铸造过程数值模拟及应用实例

JSCAST 三维流动 凝固数值解析系统 铸造过程数值解析简介 JSCAST在铸造中的运用实例 武汉理工大学液态模锻技术中心陈云 内容简要 高力科公司概要 历史 1982年由小松公司全额出资设立 当时 小松软件开发 1986年铸造方案CAE系统 SOLIDIA 即现在 JSCAST销售开始 1992年公司更名为小松软件株式会社2000年股东构成变更 成为TISGROUP的一员 ITS80 小松20 2003年2月公司名变更为高力科株式会社 英文名 QUALICAInc 铸造CAE运用背景 铸造领域面临以下现状 产业的全球化导致了铸造产品竞争的日益激烈 即 低成本化 短生产周期化 高品质化 摆脱 凭传统经验和反复试作来解决铸造缺陷问题 的旧方法 熟练技术工人的高龄化 年轻技术人员的制造业脱离等社会现象导致了铸造技术传授的日趋苦难 由于上述原因 铸造工艺设计员渴望简单而又实用的铸造模拟技术的出现 JSCAST的介绍 适用于各种铸造工艺 重力铸造 压铸 半固态铸造 倾斜铸造 低压铸造 精密铸造等 对熔融金属在铸型内的流动 充填 冷却 凝固等过程进行数值模拟的计算机系统 在计算机屏幕上可实现对铸造工艺的科学评价 让用户在一下方面获益 预测缺陷 节约能源 减少试生产的次数 降低模具的制作费用 便于铸造工艺知识的积累 传授等 JSCAST在铸造行业中的应用 JSCAST系统各功能模块 JSCAST 按用户的铸造工艺分类 JSCAST 按用户类别分类 JSCAST的概要 三维CAD STL 实体模型的导入 重量计算 网格划分等 流动与凝固过程的模拟解析开发 I E Solutions Multi Flow 计算结果的显示功能 STL输入界面的概要 笔记本电脑外壳 提供铸件的STL模型 JSCAST在压力铸造中的应用 缩孔缺陷的预测 金属型温度控制设计 充型流动的可视化 考虑背压流动解析 AL缩孔缩松缺陷预测 套筒内的流动状况 套筒的寿命预测 热变形 各种铸造缺陷及适用的判据 金属型温度控制设计实例 1 2 旧方案 14条冷却水管 使用脱模剂时的 无脱模剂时温度解析结果 模具温度解析结果 根据温度解析的结果 旧方案 温度过高 脱模剂附着性能下降 模具表面温度必须降低70 以上 实际温度测量结果 金属型温度控制设计实例 2 2 新方案 14条冷却水管 温度解析结果 实际铸造温度测量结果 模具内冷却水管 14 23 金属型表面温度成功地控制在规定范围内提高了脱模剂的附着性能 资料提供 东芝机械 规则 不规则混合网格解析 提高薄壁铸件 曲面形状的解析精度 在保持操作简单以及解析精度的同时 减少对使用者负担的一种手法 在前处理器中和正交网格分割有相同的操作性 在制品内部仍以正交网格分割 仅在曲面部分以及薄壁部分以不规则网格分割 流动的数值解析方法 仍以直接差分法 DFDM 计算 Mg合金压力铸造 笔记本电脑壳体 笔记本电脑壳体充型动画 实际铸件的验证实例 1 2 实际铸件的验证实例 2 2 考虑背压的流动解析 考虑到型腔未充填部分的气体压力 背压 以及排气孔或出气通道的排气度 以实现接近于实际的流动模拟解析 随着金属液的充填 铸型内未充满部分的空气被压缩导致压力上升 金属液界面受到压力的作用 此压力被称为背压 如果背压很大 将会造成充填不良 气体卷入等铸造缺陷 防止此类铸造缺陷的方法 增大铸造压力在铸型上加孔道 排气孔或出气通道 考虑背压和卷气的充型解析 伴随着熔液的流入 型腔内的压力上升 熔液 排气孔 考虑背压的流动解析的特征 1 考虑由排气孔和出气通道的气体排出2 甚至考虑到微量气体的卷入3 预测由于铸造压力不足产生的充填不良4 气体向着砂型的逃逸 正在开发 release时期未定 考虑背压的流动解析中各事项的假定及定义 1 型腔未充满部分的气体交汇形成GasGroup 气体团 2 气体为理想气体 各GasGroup的气体压力 体积 密度 温度相等3 气体经由排气孔和出气通道网格中定义的铸件网格向外排气4 排气孔和出气通道网格中定义的铸件网格如果被熔液充满 则不进行排气的计算 5 GasGroup内不包含排气孔和出气通道的话 气体缺陷6 