先进低成本的铸件浇冒系统设计方法

1、先进低本钱的铸件浇冒系统设计方法徐志安1，凌 勇1，Ilse Evenepoel1，臧桂铭2，左绪娟21.SIRRIS比利时国家工业技术研究所，比利时,根特9052；2.济南玫德铸造，山东济南250400摘要:用实例介绍了一项用于铸造生产的三维模拟技术，通过对铸件充型和凝固过程的数值模拟帮助铸造技术人员进行铸造工艺设计，从而在计算机上实现可视铸造过程，能保证既快又省地设计一个优化的铸造工艺。与传统的模数法，经验和试错的工艺设计不同，本模型是用铸件的凝固时间计算补缩系统。从一个铸件凝固模拟开始，根据凝固时间和被补缩的体积，计算冒口和冒口颈的尺寸和数量，再进行铸件加冒口的模拟计算，做必要的修正,直

2、到获得满意的结果，最后根据铸件的临界壁厚，体积，充型速度和浇注温度等参数计算浇注系统。当整个系统设计完成后，模拟计算整个充型和凝固过程以验证设计，做必要的修正，直到获得一个能生产无铸造缺陷铸件的铸造工艺，即保证一次成功生产出合格铸件，节约了时间和本钱。关键词：模拟；浇冒系统；凝固时间；中图分类号：文献标识码：文章编号：An Advanced and Cost-Saving Method for Designing A Gating and feeding System of CastingsXU Zhi-an1, LING Yong1, Ilse Evenepoel1, ZANG Gui-mi

3、ng2, ZUO Xu-juan2(1.Sirris,Belgian Research Centre of the Technological Industry Technolgiepark919, Zwijnaarde9052, Belgium; 2. Jinan Meide Casting Co.,LTD, 250400 Jinan, Shandong, China)Abstract: This paper describes a 3-D simulation technology that assists foundry engineers in designing the feedin

4、g and gating systems, and simulates mould filling as well as solidification. While the traditional design was based upon pen and paper calculations (modulus), experience and guesses, this technology enables to conduct a fast and inexpensive virtual design and verify the effect of any change, resulti

5、ng in an optimal casting configuration. The underlying model is based upon the solidification time of the casting to calculate the feeding system. First of all, the solidification of the cast product only is simulated. Based on the solidification time and the volume to be fed, the feeding system is

6、proposed by the calculation. Then, the proposed feeding system is taken into account in the simulation and if necessary, the feeding system can be modified until a satisfied designing is obtained. Finally the gating system is calculated depending on the volume of the casting, including the risers, t

7、he critical wall thickness of the cast product and the pouring temperature.When the complete casting system has been designed, mould filling and solidification simulation are started to validate the design, and execute necessary modifications until a defect free casting is achieved. The technology e

8、nables leading foundries to produce first time right castings on a daily base. An industrial case clearly illustrates how time, money and energy can be saved using this casting simulation technology.Key words: simulation; gating and feeding System; solidification time铸造过程包括了流体流动，传热传质和相变的复杂过程。为了生产高质量

9、铸件，铸造技术人员应该预先了解这些现象，从而有效地进行控制。但是由于这些过程过于复杂以致于无法仅用理论解析来解决问题。当今铸造工艺设计包括浇注系统，冒口和冷铁仍沿用传统经验和试错方法。睁着眼睛造型，闭着眼睛成形,仍然是铸造生产的真实写照。这种传统的经验和试错法不仅耗时, 耗力,低效,而且不能满足客户快速生产高质量铸件的要求，铸造工作者迫切需要用先进的科学技术来替代这些试错和经验的设计方法，通过使用可视化技术，观察铸造过程，从而来辅助技术人员进行铸造工艺设计。在过去的几十年，许多商业软件1-3能够模拟验证已设计完成的浇冒系统或已生产的铸件的铸造过程，但不是主动地设计铸造工艺。研究人员已经认识到模

10、拟技术不仅是用于被动验证而且要主动地用于设计铸造工艺4。 研究开发的Experto-ViewCast是一个基于实验的有限体积三维模拟技术，可以模拟铸件充型和凝固过程，独创的浇注系统和冒口设计等实用模块，使数值模拟从被动变为主动，从单一的模拟验证走向辅助铸造工艺设计，成为铸造工程技术人员必备的日常工具。本文用一实例介绍了如何利用这项先进技术帮助技术人员在计算机上完成铸造工艺设计。1 冒口的设计1.1冒口设计原那么传统的冒口设计是基于模数(冷却外表体积)法，也就是冒口的尺寸是由铸件被补缩局部的模数来决定的。但是在很多情况下，尤其是复杂的铸件，计算铸件的模数是很困难的，甚至模数法无法工作。事实上冒口

