1 前言
目前,铸造数值模拟技术尤其是三维温度场模拟、流动场模拟及弹塑性状态应力场模拟已逐步进入实用阶段,国内外一些商品化软件系统先后推向市场,对实际铸件生产起着越来越重要的作用,其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件,国内的中北大学、清华大学、华中科技大学、东南大学、上海交通大学、中国台湾国立成功大学等院校都在数值模拟软件方面进行研究、开发或集成,形成了具有一定实用价值的CAD/CAE/CAM系统。数值模拟技术的飞速发展及其在铸造生产中的广泛应用,可以通过对制造工艺过程进行数值模拟及仿真,从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解,并以此为依据,预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现,实现铸造锻造工艺设计--校核--再设计--优化设计的全过程,以提高铸件质量,缩短试制周期,降低生产成本,提高市场竞争能力。
ProCAST软件是由ESI公司开发的基于有限元法(FEM)的铸造过程模拟软件,采用基于有限元法(FEM)的数值计算方法,与有限差分法(FDM)相比,有限元法具有较大的灵活性,特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。通过分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。
本论文的目的是用CAD/CAE的方法解决某公司制动鼓的铸造偏芯问题,论证铸造工艺设计是否合理。通过UG软件进行三维造型,然后利用ProCAST模拟软件对铸件充型凝固过程及温度场和流场进行分析,研究铸件的充型过程,分析凝固过程中可能产生的缺陷,进而提出解决方案,最终设计出最佳铸造工艺。
2 建立模型
对铸件图纸进行分析,采用三维CAD软件UG建立三维图形,如图1所示。对原铸造工艺进行研究,设计出铸件的浇注系统、冒口、冒口套、芯子、内外冷铁等,对铸造系统进行造型建模,如图2所示。
图 1:制动鼓三维模型 图 2:铸造系统结构图
在有限元软件里对模型文件进行单元网格的划分, 为了保证模拟的精确性, 同时尽量节省模拟的时间, 对铸件、模具各模进行不同单元大小的网格划分, 保证铸件最薄处有2~ 3 个单元,然后在铸造分析软件中进行铸造模拟。
3 数值模拟过程与结果
3.1 模拟参数设置
用Procast模拟软件中对铸造过程进行充型、冷却、凝固模拟。采用砂型铸造,模拟中使用的铸件材料是灰口铸铁HT200,砂型材料为石英砂。对照该模型的参考坐标系,将其重力方向设为负Z方向,重力加速度为-9.8m/s2,浇注方式采用重力浇注。初始条件和边界条件分别如表1和表2所示。为了保证铸件能够模拟到固相线以下,运算步数尽量设得长一些,如20000步,要给定一个计算机停止模拟的条件,如整个铸件的温度都低于500℃时停止模拟。
表 1:初始条件
表 2:边界条件
分页3.2 模拟结果与分析
3.2.1流场和温度场分析
铸件的整个充型过程在18s内完成, 各时间的填充状态和温度场分布如图3所示。TEP=50时金属液在直浇道中流动平稳,迅速填充,将浇道中的气体顺势赶出;STEP=110时可看到金属液对砂芯会有一定的冲击,可能引起偏芯;STEP=160时金属液进入型腔,在内浇道的对面发生交汇,有可能引起夹渣缺陷,之后金属液迅速充满铸型。图3中从STEP=480到STEP=7550为铸件凝固阶段,从铸件的凝固过程中同样可以看出在铸件的厚大部分最后凝固,易产生集中缩孔,如图4所示。在分析模拟结果的过程中还发现了严重的浇不足现象,如图5所示,因此需要有排气针。图6为缺陷处的不同截面形态。
