铸造技术和数值模拟研究现状与分析

第1章绪论立柱是机床结构组成的重要部分在生产工作中起支撑及导向作用,技术上对铸件质量要求很高,此件结构相对复杂。该零件用于装配加工中心支撑主轴箱，满足主轴的Z向运动，其工作性能的好坏直接影响到加工中心的工作性能和安全性能，因此，对立柱的力学性能有较高要求。因为要满足主轴的Z向运动，所以导轨处要保证足够的精度和质量，铸件时效处理后需进行整体超声波无损检测,因此在工艺设计上一个较大挑战，：铸造是机械领域重要的基础工艺与技术，被广泛应用于生产、交通、国防、社会生活等各个方面。时至今日，作为传统工艺的铸造技术被人们在精密性、可靠性、经济、环保等方面提出了更高的要求。伴随计算机技术、有限元理论、数值计算方法、图像处理技术及计算流体力学等学科的不断进步，铸造过程的数值模拟技术也得到了快速发展，已成为一种能够被应用于科学研究并指导生产实践的成熟计算机模拟技术。在铸造过程数值模拟领域，绝大多数的研究都是将充型及凝固过程分开计算，并且大部分是通过专业铸造数值模拟软件实现。这使得模拟过程不能完整描述实际生产过程，从而降低了计算结果的精确性及可靠性，没有工程实用价值。同时大部分专业铸造软件价格昂贵，不能被普遍应用于各个高校及研究机构，从而对铸造数值模拟研究的广泛开展带来一定的限制。本文以有限元理论为基础，利用大型通用数值模拟软件ANSYS中的FLUNET模块，对三维槽体模型在不同浇注速度下的铸造充型过程中金属液的流动状态、温度场的分布进行了数值模拟。观察了在模拟充型过程中金属液自由表面的波动情况，得到了充型结束时温度的分布数据，为进一步的铸造凝固过程数值模拟提供了准确的初始条件。基于相同分析方法，借助FLUENT软件对两带有曲面的复杂三维模型铸造充型过程进行了验证性模拟，观察了自由表面及温度的变化过程，证明了利用FLUENT进行三维铸造模拟的可行性。本文以三维槽体模型的充型模拟为前提，基于“温度均匀，瞬间充型”和充型结束状态为凝固过程的初始条件这两种不同的模拟方式，运用FLUENT软件对该模型在冷却凝固过程中温度场的变化进行了模拟。观察了温度场的不同冷却过程，及这两种模拟方式对凝固过程数值模拟精确性的不同影响，验证了FLUENT软件对充型模拟结果在凝固模拟中的可调用性。铸造技术的发展铸造是装备制造业的基础，更是国民经济的基础。近十多年来，我国铸件质量已经有了显著提高。更多企业减少砂型铸造工艺的使用，开始向智能化、数控化、机械化、自动化的方向发展[1]。传统的手工砂型铸造正在逐渐减少，先进设备，技术，工艺逐步应用于生产实践中，如自硬树脂砂设备、智能机器感应电炉和感应电炉双联等[1]。我国目前能生产出最大球墨铸铁机床单间铸件是145吨，中信重工成功浇铸世界最大的铸钢件520吨，钢水总量达到了892.5吨[1]。我国铸造业发生了翻天覆地的变化，涌现出了大量的有关技术高，质量好的铸造企业[1]。为数众多的软件问世和计算机技术的迅猛发展，为生产符合要求的铸件提出确切可靠的信息成为可能[2]。研发精确成形技术、近精确成形技术，发展可视化铸造技术，推动铸造过程数值模拟技术，CAE正在向集成化、虚拟化、智能化、实用化等方向发展[3]。铸造CAD系统采用模块化与统一数据结构，并且与CAM／CAPP／ERP／RPM等技术无缝结合[3]；促使铸造工装的现代化水平进一步提升，全面开展CAD／CAM／CAE／RPM、反求工程、并行工程、远程设计与制造、计算机检测与控制系统的集成化、智能化与在线运行，催发传统铸造业的革命性进步[3]。上海大学材料科学与工程学院王嘉诚，曲元哲，沈楚伦，杨弋涛[7]对ZL114A上倾倒框铸件的铸造工艺设计进行改进和优化。