| 展廳11
鑄造機械/壓鑄設(shè)備展廳造型機, 壓鑄機, 消失模鑄造設(shè)備, 混砂機, 烘砂機, ... |
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1 前言
鑄造是國民經(jīng)濟的重要產(chǎn)業(yè)部們之一，它反映了一個國家制造工業(yè)的規(guī)模和水平。隨著航空、航天、船舶、汽車、機械等各行業(yè)的蓬勃發(fā)展，大型復(fù)雜鑄件的需求量越來越大，對鑄造金屬的性能及鑄件本身的可靠性等要求越來越高。先進制造技術(shù)的發(fā)展，要求鑄件的生產(chǎn)向輕型化、精確化、強韌化、復(fù)合化及無環(huán)境污染方向發(fā)展。
CAD/CAE技術(shù)的飛速發(fā)展及其在鑄造生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，可以通過對制造工藝過程進行數(shù)值模擬及仿真，使得上述目標得以實現(xiàn)。這項工作以數(shù)值計算為基本方法，對鑄造過程中流場、溫度場、應(yīng)力場及微觀組織形貌進行模擬，從而幫助工藝設(shè)計人員對不同時刻的金屬流態(tài)、凝固過程溫度分布、應(yīng)力分布、結(jié)晶晶粒尺寸形貌等重要物理參數(shù)有所了解，并以此為依據(jù)，預(yù)測是否有縮孔、疏松、夾雜、偏析及熱裂紋等缺陷出現(xiàn)，可以實現(xiàn)鑄造工藝設(shè)計——校核——再設(shè)計——優(yōu)化設(shè)計的全過程，以提高鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高市場竟爭能力。同時，用計算機等高新技術(shù)來改造制造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)是國內(nèi)外科學(xué)技術(shù)發(fā)展的共同趨勢，是鑄造領(lǐng)域的學(xué)科前沿，也是鑄造工藝由“經(jīng)驗設(shè)計”走向“科學(xué)指導(dǎo)”的重要途徑，具有重大的實際意義。
2 CAD的生產(chǎn)實際應(yīng)用
2.1 產(chǎn)品技術(shù)信息的收集、處理和數(shù)字化
創(chuàng)建某柴油機機身（見圖1）的模型與產(chǎn)品技術(shù)信息庫，首先對此產(chǎn)品的技術(shù)信息進行全面收集、處理并使技術(shù)信息數(shù)字化，如產(chǎn)品各部分的設(shè)計基準、參照基準在哪里，這是以后加工基準和裝配基準的基礎(chǔ)；之后分析各部分結(jié)構(gòu)的幾何形狀特征、相互依賴關(guān)系，這些是構(gòu)成設(shè)計產(chǎn)品的基本要素，其占據(jù)空間的尺寸形狀、位置至關(guān)重要；還有產(chǎn)品設(shè)計的材料設(shè)定、單位設(shè)置等相關(guān)設(shè)計意圖的獲取建立。
圖1 某機身鑄件的建模
2.2 工藝設(shè)計
在正確領(lǐng)會設(shè)計圖紙意圖后建立產(chǎn)品模型，建立工藝信息庫，設(shè)計出鑄件的澆注系統(tǒng)、冒口、冒口套、內(nèi)外冷鐵等，并進行工藝系統(tǒng)建模（見圖2）。
圖2 某機身工藝系統(tǒng)建模
某機身鑄造澆注系統(tǒng)模型（見圖3）：底腳板面朝上，缸孔面朝下。澆口窩尺寸為φ120 xφ100 x 90；直澆道尺寸為φ90；橫澆道矩形截面尺寸為80 x 70/R8 x 60；內(nèi)澆口截面尺寸：φ28；詳見下圖。
圖3 某機身澆注系統(tǒng)建模
