铸造过程数值模拟及应用实例

1、 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用JSCAST三维流动、凝固数值解析系统三维流动、凝固数值解析系统铸造过程数值解析简介铸造过程数值解析简介JSCASTJSCAST在铸造中的运用实例在铸造中的运用实例武汉理工大学液态模锻技术中心武汉理工大学液态模锻技术中心 陈云陈云 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用内容简要1.高力科公司概要2.关于铸造CAE3.JSCAST的概要4.JSCAST的适用材质及铸造工艺5. 实际案例解析 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用高力科公司概要历历史史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C

2、AE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TIS GROUP的一员（ITS 80、小松 20）2003年2月 公司名变更为高力科株式会社 （英文名：QUALICA Inc） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用铸造CAE运用背景铸造领域面临以下现状：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

3、造工艺设计员渴望简单而又实用的铸造模拟技术的出现。业务流程业务流程 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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。 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用JSCAST在铸造行业中的应用 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用JSCAST系统各功能

4、模块 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用JSCAST: :按用户的铸造工艺分类 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用JSCAST: :按用户类别分类 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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工工程程管管理理模模块块CAD I/O前处理器主计算器后计算器要在铸造技术人员的日常工作中得到广泛的应用：p能够在短时间内，容易地输入及编辑任何复杂铸件的三维立体形状p可获得用户需要的实用预测精度p便于铸造

5、工艺设计人员使用的用户友好系统p导入成本低p拥有能及时回答用户疑难问题的体制p拥有采纳用户要求，及时进行版本更新的体制。 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用STL输入界面的概要 （笔记本电脑外壳）提供铸件的STL模型 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用各种铸造缺陷及适用的判据 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用金属型温度控制设计实例（1/2）旧方案（1

6、4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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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

7、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4面体网格5面体网格7面体网格 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用Mg合金压力铸造（笔记本电脑壳体） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用笔记本电脑壳体充型动画 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用实际铸件的验证实例（1/2） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用实际铸件的验证实例（2/2） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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

8、）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） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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熔液流入气体加压气体由排气孔等处流出流出量少气体压力增加将熔液推回 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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

9、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） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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Gas Group（气体团）2) 气体为理想气体，各Gas Group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。 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用5) Gas Group内不包含排气孔和出气通道的话气体缺陷6) 在气体缺

10、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Gas Group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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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

11、果資料提供：大阪大学 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用考虑背压的充型解析（实例3）箱型資料提供：東芝机械 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用考虑背压的充型

12、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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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

13、 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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：R5R10。4、法兰盘T6916-20027，T6916-20028，8n620 J44-1装上后与导轨一起配磨。5、模型参考T6916-20076的模型。 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用铸造工艺铸件毛重 （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 ：13201

14、340浇注时间 （s）：60铸件冷却时间（h）：24F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：30100/80150，l=150（共4个） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用滑枕3D模型横浇道直浇道内浇道冷铁铸件冒口型芯 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用网格的剖分 立方体网格 2505510 304631 Z轴负方向流动 充填率99.0 凝固 凝固率100.0 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用物理参

15、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 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用物理参数砂砂型（型（SANDSAND） 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（

16、cal/cm sec 传热系数传热系数cal/cm2cal/cm2 sec sec FCD600FCD600 SANDSAND冷铁冷铁空气空气FCD600FCD600 0.010.010.20.20.0000.0005 5SANDSAND0.010.010.20.20.0000.0005 5冷铁冷铁0.20.20.20.20.20.2空气空气0.20.20.20.20.20.2 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用计算条件（流动）浇注速度：浇注温度： 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用流动解析结果充填动画 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用凝固解析结果凝

17、固过程动画 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用凝固解析结果凝固过程温度分布 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用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。 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用缩松缺陷可能发生的位置（区域2） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用缩松缺陷可能发生的位置（区域3） 铸造铸造CAECAE在铸造中的应用在铸造中的应用计算时间 本解析使用的PC配置pCPU Intel(R) Core(TM)2 CPU 1.86GHzpRAM 3GBpOS Windows XP Service Pack 2 计算时间p流