铸造工艺的演变上

铸造工艺的演变上

随着科学技术的广泛应用，制造行业也引入了高新技术。1962年,丹麦的Forund第一个采用电子计算机模拟铸件凝固过程。随后,世界上工业发达国家,如美国、英国、西德、日本、法国等冶金和铸造研究人员都相继开展了这方面的研究,并取得显著进步。其中,美国的R.D.Penlke教授、J.T.Beety教授,日本的新山英辅教授、大中逸雄教授,丹麦的P.N.Hansen教授是这一领域的先行,代表这个领域的水平。1983年,国际第5届铸造会议专题讨论了铸件凝固数值模拟。美国密执安大学的R.D.Pehlkt教授和佐治亚工学院的J.T.Benrry教授提出了铸造工艺CDA的概念,并把它归结为主计算机模拟(CalculatesSimulation)、几何模拟(GenometricalModelling)和数据库(DateBase)的有机连接。随后,丹麦技术大学的P.N.Hansen教授提出前处理(Pre-Treatment)、后处理(Post-Treatment)和中间计算的概念。在1985年第52届铸造会议上,CAD/CAM成为会议的主旨。我国在铸造行业率先引用计算机技术的是沈阳铸造研究所张毅教授和大连理工大学的金俊泽教授。1978年,在葛洲坝电站125MW水轮机叶片的铸造工艺研究中,张毅、王君卿等人开展了铸件凝固过程热场的计算机模拟的研究,杨恩长、宋维德等人开展了叶片流场水力模拟的研究。同期,大连理工大学的金俊泽等人开展了大型船用铜螺旋浆的凝固过程的数值模拟的研究,邓兆豪等人开展了流场水力模拟的研究。1984年沈阳铸造研究所的高尚书、于态亚推出了中小型混流式转轮单铸叶片浇冒口系统计算机辅助设计程序,它实现了输入数据、中间计算和输出完整铸造工艺图的全过程,可能是我国铸造行业第一个符合CAD构思的使用软件。随后又与太原重型机器厂、第一重型机器厂等联合开发了典型工艺与专家系统。此后,沈阳铸造研究所、大连理工大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、清华大学、西安交通大学、上海交通大学、哈尔滨科技大学、沈阳工业大学和第一重型机器厂、第二重型机器厂、太原重型机器厂、第一汽车制造厂等大中型企业进一步开发了铸造工艺计算机辅助设计软件及计算机技术在铸造车间(厂)的管理、测试与控制、典型铸造工艺数据库与专家系统、铸件——铸型温度场和应力场与铸件组织形态的模拟、充型过程流场的模拟等方面的应用。1客户管理及制件设计应多在管理工作设备设计、设计、打印、放铸造车间的管理及生产过程方面主要采用数据库软件,管理内容十分广泛,包括人事管理、财务管理、日程计划、工具、材料及成品仓库管理、生产记录统计、生产进度、质量与成本、合同及销售管理各种报表的设计及打印等。2铸造过程控制测试与控制可以贯穿铸造生产的各个环节,对于采用生产线生产和需要处理大批量型砂的情况尤为重要。计算机技术在测试与控制中的应用主要有:1)砂处理工部工艺过程复杂,控制及管理要求严格,设备品种繁多,物料搬运量大,尘源多,主要控制项目为水分含量、砂温和湿度。清华大学和第一汽车制造厂等结合各自目标实现了砂处理自动控制。大连理工大学、北京市机电研究院和第二汽车制造厂铸造二厂联合研制了混碾过程自动化和型砂混碾质量的微机控制系统,使型砂紧实率控制精度达到±(3%～5%)。2)散料称量输送主要包括铸造生产中用的旧砂、新砂、石灰石、焦碳及粘结剂等散料的称量和输送,均可采用计算机进行处理。3)冲天炉熔炼测控内容主要有:(1)铁水温度、化学成分、风量、风压、炉气温度与成分等;(2)炉料配比优化及炉料的定量控制;(3)送风量、送风湿度、加氧送风、焦碳加入量等。沈阳铸造研究所与国内许多厂家合作,取得许多实用性的研究成果。4)热分析测试广泛用于测定可锻铸铁、灰铸铁的化学成分,球墨铸铁的球化等,铝合金的变质效果,金相组织和力学性能等。5)低压铸造控制是应用计算机技术控制低压铸造过程,稳定工艺规范,自动补偿因液位下降造成的压力损失,保持充型过程的一致。6)炉温控制是对于各种加热炉(热处理炉、烘干炉等)应用计算机技术进行控制,实现自动采样,并在采样时间间隔内,求出给定值和测定值之间的偏差值,再根据偏差值以及系统设定的各种参数,求出操作量,输出控制信号进行控制。燃油式或燃气式加热炉炉温自动控制,通常是控制进入喷嘴的燃料量及空气量的配比,按加热规范要求控制供热量,而达到炉温自动控制的目的。