11、计算并不复杂，它必须满足以下条件：1冒口和冒口颈的凝固时间应该大于或等于铸件的凝固时间以保证补缩通道的畅通能量条件； 2冒口中必须要有足够的液体金属补缩铸件体积要求；3冒口的势能应该高于被补缩铸件的势能势能要求。 如果能知道铸件和冒口的凝固时间和铸件被补缩的体积，冒口设计的问题就迎刃而解了。模拟技术可以提供铸件凝固过程的信息。Experto-ViewCast根据铸件材质，铸型类别和浇注温度开发了一个包括不同冒口和冒口颈尺寸的凝固时间数据库，并建立了冒口，冒口颈与铸件在不同材质情况下的关系式。当被补缩铸件的凝固时间，被补缩体积及冒口形状，冒口模块会计算出相应的冒口和冒口颈尺寸及数量。1.2铸件和

12、冒口系统的凝固模拟铸件的缩孔缩松缺陷是由铸件本身的形状和结构决定的。合理和自然的方法是，首先对一个不带任何浇冒系统的铸件本体进行凝固过程计算，从而获得铸件热节凝固时间和铸件缩孔缩松缺陷的分布，根据被补缩部位的凝固时间和体积，用冒口模块计算出相对应的冒口和冒口颈的尺寸和数量。冒口的参加会改变铸件的温度场分布和凝固过程，所以必须进行铸件加冒口系统的凝固过程计算，检查冒口是否有效地起作用，需要的情况下修改冒口或冒口颈的大小和位置。有的情况下，尽管冒口足够保证凝固时间和补缩量，但由于铸件的结构阻碍了补缩通道，必须调整铸件的结构，或用冷铁或补贴来帮助冒口更有效地消除缩孔缩松缺陷。尽管冷铁无法直接补缩，但

13、它可以移动热节的位置，改变铸件的凝固时间。在计算机上进行反复修改、调整和模拟，直到获得一个满意的结果。 图1是一个阀门球铁铸件的三维模型 (STL格式)，以此STL文件作为模拟的输入文件。一旦选择了浇注位置、铸型材料和浇注温度，就可以进行铸件的模拟。图2是用X-射线的形式显示了铸件缩孔缩松缺陷的分布，由于没有冒口，只要铸件的上部没有凝固，在重力的作用下，铸件的上部就会补偿铸件的收缩，一旦补缩通道被阻，铸件内部的隔离区域就会产生缺陷。图3显示了铸件的凝固时间分布。图1. 阀体铸件的三维模型 (STL格式)Fig.1 图2 铸件缩孔缩松缺陷X-射线透视Fig.2 图3 单铸件 (左图) 和铸件水平

14、截面(右图)的凝固时间Fig.3 模拟结果显示，在没有浇注系统的情况下至少需要一个冒口。根据铸件的凝固时间和被补缩的体积，冒口计算模块见图4给出了冒口和冒口颈的尺寸及数量。 图4 冒口计算模块给出的冒口和冒口颈的数量和尺寸Fig.4首先把冒口放置在与缺陷较近的中间法兰处图5，模拟计算的缩孔缩松缺陷如图6所示，铸件仍有缺陷。通过分析液体金属停止流动补缩的时间，可以知道由于中间法兰较薄，冒口过早地停止给铸件提供补缩图7。 图5 铸件加冒口系统 (STL) 图6 缩孔缩松缺陷X-射线透视Fig.5 Fig.6图7 冒口过早停止给铸件补缩停止流动时间Fig.7 修改的方案是把冒口移到较厚的边发兰上，图

15、8显示了计算的结果，用此设计冒口可以完全补缩铸件的收缩。 图8铸件加冒口缩孔缩松缺陷X-射线透视Fig.8 还可以进一步改变冒口和冒口颈的尺寸，直到获得一个优化的补缩系统。在计算机上进行补缩系统的设计完全可以替代在铸造现场的试错法。2 浇注系统设计2.1浇注系统设计原那么在设计完补缩系统后，可以根据铸件临界壁厚，铸型类别和浇注温度等条件进行浇注系统设计。其浇注系统设计原那么是: (1)根据铸件材质的类型，液体金属进入铸件型腔的速度应控制在小于50-70 cm/s，以防止液体金属外表紊流和飞溅；(2)在充型过程中应保持整个浇注系统是充满的，以防止吸气，二次氧化和渣卷入;(3)能保证充满铸型以防止

16、铸件出现冷隔和浇缺乏；(4)满足铸型寿命和生产周期的要求。 合理的浇注时间应该由浇注系统来决定，而不是由浇铸工来决定，浇铸工任务是尽快浇注，确保浇口杯充满以保持浇注高度。适宜的浇注系统也可以替代冒口起补缩作用。浇注系统设计是保证生产合格铸件的关键，许多铸件的缺陷，比方冷隔，浇缺乏，气体和渣的卷入，氧化薄膜等，是不合理的或错误的浇注系统造成的。2.2两种浇注系统的实验结果比拟为了证明浇注系统的重要性，用两种不同的浇注系统进行充型实验。一种是封闭-开放式浇注系统，它的最小截面积位于直浇道的底部见图9。另一种是封闭式浇注系统，它的最小截面位于内浇道。铸件是厚200mm×200mm×

