基于cae的液压件发热保温冒口设计

基于cae的液压件发热保温冒口设计

由于诸多因素的影响，铸造钢屑的设计和计算变得更加复杂和困难。设计不合理容易导致铸件产生缩孔、缩松等缺陷,影响铸件质量、工艺出品率和生产效率。传统的铸造工艺设计中,冒口系统的计算大都采用模数法和热节圆法(比例法),这些方法都各有局限性,特别是无法预测铸件凝固的过程,不能考虑造型材料和冷铁等与冒口的交互作用以及对铸件凝固过程的影响。近年来由于铸造CAE技术的发展,通过计算机可以实现铸造充型和凝固过程的可视化,利用铸造CAE软件辅助铸造工艺设计,使冒口设计的可靠性和合理性得以提升。本文采用韩国AnyCasting铸造模拟软件,基于工厂实际,对齿圈座铸钢件冒口进行设计。发热保温冒口是用绝热材料、发热材料制作的冒口套,结合了保温冒口和发热冒口的优点。浇注时发热保温冒口套中的发热材料与金属液接触产生发热反应,提高了冒口内金属液的温度。随后冒口中的保温材料开始烧结、绝热,使冒口中的热量不易散出,延长了冒口中金属液的凝固时间,因此冒口尺寸可以比保温冒口和发热冒口设计得更小。发热保温冒口可以有效改善铸件质量及提高工艺出品率,减少冒口气割压力和清整加工的工作量,符合铸造行业追求近净成形的趋势,是目前铸造行业最先进的工艺技术之一。1其他方程法传统的冒口设计方法有很多种,常用的有模数法、热节圆法(比例法)、周界商法、三次方程法等。近年来由于铸造CAE技术的发展,出现了基于CAE技术的冒口设计方法。1.1冒口的尺寸、宽度热节圆法计算冒口是利用被补缩处热节圆直径根据经验按一定比例放大即得到所求圆柱形冒口直径或腰圆形冒口宽度。在生产中,热节圆法由于其使用的便利性,在企业中被广泛使用,是冒口设计普遍采用的方法。其优点是计算过程简单,但是理论性差,确定冒口比例时需要一定的实践经验,设计出的冒口一般选择较大的安全系数,铸件工艺出品率较低。1.2冒口的补缩效率模数法是利用模数与凝固时间的平方根定律,用冒口的模数以一定比例大于铸件被补缩部位的模数以保证冒口的最后凝固,再根据冒口的补缩效率确保冒口有足够的金属液补充铸件的体积收缩。模数法由于其物理意义明确,推导简便,因而在教科书及科研文献中被广泛介绍,在实际使用时,由于越来越多的结构复杂的零件需要采用铸造成形,往往会由于划分热节区域的复杂性和铸件形状的不规则性,难以较好地使用。模数法在理论上具有很强的指导意义,但是使用起来很不方便,而且不能表达造型材料、冷铁等对铸件凝固时间的影响。1.3冒口的计算模型冒口的设计必须满足以下条件:(1)冒口和冒口颈的凝固时间应该大于或等于铸件(或被补缩部位)的凝固时间以保证补缩通道的畅通,此原则适用于具有顺序凝固特性的铸造合金,如铸钢合金等(能量原则);(2)冒口中必须要有足够的液体金属补缩铸件(体积原则);(3)冒口的势能应该高于被补缩铸件的势能(势能原则)。若知道铸件(或被补缩部位)和冒口凝固的时间以及铸件需补缩的体积,问题就解决了。利用铸造CAE模拟软件可以得到铸件(或被补缩部位)的凝固时间tc,根据能量原则可以得到冒口凝固的时间tr,经过计算就可以得到冒口模数。根据体积原则可以计算出所需冒口的尺寸及个数。再在计算机上进行模拟并不断地修正,直至铸件没有缺陷。2铸造工艺方案本文试验中采用的是某厂生产的挖掘机齿圈座铸钢件,材质为ZG270-500,外轮廓尺寸为1246mm×1246mm×170mm,重量为372kg,铸造工艺方案如图1所示。生产中采用底注开放式浇注系统。钢液沿切线从底部进入型腔,使得钢液在型腔内平稳上升,对砂型冲刷小,不易形成夹渣。铸件上端放置冷铁,使得铸件的环状大热节被均匀截断,便于设置发热保温冒口。