7)其它应用如造型线的自动控制,自动浇注,造型机模板的自动交换、自动开浇口,浇注后铸型的冷却喷水装置,气流输送,铸件落砂及喷丸清理等。3工艺cad数据库为了把铸造工作者多年积累的铸造经验继承下来,并经优化和总结、综合上升到一定的理论高度,使铸造生产达到稳定优质,有必要建立典型铸造工艺数据库和专家系统。机械工业部曾组织了大型铸钢件铸造工艺CAD“七五”联合攻关组,参加单位有沈阳铸造研究所、第一重型机器厂、西北工业大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨科技大学、大连理工大学、沈阳工业大学等。其研究成果中包含有数个数据库和专家系统,其中:1)轮型件铸钢工艺CAD基本覆盖了所有齿轮和齿圈类铸钢件生产工艺,并可自动输出铸造工艺图和模样工艺图。该系统已在太原重型机器厂、第一重型机器厂、衡阳冶金机械厂、韶关铸锻总厂、唐山水泥机械厂等广泛应用,并结合生产实际进行了二次开发。2)机架类外(内)冷铁工艺CAD系统形成1100种组合,包含110个幂函数方程,使用的铸件断面尺寸范围为(300×300)mm～(1200×1200)mm。用该系统曾成功的设计生产了大型铝板轧机机架(单重110t)。3)叶片类铸钢工艺CAD、钢体类铸钢工艺CAD、阀体类铸钢工艺CAD等,均在我国重点工程项目上获得应用。4)通用工艺参数数据库、热物理参数数据库、缸体类工艺图形库包括了各种造型材料和铸造合金的高温参数,各类铸造工艺参数及钢体类图形。内蒙古工学院研编了灰铸铁件气、缩孔缺陷判定的专家系统GDDES。该系统是由知识库、推理机、知识库管理机构、解释机构4个部分组成,能判别气孔、缩孔、型壁移动三类灰铸铁件的缺陷。4速度场、压力场铸件形成过程的计算机数值模拟包括热模拟(含温度场、应力场、铸件组织的模拟)和流场(含速度场、压力场)的模拟。在热场模拟中,温度场的数值模拟是最基本的。而热场模拟准确的前提条件之一是凝固过程湿度场的准确测定。温度场的准确测定必须满足测点多,采样时差小,测温元件对温度变化响应快,滞后小的要求,并在处理各点测温值时要选择合适的拟合方法及数学式。4.1计算方法的选择在铸件形成过程的数值模拟中,数值计算都是把连续解变成离散解,从而把偏微分方程变成代数方程组进行求解。数值模拟的基本方法主要是有限差分法、有限元法和边界元法。1)有限差分法是以离散数学为基础。其实质是把所研究的物体从时间和空间位置上分割成许多小单元,对于这些小单元用差分方程式近似代替微分方程式,设定初始条件和边界条件,逐个计算各单元温度的一种方法。它分为显示法、隐式法、交替隐式法、DEF格式、SOLAVOF格式等。当计算点温度直接表示成已知温度与空间坐标的函数时,称为显式,否则称为隐式。有限差分法采用直交网络,也可以变空间步长。在求解区域比较规则时,适合用有限差分法处理。2)有限元法又分为位移法、利用余法进行变分的方法和混合变分三种方法。位移法是将求解区域划分为有限个单元,通过构造差值函数,把问题转化为变分问题,即求泛函数值问题,经过离散化得到计算格式而求解。变分法证明:求解某些微分方程的问题等效与泛函数的相关量最小化求解问题。如果相当于因变量的网格点值使泛函数最小,那么所得到的条件,就是给出所需要的离散化方程。有限元法节点配置的方式任意性大,对于形状复杂的形体,可以是边界节点完全落在区域边界上,使得边界上给出较好的逼近。3)边界元法是把定义域的边界划分成一系列单元,用满足控制方程的函数来逼近边界条件。由于区域边界的维数总比区域本身的维数低一维,故在某种意义上说,边界元法是把问题降低一维来考虑。但对不稳定问题,边界元法同样要对区域本身进行剖分。另外,由于边界元法以边界为着眼点,所以对一些有限边界无限区域的问题求解显得特别有效。边界元法的计算公式复杂,占用内存较多,计算时间较长。计算方法的选择还要配合选用不同的初始条件和边界条件处理方法。边界条件处理方法有N方程法、温差函数法、点热流法、综合热阻法、动态边界条件法等。潜热处理法有温度回升法、热熔法、固相率法、积分法、比例法等。4.2热场值模拟的理论基础11热传导的基础是傅立叶法式中:q——单位传导热流量,W/m2;λ——导热系数,W/(m·K);gradT——温度梯度,K/m;T——考察点温度,K。2u2004标准一般函数式中:qew——单位对流热流量,W/m2;ac——放热系数,W/(m2·K);Tw——壁面温度,K;Tf——流体的特征温度,K。