某機身鑄件冷鐵模型（見圖4）：使用冷鐵62種，總計886塊，詳見下圖。
圖4 某機身冷鐵建模
某機身鑄件冒口模型（見圖5）：底腳板面兩排18個冒口，各冒口尺寸同為φ195 x 325，冒口頸尺寸同為80 x 60 x 40；缸孔面有九組冒口，各組球形冒口尺寸同為SR95；詳見下圖。
圖5 某機身冒口建模
某機身鑄件冒口套模型（見圖6）：總計兩排18個，各冒口套尺寸同為h=360mm，壁厚δ＝28mm；詳見下圖。
圖6 某機身冒口套建模
某機身鑄件用鋼管（見圖7）：中心油管一段，尺寸為φ152（外圓）xφ100（內(nèi)孔） x 6350，δ＝5mm；機身后端左右兩側(cè)各一小段，圓形截面尺寸為φ60（外圓） xφ50（內(nèi)孔），δ＝6mm；詳見下圖。
圖7 某機身鑄件的建模
同時，在建模中考慮鑄件的加工余量與拔模斜度等工藝參數(shù)。在所有這些工藝設(shè)計建模完成后，即可進行模型的網(wǎng)格剖分，為大型復(fù)雜鑄件的熱流動分析前處理提供原始依據(jù)。
2.3 三維建模、數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化
在計算機上建立大型復(fù)雜鑄件（機身、缸蓋等）三維模型及其澆冒系統(tǒng)、內(nèi)外冷鐵等工藝三維模型后，根據(jù)柴油機鑄件的生產(chǎn)條件，應(yīng)用ProCast 模擬軟件對鑄件的充型和凝固過程進行數(shù)值模擬并反復(fù)優(yōu)化工藝，建立最優(yōu)鑄件成形的技術(shù)信息庫系統(tǒng)（見圖8）。
圖8 產(chǎn)品模型技術(shù)信息庫系統(tǒng)圖
2.4 鑄造模具生產(chǎn)和機械加工
根據(jù)模型的特征信息生產(chǎn)出鑄造用的模具或砂芯（見圖9、圖10），也可以利用激光快速成形技術(shù)得到鑄件產(chǎn)品本身，例如某柴油機缸蓋的激光快速成形（見圖11）；在產(chǎn)品精加工過程中，可根據(jù)這些工程數(shù)據(jù)信息快速生成NC加工程序，完成產(chǎn)品的最終加工；最后，可以根據(jù)以上這些工程技術(shù)信息進行產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理（PDM），進行在線檢測、質(zhì)量評估及裝配調(diào)試等生產(chǎn)活動一體化管理。
圖9 某缸蓋氣道的激光快速成型 圖10 某缸蓋水道的激光快速成型
圖11 某缸蓋的激光快速成型
2.5 生產(chǎn)過程跟蹤與完善
利用建立起的產(chǎn)品全相關(guān)的技術(shù)信息庫，從設(shè)計、工藝到加工制造及性能比較分析的各個過程進行現(xiàn)場的跟蹤、再現(xiàn)，及時發(fā)現(xiàn)問題及時糾正，不斷改進完善。如此可以提前預(yù)測以上生產(chǎn)的全過程，減少不必要的浪費，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)鏈條，使生產(chǎn)過程更自動化、人性化。
創(chuàng)建大型復(fù)雜鑄鍛件三維參數(shù)化零件模型，不僅僅是為了造型，正確的模型應(yīng)當是以后的原始技術(shù)信息庫，可以應(yīng)用于成形工藝分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析、加工制造、測量分析、生產(chǎn)管理中的全過程，使得設(shè)計的修改和調(diào)整、CAE分析、參加裝配、力學(xué)分析、運動分析、數(shù)控加工等變得容易實現(xiàn)，因為基于一個技術(shù)信息數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)和參數(shù)驅(qū)動成為可能。