程温度场中特殊问题时，如对缩孔、缩松形 成过程中动态边界问题处理上，f 【) m 及其软件具有明显优势。在铸造领域中，f d m 经三十年的发展，已在温度场、流场模拟和缺陷预测等方面取得大量成果。但对 于几何形状复杂的铸件，采用较粗的网格时，计算精度降低甚至发生困难，而网 格细密时，计算时间太长。 2 、有限元法 ( 1 ) 有限元法的基本原理 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代化计算方法。 它的基本思想是将求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的 单元的组合体，通过构造插值函数，根掘变分原理或加权余量法( 方程余量和权函 数正交化) ，建立有限元方程。 ( 2 ) 有限元法的优缺点 有限元法的突出优点是能够求解具有复杂的几何边界条件、几何形状和不均 匀材料问题，具有很大的灵活性和适应性，所以更适合用于对铸造系统等各种复 杂问题进行分析。且具有单元剖分灵活、单元精度高，对铸件适应性强等优点。 同时，可根据实际需要，在一部分求解区域中配置较密集的节点( 如温度变化急剧 处) ，而在另一部分求解区域中配置较稀疏的节点，使在不过分增加节点总数的情 况下，提高计算精度，而这些对采用直交网格的有限差分法均是较难以实现的。 此外，由于有限元法用统一的观点对区域内节点及边界节点列出计算格式，也克 服了有限差分法孤立地对微分方程及定解条件分别列出差分格式的弊病，使各节 点的精度在总体上比较协调，而且其最后要求解的线性代数方程组的系数矩阵也 具有较好的性质( 是对称j 下定阵) ，这对问题的求解将带来很大的方便。这也是有限 元法比有限差分法优越之处。 然而有限元法存在着数据准备复杂、对硬件设备要求高。由于涉及时问区域 的离散，有限元法在一定条件下存在着稳定性问题。此外，有限元法计算过程较 为复杂，物理概念不如有限差分法明确。 丝塞銮丝厶堂亟堂位监塞缝丝杰型毽崩过型煞值拦拯 2 2 充型过程数值模拟相关的基本理论基础3 1 】【3 2 】 2 2 1 充型计算的流体力学基础 ( 1 ) 流体的定义 流体是一种质点间联系很小，且质点的空间位置易于改变的物体。包括气体 和液体，在工程上把含有固相或液相颗粒的气体和液体也称为流体。 ( 2 ) 流体的特点 流体不能承受拉力，但可承受压力，传递压力和切应力，并呈现流动。这种 流动可一直持续下去，直到撤去压力或切应力为止。液体流动时，相邻质点由于 速度不同而发生相对位移，导致质点问出现内摩擦力。 ( 3 ) 液体的性质 液体的压缩性：当液体四周受压力时体积变小的特性。试验表明，o 的水在 o 5 m p a 时每增加o 1 m p a ，其体积的减小只有万分之零点五左右，故在工程上可认 为水是不可压缩的。与水类似，一般工程计算中，其他液体也可认为是不可压缩 的。 液体的热胀性：当液体温度增加时体积增大的特性。试验表明，在o 1m p a 的 压力下，在较低温( 1 0 一2 0 ) 时温度每增加1 ，水的体积增大仅为万分之一点五 在较高温( 9 0 1 0 0 ) 时水的热胀性系数也仅有万分之七。其他液体的体积受热影 响也很小，因此在工程实际中可以不考虑液体的热胀性。 液体的粘性：当液体的流层之间出现相对位移时，不同流动速度的流层之闻 会出现切向粘性力。流体之所以出现粘性，主要是由于分子间内聚力( 分子间引 力) 和流体分子的垂直方向热运动( 出现动量交换) 所引起。在液体中以前者为 主，温度升高时液体分子间距离增大，分子间引力减小，所以液体粘度是随温度 升高而减小的。 ( 4 ) 流体的分类 理想流体与粘性流体 理想流体：内部无摩擦力、无粘性的流体，既不能承受拉力，也不能承受切 力，只能传递压力和在压力下流动。当流体的粘性较小，运动的相对速度也不大 时，所产生的粘性应力比起其他类型的力如惯性力可忽略不计。