铸造CAE技术在铝合金前罩工艺设计及优化中的应用

1、铸造CAE技术在铝合金前罩工艺设计及优化中的应用新东北电气（沈阳）高压开关有限公司（110025） 单爱峰北京北方恒利科技发展有限公司（100089） 宋彬摘要：利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造模拟软件CAStsoft/CAE对铝合金前罩铸件的凝固过程和充型过程进行模拟。通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进,最后设计出合理的铸造工艺。铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。关键词：铸造模拟 凝固过程 温度场 铝合金前罩铸件中图分类号： 文献标识码：A传统的铸造工艺设计方法

2、往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用；在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺实验来确定工艺；当工艺存在重大失误时，可能使得工艺方案被彻底推翻。通过工艺反复实验来确定工艺的方法，可能导致先前制作的模具报废，对于大型铸件来说模具费用会相当高，这会造成重大经济损失，同时严重影响新产品的试制，延长新产品的试制周期。近年来铸造过程计算机模拟技术得到飞速发展，使得通过铸造模拟来确定铸造工艺成为可能，铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。本次分析采用的软件是北京北方恒

3、利科技发展有限公司的CASTSOFT/CAE软件。通过模拟分析发现工艺存在的问题，采取工艺改进措施后再次进行模拟，直到铸造工艺趋向合理。1. 铸造工艺方案设计11铸造工艺方法的选择：由于前罩（材料：ALSi10Mg）属于中大型薄壁铝合金铸件，结构虽然比较简单，但厚薄不均，热节位置较多，铸件最薄的地方为4mm,最厚大的地方为80×110×120，外轮廓尺寸为618×346×618，此零件表面质量和内部质量要求比较高。用砂型重力铸造难以保证顺利充满和厚大部位不产生疏松，特别是法兰处的质量，同时可能形成气孔和渣孔，表面质量较差，难以通过压力测试和质量要求；考虑

4、前罩质量、批量的要求和低压铸造工艺具有金属液充型平稳、铸件在压力下结晶，生产的铸件缩松、气孔、夹杂少的优点，结合我厂铸造现场生产能力，最后选用金属型低压铸造的工艺方案。模具选用：QT60-2，型芯选用：45#钢，模具温度：300，型芯温度：300，浇注温度：720。12浇注系统位置的选择：前罩（材料：ALSi10Mg）前罩法兰较小一端径向和法向都比较厚和方便开模，且整体组织要求高，不允许有缩松、气孔等铸造缺陷，为了使得铸件实现顺序凝固且保证法兰处的力学性能，在法兰较小一端开设入流内浇口和横浇口，在法兰处共开设6道内浇口，保证快速入浇不冷隔和充型平稳，通过厚大内浇口在压力下对其进行补缩。2. 三

5、维建模21铸件的三维建模：采用Pro-E软件对铸件进行三维建模，并在铸件的基础上加浇注系统，保温棉，模具，型芯,且保温棉，模具，型芯为装配体。22保温棉、模具、型芯的三维建模：由于在工艺模拟时，保温棉、模具、型芯属于工艺装配体部件且各部件材料及属性都不一样，三维建模保证建模工艺部件与实际生产工艺部件的位置、大小一致，要求保温棉、模具、型芯与铸件间面贴合。由于铸件的一些地方是不规则的曲面所以保温棉、模具、型芯的形状也为不规则曲面形状即为随形保温棉、模具、型芯，同时由于保温棉、模具、型芯不连续相互间孤立、分散，所以在建模时也应分散分布，相互间不相连，而在工艺模拟时要求同种材料工艺部件组合成一个整体

6、，生成一个STL文件。加浇注系统铸件三维模型如图1所视；加浇注系统、保温棉、模具、型芯的工艺三维模型如图2所视：图1 加浇注系统铸件三维模型图2 加浇注系统、芯子、保温模的铸件三维模型3. 工艺模拟及工艺优化的工作流程图（图3）图3 铸件浇注工艺设计优化流程图31前处理：本次模拟时，铸件、铸型及冷铁网格剖分的网格尺寸为4mm×4mm×4mm，共剖分网格3,427,710个。32铸造模型构建及模拟计算：按工艺要求添加低压铸造相应的工艺参数。参数设置如下：铸件材料为ALSi10Mg模具材料为QT60-2。型芯的材料为45#钢。浇注温度为720。低压工艺曲线按表所示执行。 时间（

