机械制造基础-铸造过程仿真技术

1、机械制造基础铸造过程仿真技术材料科学与工程学院铸造凝固过程仿真模拟研究室铸造凝固过程仿真模拟研究室内容介绍（1 1）铸造工艺设计；）铸造工艺设计；（2 2）铸造模拟软件简介；）铸造模拟软件简介；（3 3）铸造）铸造CAD/CAECAD/CAE集成；集成；（4 4）铸造模拟技术发展趋势；）铸造模拟技术发展趋势；（5 5）实例应用；）实例应用；（6 6）凝固微观组织模拟研究）凝固微观组织模拟研究铸造模拟铸造模拟技术发展趋势技术发展趋势（1 1）由宏观模拟向微观模拟发展由宏观模拟向微观模拟发展 可以预测组织、结构、性能，从而调整生产工艺，生产出理想的凝固组织，达到优良的综合力学性能。（2 2）单一分

2、散向耦合集成方向发展单一分散向耦合集成方向发展 流场、温度场、应力/应变场、组织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。（3 3）共性、通用向专用、特性方向发展共性、通用向专用、特性方向发展 * * *解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题： 压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、连续铸造等特种铸造。 *解决铸件的缺陷消除问题 铸造模拟铸造模拟技术发展趋势技术发展趋势（4 4）重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究 重视在热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得与积累等基础性研究 （5 5）重视物理模拟及精确测试技术重视物

3、理模拟及精确测试技术 （6 6）在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分 *产品、模具CAD/CAE/CAM/RPM系统集成 *与PDM（Product Data Management）系统集成 铸造模拟软件简介铸造模拟软件简介 铸造模拟软件可以对铸件形成过程中流场、温度场进行模拟，并且能够对铸造过程中产生的缺陷（如浇不足，冷隔，缩孔缩松缺陷）进行预测，从而对铸造过程所涉及的工艺参数工艺方案等做出评价和优化，达到降低铸造废品率，节省材料和劳动力，最大可能在降低成本，以

4、及大幅度在缩短铸造工艺定型周期。软件组成及功能软件组成及功能系统功能特点：系统功能特点：（1）软件适合于多材质（铸钢、铸铁、铸造有色合金等），多种铸造方法（普通砂铸、金属型铸造、精密铸造、低压铸造、压力铸造、消失模铸造等）。（2）系统具有开放的数据库体系，包括200多种铸造材料参数并且用户根据需要可以自行添加材料数据库。（3）系统软件中文界面友好、操作方便。 系统运行环境系统运行环境 硬件（推荐配置）：PIV 2.8CPU；内存512M，硬盘40G。 软件：Win2000、WinNT、Window XP等操作系统软件组成及功能软件组成及功能3 3软件产品系列软件产品系列 砂型重力铸造CAE 砂

5、型低压铸造CAE 金属型重力铸造CAE 金属型低压铸造CAE 熔模精密铸造CAE 压力铸造CAE .差压铸造CAE .消失模铸造CAE软件组成及功能软件组成及功能铸造模拟软件铸造模拟软件前处理前处理模型模型建立建立网格剖分网格剖分凝固模拟凝固模拟充型模拟充型模拟缺陷预测缺陷预测模拟计算模拟计算后处理后处理数据库数据库应力模拟应力模拟一铸件的材质和结构 铸件的三维图一铸件的材质和结构 该铸件为火车轴的侧架，铸件的材质为该铸件为火车轴的侧架，铸件的材质为 B B级钢，级钢，（即（即C25C25钢）该铸件属于箱式结构，复杂薄壁钢）该铸件属于箱式结构，复杂薄壁铸件，轮廓尺寸为铸件，轮廓尺寸为2235m

6、m2235mm565mm565mm420mm420mm，质，质量为量为314KG314KG，体积为，体积为4.04.0107mm3 107mm3 。内腔连接。内腔连接筋较多，平均壁厚筋较多，平均壁厚25mm,25mm,最大厚度为最大厚度为31mm31mm。中。中央导框框磨耗板面不加工，外导框间距、滑槽央导框框磨耗板面不加工，外导框间距、滑槽中心多个圆孔等配合面尺寸要求高中心多个圆孔等配合面尺寸要求高 。 二铸造工艺方法的选择 综合分析该铸件，选择用砂型铸造，由于该铸件为大型铸件，结构复杂。外型采用Z2520II型造型机，一箱一件，水玻璃砂；手工制芯，一箱一件 过桥浇注。三分型面选择三分型面选择