17、;4mm的平板，浇注高度大约是350mm从最小截面到浇口杯。铸型的一半是由一块耐热玻璃替代，用铸铁液体进行浇注，充型过程由高速电影摄影机记录。同样的实验也可以用X-射线的方法获得5。直浇道底部的液体金属速度()是由浇注高度(H)和沿程能量损失因子(B)决定的，液体金属经过一个带斜度的直浇道的能量损失因子是1.25，这样：= (2gH)1/2/B = (2×9.8×0.35) 1/2/1.25 = 2.1 m/s (1)g 为重力加速度。 图9 封闭-开放式浇注系统的充型Fig.9 在采用封闭-开放式浇注系统时，浇注时间仅取决于最小截面和浇注高度，横浇道中的液体金属速度可以通

18、过改变横浇道的截面来控制，在一定的浇注速率下，增加横浇道截面积会降低液体金属的速度。本例中尽管直浇道底部液体金属的速度是2.1 m/s，但通过调整横浇道截面可以降低液体金属速度，使液体金属以比拟平稳的状态进入铸件。图9是一个封闭-开放式浇注系统的充型过程没有外表紊流。但是在封闭式浇注系统，液体金属进入铸型的速度取决于浇注高度和能量损失因子，改变内浇道截面积，只改变了浇注时间。在此实验中，大于2 m/s的液体金属进入铸型产生了如图10所示的紊流、飞溅和卷气的充型过程。 图10 在封闭式浇注系统中液体金属以高速进入铸件的充型过程Fig.10图11比拟了两种浇注系统不同液体速度对铸件最终质量的影响，

19、可以证明控制液体金属进入铸件型腔的速度是设计一个好的浇注系统的关键。 (a) 封闭-开放式浇注系统(b) 封闭式浇注系统图11 不同充型速度浇注的铸件质量比拟 Fig.112.3铸件的浇注系统设计及模拟结果对于图1所示的铸件，根据型板的尺寸，一箱可以浇铸4个铸件。用Experto-ViewCast浇注系统设计模块图12计算了一个封闭-开放式的浇注系统。把设计的直浇道尺寸与冒口比拟，发现有可能用浇注系统替代冒口，模拟后通过修改浇注系统的尺寸加大内浇道，可以用浇注系统替代冒口。图13是无冒口的铸造系统，凝固模拟未经充型的计算结果如图14所示，铸件无缩孔缩松缺陷，此铸件可实现无冒口铸造。图12 浇注

20、系统设计模块Fig.12 图13 铸件及浇注系统设计(STL格式) 图14 计算的缩孔缩松缺陷分布 Fig.13 Fig.14进行充型过程模拟，图15是充型过程和结束时的温度场，从充型过程来看，液体金属以低的速度进入铸件型腔，充型方式平稳。充型过程明显地影响了铸件和铸型的温度分布，对于本例子，充型后的温度场更有利补缩。图16是用充型后继续凝固过程计算的X-射线结果，可以获得无铸造缺陷的铸件。在计算机上设计完成铸造工艺，可以进行实际铸造。上述例子在生产实际一次铸造成功。这项技术已经改变了传统的设计理念，成为许多铸造厂进行工艺设计的工具。一天可以设计两个上述相类似的工艺。 图15充型过程温度场分布

21、Fig.15图16充型和凝固模拟后系统的缩孔缩松缺陷X-射线透视Fig.163与传统设计方案本钱比拟这个铸件的原来铸造工艺设计是基于经验和试错法，其在工厂使用的铸造方案及模拟结果如图17所示，仅2个铸件在铸型中，并且每个铸件放置2个冒口以保证铸件质量。显而易见，用Experto-ViewCast设计的一箱4件无冒口铸造方案,生产效率和回收率大大提高，返回料从53%降到了34%，节省了能源，提高了效率。 图17原设计STL左图及模拟结果X-射线透视 Fig.17 4结论借助于模拟技术，用铸件凝固时间替代模数法设计铸件补缩系统是一种直接和有效的方法，不同的液体金属进入铸件型腔的速度会影响最终的铸件

22、质量，控制其速度是设计浇注系统的关键，封闭-开放式浇注系统可以在不改变浇注时间的情况下，保证平稳充型。本文铸造工艺设计实例清晰地说明了计算机辅助铸造工艺设计的能力，利用Experto-ViewCast先进的模拟设计技术可以替代传统日常使用的试错法来设计一个低本钱、高效益、无缺陷的铸造系统。用这个“绿色可视的铸造技术可以大幅度地提高生产效率和回收率，降能耗，显著地节约本钱。从单铸件开始，在计算机上可视设计铸造工艺，直到获得一套优化的铸造工艺，改变了铸造工艺设计的理念，是现代铸造工艺设计的方向。参考文献：1 AFS Process Design & Modeling. Committee (1-F), Sources of Casting Modeling Software,J.Modern Casting, 1997,10: 27-29.2 R.P. McDermott, Software Solutions,J.Foundry M