可以說，建模的近期目標是為了修改。這就要求所創(chuàng)建出的產(chǎn)品模型結(jié)構(gòu)完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，以便在產(chǎn)品設(shè)計、加工和分析過程中，可以對不合理的結(jié)構(gòu)隨時作相應(yīng)的調(diào)整而保證前后一致。
3 CAE的生產(chǎn)實際應(yīng)用
正近年來，鑄造CAE商品化軟件功能逐漸增加，其中主要有美國的ProCAST、德國的MAGMASOFT、芬蘭的CastCAE、法國的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等軟件。從功能上看，許多軟件大都基于有限差分法，可以對砂型鑄造、金屬型鑄造、精密鑄造、壓力鑄造等多種工藝進行溫度場、流場的數(shù)值模擬，并可以預(yù)測鑄件的縮孔、縮松等缺陷，但對應(yīng)力場的模擬及裂紋的預(yù)測顯得力不從心。
ProCAST軟件是由ESI公司開發(fā)的基于有限元法（FEM）的鑄造過程模擬軟件［5］，能夠進行流場、溫度場、應(yīng)力場三場耦合模擬。ProCAST采用基于有限元法（FEM）的數(shù)值計算方法，與有限差分法（FDM）相比，有限元法具有較大的靈活性，特別適用于模擬復(fù)雜鑄件成型過程中的各種物理現(xiàn)象。ProCAST提供了能夠考慮氣體、過濾、高壓、旋轉(zhuǎn)等對鑄件充型的影響，能夠模擬出低壓鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等幾乎所有鑄造工藝的充型過程；在應(yīng)力分析方面，通過采用彈塑性和粘塑性及獨有的處理鑄件/鑄型熱和機械接觸界面的方法，使其具有分析鑄件應(yīng)力、變形的能力。通過分析可以獲得鑄造過程的各種現(xiàn)象、鑄造缺陷形成及分布、鑄件最終質(zhì)量的模擬和預(yù)測。圖12展示了鑄件工藝優(yōu)化的整個流程。圖13為ProCAST軟件進行模擬分析的步驟。
圖12 鑄件工藝優(yōu)化流程圖 圖13 ProCAST分析流程
在設(shè)計過程引入CAE來指導(dǎo)設(shè)計決策，通過對大型復(fù)雜鑄件制造工藝過程進行數(shù)值模擬及仿真，對鑄造過程（見圖14）中流場、溫度場、應(yīng)力場及微觀組織形貌進行模擬，從而幫助工藝設(shè)計人員對不同時刻的金屬流態(tài)、凝固過程溫度分布、應(yīng)力分布、結(jié)晶晶粒尺寸形貌等重要物理參數(shù)有所了解，并以此為依據(jù)，預(yù)測是否有縮孔、疏松、夾雜、偏析及熱裂紋等缺陷出現(xiàn)，可以實現(xiàn)鑄造工藝設(shè)計——校核——再設(shè)計——優(yōu)化設(shè)計的全過程，最終提高鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品竟爭力。
3.1 鑄件充型模擬
鑄造充型過程對鑄件的最終質(zhì)量起著決定性的作用，許多鑄造缺陷，如澆不足、冷隔、卷氣、氧化夾渣乃至縮松、縮孔等都與鑄造的充型過程密切相關(guān)，利用ProCAST軟件能夠較為準確的表達充型過程和缺陷生成過程，這對于優(yōu)化充型系統(tǒng)設(shè)計，避免充型不合理引起的鑄造缺陷具有重要的意義。
為了檢驗ProCAST軟件在流場預(yù)測方面的準確性，我們選用了英國伯明翰的J.Campbell進行的純鋁充型的基準試驗，來驗證軟件的準確性。