7、 分型面在侧架纵向中心平面；为保证侧架滑槽的分型面在侧架纵向中心平面；为保证侧架滑槽的尺寸精度，将其设置在下型，铸号面位于上型。尺寸精度，将其设置在下型，铸号面位于上型。 四工艺参数的确定1 1、铸件最小铸出壁厚：砂型铸造最小铸出壁厚、铸件最小铸出壁厚：砂型铸造最小铸出壁厚为为6 68mm8mm，所以该铸件可以采用砂型铸造。，所以该铸件可以采用砂型铸造。2 2 、铸件最小铸出孔：铸钢件最小铸出孔为、铸件最小铸出孔：铸钢件最小铸出孔为60mm60mm，所以该铸件所有孔都不需要铸出。所以该铸件所有孔都不需要铸出。 3 3、铸件的尺寸公差：规定该侧架铸件一般公差、铸件的尺寸公差：规定该侧架铸件一般公

8、差按按HB6103-1986 CT7HB6103-1986 CT7。4 4、机械加工余量、机械加工余量 ：据：据铸造工艺设计铸造工艺设计表表1-131-13知砂型铸造机械造型铸钢件等级为知砂型铸造机械造型铸钢件等级为E EH H，这里，这里取取H H为为+7mm+7mm。五砂芯设计 根据铸件结构知，需要模样一套，芯盒根据铸件结构知，需要模样一套，芯盒1818个，具个，具体如工艺图上所示，其中下芯顺序为体如工艺图上所示，其中下芯顺序为1717、18-16-18-16-12-712-7、8-98-9、11-1011-10、12-15-212-15-2、3-43-4、5-14-65-14-6、131

9、3 1# 1#芯与芯与16#16#芯不留芯头间隙，其余砂芯上箱芯头芯不留芯头间隙，其余砂芯上箱芯头间隙间隙1mm1mm，下箱芯头间隙，下箱芯头间隙0.5mm0.5mm；砂芯分段部位做；砂芯分段部位做成直面，芯盒做稍板。成直面，芯盒做稍板。 下面的下芯芯座周边做出下面的下芯芯座周边做出R3mmR3mm集砂槽；集砂槽；16#16#减轻减轻如图，如图，7#7#（8#8#）芯做减轻，吃砂量大于）芯做减轻，吃砂量大于50mm50mm。 六浇注系统设计 由于该铸件的材料为由于该铸件的材料为B B级钢，采用转级钢，采用转包式浇注系统，大铸件，从铸件外导框端头引包式浇注系统，大铸件，从铸件外导框端头引入钢液，

10、采用过桥浇注，一箱一件。入钢液，采用过桥浇注，一箱一件。1 1、确定包内直径：采用、确定包内直径：采用10t10t漏包，漏包，45mm45mm包孔浇包孔浇注铸件注铸件 2 2、浇注时间：、浇注时间：t=Q/q=447/42=10.6s,t=Q/q=447/42=10.6s,浇注过程中，浇注过程中，应遵循缓流应遵循缓流全速全速缓收流的浇注原则，且由缓收流的浇注原则，且由于改侧架壁厚偏厚，因此点浇冒口于改侧架壁厚偏厚，因此点浇冒口3 3次。次。3、按包孔断面确定浇注系统各断面、按包孔断面确定浇注系统各断面 采用过桥水口两个内浇道由分型面引入，根据采用过桥水口两个内浇道由分型面引入，根据F孔孔 F直

11、直 F横横 F内内=1：（：（1.82）:(1.82):2确定直浇道、横浇道、内浇道的断面尺寸为：直浇确定直浇道、横浇道、内浇道的断面尺寸为：直浇道为圆形断面道为圆形断面2个个452mm：横浇道为梯形断面：横浇道为梯形断面2个（个（50.60）50mm:内浇道为梯形断面内浇道为梯形断面2个（个（50.60）50mm。直浇道截面示意图直浇道截面示意图内浇道截面图内浇道截面图 外浇道与内浇道尺寸一致外浇道与内浇道尺寸一致 3.6.43.6.4确定各道长度：直浇道高度为确定各道长度：直浇道高度为420mm420mm，横浇，横浇道长度为道长度为170mm,170mm,内浇道长度为内浇道长度为20mm2

