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2016产品创新数字化征文:传统铸造走向绿色铸造数字化解决方案

2016/11/21    来源:e-works    作者:黄引平  马敏团      
关键字:数字化铸造  CAD/CAM/CAE  仿真优化  3D打印  升级  
本文介绍了铸造仿真技术优化产品设计结构和铸造工艺、3D打印技术制造复杂精密型芯、在线技术量化控制铸造关键过程的最新数字化应用,通过数字化解决方案完成数字化设计、数字化制造与数字化控制,解决了传统铸造研制周期长、铸造缺陷多、质量不稳定难题,推进了传统铸造走向绿色铸造的转型升级。

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0 前言

    铸造是一个古老的行业,利用材料的物理特性可成形为形状复杂、结构各异、不同尺度的铸件,再加工成人们需要的各类产品。影响铸件品质的因素很多,尤其是各种铸造缺陷的产生。随着计算机数值模拟技术的应用,就是在技术层面对产品设计进行预审、对工艺参数细化量化,通过铸造工艺仿真使技术人员摆脱铸造过程凭个人经验试错、凭模糊感觉设计等随机现象的发生,保障铸造的设计和制造参数能可视化、定量化,促进数字化的应用;铸造的每一个操作过程,尤其是关键工序和关键环节,如模具制造、型芯制造、涂料烘烤等都由执行着统一标准的定量化参数控制,如今的3D打印技术工业机器人等先进技术的成功应用,就是通过大量数据的交互完成同一产品统一精准的操作,保证了产品制造的重现性;在线数字化控制就是摆脱了传统铸造的粗放式管理,解决了操作人员因情绪因素变化、环境天气差异或人员流失等导致的质量不稳定问题,以确保大批量产品质量的一致性。

1 铸造工艺仿真应用

    铸造是一个复杂的物理化学过程,在这个过程中,材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或构件。设计阶段的铸造工艺性分析分为初步审查阶段和定型阶段,这两个阶段分别对铸件的铸造方案进行预审和终审,从铸造工艺的可行性方面对铸件结构设计进行预测和优化。因为影响因素很多,难以直接观察,造成设计技术难度大,人员水平要求高;针对新型发动机机体、缸盖、活塞等关键铸件,通过铸件的铸造结构工艺性研究,重点攻克自主品牌机关键铸件铸造成型的缺陷预测和控制,解决关键铸件在充型、凝固和冷却过程中铸造缺陷多、尺寸稳定性差、成品率低等普遍问题,保障整机研制过程的毛坯供货。图1为某型发动机机体零件、铸件及铸造工艺模型。

图1 机体零件、铸件及铸造工艺模型

图1 机体零件、铸件及铸造工艺模型

    1.1 设计阶段铸造工艺性分析研究

    零件设计阶段铸造工艺性分析内容:

    1) 分型分芯;

    2) 热节分布;

    3) 最小铸出孔、槽;

    4) 可充填性;

    5) 拔模斜度;

    6) 材料组织及性能分布;

    7) 铸造应力分布。

    在关键铸件设计阶段,针对零件结构特征分析铸造工艺性,主要分析内容:根据新型发动机机体轻量化结构和技术要求,并结合同类型机体研制时所存在的技术问题,对新型发动机机体结构和技术要求进行分析,结合仿真技术积淀和生产实践经验,综合分析机体辐板壁厚、涨管孔结构、凸轮等连接过渡结构、外部形状,应用铸造工艺仿真软件进行浇注、充型过程及冷却、凝固过程的仿真计算,通过固相分数、温度场、补缩、热节及凝固时间等物理量的计算,给出确定该机体相关铸造工艺参数合理设计范围,包括分型分芯、热节分布、最小铸出孔、槽、可充填性、拔模斜度、材料组织及性能分布、铸造应力分布等,据此对该型机机体结构进行重新设计和优化,确保机体零件原始设计各项指标的可行性,铸件成型符合技术要求,经两次评审后对机体结构进行定型固化。

    1.2 生产阶段铸造工艺合理性分析研究

    由于材料成型过程的复杂性,其工艺设计一般由具有丰富生产经验的工程师负责,这些工程师有长期的生产和实践经验积累,但企业具有丰富经验的工艺工程师常常感到人数不足,各企业间不能实现共用。随着铸造工艺人员的退休,工艺积累和工艺经验流失严重,而年轻的铸造工艺人员的培养时间长、花费大。因此,有必要开展铸造过程研究,通过工艺仿真分析提高铸件成品率、降低生产成本并缩短研制周期,以满足整机可靠性和稳定性要求。

    铸件生产阶段铸造工艺合理性分析内容:

    1) 浇注、充型过程;

    2) 冷却、凝固过程;

    3) 缩孔缩松缺陷;

    4) 氧化夹杂、冷隔等缺陷;

    5) 收缩变形;

    6) 加工余量;

    7) 分型分芯;

    8) 材料组织及性能分布;

    9) 铸造应力分布。

    在关键铸件生产阶段,对铸造工艺合理性进行分析验证。通过新型发动机机体结构和铸件验收技术要求等进行分析,参照国内外先进的生产条件,针对新型发动机机体结构和铸件验收技术要求进行分析,设计合理的浇冒系统和适合生产的冷铁设置工艺,应用铸造工艺仿真软件开展浇注、充型过程及冷却、凝固过程的仿真计算;预测缩孔缩松缺陷及氧化夹杂、冷隔等缺陷;预测铸件的收缩变形,确定加工余量;根据预先确定的铸件、铸型、工艺参数进行三维几何装配,检查分型分芯;优化浇冒系统、冷铁选用、砂芯的处理方式等,应用通过长期验证积累的自主数据库判据进行判定和优化,并进行数字化解剖验证,最终确定出合理的铸造分型面,合理分型分芯,放置适当的分形系数、缩尺、拔模斜度、加工余量、补正量和芯头间隙等参数,确定发动机机体适用的铸造工艺方法。通过铸件的小批量试制,并通过毛坯解剖、无损检测、零件加工、压力测试、零件解剖等方式对铸件质量进行验证,经主机厂装机验证,对机体结构和铸造工艺进行固化。

责任编辑:郝秋红
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