铸造cae软件在铸造工艺中的应用

铸造cae软件在铸造工艺中的应用

在铸造工艺的设计过程中，幻想设计包括大量复杂的数学计算、表格、图纸和修改。大多数中国的造船厂都依赖自己的经验和手动图纸。近年来,虽然有很多铸造工作者一直致力于CAD系统的开发,但大多数都是从绘图的方便性上进行研究,如使用ARX对AutoCAD系统进行二次开发,使用ProE的二次开发工具对其进行三维方面的二次开发等。这些研究虽然可以大大加快工艺图形的绘制过程,但是对工艺设计方面的帮助少之又少。除此之外,还有一些研究所和大学开发了铸造工艺CAD的模块,但在使用时需要输入模数、壁厚等参数,而这些参数的计算合理与否直接影响到设计结果的优劣。侧重于凝固过程模拟的商品化铸造CAE软件系统近年来在我国发展比较迅速,如恒利公司的CASTSOFT、清华大学的FT-Star系统已比较成熟,带给用户可观的经济效益,但是这些软件只能帮助工艺人员来检验工艺是否合理,而不能帮助工艺人员进行工艺设计,而本文提供的软件开发思路刚好可以帮助工艺人员使用CAE进行冒口系统的设计。1凝固时间的计算及设计步骤铸钢是趋于逐层凝固的合金,其常用的冒口设计方法主要有热节圆法、模数法、三次方程法、热模数法等。热节圆法计算冒口是利用被补缩处热节圆直径,根据经验按一定比例放大即得到所求圆柱形冒口直径或腰圆形冒口宽度。而模数法是利用公式M=V/S计算铸件的凝固时间,其中V为铸件的体积,S为铸件的散热面积。与热节圆法相比,由于模数法相对考虑了铸件的结构形状对散热条件的影响,因而在估算铸件凝固时间方面比热节圆法及经验法更为准确,所以模数法在铸造领域里得到了广泛的推广应用。但是模数法无法摆脱人为分块造成的影响,只能采用较高的比例系数来满足补缩要求。腾飞,范柳光等人提出了热模数法的方法,在模数法的基础上考虑了铸型条件和铸件的过热度等因素对铸件凝固时间的影响。这与模数法相比有了一定的进步,但是仍然是处于估算阶段,而且无法预测各个热节部位的相互影响。而借助于CAE软件可以准确的得到各补缩区域的凝固时间和该区域的收缩缺陷大小,那么就可以根据该部位的凝固时间和存在的缺陷大小来设计冒口和冷铁了。基于CAE软件进行冒口设计的步骤:(1)在不加任何冒口、冷铁等工艺的条件下,计算铸件的各孤立区的凝固时间和收缩体积;(2)根据各个孤立区的位置、缺陷大小和凝固时间,设计并布置相对应的冒口;(3)对增加了冒口、冷铁等工艺的铸件进行凝固过程计算,并预测铸件中是否有缺陷;(4)若增加了工艺的铸件中没有任何缺陷或者可以达到使用要求的,再进行浇注系统设计;若铸件中仍然存在缺陷,根据缺陷位置和大小,返回(2)重新设计和布置冒口、冷铁等。基于CAE软件进行冒口设计的流程如图1所示。2cae系统的设计冒口的设计包含两部分的内容,一是冒口的放置位置,二是冒口尺寸的计算。用铸造CAE系统进行冒口设计,这个两个问题都可以同时解决。在进行冒口设计之前,首先需要对铸件零件的凝固过程进行模拟计算,计算的目的是确定铸件的热节位置、凝固时间和铸件的收缩量,为冒口设计提供数据。冒口设计流程如图2所示。2.1凝固过程的确定一般来说冒口应放在铸件的最高位置或者是被补缩部位的附近。我们可以首先使用铸造CAE软件计算铸件的温度场分布,在此基础上计算出铸件在凝固过程中的孤立区域以及其各孤立区的最后凝固位置。然后在该部位选择合适的地方放置冒口,或者依据其在铸件的顶部还是底部来确定是明冒口还是暗冒口,如果该孤立区是处于铸件底部那么选择暗冒口,如果该孤立区处于铸件的顶部则可以选择暗冒口也可以选择明冒口。2.2冒口凝固时间铸件的凝固时间与模数之间存在关系:其中k为凝固系数,与铸件和铸型的热物理性质有关,同种条件下的凝固系数相同。冒口要起到补缩作用首先应满足冒口的凝固时间应大于或者等于铸件或者铸件被补缩部位的凝固时间,即:根据关系式(1)、(2)以及冒口的特征,可以计算出冒口的尺寸。除了满足关系式(2)之外,冒口应存在足够的液体量,以补缩铸件和冒口本身的收缩,即:式中:V冒为冒口的体积;V件为铸件或者被补缩部位的体积;ε为金属在液态和凝固期的总体积收缩率(%)。冒口尺寸用关系式(3)进行校核,如果不满足,应在满足模数关系的条件下,加大冒口尺寸。2.3分块凝固的要求在铸件小热节部位,可以采用冷铁消除热节,达到顺序凝固或者是分块凝固的要求。这时需要先进行冷铁设计,形成铸件是顺序凝固或者分块凝固,再进行冒口设计,以便充分考虑冷铁对凝固过程的影响。具体冷铁设计过程参考铸造手册、铸造工艺分册或者铸造工艺学。2.4冒口的选择为了便于用户直接使用,本文根据铸造手册,建立了标准通用冒口库,如图3所示。冒口分为标准边冒口、标准球形冒口、标准腰形明冒口、标准腰形暗冒口、标准圆柱形明冒口和标准圆柱形暗冒口等,用户可以根据模拟结果,直接选择冒口。对于非标准冒口设计,用户可以根据由凝固时间反算出来的当量模数进行冒口设计,并在三维绘图软件上绘制。3浇注口的确定对于如图4所示的法兰铸件,铸件尺寸为570mm×659mm×652mm,铸件质量为435kg,采用重力砂型铸造方法进行生产。在进行冒口设计之前,需要对铸件进行初次模拟,计算出铸件的收缩体积和最后凝固部位的模数。法兰铸件最后凝固部位如图5所示。由图可以看出,需要补缩的区域分为两个部分,需补缩部位1的模数为17.92mm,需补缩部位2的模数为23.5mm,收缩体积分别为1.29×106mm3、4.29×105mm3,如图6所示。CAD设计程序读入计算结果如图7所示。从数据库中获得被补缩区域1的冒口尺寸为150mm×300mm×225mm,被补缩区域2的冒口尺寸为120mm×180mm×150mm。把设计所得的冒口加入铸件中,如图8所示。采用CAE软件进行模拟计算,发现缺陷全部留在冒口中,如图9,设计合理。4cae软件在确定初始冒口的应用用凝固时间法计算的冒口符合实际铸造过程,它是铸件真实凝固过程的再现,避免了人为分块进行模数计算造成的误差,大大地提高了设计的精度,降低了工艺设计人员的劳动强度,具有以下优点:(1)结合CAE软件计算出了热节部位的凝固