12、0mm。七冒口设计1.1.上侧冒口设计：上侧冒口设计：运用模数法运用模数法1 1）铸件模数：）铸件模数：外侧导框结构如图所示外侧导框结构如图所示, ,热节圆直径热节圆直径=34 mm =34 mm , ,则其模数则其模数M M件件= =/2 = 17 mm/2 = 17 mm。2 2）冒口模数：保温冒口的模数）冒口模数：保温冒口的模数 M M保保= 0. 8= 0. 8M M件件= 0. 8= 0. 817 = 13. 6 mm17 = 13. 6 mm。3) 3) 选择冒口：选择冒口：2 # 2 # 保温冒口套的尺寸如图保温冒口套的尺寸如图 所示所示, ,其其模数为模数为14 mm14 mm

13、。M41 # MM41 # M保保, ,因此可以选用。因此可以选用。3、铸件工艺出品率的校核、铸件工艺出品率的校核 八冷铁的设计 分析铸件整体结构,通过view cast模拟结果 ：铸件需要在侧壁安放方形冷铁，冷铁长、宽、高各尺寸分别为30、30、30(单位mm)， 在中央圆凸台上其尺寸大小为直径为40，高度为30mm 圆冷铁第二章 侧架铸件工艺优化一 、三维实体造型 二 、凝固过程计算机模拟 三 、铸件充型过程数值模拟四 、加上浇注系统的模拟一 、三维实体造型运用运用Pro/EPro/E对吊架前侧架铸件及其工艺进行三维实体造型：对吊架前侧架铸件及其工艺进行三维实体造型： 二、凝固过程计算机模

14、拟 运用运用view castview cast软件对铸件进行三维实体网格剖软件对铸件进行三维实体网格剖分，铸件充型流场、温度场等模拟，铸造缺陷预测，分，铸件充型流场、温度场等模拟，铸造缺陷预测，铸造缺陷分析，添加冒口、冷铁等工艺设计及优化。铸造缺陷分析，添加冒口、冷铁等工艺设计及优化。借助该软件，可以实现对铸件形成过程中的流场、借助该软件，可以实现对铸件形成过程中的流场、温度场、热应力场进行模拟，并且能够对铸件生产温度场、热应力场进行模拟，并且能够对铸件生产过程中的缺陷（如浇不足过程中的缺陷（如浇不足, ,冷隔，缩孔缩松等缺陷）冷隔，缩孔缩松等缺陷） 进行预测，从而实现对铸造过程所涉及的工艺

15、参数、进行预测，从而实现对铸造过程所涉及的工艺参数、工艺方案做出评价和优化，达到降低铸造废品率，工艺方案做出评价和优化，达到降低铸造废品率，节省材料和劳动力节省材料和劳动力, , 最大可能的降低成本最大可能的降低成本, , 以及大以及大幅度地缩短铸造工艺定型周期。幅度地缩短铸造工艺定型周期。1、运用view cast软件对原始铸件进行凝固场模拟首先进行网格剖分 网格剖分完成后,开始进行凝固模拟，选择Solver下拉菜单中的Solidification进行个参数的设定，参数设定完成后点开始计算。2 2、加上冒口及冷铁初步模拟，、加上冒口及冷铁初步模拟，分析上图，其顶部凸台位置的冒口颈处还有缺陷，

16、分析上图，其顶部凸台位置的冒口颈处还有缺陷，分析可知其冒口颈太细，需要加大冒口颈，分析可知其冒口颈太细，需要加大冒口颈， 修改工艺后再次模拟 ，结果如图改进冒口以后基本没有大的缺陷了，但图中还有一些小的缺陷，在图中黄色部位容易形成缩松，修改工艺， 加冷铁 三、铸件充型过程模拟三、铸件充型过程模拟首先划分网格，其充型如图所示首先划分网格，其充型如图所示充型充型1% 1% 充型30%充型60%充型100%四、加上浇注系统的模拟 1.加上浇注系统的凝固缺陷图 2、铸件凝固过程模拟凝固15%凝固凝固50%凝固凝固85%凝固凝固98%98%软件组成及功能软件组成及功能4 4具体功能具体功能 （1 1）前

