基于procas的铸造过程仿真分析

基于procas的铸造过程仿真分析

先进制造技术的一个重要发展趋势是，工艺设计从经验的评价转向定量分析，并在热加工过程中应用数值模型，确定工艺参数。优化工艺方案，预测过程中可能出现的缺点和预防措施，以实现高质量、高效、低效率的目标。计算机模拟是使包括铸造在内的热加工工艺研究从“定性”走向“定量”、从“经验”走向“科学”的重要标志。ProCAST软件是美国UES(UniversalEnergySystem)公司开发的铸造过程仿真分析软件,是针对铸造过程进行流动一传热一应力耦合作出分析的系统,由于采用基于有限元(FEM)的数值计算方法,特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象大齿轮是某重机厂设计的动力传动关键零件,在机器中主要用来传送扭矩。铸件不许有缩孔、缩松,内外表面不许有气孔、砂眼、夹砂、渣孔和粘砂等缺陷,周身需经探伤检验,质量要求较高。本文采用ProCAST软件从补缩能力方面对铸钢大齿轮铸件的工艺方案进行了验证,验证结果证明了原工艺方案在补缩能力方面的可行性,从而达到缩短试制周期,降低成本的目的。1proctor技术模拟铸造过程ProCAST主要有八个模块组成:有限元网格划分模块;基本模块-传热分析及前后处理模块;流动分析模块;应力分析模块;热辐射分析模块;显微组织分析模块;电磁感应分析模块;反向求解模块。这些模块既可以一起使用,也可以根据用户需要有选择的使用。ProCAST具有以下特点:①ProCAST采用基于有限元(FEM)的数值计算方法,与有限元差分法(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。②在铸造过程分析方面,ProCAST提供了能够考虑气体、过滤、高压、旋转等对铸件充型的影响,能够模拟出气化模铸造、低压铸造、压力铸造、离心铸造等几乎所有铸造工艺的充型过程,并能对注塑、压制粉末等的充型过程进行模拟;在传热分析方面,ProCAST能够对热传导、对流和辐射等三种传热方式进行求解,另外,使ProCAST擅长于解决精铸及单晶铸造问题;在应力分析方面,通过采用弹塑性和粘塑性及独有的处理铸件/铸型热和机械界面的方法,使其具有分析铸件应力、变形的能力;在电磁分析方面,ProCAST可以分析铸造过程所涉及的感应加热和电磁搅拌等。以上的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③ProCAST以模拟铸造过程的基本功能划分模块,而不以铸造方法进行模块划分。各模块根据可靠数据不仅能模拟铸造过程,还能够模拟出热处理和焊接等方面的问题。这极大地方便了用户,使用户可以灵活地应用软件解决多种工艺问题。ProCAST的前后处理完全基于OSF/Motif的ProCAST的用户界面,通过提供交互菜单、数据库和多种对话框完成用户信息的输入,ProCAST具有全面的在线帮助,具有良好的用户界面。④ProCAST通过提供和通用机械CAD系统的接口,直接获取铸件实体模型的IGES文件或通用CAE系统的有限元网格文件。ProCAST还可以将模拟结果直接输出到CAD系统接口,尤其可以通过I-DEAS直接读取ProCAST结果文件.这使得ProCAST极易与具有设计、加工的CAD/CAM/CAE系统相集成,实现数据共享,大幅度提高铸造生产率.⑤ProCAST可以在基于UNIX操作系统的工作站上运行,也可以运行在基于Windows/NT的微机上。2铸件结构及热节铸钢大齿轮(图1)顶圆直径Φ1334.4mm,单辐板,靠近轮毂部分辐板较薄,只有40mm厚,一侧分布有六条25mm厚的筋条。辐外围稍厚,70mm。考虑加工余量后,铸件轮缘及中央轮毂较厚大。轮缘和辐板交接处形成热节,热节圆直径达Φ140mm;铸件和辐板交替处形成热节圆直径为Φ80mm。因此,该齿轮可分为三部分:厚实的中央轮毂、薄壁的辐板和厚大的轮毂。技术要求,该铸件加工前应正火,硬度达到160～210HB。铸件不许有缩孔、缩松、内外表面不许有气孔、砂脸、夹砂、渣孔和粘砂等缺陷。2.1辐板凝固和补缩①凝固顺序的选择。铸钢的体收缩率大,且齿轮的轮缘和轮毂部分厚大,与辐板交接处形成热节区,很容易形成缩孔、缩松缺陷。因此,采用顺序凝固原则铸造。在轮毂、轮缘上分别安置冒口。浇注后,薄壁的辐板先凝固,其液态和凝固收缩分别由厚壁的轮缘和轮毂处的钢液补给,冒口最后凝固,用来补给轮缘及轮毂处凝固时所需的钢液,以便消除缩孔、缩松。②凝固位置和分型面的确定。由于70mm厚的辐板及6条筋板都偏向一侧,在轮毂上方安放冒口,6条筋可以起到增加补缩通道的作用,能更有效地对40mm辐板处进行补缩。对轮缘而言,对70mm辐板处,由于补缩距离较近而更有效,因此,采用如图1所示浇注方案。图2为齿轮铸件的铸造工艺系统简图。轮缘冒口数量、轮缘冒口补贴、轮缘冒口尺寸、轮毂冒口尺寸等的详细计算均参考文献。2.2冒口边界层作用区长度依文献,轮缘部分可看作宽195mm、厚140mm的杆,查得冒口的补缩距离约为170mm。而实际上每个冒口的单边作用区长度/为:式中D——热节圆中心线直径,1230mm;A——胃口根部长度;K——水平补贴长度,K=70mm。将D、A、K代入(1),得/≈170mm,验算结果表明,用4个腰圆胃口正好满足要求。2.3计算车轮衬底的填充距离设冒口能补缩铸件部分的最大重量为:依文献,验算结果表明,轮毂冒口补缩能力足够。3补缩通道不通畅图3～图8分别为300step、350step、400step时,四个轮缘冒口、一个轮毂胃口的工艺方案从多方位的截面剖视来验证补缩通道是否畅通的模拟结果。可以看出,无论是纵向还是横向,在整个固相分数增加的过程中,补缩通道一直是畅通的,最后凝固部位被推移到冒口中,说明所设计的冒口能够充分的满足补缩的需要。上述结果表明,四个轮缘冒口、一个轮毂冒口可以满足补缩需要。下面将轮缘冒口减少到三个,图9、10分别为255step时从多方位的截面剖视来验证补缩通道是否畅通的模拟结果。可以看出,此时,补缩通道不畅通。由此可知,三个轮缘冒口、一个轮毂冒口不能充分地满足补缩的需要,此结论进一步验证了四个轮缘冒口、一个轮毂冒口工艺在补缩能力方面的正确性。4冒口工艺方案的验证本文采用ProCAST软件,对铸钢