CAE 技术在轮形铸钢件铸造工艺优化中的应用.docVIP

　　 CAE 技术在轮形铸钢件铸造工艺优化中的应用 摘要:针对轮形铸钢件,用数值模拟的方法,计算并对比分析了两种铸造工艺方案下铸件的凝固过程,根据液相分布的动态过 程,比较了不同工艺方案下铸件的缩孔分布及工艺出品率,为该件的生产奠定了基础。 关键词:CAE;工艺优化;数值模拟 铸造CAE 技术是采用计算机及相关软件对铸件 的充型和凝固过程进行数值模拟[1 ] ,并对得到的数据 进行处理分析, 以预测缺陷, 优化工艺。本文采用 Pro/ Engineer Wildfire3. 0 三维造型软件对某厂生产 的轮形铸钢件及其工艺系统进行三维实体造型,用华 铸CAE10. 0 软件进行凝固过程数值模拟,通过比较 不同冒口尺寸下该件的液相分布动态过程,预测了形 成缩孔缺陷的不同倾向,并对比了不同工艺方案下铸 件的缩孔分布及工艺出品率,为优化冒口设计,改进铸 造工艺提供依据。 1 　轮形铸钢件概况 该件为某铸造企业生产量较大的一种铸件,材质 为ZG2302450 。由于原铸造工艺方案下工艺出品率仅 为55 %左右,希望能借助铸造CAE 分析技术优化工 艺,提高工艺出品率,降低生产成本。 2 　轮形铸钢件凝固过程数值模拟 首先确定了以下分析步骤: (1) 对原铸造工艺下铸件的凝固过程进行分析, 以得到原工艺下铸件缩孔分布。 (2) 对优化设计的铸造工艺重新进行凝固过程分 析,判断铸件缩孔分布,并和原工艺下的分析结果进行 比较。 铸造CAE 系统具体过程主要包括导入三维实体 模型、网格剖分;确定材料热物理性能、生产过程参数、 初始条件和边界条件;物理场数值计算;结果显示等几 个步骤[2 ] 。 2. 1 　铸造工艺系统的三维实体造型 该铸件及其浇注系统、冒口和冷铁的三维造型及 装配工作在Pro/ Engineer Wildfire3. 0 软件上完成。 华铸CAE10. 0 分析系统是一套基于有限差分原理编 制的,用于模拟铸造充型凝固过程的计算机数值仿真 软件,大致分为前处理、计算分析和后处理三个基本模 块。前处理模块主要用于模拟实际物理环境的计算环 境的设置,计算分析则用于数值求解,而后处理主要对 各种数值解以多种表达方式显示出来,以增强数值解 的可读性及结果的分析和判定。由于该分析软件充分 考虑了铸造生产的实际情况,在STL 网格剖分时提供 了一种所谓“优先级别”功能,使用户造型时对砂型的 处理非常方便,仅需将它简化为一正六面体,然后与铸 件、浇注系统、冒口等按尺寸正确装配,最后在同一坐 标系下将各组成部分转化为STL 格式的文件保存,至 此就完成了铸造模型所有部分的三维实体造型工作。 图1 所示分别为整个分析模型在两种铸造工艺方案下 的三维实体造型图。两种工艺的主要区别在于原工艺 中没有采用冷铁,在轮缘圆周上用4 个腰圆冒口进行 图1 　轮形铸钢件及其工艺系统计算机三维实体模型 补缩,而新工艺中采用在远离浇注系统的铸件底部设 置扇形冷铁并在铸件下方整体安放一块环形隔砂冷 铁,同时取消远离浇注系统的两个轮缘冒口。 2. 2 　网格剖分 考虑到计算精度,为保证剖分单元的连通性,同时 又要考虑计算效率,将网格尺寸初定为7 mm ,剖分完 成后调用华铸CAE 前处理模块中的网格检查功能, 判断剖分单元是否连通,若有不连通的单元存在,则 需调整剖分步长,减小网格尺寸,重新剖分,直到所得 剖分结果中所有单元均连通。同时还需保证所得网格 单元数不超过系统配置所允许的计算单元数。当然, 在满足计算精度的前提下,优先选用网格单元数较少 的剖分方案,以减少计算时间。综合考虑以上原则,最 终确定采用网格尺寸为5 mm 的剖分方案,从而完成 了实体网格剖分,图2 所示分别为剖分成功后两种工 艺的网格几何模型(没有显示铸型部分) 。 图2 　轮形铸钢件及其工艺系统网格剖分后的几何模型 2. 3 　凝固过程温度场的数值模拟 获得满意的网格划分后,进入华铸CAE 的计算 模块,按照厂家提供的工艺参数对该铸件重力铸造过 程计算参数进行设置,分别输入材料热物理性能、生产 过程参数、初始条件和边界条件。为尽快得到结果以 满足厂家生产的需要,仅对纯温度场进行了计算。所 谓纯温度场计算,就是基于“瞬时充填、初温均布”的假 设,对凝固过程进行传热分析。如果想获得更精确的 计算结果,就要先进行充型过程中的流动与传热耦合 分析,然后以所得的温度分布为初始温度场,再进行凝 固过程的温度场计算。 2. 4 　模拟结果的后置处理 图3a～图3d 是铸件在原工艺下凝固计算后液相 分布模拟结果,图4a～图4d 是铸件在原工艺下凝固 计算后定量缩孔分布模拟结果,图5a～图5d 是铸件 在新工艺下凝固计算后液相分布模拟结果,图6a～图 6d 是铸件在新工艺下凝固计算后定量缩孔分布模拟 结果,由此