鑄造過(guò)程的三維模擬

鑄造過(guò)程包括復(fù)雜的工藝過(guò)程，包括液體流動(dòng)、傳熱、質(zhì)量和證書。為了生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件,鑄造技術(shù)人員應(yīng)該預(yù)先了解這些現(xiàn)象,從而有效地進(jìn)行控制。但是由于這些過(guò)程過(guò)于復(fù)雜以至于無(wú)法僅用理論解析來(lái)解決問(wèn)題。當(dāng)今鑄造工藝設(shè)計(jì)(包括澆注系統(tǒng),冒口和冷鐵)仍沿用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)方法。睜著眼睛造型,閉著眼睛成形,仍然是鑄造生產(chǎn)的真實(shí)寫照。這種傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)法不僅耗時(shí)、耗力、低效,而且不能滿足客戶快速生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件的要求,鑄造工作者迫切需要用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來(lái)替代這些試錯(cuò)和經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法,通過(guò)使用可視化技術(shù),觀察鑄造過(guò)程,從而來(lái)輔助技術(shù)人員進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)。在過(guò)去的幾十年,許多商業(yè)軟件能夠模擬驗(yàn)證已設(shè)計(jì)完成的澆冒系統(tǒng)或已生產(chǎn)的鑄件的鑄造過(guò)程,但不是主動(dòng)地設(shè)計(jì)鑄造工藝。研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到模擬技術(shù)不僅是用于被動(dòng)驗(yàn)證而且要主動(dòng)地用于設(shè)計(jì)鑄造工藝。研究開發(fā)的Experto-ViewCast是一個(gè)基于實(shí)驗(yàn)的有限體積三維模擬技術(shù),可以模擬鑄件充型和凝固過(guò)程,獨(dú)創(chuàng)的澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計(jì)等實(shí)用模塊,使數(shù)值模擬從被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng),從單一的模擬驗(yàn)證走向輔助鑄造工藝設(shè)計(jì),成為鑄造工程技術(shù)人員必備的日常工具。本文用一實(shí)例介紹了如何利用這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)幫助技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)上完成鑄造工藝設(shè)計(jì)。1虐待設(shè)計(jì)1.1鑄造工藝的要求傳統(tǒng)的冒口設(shè)計(jì)是基于模數(shù)(冷卻表面/體積)法,也就是冒口的尺寸是由鑄件被補(bǔ)縮部分的模數(shù)來(lái)決定的。但是在很多情況下,尤其是復(fù)雜的鑄件,計(jì)算鑄件的模數(shù)是很困難的,甚至模數(shù)法無(wú)法工作。事實(shí)上冒口計(jì)算并不復(fù)雜,它必須滿足以下條件:(1)冒口和冒口頸的凝固時(shí)間應(yīng)該大于或等于鑄件的凝固時(shí)間以保證補(bǔ)縮通道的暢通(能量條件);(2)冒口中必須要有足夠的液體金屬補(bǔ)縮鑄件(體積要求);(3)冒口的勢(shì)能應(yīng)該高于被補(bǔ)縮鑄件的勢(shì)能(勢(shì)能要求)。如果能知道鑄件和冒口的凝固時(shí)間和鑄件被補(bǔ)縮的體積,冒口設(shè)計(jì)的問(wèn)題就迎刃而解了。模擬技術(shù)可以提供鑄件凝固過(guò)程的信息。Experto-ViewCast根據(jù)鑄件材質(zhì),鑄型類別和澆注溫度開發(fā)了一個(gè)包括不同冒口和冒口頸尺寸的凝固時(shí)間數(shù)據(jù)庫(kù),并建立了冒口,冒口頸與鑄件在不同材質(zhì)情況下的關(guān)系式。當(dāng)已知被補(bǔ)縮鑄件的凝固時(shí)間,被補(bǔ)縮體積及冒口形狀,冒口模塊會(huì)計(jì)算出相應(yīng)的冒口和冒口頸尺寸及數(shù)量。1.2冒口的設(shè)計(jì)和模擬分析鑄件的縮孔縮松缺陷是由鑄件本身的形狀和結(jié)構(gòu)決定的。