在气体缺陷团内 如果缺陷在网格尺寸以下的情况下 就在网格内产生一个Marker 标记 进行追踪 如果Marker再次包含到GasGroup中则Marker消失7 Marker 微小气体缺陷 的速度由周围熔液的速度来推定 不考虑浮力 不考虑Marker之间的相互冲撞以及和内壁表面接触后的吸附 假定以及背压的造型 考虑背压的充型解析 实例1 仅在左侧上部开设排气孔 在两侧上部同时开设排气孔 資料提供 大阪大学 考虑背压的充型解析 实例2 机动车引擎盖 气体卷入 缺陷和解析结果 a 实际生产结果 b 模拟解析结果 資料提供 大阪大学 考虑背压的充型解析 实例3 箱型 資料提供 東芝机械 考虑背压的充型解析 事例3 箱型 射出条件 低速射出速度 30cm s高速射出速度 100cm s切换时间 40ms 考虑背压的充型解析 实例3 箱型 射出条件 低速射出速度 30cm s高速射出速度 100cm s切换时间 40ms 射出条件 低速射出速度 30cm s高速射出速度 400cm s切换时间 40ms 考虑背压的充型解析 实例3 箱型 射出条件 低速射出速度 30cm s高速射出速度 100cm s切换时间 40ms 射出条件 低速射出速度 30cm s高速射出速度 400cm s切换时间 40ms 考虑背压的充型解析 实例3 箱型 考虑背压的充型解析 实例3 箱型 射出条件 低速射出速度 30cm s高速射出速度 100cm s切换时间 40ms 考虑背压的充型解析 实例3 箱型 射出条件 低速射出速度 30cm s高速射出速度 100cm s切换时间 40ms 实际案例解析 滑枕 武汉武重铸锻有限公司 产品型号 TK6920零件号 20033零件名称 滑枕 技术要求 1 铸件不允许有气眼 夹砂 缩孔 裂纹等缺陷 2 铸件进行时效处理 3 未注铸造圆角 R5 R10 4 法兰盘T6916 20027 T6916 20028 8n6 20J44 1装上后与导轨一起配磨 5 模型参考T6916 20076的模型 铸造工艺 铸件毛重 Kg 3800浇冒系统 Kg 600浇注铁水重 Kg 4400炉料号 QT600 3出炉温度 1400浇注温度 1320 1340浇注时间 s 60铸件冷却时间 h 24 F直 113cm2 F横 130 5cm2 F内 106cm2雨淋内浇口 HZTJ1 35 L 300 共11个 芯盒刻定位 直浇口 HZTJ1 120 L 300 共1个 芯盒内刻定位 冒口 30 100 80 150 l 150 共4个 滑枕3D模型 横浇道 直浇道 内浇道 冷铁 铸件 冒口 型芯 网格的剖分 立方体网格2505510304631Z轴负方向流动充填率99 0 凝固凝固率100 0 物理参数 铸件 FCD600 浇口部位 1320 型腔内部空气 10 液相线温度 1180 固相线温度 1140 比热 0 2 cal g 导热系数 0 07 cal cm sec 凝固潜热 50 cal g 动粘度系数 0 01 cm2 s 密度 与温度依存 物理参数 砂型 SAND 初期温度 10 密度 1 5 g cm3 比热 0 2 cal g 导热系数 0 002 cal cm sec 冷铁初期温度 10 密度 7 5 g cm3 比热 0 16 cal g 导热系数 0 08 cal cm sec 传热系数 cal cm2 sec 计算条件 流动 浇注速度 浇注温度 流动解析结果 充填动画 凝固解析结果 凝固过程动画 凝固解析结果 凝固过程温度分布 缩松缺陷可能发生的位置 区域1 判据 新山判据Niyama于1982年提出的法 G一温度梯度 R一凝固速度 K为常数 即新山判据 该判据认为在忽略了气体扩散析出对缩孔 缩松的影响情况下 存在一个临界值 当时 该区域就会产生缩松 缩松缺陷可能发生的位置 区域2 缩松缺陷可能发生的位置 区域3 计算时间 本解析使用的PC配置CPUIntel R Core TM 2CPU1 86GHzRAM3GBOSWindowsXPServicePack2计算时间流动计算计算时间 21 1小时充型终了时间 43 3秒 99 充填