铸造过程数值模拟及应用实例

铸造过程数值模拟及应用实例演示文稿当前1页，总共49页。优选铸造过程数值模拟及应用实例当前2页，总共49页。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.实际案例解析当前3页，总共49页。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）当前4页，总共49页。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。业务流程当前5页，总共49页。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。当前6页，总共49页。JSCAST在铸造行业中的应用当前7页，总共49页。JSCAST系统各功能模块当前8页，总共49页。JSCAST:按用户的铸造工艺分类当前9页，总共49页。JSCAST:按用户类别分类当前10页，总共49页。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程管理模块CADI/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：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可获得用户需要的实用预测精度便于铸造工艺设计人员使用的「用户友好」系统导入成本低拥有能及时回答用户疑难问题的体制拥有采纳用户要求，及时进行版本更新的体制。当前11页，总共49页。STL输入界面的概要（笔记本电脑外壳）提供铸件的STL模型当前12页，总共49页。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）当前13页，总共49页。各种铸造缺陷及适用的判据当前14页，总共49页。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当前15页，总共49页。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：东芝机械当前16页，总共49页。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4面体网格5面体网格7面体网格当前17页，总共49页。Mg合金压力铸造（笔记本电脑壳体）当前18页，总共49页。笔记本电脑壳体充型动画当前19页，总共49页。实际铸件的验证实例（1/2）当前20页，总共49页。实际铸件的验证实例（2/2）当前21页，总共49页。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）当前22页，总共49页。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当前23页，总共49页。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）当前24页，总共49页。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。当前25页，总共49页。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当前26页，总共49页。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：大阪大学当前27页，总共49页。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：大阪大学当前28页，总共49页。考虑背压的充型解析（实例3）－箱型資料提供：東芝机械㈱当前29页，总共49页。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当前30页，总共49页。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当前31页，总共49页。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当前32页，总共49页。＜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）－箱型当前33页，总共49页。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当前34页，总共49页。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当前35页，总共49页。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。当前36页，总共49页。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）当前37页，总共49页。滑枕3D模型横浇道直浇道内浇道冷铁铸件冒口型芯当前38页，总共49页。网格的剖分<网格形状>

立方体网格<总网格数> 2505510<铸件网格数>

304631<重力方向> Z轴负方向<终止条件>

流动

充填率99.0[％]

凝固

凝固率100.0[％]当前39页，总共49页。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：与温度依存当前40页，总共49页。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･℃]FCD600SAND冷铁空气FCD600—0.010.20.0005SAND0.01—0.20.0005冷铁0.20.2—0.2空气0.20.2—0.2当前41页，总共49页。计算条件（流动）浇注速度：浇注温度：当前42页，总共49页。流动解析结果－充填动画当前43页，总共49页。凝固解析结果－凝固过程动画当前44页，总共49页。凝固解析结果－凝固过程温度分布当前45页，总共49页。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。

当前46页，总共49页。缩松缺陷可能发生的位置（区域2）当前47页，总共49页。缩松缺陷可能发生的位置（区域