由于对流换热的复杂性,放热系数ac需要从相应的标准方程求出。相应标准之间的一般函数关系式为式中:Nu——努谢尔特标准,Nu=ac·L/λf;ac——放热系数,W/(m2·K);L——铸件的特征尺寸,m;λf——流体的导热系数,W/(m·K);Pr——普朗特标准,Pr=v/a;a——热扩散率,m2/s;v——运动粘性系数,m2/s;Gr——葛位晓夫准则,Gr=gB1L3(Tw-Tf)/v2g——重力加速度,m/s2;B1——流体的容积膨胀系数,1/(m2·s2·K);Re——雷诺准则,Re=WL/v;w——流体的速度,m/s。3辐射传热参数黑度为ε的物体副射力为式中:ε——黑度;σ0——斯蒂芬—玻尔兹曼常数,W(m2·K4);σ0=5.67×10-8W(m2·K4);T——物体的绝对温度,K。实际物体的辐射换热的流量为:式中:ε12——两物体的综合黑度,ε12=ε1·ε1;F1——物体1的表面积,m2;Φ1.2——角系数。Φ1.2是一个与两物体的相对位置、形状及大小有关的几何参数,相当于从物体1的表面到物体2的表面的可见领域的视域系数,也就是物体1的表面向外发射出去的辐射热量中,能投射到物体2表面的份额数。4.3流场模拟数值模拟应力场的研究数值模拟技术的发展概括起来有下述几大方面:1)液态金属凝固过程的数值模拟,引入了流动因素,即考虑到浇注完结时,初始温度场并非均匀一致,考虑到自然对流的作用、枝晶间的流动和补缩等因素,又考虑了铸件与铸型间间隙对传热的影响,冒口辐射传热的影响,金属液态收缩、凝固收缩和固态收缩等因素对计算结果的影响,使模拟计算更为准确。2)在铸件凝固过程数值模拟判定铸件裂纹的形成与扩展方面,把宏观的模拟计算与微观的结晶过程联系起来,建立铸件微观组织结构和应力之间的关系,把微观组织与各种物理参数、工艺参数联系起来,不断完善数学模型和铸件生产的判据,在优化铸造工艺,生产优质铸件方面取得了丰硕成果。此后,国际上许多著名专家都在致力于发展三维计算於速度场和温度场的联合数值模拟的研究。如美国的GE公司研究部的H.P.Wang、日本东北大学的新山英辅、大坂大学的大中逸雄、德国阿亨工业大学P.R.Zham、丹麦科技大学的P.N.Hansen等学者及其领导的研究小组等都取得了丰硕成果。一些工业发达国家,计算机模拟开始向非重力场下的铸件凝固过程模拟进军。我国学者王君卿博士在流场数值模拟方面作了许多开创性的工作。1987年～1988年,王君卿博士在P.N.Hamsen教授的指导下,模拟了T型铸铁三通管的充型过程,并同时计算充型过程的温度场。这是首次模拟三维立体真实铸件的应力场。由于铸件热应力是在金属处塑性、粘性状态下产生的,在这一领域中还没有形成权威的力学数学模型,所以对铸造热应力场、残余应力场以及铸件成形裂纹倾向程度的研究难度很大。目前,在这一领域的研究,国内外于领先地位的是大连理工大学、沈阳铸造研究所、哈尔滨工业大学等单位。在微观凝固理论研究方面,包括有金属结晶过程的自发成核,非自发成核,晶粒长大,结晶界面长大的形态,平面的生长,胞状生长,枝晶生长,定性向晶,非平衡结晶,深过冷结晶,共晶生长,一次枝晶间距,二次枝晶间距,成分过冷,溶质再分配,非晶状态,喷射结晶,快速结晶,太空结晶等。这些研究,除了为铸件凝固过程数值模拟提供了理论基础外,还为提高铸件材料性能,开发新材料做出了贡献。沈阳铸造研究所等单位已在模拟晶核产生长大、枝晶间补缩等方面做了大量的工作,正向组织与性能方面的研究深入。3)研究如薄壁压铸件、特种合金及超细材料的形成,非重力场下结晶等特殊凝固过程的数值模拟。5流场模拟研究铸件充型过程流场的研究,过去是以水力模拟为主要手段。自1983年,美国芝加哥大学的Stoehr教授和他的学生黄文斯用计算机模拟金属液流入一矩形水平型腔和一底部是阶梯式垂直型腔的充型过程开始,形成了以流场数值模拟为主,水力模拟为辅的格局,并开展了铸造过程的流速场和温度场的联合运算。1990年,沈阳铸造研究所与第一汽车制造厂合作,采用SOLA—VOF法成功的模拟了球铁减速器外壳二维流场;1991年～1993年,又与香港理工大学合作,成功的进行了压铸薄壁件的流场模拟。近年来清华大学在三维流场模拟方面也取得了较大进展。6充填材料的优化设计铸造工艺的计算机辅助设计CAD和铸件的计算机辅助制造CAM,是现代铸造生产的必然趋势。它应当包括铸件图纸和参数的简便(自动)输出,各物理场