图 3:铸件的流场和温度场
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图 4:缩孔 图5:浇不足
图 6:铸件切片分析
3.2.2冲击力分析
图 7:特征位置时间-压力曲线
当初考虑到在浇注时,金属液进入型腔会对砂芯产生强烈的冲击,从而造成偏芯。出于以上原因的考虑,分析了两个特殊点—内浇口正对砂芯处(上曲线)和铸件顶部(下曲线)的冲击力,得到了图7的结果,从图中可知金属液对砂芯底部的冲击确实较其他地方要大,在一定程度上造成了偏芯。不过冲击力最大值不过33.47KPa,对偏芯的影响不会太大。
4 工艺改进
引起砂型铸造动鼓产生偏芯问题的原因有很多,从铸造工艺来说,浇注位置的确定、分型面的选择、金属液的引入等设计不合理;从工厂设备来说,由于模板、砂箱、定位导向装置的磨损等造成配合精度不准确;从人工操作来说,造型过程、下芯过程、合箱过程和浇铸过程等操作不规范。通过第以上分析,找到了制动鼓产生偏芯的部分原因,接下来就从以下两方面进行工艺改进。
4.1 改进砂箱
从工厂设备来说,由于模板、砂箱、定位导向装置的磨损等造成配合精度不准确也可造成偏芯问题。铸件错箱, 一般情况下是不可避免的,其问题在于如何把铸件的最大错箱位控制在允许的标准之内。
用三点定位法解决错型问题, 该方法不需要配合公差, 且磨耗量小。此外, 三点定位系统能够进行自动补偿, 即使有磨耗也不会影响定位精度。检查磨耗情况只需检查个分别设在上、下模板及合箱工位上的各三个定位块。为确保合箱精度, 上箱必须准确地定位于下箱上方, 并必须与上箱一起上下移动。在三点定位系统中, 定位是在合箱机中实现的, 而移动则是在合箱过程中完成的。有时也可以应用嵌件解决错箱问题。采用导销和销套对砂箱与模板、砂箱与下芯装置以及上、下砂型之间进行定位时, 产生的问题在于导销和销套的插人间隙, 使他们之间的典型尺寸之差为0.254mm, 加上导销和销套的许可磨损量各为0.381mm, 因此, 这些和累积量达半径上许可间隙的三倍。另外可以考虑使用特种砂型,特种砂型的配合精度是相当高的,在解决偏芯问题上应该能够取得一定的效果。
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4.2 改进芯头
从制动鼓铸造工艺分析,浇注位置的确定、分型面的选择、金属液的引入等设计影响到了砂芯的设计,进而影响到了芯头的设计。通过ProCAST对特征位置冲击力的分析,为减小金属液对砂芯冲击引起的偏芯的影响,可在芯头部位增加一个支脚来抵抗金属液的冲击压力。另外人工操作时,造型过程、下芯过程、合箱过程和浇铸过程等操作也会影响到制动鼓产生偏芯问题,有可能是制动鼓产生偏芯问题的主要原因,采用砂芯下面增大芯头来解决人工下芯时的操作误差。新工艺浇注系统及铸件如图8所示,综合考虑这种工艺方案可行。
图 8:改造后的工艺
5 结论
(1)采用CAD/CAE技术,利用计算机强大的计算和图形功能,提高设计精度、设计可靠性及工作效率;利用CAE系统,对铸造过程进行数值模拟,优化铸造工艺。
(2)用CAD软件设计了整套制动鼓的铸造工艺系统,可以很直观的看到各零件的装配位置和工作状态,从而可以更好的研究制动鼓在合箱和下芯的过程中引起偏芯的因素。
(3)运用Procast软件对铸件的温度场和流场进行模拟,发现金属液的的充型比较顺畅,并没有激烈的对流出现。但通过模拟发现在设计中存在瑕疵,即在铸件的厚大部分出现了集中缩孔,可以加冷铁解决;模拟时铸件没有排气针在铸件的顶部出现了浇不足现象,所以排气针必不可少。
(4)在金属液对砂芯的冲击分析时,金属液的冲击有一定的影响,但影响不大,加之由于人工下芯会出现偏差,可用增大芯头和增加芯头支脚的方法解决。综合考虑,应用增大芯头的方法比较可行。