对铸造方案进行模拟，分析充型、凝固过程及缺陷，调整浇注系统的位置与比例，对冷铁和冒口的作用进行分析，确定冷铁和冒口的类型及其安放的位置，并计算出数量和尺寸，最后运用CAD设计出铸造工艺图，获得理想的充型及凝固顺序，有望基本消除铸造缺陷[7]。数值模拟可铸造工艺设计提供指导，为减少铸造缺陷，保证铸件质量和工艺性奠定技术基础[7]。数值模拟的发展国外，开始研发铸造过程数值模拟可追溯到20世纪60年代，先后有丹麦、美国、日本、德国、英国等国家的铸造工作者开展了这方面的研发，而大量的系统研究工作是80年代以来进行的，商品化软件的研究与开发主要集中在凝固过程分析模拟等部分，90年代以来，德国的Magma、法国的Simulor、美国的ProCast及日本的Soldia等软件增加了三维流场分析功能，大大提高了模拟分析的精度[8]。这些软件在优化铸造工艺，保证铸件质量，缩短生产试制周期，降低生产成本等方面发挥了重要作用[8]。现在，世界上著名的汽车制造商，如奔驰、福特、菲亚特、雪铁龙等都采用了铸造凝固过程模拟软件，在芬兰，90%以上的铸造厂应用造模拟软件辅助铸造工艺设计[8]。同时在航天、船舶等领域铸造CAE技术也被广泛应用，在铸造CAE技术的应用中，凝固过程温度场和应力应变场的模拟应用较多，更先进者可以将整个过程的流场、温度场、应力场统一起来进行模拟，预测铸造缺陷和材料性能，带来了巨大的经济效益[8]。近些年来，国外铸件的价格一降再降，已接近我们国内市场价格，这与铸造工艺设计CAE技术的采用有密切关系[8]。国内铸造数值模拟开始于20世纪70年代末，而取得重要成果是从80年代中期开始，基本上都集中在少数高等院校及科研单位，如华中科技大的InterCAST、清华FT-STAR、北方恒利CASTsoft/CAE、华铸CAE软件等，这些商品化软件可以进行铸件三维温度场和应力场模拟，应力变形以及裂纹预测的模拟也取得相当进展[8]。现在，也已着手对凝固过程中温度场、流场、溶质场与组织场多场耦合下对铸件宏观组织以及夹杂偏析等铸造缺陷的影响开展研究[8]。在应用方面，国内大型铸造企业均引入了国内外铸造CAE软件，目前铸件浇注充型流动，凝固过程温度场模拟，件的缩孔、缩松等缺陷预测已经在大型铸造企业中普及，在新产品试制中发挥了重要作用，应力变形分析也逐渐开始应用[8]。邹树梁等利用ProCAST分析了新型Fe-W合金应力框件在3种不同浇注温度、浇注速度和砂型预热温度下的应力场[11]。研究表明：砂型预热温度对铸件变形与残余应力影响较大，并且成反比关系；浇注温度对铸件变形的影响最小，浇注温度与铸件变形和残余应力成正比[11]。同时，该研究计算出最佳浇注速度、浇注温度、砂型预热温度，并指导实际生产。赵永美在分析铝合金气缸盖凝固过程温度场的基础上，采用间接法，将温度场计算结果作为体载荷施加在结构分析中，分析凝固过程中产生的内应力，并采用改进的冷却工艺与适当延迟清理落砂时间的方式相结合，有效地防止铸件裂纹的产生[12]。张洁等为了验证导流叶轮熔模铸工艺改进方案的合理性，模拟分析了铸造过程中力学性能与温度变化的关系，发现提高型壳预热温度可明显降低叶片两端在冷却末期的有效应力[13]，并将结果应用于生产，取得良好效果。1.3课题内容本文以轴承座为设计对象，在以下方面开展设计内容：（1）使用AutoCAD2014软件绘制轴承座二维图和使用UG10.0软件绘制三维实体图；（2）工艺设计：确定铸造方案和工艺参数、设计砂芯结构尺寸、浇注系统类型、补缩系统及工艺装备；（3）使用AnyCasting软件模拟设计好的方案，分析模拟结果并优化工；（4）绘制零件图、铸件图、铸造工艺图、合箱图及工艺卡，撰写论文。