17、处理模块前处理模块 铸造三维工艺组装图软件组成及功能软件组成及功能（2 2）温度场模拟温度场模拟 此模块可以可以判断补缩系统的合理性：计算铸件凝固冷却过程中随时间的温度变化。铸件温度场和凝固过程模拟软件组成及功能软件组成及功能（3 3）流场模拟模块流场模拟模块 随时间流动位置 预测浇不足 随时间压力分布 流动过程温度分布铸件流场和矢量模拟软件组成及功能软件组成及功能（4 4）缺陷预测）缺陷预测缩孔缩松缺陷预测，可定量描述铸件中的缺陷位置铸件缺陷位置预测软件组成及功能软件组成及功能（4 4）材料数据库模块材料数据库模块 建立了各种铸造材质与温度有关的热物理数据，用户也可以添加新材质的热物理参数，

18、如液固相温度、潜热、热容、热传导系数、密度、粘度等。密度参数导热率参数软件组成及功能软件组成及功能（5 5）后处理模块后处理模块 主要实现对温度场、流场及缺陷预测的计算结果进行可视化处理，从而可实现在计算机上可直观显示铸造过程的各种现象。后处理显示形式为： 整体显示结果 不同截面显示结果 流动及凝固动态显示结果 旋转、缩放显示 流动矢量显示 实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例1 1）应应用用实实例例发动机下曲轴箱工艺图发动机下曲轴箱工艺图实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例1 1）应应用用实实例例 发动机下曲轴箱充型模拟发动机下曲轴箱充型模

19、拟实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例1 1）应应用用实实例例发动机下曲轴箱温度场模拟发动机下曲轴箱温度场模拟实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例1 1）应应用用实实例例发动机下曲轴箱凝固过程模拟发动机下曲轴箱凝固过程模拟实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例1 1）应应用用实实例例发动机下曲轴箱致密度预测发动机下曲轴箱致密度预测实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例2 2）应应用用实实例例材料：材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座铸造工艺装配图船用炮座铸造工艺装配图实际生产运用实际

20、生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例2 2）应应用用实实例例材料：材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟船用炮座浇注过程模拟实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例2 2）应应用用实实例例材料：材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟状态图船用炮座浇注过程模拟状态图实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例2 2）应应用用实实例例材料：材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座温度场模拟船用炮座温度场模拟实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例2 2）应应用用实实例例材料：

21、材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟状态图船用炮座浇注过程模拟状态图实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例2 2）应应用用实实例例材料：材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析船用炮座缺陷位置剖析实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例2 2）应应用用实实例例材料：材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析船用炮座缺陷位置剖析实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例3 3）应应用用实实例例材料：材料：CF-8M，铸件模拟工艺和实际生产工艺图，铸件模拟工艺和实际生产工

22、艺图实际生产运用实际生产运用 砂型砂型重力铸造（实例重力铸造（实例3 3）应应用用实实例例材料：材料：CF-8M，铸件模拟缺陷各实际生产剖析对比，铸件模拟缺陷各实际生产剖析对比实际生产运用实际生产运用 砂型砂型低压铸造（实例低压铸造（实例4 4）应应用用实实例例十二缸发动机箱体工艺图十二缸发动机箱体工艺图实际生产运用实际生产运用 砂型砂型低压铸造（实例低压铸造（实例4 4）应应用用实实例例十二缸发动机箱体充型过程模拟十二缸发动机箱体充型过程模拟实际生产运用实际生产运用 砂型砂型低压铸造（实例低压铸造（实例4 4）应应用用实实例例十二缸发动机箱体温度场模拟十二缸发动机箱体温度场模拟实际生产运用实