此时，我们可以 近似地把流体看成是无粘性的，称为无粘性流体，也叫做理想流体。实际上流体 都具有粘性，对于有粘性的流体，则称为粘性流体。 牛顿流体与非牛顿流体 牛顿内摩擦定律表示：流体内摩擦应力和单位距离上的两层流体| 日j 的相对速 1 2 韭塞銮丝厶翌亟堂焦i 金塞绫堡左型趟圃过摧塑埴拦姒 度成比例。比例系数称为流体的动力粘度，常简称为粘度。若为常数，则称 该类流体为牛顿流体，即流体在流动时，其粘性力与速度的关系可用牛顿粘性定 律表示。否则，称为非牛顿流体。 可压流体与不可压流体 根据密度是否为常数，流体分为可压流体与不可压流体。当密度为常数时， 流体为不可压流体，否则为可压流体。比如空气为可压流体，水为不可压流体。 有些可压流体在特定的流动条件下，可以按不可压流体对待。 ( 5 ) 流动的分类 根据流体流动的物理量如速度、压力、温度等是否随时间变化，将流动分为 恒定流与非恒定流动两大类。随时间而变化的流动称为非恒定流动，不随时间变 化的称为恒定流动。 自然界中的流体流动状态主要有两种形式，即层流和紊流。层流是指流体的 流线不相互掺混井然不乱的一种流动方式。紊流是指流线相互掺混的一种流动方 式。流动是层流还是紊流，可以根据由经验得出的某个临界雷诺数来确定。一般 说来，紊流是普遍的，而层流则属于个别情况。 2 2 2 流体力学的基本计算公式 ( 1 ) 连续性方程一质量守恒定律 连续性方程实质上是质量守恒定律的数学表达形式。它是运动学方程，与力 学无关，因此既适合用于理想流体，也适用于粘性流体。质量守恒定律可表达为： 单元控制体内质量的增加等于其周围单元流入该单元的质量。数学形式为： 塑+ 业型+ 堂堕+ 业：o( 2 1 ) a t d x d y 刁z 式中，“ru ，和u ；分别为速度在三个方向( x 、”z ) 上的分量，p 为流体的密度。 对于不可压缩流体，有半= o ，那么连续性方程的表达形式为： 优 加；：掣+ 掣+ 氅盟：o ( 2 - 2 ) o x o y o z ( 2 ) n s 方程一动量守恒定律 粘性流体运动方程是动量守恒定律的数学表达形式，即根据牛顿第二定律导 出的粘性流体运动方程，或称为纳维一斯托克斯( n a v i e 卜s t o k e s ) 方程式( 简称n s 方程) ，动量守恒定律可表示为：微元体中流体的动量对时| 日j 的变化率等于外界作 用在该微元体上的各种力之和，任何流动系统都必须满足动量守恒定律。方程式 形式如下： j b 塞窑堑厶堂亟主：；三位迨塞 绫丝毫型凝固过型麴值搓塑 尸警= p 只一芸+ 昙z 等一詈出厕+ 斋叭等+ 等卅毫警+ 警h z 一。， 户鲁= 鸺一茜+ 号z 鲁一号枷动+ 兰叫誓+ 等卅鲁鲁+ 豢h z 埘， p 警= 以一筹+ 昙z 警一号西厕+ 昙警+ 等卅导等+ 等n “z & ， 式中，只，只，c 是单位质量的体积力分量，p 为流体的压力。 对于不可压缩流体的流动，砌云= o ：当温度变化不大时，粘性系数可取为 常数。那么n s 方程可简化为： 鲁帆等嵋等峨鲁= c 一吉篆+ 胛2 2 嘲， 鲁饥警坞等m 等= c 一吉等+ 内2 咿( 2 枷) 警m 等坞等心警= c 一丢警+ 沂2 z 砒， 式中，v 2 = 等+ 等+ 参，称为拉普拉期算子。 ( 3 ) 能量方程一能量守恒定律 流体在运动过程也是遵循能量守恒定律的，能量守恒定律表述为对于流体控 制单元，其所受的作用力( 包括体积力和表面力) 所做的功和加入的热量应等于 该单元体的总能量的改变量。实质上，这就是热力学第一定律在流体力学中的表 达方式。 譬+ p 要0 ) = 三执( a 胛h + 里( 2 5 ) u u ppp 式中，e 是流体的内能；p 是流体密度；平是耗散函数；平仞是由内部的表面应力对 流体做功而产生的热量，方程的右端是单位时间内传给单位质量流体的热量。 当流体不可压缩时，在直角坐标系下，有 p