冒口系统采用椭圆形发热保温冒口,放置于铸件热节上方。3虐待技术的设计3.1凝固阶段c试验中首先对没有加入冒口的铸件进行凝固模拟分析,结果如图2所示。由于冷铁的作用,铸件热节位于冷铁位置的中间,被冷铁均匀截断。铸件凝固时间为1764s。通过模拟,可以准确预测铸件最后凝固的位置,以及最后凝固的时间,为冒口设计提供依据。3.2铸造工艺设计根据Chvorinov公式,铸件凝固时间和模数之间的关系为:式中:t为凝固时间,s;M为模数,mm;k为凝固系数,s·mm-2,与合金种类有关,同种材质的凝固系数相同。冒口起到补缩作用的能量原则为:式中:tr为冒口的凝固时间,s;tc为铸件或被补缩部位的凝固时间,s。根据冒口起到补缩作用的条件为tr>tc,即冒口凝固时间应大于铸件凝固时间1764s,冒口凝固时间暂设为2000s,经过对该椭圆形发热保温冒口的多次模拟试验,得到冒口凝固系数k为3.65,根据Chvorinov公式,算出需要的发热保温冒口有效模数为23.4mm。除了具有合适的模数外,冒口设计还必须满足体积原则。依据冒口补缩区域内的铸件体积决定冒口的最小体积,这种方法称作补缩液量法,可用作校核冒口的体积和确定冒口的个数。一定的冒口体积所能补缩的最大铸件体积由下式确定:式中:η为冒口的补缩效率,%;ε为体收缩率,%;Vc为铸件体积或铸件需补缩部位的体积,mm3;Vr为冒口体积,mm3。发热保温冒口的补缩效率η为25%~45%,保温能力强的取偏大值,同时,补缩效率η还与铸件形状系数q有关,η与q的关系见表1,q值按下式计算:式中:Vc为铸件体积,mm3;Mc为铸件模数,mm。该铸件形状系数q计算得3654,因此补缩效率取45%,由铸造工艺手册查得ZG270-500的体收缩率为4.5%,该铸件的重量为372kg,由此算出冒口重量应为41.33kg。本方案中冒口选用济南圣泉公司生产的椭圆型保温冒口,型号为FT100-T80/120/120,底部椭圆长轴长为120mm,短轴长为80mm,高为120mm,共6个。冒口单个重量为7.1kg,总重为42.6kg,满足体积原则。冒口安放的位置为铸件热节的上方,满足势能原则。对该发热保温冒口进行凝固模拟分析,如图3示。模拟得到的实际凝固时间为2074s。3.3u2004凝固部位预测根据以上的设计计算,再对该铸件工艺方案进行充型及凝固模拟分析,凝固过程如图4所示。最后凝固部位位于发热保温冒口中,符合冒口设计的原则。缺陷预测如图5所示,在铸件中发现少量缩松,缩孔部位只出现在发热保温冒口及浇注系统中,不影响铸件质量。图6为该工艺方案生产的铸件解剖截面图,发现铸件质量完好,铸件中无缩孔缺陷,与模拟结果相符。3.4冒口模数计算该铸件如采用简化模数法计算如下式:式中:Mr为冒口模数,mm;Mc为铸件模数,mm。AnyCasting铸造软件模拟中可直接读得该铸件模数Mc为23.65mm,按上式计算得所需冒口模数28.38mm,远大于本试验中选取的发热保温冒口有效模数23.47mm,经过生产验证该冒口已经完全能够满足铸件的补缩,由此可见基于CAE数值模拟计算得到的冒口模数的设计方法更准确,且过程更简便。加之选用了发热保温冒口,该工艺方案理论工艺出品率达到74%,大大节约了钢液,同时可减少冒口的气割及清整加工的工作量,提高了生产效率。4铸造工艺设计的可行性经生产验证,基于CAE的冒口设计方法设计的发热保温冒口补缩效果良好,既保证铸件无缩孔缺陷,又提高了工艺出品率,与模拟结果相符,证明了此方法的可行性。此方法主要在计算机上完成铸件的工艺设计优化过程,不需要经过反复的生产试制和