铸钢芯盘的铸造工艺设计

铸钢芯盘的铸造工艺设计

通过将金属高温氧化到封闭的腔中，可以获得所需零件的复杂热态。整个过程难以实时观察，间接测试也非常困难。传统材料的铸造工艺设计建立在试错基础上,很难体现出科学性;由于试错法的试验周期长、成本高,所以这种设计方法越来越不能与现代化生产相适应。计算机模拟技术提供了一种更有效的设计浇注系统的方法,这样铸造过程就可以在计算机上进行模拟来实现,即降低了成本,也缩短了试验的周期。以往的计算机程序大多数都是对传统工艺进行模拟并改进,很难单独利用计算机进行铸件补缩系统和浇注系统的设计。比利时WTCM铸造中心采用有限体积法开发了ViewCast软件,该程序能够对充型凝固过程流体流动与传热过程进行耦合模拟,并且能够通过模拟结果进行浇注及补缩系统的设计。研究中,采用ViewCast对铸钢芯盘进行补缩及浇注系统的设计。1充型过程模拟金属液的流动过程通过Navier-Stokes方程和连续方程进行计算,传热过程通过传导和对流控制。公式如下:式(1)和(2)中,ρ为流体密度,t为时间,μ为动力黏度,P为压力,g为重力加速度,V为速度向量,Φ为速度分量。方程(3)中,T为温度,c为常压下的比热,k为导热率,E为熔化潜热。通过表示液体百分数的F函数来控制液态金属自由表面:F=0时,表示该元素为空;F=1时,表示该ViewCast元素中充满液体;0<F<1时,表示该单元为自由表面。在这种模型中,金属液和空气之间的界面为不连续的自由表面。函数F通过式(4)进行计算表面拉应力Pst,通过各方向自由表面辐射线的弧度进行计算。根据弧度值进行表面拉应力计算的公式如式(5)所示。式中,σ为液体金属表面的拉力,ri、rj、rk为各个坐标轴上的弧度,sign(+,-)分别表示凸出或凹下的表面。将表面拉应力加到Navier-Stokes方程式(1)后,将使压力梯度发生改变并影响速度场。采用有限体积法离散控制方程,矩形网格结构来代替铸件和铸型,最后,所有的有限体积变成为三个坐标轴方向上的变量。在每个单元中,用错开的栅格来描述控制方程,用上差分代替中心差分进行对流计算,并用SOLA算法来计算速度压力修正量。该程序还能够预测充型过程的冷隔现象,模型是基于液态金属的临界固相分数建立的。充型过程中,液态金属开始降温,当固相分数超过临界值后,该元素处的金属就停止流动,这样就会预测出冷隔缺陷。2凝固过程及缺陷预测传统的补缩系统是基于模数法进行设计的,但是对于复杂的铸件的模数很难进行计算,因此无法利用模数法进行补缩系统的设计。采用计算机辅助设计使补缩系统的计算变得很容易实现。为了保证补缩的顺利进行,冒口的凝固时间应该大于铸件的凝固时间;另外冒口处必须有足够的金属液对铸件进行补缩,金属液的量通过试验得出。由于传统的设计过程无法得出铸件的凝固时间,因此就无法采用该方法进行计算,计算机模拟技术的产生,使得整个凝固过程都可以通过计算机来进行观察。ViewCast软件中建立了铸钢冒口的数据库,包括冒口的凝固时间和冒口径的尺寸,计算出铸件的凝固时间后,便可以计算出冒口和冒口径的尺寸。首先对铸件进行凝固计算,根据热节数和缩孔分布可以计算出需要冒口的数目;根据铸件凝固时间和所需要补缩的体积,计算出冒口和冒口径的尺寸。由于在铸件上添加冒口后,凝固过程受到影响,进而影响缺陷的分布,因此将铸件及其补缩系统结合起来进行凝固模拟,并观察缺陷的分布。如果铸件及补缩系统凝固后仍然在铸件中出现缺陷,就对冒口及冒口径进行改进,直到得到最佳的补缩系统。铸钢芯盘的几何模型(STL文件)如图1所示,将STL文件导入ViewCast软件,对铸件进行凝固过程模拟并预测铸件中缺陷。缩孔缺陷预测的结果如图2所示,铸件的凝固时间如图3所示。从模拟结果可以看出至少需要两个冒口对铸件进行补缩。根据凝固时间和所需要补缩的体积,计算出冒口和冒口径的尺寸。根据计算结果绘制出两个顶冒口如图4所示。虽然通过程序计算出了冒口及冒口径,但由于冒口与铸件相互影响,必须再进行模拟以判断缺陷的位置及大小,如果结果不符合要求再进行修改。铸件及补缩系统的缩孔缺陷预测结果见图5。模拟结果表明,两个冒口能够有效的对铸件进行补缩。3初始模拟结果根据铸件及补缩系统的模拟结果进行浇注系统设计。首先计算出铸件的临界体积,根据冒口及整个铸件的高度确定浇道高度,由此可算得充满临界体积的最短时间,再根据该时间计算出阻流截面面积。将阻流截面设置在直浇道的底部,整个铸件的充型时间由该截面确定;横浇道放在内浇道的下端,保证充入内浇道的金属液是平稳的。根据设计结果绘制出铸件、补缩系统及浇注系统如图6所示。对铸件进行充型过程模拟,模拟结果如图7所示。从图7中可以看出:金属液充满横浇道后才通过内浇道进入铸件,减小了金属液与空气的接触,从而减小了钢液的氧化;金属液充入铸件后在底部交汇,然后开始平稳充型,没有出现较大飞溅和卷气;随着充型过程的不断进行,充型过程更加平稳。充型过程模拟结果表明,采用计算机设计的浇注系统能够满足生产的要求。充型结束时,铸件中的温度场如图8所示。从图8中可以看出,充型结束时铸件中的温度场分布不均匀,因此需要对铸件重新进行凝固过程模拟。计算后,铸件中的缺陷如图9所示,从图中可以看出经过充型凝固后铸件中没有出现缩孔缺陷。通过以上过程可以看出,利用ViewCast软件进行浇注及补缩系统的设计,得出了较为合理的浇注补缩系统。根据模拟的结果进行了生产验证,图10是采用新工艺生产的铸件,通过实际的生产可以看出,经过工艺改进后得出的铸造工艺方案是合理、可行的,能够浇注出健全的、表面质量良好的铸件,经粗加工及X射线探伤检验,没有缩孔缩松缺陷,组织致密。4算机辅助设计的应用采用ViewC