铸件凝固过程数值模拟技术的生产应用
|
凝固模拟技术是铸造技术领域依托于计算机技术的一项高科技技术，计算机技术的飞速发展，以水涨船高之势，有力地推动了凝固模拟技术的发展，强烈地刺激了其实际应用的欲望，并为之提供了一个广阔的发展空间。国内的凝固模拟实用技术经过短短十多年的发展，目前，在凝固过程温度场和流动场的数值模拟方面已经达到相当实用的水平，在生产应用中，在克服铸件缩孔、缩松、夹渣、冷隔、浇不足等缺陷，降低废品、提高工艺出品率，提高工艺设计水平，缩短试制周期、节省试制费用等方面取得了非常广泛的成功。本文拟就“华铸CAE”软件在这方面的应用介绍几个实例，说明其实际应用效果。
1．一次浇注成功的燃气轮机缸体 |
|
 图1 燃气轮机缸体原工艺 |
 图2 原工艺冷铁布置 |
|
燃气轮机缸体是一个工艺难度很大的较大型球铁铸件，由于产品气密性的要求，铸件半加工和加工完成后分别要进行磁粉探伤和X射线探伤，对铸件缩孔缩松有严格的限制。厂方原设计工艺采取卧式分型、底注式浇注系统，在铸件柱面内侧放置外冷铁的工艺方案。为保证一次成功，先进行数值模拟。模拟发现有两个问题比较严重：
1) 在底注方式下，由于大量铁水都通过分型面从下向上进入型腔，因此造成铸件下部热，上部冷，使置于铸件顶部的冒口处于最低温度处，补缩效果很差。另外，根据模拟结果，当铁水绕过弧面的砂芯再度汇合时，其温度已接近1150℃，很容易造成两股液流融合不良甚至冷隔。为克服这两个倾向，改用阶梯注入方式，即分别在底部和高度的中部设置内浇口，使后期进入铸件上部的铁水处于较高温度，同时也可避免融合不良的问题。 2) 模拟发现，原工艺铸件小半径端柱面内存在大面积的缩孔缩松危险区。为解决这一问题，需要加大原工艺此处放置的冷铁的密度和厚度，经多个方案的模拟对比，优化出一个合适的冷铁布置方案。 |
|
 图3 原工艺充型模拟 |
 图5 原工艺凝固模拟结果 |
|
通过模拟、优化筛选出的方案，交付实际生产，生产出来的铸件，经初加工，进行磁粉探伤，探伤通过后，完成全部加工，进行X线探伤，确认无缺陷，铸件质量合格。由此，保证了铸件一次成功，无论是工期，还是成本都取得了巨大的收益。 2． 克服康明斯机体的夹渣问题 六缸康明斯柴油机机体铸造工艺的设计是有相当难度的，某厂选择卧式浇注位置，两层阶梯浇道，顶面均匀布置出气口，在浇口远端顶部设置排渣冒口的设计方案。经试生产和多次调整，始终无法克服浇口远端缸孔以下部位夹渣的问题，遂求助于数值模拟。 |
|
 图6 康明斯机体原工艺 图7 康明斯机体改进工艺 |
|
| 充型过程模拟表明，在该方案下，最初到达浇口远端最低部位的液流，需要漫过型腔底部一个拱形高度，形成雨淋，浇洒下来，液流非常稀疏分散。这种情况下，铁水和熔渣必然严重地相互混杂，造成此后铁渣分离的难度；加之由于长距离跋涉，铁水到达此处，温度已经明显降低，粘度加大，熔渣分离上浮的能力减小；恰好，由于此处缸孔间壁型腔截面非常狭窄，给熔渣上浮提供的通道截面积特别小。三个因素加在一起，就造成熔渣滞留在铸件缸孔以下一带的结果。 | |
 图8 原工艺流动前沿雨淋形态 |
 图9 改进工艺流动前沿整齐而不零乱 |
|
在浇注位置不变的情况下，这三个因素中只有第一个因素也就是充型流动的次序和形态还有可调整的余地。实际上，只要保证铁水顺利地、不分散地集中进入浇口对侧铸件最低处，使进入的铁水有比较完整的液面，熔渣就会比较集中地集结，飘浮在液面上，随着液面的上升，最后水涨船高，进入排渣冒口。这里重要的一点是要避免液流分散形成雨淋。按照这种思路，针对该铸件的情况，工艺人员在铸件底部增加两个筋板，作为向铸件最低位置供水的通道，使铁水能够集中先从下部进入最低处。借助模拟，可以看出，经此改动后，底部填充时，铸件最低部位处，液流不再分散形成雨淋，而是首先从新增的过水通道迅速地集中填满该处的最低部位，形成较完整的液面，这就可以保证熔渣独自集结，漂浮在液面，逐渐平稳地上涨，进入排渣冒口。由此判定，此改进可保证顺畅地排渣，方案可行，于是交付生产。此后的生产结果果然应验了设计的预想，避免了原来的夹渣现象。这也间接地证明了数值模拟的准确效果及其指导生产的应用价值。
3． 一次浇注成功的大型铸钢件校直机机架 大型铸钢件校直机机架，普通碳钢铸件，浇注重量152吨。由于重量大、消耗大、工期长（大约5-6个月），经不起试制的周折，要尽量保证一次浇注成功，由此提出数值模拟的要求。 该铸件原设计的工艺方案是：四个直浇道，两层环绕式横浇道，铸件顶部布置约16个大小不等的冒口。经模拟，发现该件四角处的四个冒口补缩通道先于铸件被凝固隔断，补缩效果严重不足，可能产生脸盆大小的缩孔，必须采取相应措施，加以防止。经软件两度模拟改进，最后根据第三改进方案的模拟结果，确认采用加深的漂珠保温冒口套和直立的内冷铁强化各该部位的顺序凝固，可以防止产生缩孔。此方案交造型浇注，最后，一次成功地生产出合格铸件，实现了多快好省的目的。 |
|
 图10 机架原工艺凝固模拟结果 图11 机架改进工艺模拟结果 |
|
| 近年来，“华铸CAE”软件在国内50多家用户的生产实践中取得的丰硕成果，经常成为用户们称道的话题，也常在各种交流的场合屡受同行和众多专家的好评。以上的举例，只是我们能收集到的许多实例中的几个典型。我们相信，只要我们不断努力，坚持我们软件的高质量、高功能，坚持我们高质量的服务和推广应用，我们一定能用我们的“华铸CAE”软件为我国制造业的信息化发展作出更大的贡献。 | |