合理和自然的方法是,首先對(duì)一個(gè)不帶任何澆注系統(tǒng)和補(bǔ)縮系統(tǒng)的鑄件本體進(jìn)行凝固過(guò)程計(jì)算,從而獲得鑄件熱節(jié)(凝固時(shí)間)和鑄件縮孔縮松缺陷的分布,根據(jù)被補(bǔ)縮部位的凝固時(shí)間和體積,用冒口模塊計(jì)算出相對(duì)應(yīng)的冒口和冒口頸的尺寸和數(shù)量。冒口的加入會(huì)改變鑄件的溫度場(chǎng)分布和凝固過(guò)程,所以必須進(jìn)行鑄件加補(bǔ)縮系統(tǒng)的凝固過(guò)程計(jì)算,檢查冒口是否有效地起作用,需要的情況下修改冒口或冒口頸的大小和位置。有的情況下,盡管冒口足夠保證凝固時(shí)間和補(bǔ)縮量,但由于鑄件的結(jié)構(gòu)阻礙了補(bǔ)縮通道,必須調(diào)整鑄件的結(jié)構(gòu),或用冷鐵或補(bǔ)貼來(lái)幫助冒口更有效地消除縮孔縮松缺陷。盡管冷鐵無(wú)法直接補(bǔ)縮,但它可以移動(dòng)熱節(jié)的位置,改變鑄件的凝固時(shí)間。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行反復(fù)修改、調(diào)整和模擬,直到獲得一個(gè)滿意的結(jié)果。圖1是一個(gè)閥體球鐵鑄件的三維模型(STL格式),以此STL文件作為模擬的輸入文件。一旦選擇了澆注位置、鑄型材料和澆注溫度,就可以進(jìn)行鑄件的模擬。圖2用X射線的形式顯示了鑄件縮孔縮松缺陷的分布,由于沒(méi)有冒口,只要鑄件的上部沒(méi)有凝固,在重力的作用下,鑄件的上部就會(huì)補(bǔ)償鑄件的收縮,一旦補(bǔ)縮通道被阻,鑄件內(nèi)部的隔離區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生缺陷。圖3顯示了鑄件的凝固時(shí)間分布。模擬結(jié)果顯示,在沒(méi)有澆注系統(tǒng)的情況下至少需要一個(gè)冒口。根據(jù)鑄件的凝固時(shí)間和被補(bǔ)縮的體積,冒口計(jì)算模塊(見圖4)給出了冒口和冒口頸的尺寸及數(shù)量。首先把冒口放置在與缺陷較近的中間法蘭處(圖5),模擬計(jì)算的縮孔縮松缺陷如圖6所示,鑄件仍有缺陷。通過(guò)分析液體金屬停止流動(dòng)補(bǔ)縮的時(shí)間,可以知道由于中間法蘭較薄,冒口過(guò)早地停止給鑄件提供補(bǔ)縮(圖7)。修改的方案是把冒口移到較厚的邊法蘭上,圖8顯示了計(jì)算的結(jié)果,用此設(shè)計(jì)冒口可以完全補(bǔ)縮鑄件的收縮。還可以進(jìn)一步改變冒口和冒口頸的尺寸,直到獲得一個(gè)優(yōu)化的補(bǔ)縮系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)完全可以替代在鑄造現(xiàn)場(chǎng)的試錯(cuò)法。2灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1澆注系統(tǒng)要求在設(shè)計(jì)完補(bǔ)縮系統(tǒng)后,可以根據(jù)鑄件臨界壁厚、鑄型類別和澆注溫度等條件進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是:(1)根據(jù)鑄件材質(zhì)的類型,液體金屬進(jìn)入鑄件型腔的速度應(yīng)控制在50~70cm/s,以避免液體金屬表面紊流和飛濺;(2)在充型過(guò)程中應(yīng)保持整個(gè)澆注系統(tǒng)是充滿的,以防止吸氣、二次氧化和渣卷入;(3)能保證充滿鑄型以避免鑄件出現(xiàn)冷隔和澆不足;(4)滿足鑄型壽命和生產(chǎn)周期的要求。合理的澆注時(shí)間應(yīng)該由澆注系統(tǒng)來(lái)決定,而不是由澆注工來(lái)決定,澆注工的任務(wù)是盡快澆注,確保澆口杯充滿以保持澆注高度。合適的澆注系統(tǒng)也可以替代冒口起補(bǔ)縮作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證生產(chǎn)合格鑄件的關(guān)鍵,許多鑄件的缺陷,比如冷隔、澆不足、氣體和渣的卷入、氧化薄膜等,是不合理的或錯(cuò)誤的澆注系統(tǒng)造成的。2.2封閉—兩種澆注系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果比較為了證明澆注系統(tǒng)的重要性,用兩種不同的澆注系統(tǒng)進(jìn)行充型試驗(yàn):一種是封閉—開放式澆注系統(tǒng),它的最小截面積位于直澆道的底部(見圖9);另一種是封閉式澆注系統(tǒng),它的最小截面位于內(nèi)澆道。