試驗結(jié)果的X-射線充型結(jié)果如左圖，右圖為ProCAST軟件的模擬情況，從圖中可以看出，ProCAST軟件能夠準確模擬整個鑄件的充型過程，很好的預(yù)測出了澆注系統(tǒng)的卷氣缺陷。
圖15 實際澆注與ProCAST軟件模擬結(jié)果對比
在葉輪鑄件的鑄造工藝設(shè)計中，我們應(yīng)用ProCAST軟件很好的預(yù)測了葉輪鑄件澆注系統(tǒng)的不合理設(shè)計，并提出了工藝改進，使該鑄件一次澆注成功。
原設(shè)計工藝中葉輪各個內(nèi)澆口流量分布極為不合理，經(jīng)改進后鑄件充型較為均勻，各內(nèi)澆口流量分布較為均勻。
圖16 澆注系統(tǒng)改進前后對比
3.2鑄件凝固模擬
鑄造過程中大部分缺陷主要是縮松和縮孔缺陷，而這些缺陷大都在鑄件凝固過程中形成，因而，比較精確的再現(xiàn)鑄件的凝固過程，對縮松和縮孔缺陷的預(yù)測顯得極為重要，ProCAST軟件能夠較為準確的預(yù)測鑄件的縮松和縮孔缺陷，軟件提供多種基于不穩(wěn)定熱傳導(dǎo)計算的鑄件縮松和縮孔缺陷預(yù)測方法，常用的有：溫度梯度法、固相率梯度法、凝固時間梯度法、Niyama判據(jù)法及其變種、ProCAST軟件自帶的與密度相關(guān)的判據(jù)等。工程師可以通過多種判據(jù)的綜合應(yīng)用，達到預(yù)測縮松和縮孔缺陷的目的。
我們在優(yōu)化某鑄鋼件時，綜合應(yīng)用了多種判據(jù)，經(jīng)過數(shù)次模擬分析，最終成功地解決了生產(chǎn)中的鑄件縮松和縮孔問題。
最初鑄件的工藝經(jīng)模擬分析，應(yīng)用溫度梯度法和固相率梯度法顯示無缺陷，而應(yīng)用ProCAST軟件自帶的判據(jù)顯示兩處有縮松和縮孔缺陷，這與實際鑄件探傷結(jié)果一致，經(jīng)過多次優(yōu)化，最終解決了問題，所生產(chǎn)的鑄件內(nèi)部致密無缺陷。
圖17 鑄件傾斜澆注溫度場 圖18 鑄件固相分數(shù)分布圖
圖19 鑄件凝固時間分布圖 圖20 鑄件縮孔縮松分布圖
3.3鑄件應(yīng)力場模擬
在鑄造生產(chǎn)中經(jīng)常由于鑄件結(jié)構(gòu)方面的原因及工藝處理不當而出現(xiàn)熱裂，或者在某些部位存在較大的殘余應(yīng)力或殘余變形，這是在鑄鋼件尤其是大型鑄鋼件中普遍存在，這些缺陷嚴重影響了鑄件的質(zhì)量和使用壽命，而這兩種缺陷都直接和凝固過程中的熱應(yīng)力的產(chǎn)生和發(fā)展有關(guān)，鐵別是熱裂缺陷，一般產(chǎn)生在準固相區(qū)，而且隨著鑄件的后續(xù)冷卻，裂紋不斷擴大，經(jīng)常造成鑄件報廢。
我們在生產(chǎn)的某材質(zhì)為35CrMo的鑄鋼件時，經(jīng)常在內(nèi)澆口附近出現(xiàn)裂紋，并且經(jīng)常擴展到鑄件內(nèi)部，嚴重影響了后續(xù)工作的正常開展，車間技術(shù)員曾在內(nèi)澆口附近增加一塊凸臺補貼，以減少裂紋向鑄件的擴展，但并未徹底解決問題，后來，應(yīng)用ProCAST軟件對鑄件應(yīng)力場進行了模擬，依據(jù)模擬情況，提出了改進措施，徹底消除了鑄件中的裂紋缺陷。
4 結(jié)論
對某艦船柴油機機身、缸蓋等大型復(fù)雜鑄件的CAD/CAE應(yīng)用分析，采用理論分析、軟件仿真驗證與實驗相結(jié)合的研究方法，制定了實用化的研究方向，開展大型復(fù)雜產(chǎn)品模型與技術(shù)信息庫的優(yōu)化研究，加快CAE仿真分析的進程，解決生產(chǎn)中的問題。
注：本文獲得2006年度UGS征文活動二等獎。