零件的特点及工艺性分析

铸造方案的设计造型（芯）材料方案的分析与选择砂+固化剂混拌[14]型砂（芯）相关性能要求涂料的选用旧砂再生砂芯设计砂芯形状及尺寸芯头结构尺寸2类芯骨1类芯骨蜡线通道2类芯骨1类芯骨蜡线通道铸造工艺参数的确定在铸件结构设计或铸造工艺设计时，给出铸件的起模斜度，以方便模样的取出。由于铸件的各面需要与其他面配合，故采用增加壁厚的办法设计起模斜度。造型方法选用自硬砂造型，模样为木模。铸件模样起模斜度如图5浇注系统设计浇注系统时间的确定t浇=fGf阻流面积的计算Ag=GτρμHP=H0−P2HpHHM=LtgαHMαHM10−3cm3A内A横A直浇口杯的设计φφφφ直浇道面积的确定A直AS×1.2H直≥HM+PH直≥上吃砂量+P=120+135=255H直A直ASD1AADD横浇道面积的确定A横1.4×ASAAA内浇道面积的确定A内=18.65cmA内表6.4内浇道尺寸A内A直浇道窝、浇注系统的校核V∁ττV型=19.05浇注系统形状及搭接方式过滤网铸造工艺的模拟与分析ww/(m2∗k)w/(eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)(59.7%)(96.4%)(59.7%)(96.4%)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)(17.5%)(40.4%)eq\o\ac(○,eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,4)(17.5%)(40.4%)eq\o\ac(○,2)eq\o\ac(○,1)eq\o\ac(○,3)eq\o\ac(○,4)baba铸造工艺的优化冷铁的位置图8-2冷铁形状及放置位置图8-2冷铁形状及放置位置冷铁的形状与尺寸Ⅱ型冷铁Ⅰ型冷铁T−30（0.6~0.7）Ⅱ型冷铁Ⅰ型冷铁铸造工艺的装备图9-1模板图9-1模板b下模板a上模板b下模板a上模板满足铸件在生产中的各项工艺需求，有足够的强度和刚度，其定位装置应保证铸件精度的要求，砂箱应该在保证造型质量的同时也兼顾排气功能。砂箱尺寸设计××××图9-2砂箱砂箱定位与结构图9-2砂箱翻箱杠杆夹紧机构加强筋翻箱杠杆夹紧机构加强筋定位机构箱壁排气孔箱带吊轴芯盒材料和结构应与生产批量相适应[15]；芯盒应具有一定的强度和刚度以及耐磨性[15]；应保证砂芯的几何形状和尺寸精度[15]；有利于安放芯骨、开设气到等并尽可能减轻芯盒重量[15]；保证砂芯质量的同时尽量简化芯盒的制造[15]；3号芯盒2号芯盒3号芯盒2号芯盒6号芯盒5号芯盒4号芯盒7号芯盒6号芯盒5号芯盒4号芯盒7号芯盒313313图9-6本次铸造工艺全过程图解图9-6本次铸造工艺全过程图解金属熔炼与后处理h

结论参考文献[1]杨力伟.铸造CAE技术的现状与未来发展趋势[J].一重技术,2015(03):66-70.

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