23、际生产运用 砂型砂型低压铸造（实例低压铸造（实例4 4）应应用用实实例例十二缸发动机箱体凝固过程模拟十二缸发动机箱体凝固过程模拟实际生产运用实际生产运用 砂型砂型低压铸造（实例低压铸造（实例4 4）应应用用实实例例十二缸发动机箱体缺陷位置十二缸发动机箱体缺陷位置实际生产运用实际生产运用 砂型砂型低压铸造（实例低压铸造（实例4 4）应应用用实实例例十二缸发动机箱体实体十二缸发动机箱体实体实际生产运用实际生产运用 熔模精密熔模精密铸造（实例铸造（实例5 5）应应用用实实例例材料：材料：CF-8M，85KG泵壳铸件工艺图泵壳铸件工艺图实际生产运用实际生产运用 熔模精密熔模精密铸造（实例铸造（实例5

24、5）应应用用实实例例材料：材料：CF-8M，85KG泵壳铸件充型模拟泵壳铸件充型模拟实际生产运用实际生产运用 熔模精密熔模精密铸造（实例铸造（实例5 5）应应用用实实例例材料：材料：CF-8M，85KG泵壳铸件凝固过程模拟泵壳铸件凝固过程模拟实际生产运用实际生产运用 熔模精密熔模精密铸造（实例铸造（实例5 5）应应用用实实例例材料：材料：CF-8M，85KG泵壳铸件缺陷预测泵壳铸件缺陷预测实际生产运用实际生产运用 熔模精密熔模精密铸造（实例铸造（实例5 5）应应用用实实例例材料：材料：CF-8M，85KG泵壳铸件缩松预测泵壳铸件缩松预测实际生产运用实际生产运用 高压高压铸造（实例铸造（实例6

25、6）应应用用实实例例材料：铝合金，材料：铝合金，4.5kg压铸铸件工艺图压铸铸件工艺图实际生产运用实际生产运用 高压高压铸造（实例铸造（实例6 6）应应用用实实例例材料：铝合金，材料：铝合金，4.5kg压铸铸件充型过程压铸铸件充型过程实际生产运用实际生产运用 高压高压铸造（实例铸造（实例6 6）应应用用实实例例材料：铝合金，材料：铝合金，4.5kg压铸铸件充型状态压铸铸件充型状态最后充型位置实际生产运用实际生产运用 消失模消失模铸造（实例铸造（实例7 7）应应用用实实例例材料：材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件工艺装配图工程机械后桥铸件工艺装配图实际生产运用实际生产运用 消失模消失模

26、铸造（实例铸造（实例7 7）应应用用实实例例材料：材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件充型模拟工程机械后桥铸件充型模拟实际生产运用实际生产运用 消失模消失模铸造（实例铸造（实例7 7）应应用用实实例例材料：材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件温度场模拟工程机械后桥铸件温度场模拟实际生产运用实际生产运用 消失模消失模铸造（实例铸造（实例7 7）应应用用实实例例材料：材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件凝固过程模拟工程机械后桥铸件凝固过程模拟实际生产运用实际生产运用 消失模消失模铸造（实例铸造（实例7 7）应应用用实实例例材料：材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件缺

27、陷预测工程机械后桥铸件缺陷预测微观组织模拟研究工作微观组织模拟研究工作 中心从2000年开始进行微观组织模拟技术的研究工作，经过3名硕士研究生和 2名博士生的研究，在相场法模拟枝晶生长方面取得了一定的进展。现已着手对多晶粒、多尺度的组织模拟以及共晶合金的形核、生长机理做进一步的探索。t=75000t=65000t=55000t=45000t=35000t=25000t=15000t=5000t=3000t=2000t=500t=100枝晶生长过程模拟结果枝晶生长过程模拟结果首先晶核从圆形转换为方形首先晶核从圆形转换为方形, 接着出现四个主干并且此从生成二次枝晶和三次枝晶接着出现四个主干并且此从生成二次枝晶和三次枝晶 .噪声的影响噪声的影响 (a)(b)无噪声无噪声 (a) 相场相场; (b) 温度场温度场(a)(b)有噪声有噪声 (a) 相场相场; (b) 温度场温度场 枝晶出现一些分支枝晶出现一些分支枝晶是光滑的枝晶是光滑的初始半径的影响初始半径的影响 a. r0=14 b. r0=32 c. r0=54 d. r0=80 初始晶核半径对枝晶形貌的影响初始晶核半径对枝晶形貌的影响研究表明当初始晶核半径足够大时对枝晶形貌无影响研究表明当初始晶核半径足够大时对枝晶形貌无影响时间时间 (s)枝晶尖端半径枝晶尖