鑄件是厚200mm×200mm×4mm的平板,澆注高度大約是350mm(從最小截面到澆口杯)。鑄型的一半是由一塊耐熱玻璃替代,用鐵液進(jìn)行澆注,充型過(guò)程由高速電影攝影機(jī)記錄。同樣的試驗(yàn)也可以用X-射線的方法獲得。直澆道底部的液體金屬速度(υ)是由澆注高度(H)和沿程能量損失因子(B)決定的,液體金屬經(jīng)過(guò)一個(gè)帶斜度的直澆道的能量損失因子是1.25,這樣:式中:g為重力加速度。在采用封閉—開放式澆注系統(tǒng)時(shí),澆注時(shí)間僅取決于最小截面和澆注高度,橫澆道中的液體金屬速度可以通過(guò)改變橫澆道的截面來(lái)控制,在一定的澆注速率下,增加橫澆道截面積會(huì)降低液體金屬的速度。本例中盡管直澆道底部液體金屬的速度是2.1m/s,但通過(guò)調(diào)整橫澆道截面可以降低液體金屬速度,使液體金屬以比較平穩(wěn)的狀態(tài)進(jìn)入鑄件。圖9是一個(gè)封閉—開放式澆注系統(tǒng)的充型過(guò)程(沒(méi)有表面紊流)。但是在封閉式澆注系統(tǒng),液體金屬進(jìn)入鑄型的速度取決于澆注高度和能量損失因子,改變內(nèi)澆道截面積,只改變了澆注時(shí)間。在此試驗(yàn)中,大于2m/s的液體金屬進(jìn)入鑄型產(chǎn)生了如圖10所示的紊流、飛濺和卷氣現(xiàn)象。圖11比較了兩種澆注系統(tǒng)(不同液體速度)對(duì)鑄件最終質(zhì)量的影響,可以證明控制液體金屬進(jìn)入鑄件型腔的速度是設(shè)計(jì)一個(gè)好的澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵。2.3無(wú)冒口澆注系統(tǒng)和凝固模擬對(duì)于圖1所示的閥體鑄件,根據(jù)型板的尺寸,一箱可以澆注4個(gè)鑄件。用Experto-ViewCast澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)模塊(圖12)計(jì)算了一個(gè)封閉—開放式的澆注系統(tǒng)。把設(shè)計(jì)的直澆道尺寸與冒口比較,發(fā)現(xiàn)有可能用澆注系統(tǒng)替代冒口,模擬后通過(guò)修改澆注系統(tǒng)的尺寸(加大內(nèi)澆道),可以用澆注系統(tǒng)替代冒口。圖13是無(wú)冒口的澆注系統(tǒng),凝固模擬(未經(jīng)充型)的計(jì)算結(jié)果如圖14所示,鑄件無(wú)縮孔縮松缺陷,此鑄件可實(shí)現(xiàn)無(wú)冒口鑄造。進(jìn)行充型過(guò)程模擬,圖15是充型過(guò)程和結(jié)束時(shí)的溫度場(chǎng),從充型過(guò)程來(lái)看,液體金屬以低的速度進(jìn)入鑄件型腔,充型方式平穩(wěn)。充型過(guò)程明顯地影響了鑄件和鑄型的溫度分布,對(duì)于閥體鑄件,充型后的溫度場(chǎng)更有利補(bǔ)縮。圖16是用充型后繼續(xù)凝固過(guò)程計(jì)算的X-射線結(jié)果,可以獲得無(wú)鑄造缺陷的鑄件。在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)完成閥體鑄件鑄造工藝,可以進(jìn)行實(shí)際鑄造,一次鑄造成功。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念,成為許多鑄造廠進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的工具。一天可以設(shè)計(jì)兩個(gè)上述相類似的工藝。3冒口及其鑄件質(zhì)量閥體鑄件的原來(lái)鑄造工藝設(shè)計(jì)是基于經(jīng)驗(yàn)和試錯(cuò)法,其在工廠使用的鑄造方案及模擬結(jié)果如圖17所示,僅2個(gè)鑄件在鑄型中,并且每個(gè)鑄件放置2個(gè)冒口以保證鑄件質(zhì)量。顯而易見,用Experto-ViewCast設(shè)計(jì)的一箱4件無(wú)冒口鑄造方案,生產(chǎn)效率和回收率大大提高,返回料從53%降到了34%,節(jié)省了能源,提高了效率。4封閉—結(jié)論借助于模擬技術(shù),用鑄件凝固時(shí)間替代模數(shù)法設(shè)計(jì)鑄件補(bǔ)縮系統(tǒng)是一種直接和有效的方法,不同的液體金屬進(jìn)入鑄件型腔的速度會(huì)影響最終的鑄件質(zhì)量,控制其速度是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵,封閉—開放式澆注系統(tǒng)可以在不改變澆注時(shí)間的情況下,保證平穩(wěn)充型。本文鑄造工藝設(shè)計(jì)實(shí)例清晰地闡明