7、S）压力（MPa）速度（MPa/S）升液220.02860.0013充型50.0380.0018增压20.0550.0085保压60.055 卸压110033铸造工艺结果显示及工艺合理评定：通过凝固过程、温度场及缩孔、缩松的判定可以看到铸件有多处存在缩孔，其中在上端法兰各热节处存在严重缩孔缺陷。从温度场、凝固过程及冷却速度的分析可以清晰看到热节周围的温度远低于热节区的温度，早于热节凝固，使得热节最后凝固形成缩孔。通过此次模拟可以看出先前制定的工艺存在问题。凝固过程温度场，热节处温度较高 凝固过程孤立熔池形成过程状态图 图中所示位置形成金属液孤立熔池压力无法进行补缩，只能依靠自身补缩，图中几处可

8、能形成集中收缩缺陷缩孔或缩松情况。缺陷位置剖析图 缺陷位置CT透视图4. 实际生产和现场加工通过调整模具温度，压力曲线和留工艺飞边等方法，目前前罩工艺已优化固定，并进行批量生产，生产情况如图所示。 前罩金属型低压铸造毛坯5. 结果与分析：使用CASTSOFT软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题，能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷，并根据此模拟结果改进、优化铸造工艺。利用三维建模软件可以很方便地进行浇注系统、模具、型芯、保温棉等改进，同时利用CASTSOFT软件可以对铸造工艺参数如：浇注温度、充型时间、保压压力、保压时间等的改进，改进后再次进行模拟，经过多次改进直到消除铸造缺陷。这对于大型复杂

9、铸件有很重要的意义，它可以减少工艺试验的次数，甚至可以取消工艺试验，保证铸件一次试制成功。从而大大缩短新产品的试制周期，提高企业的竞争力。依据此次模拟结果制定的工艺用于生产后，效果良好，前后共铸造100套前罩，铸件在机械加工后没有发现铸造缺陷，加工后的高压油道在进行2.5MPa的高压试验时未发生渗漏现象。能够满足设计要求，从而也验证工艺模拟的有效性。6结语：通过此次模拟可以总结出以下几点经验低压铸造很适合中大型复杂薄壁铸件的铸造，它不但可以保证薄壁处的顺利充型，也可以通过内浇口在压力下对铸件厚大部位进行补缩。同时铸件是至下而上充型，所以充型平稳，不会产生二次造渣现象使用金属型，型芯也为金属芯的

10、工艺提高了生产效率，保证铸件表面质量，有效消除铝合金铸件的缩松现象，同时可以大大提高厚大部位处的力学性能。对于特别厚大的地方，由于条件所限不能通过浇注系统补缩，采用模具中通入循环冷却液的方法或采用暗冒口的方法彻底消除铸造缺陷（因低压铸造所用的冒口为暗冒口，所以冒口的尺寸要适当加大），在采用循环冷却液的方法或采用暗冒口的方法不方便时，也可采用在热节位置留飞边来加大散热面积，达到调整凝固顺序的目的。作者：1、单爱峰:男,1976年生,辽宁省沈阳人,1998年毕业于内蒙古工业大学,并获工学学士学位,同年7月分配到新东北电气集团沈阳高压开关有限公司从事铸造工艺设计与研究，近几年主要从事中大型铝合金铸件的低压铸造工艺设计与研究如前罩十字罐舱体等铝合金铸件的低压铸造工艺设计。 2、宋彬：北京北方恒利科技发展有限公司工作，从事铸造数值化模拟技术相关工作。技术咨询电话010-88820223-8009，E-mail:sb1486,hlbj。参考文献1 李庆春 铸件形成理论基础 机械工业出版社 1982年1月2 李魁盛 铸造工艺及原理 机械工业出版社 1988年3 范英俊 铸造手册之特种铸造 机械工业出版社