基于anycasing的球墨鑄鐵汽車泵體鑄造數值模擬

基于anycasing的球墨鑄鐵汽車泵體鑄造數值模擬

0國內力量：持續(xù)探索創(chuàng)新制造業(yè)互聯(lián)網模式，全面構建制造業(yè)互聯(lián)網發(fā)展新模式隨著現(xiàn)代造船技術的發(fā)展，深入設計制造工藝的cae技術，不僅可以有效解決實際的造船生產和設計問題，而且可以使造船行業(yè)的發(fā)展趨勢更加多樣化、綠色。隨著我國倡導下“一帶一路”的命運共同體在經濟、科技等領域的迎來重大發(fā)展的契機，國內多家高等院校、科研院所和生產企業(yè)各方面力量密切合作，對于FT-Star、華鑄CAE等國產鑄造CAE技術的研發(fā)與應用領域組織產、學、研聯(lián)合攻關，加大推動了CAE技術輔助國內鑄造生產的研發(fā)力度，不斷探索創(chuàng)新制造業(yè)互聯(lián)網模式的基礎工作。本文采用Anycasting軟件模擬分析球墨鑄鐵汽車泵體工藝系統(tǒng)的充型、凝固過程，以及觀察澆注過程的溫度、速度和壓力場的變化規(guī)律，從而避免通過大量的鑄造生產實驗來驗證設計的合理性。1鑄件三維建模對零件、澆注系統(tǒng)及其補縮系統(tǒng)等建立三維實體造型，是對其鑄造工藝實現(xiàn)數值模擬的應用基礎。本設計利用Pro/E軟件首先對該鑄件（包括鑄型、澆冒口系統(tǒng)）進行三維建模。再將鑄造工藝裝備的各部分及系統(tǒng)作為一個整體進行裝配約束，并以“.stl”格式文件分別輸出。2工藝注釋中的anyzer分析2.1數值模擬參數設定本設計基于Anycasting模擬的仿真試驗可由該軟件的前處理器AnyPRE模塊對鑄件模型進行網格劃分工作以及模擬條件設定。具體設置如下：將建好的“.stl”文件全部導入到AnyPRE中，分別定義各部分實體造型的屬性，設置鑄型并確定默認求解域。劃分網格時為保證仿真鑄件不失真，選擇壁厚參數時設置為小于該鑄件的最小壁厚。采用均勻網格劃分法，鑄件結構相對比較簡單，網格數較少。任務制定設置中，本設計為砂型鑄造，將鑄造工藝選為非金屬型鑄造，分析類型選擇“充型過程和之后的傳熱及凝固”。設置其他鑄造工藝參數與邊界條件，包括：打開AnyDBASE庫，根據不同標準選擇鑄造材料；設置初始條件和邊界條件，可對鑄件、鑄型及周圍的空氣預熱溫度達到200℃，以保持一定的干燥度，提高鑄件質量；設置熱傳遞率與澆口條件，選擇澆注溫度為1350℃，設置澆注速度常量為0.1m/s；激活重力設置，選擇默認參數。設置結束條件及輸出狀態(tài)，默認充型凝固條件輸出。保存文件設置，并運行AnySOLVER求解器，進行計算分析，最后生成“.rlt”數據文件。2.2凝固過程及分析作為AnyCasting的后處理器，AnyPOST具有強大的圖像與數據分析功能。將AnySOLVER求解生成的“.rlt”文件導入AnyPOST中進行模擬分析，通過讀取經AnyPOST處理輸出的圖表結果，可以使得模擬結果變得更為直觀簡潔本設計回轉體鑄件整體體積較大，鑄件需要的充型時間大約為173s，在底注式的澆注系統(tǒng)下，澆注溫度為1350℃的液態(tài)金屬經過垂直澆口窩、水平橫澆道的阻渣及過渡作用，再流經內澆道，以分散進火方式平穩(wěn)澆進型腔里，鑄型在自下而上的充型過程中，澆注溫度逐漸降低，充型速度逐漸減緩，最后充型完全時鑄件整體溫度相差不大，其邊冒口溫度略低于鑄件溫度，比較符合充型順序規(guī)律。該回轉體鑄件從充型結束到完全凝固的時間較長，多達7430s左右，凝固過程總體趨勢呈現(xiàn)由鑄件兩端邊緣向中心逐漸發(fā)展。由于兩個壓邊冒口的補縮距離有限，鑄件偏下的法蘭盤部分凝固速度不均，尤其是以鑄件法蘭“L”型接頭過渡處凝固過程最慢，存在不同程度的孤立熱節(jié)中心，表面難以形成堅硬的外殼，也不利于自補縮的進行，預測可能會產生縮孔或縮松缺陷，且對動平衡不利為了更加容易觀察和發(fā)現(xiàn)規(guī)律，現(xiàn)對鑄件對稱結構進行剖分，根據各點傳感器在空間位置的數據采集，由此得到鑄件在鑄造過程中隨時間變化的溫度場以及在充型過程中壓力、速度場的情況，分析可知：(1)從溫度場曲線進行分析，在鑄件充型過程中，1350℃的液態(tài)金屬從外澆口注入后，使接觸到的鑄型部分溫度瞬間升至1300℃左右，隨后進入一個漫長的凝固過程。而與其他點相比，位于鑄型頂部的測量點在溫度緩慢升高到1030℃左右便開始凝固，這是由于鑄型頂部的壁厚最薄，冷卻速度較快，無明顯的充型與凝固的過渡過程，容易產生質量缺陷。隨著時間的推移，鑄件金屬液與周圍空氣的熱交換慢慢達到平衡，溫度下降梯度變緩，直至冷卻結束。(2)從壓力場曲線進行分析，隨著充型率的增大，接觸到金屬液的鑄型部分所受的壓力值呈指數式上升，并在充型完全后達到峰值。其中鑄型底部測量點的壓力峰值最大，說明該處容易形成致密的金相組織，鑄件鑄造質量較好。(3)從速度場曲線進行分析，在充型過程中自下而上的各測量點的充型速度變化規(guī)律總體一致，由最初的波動后逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于金屬液從澆注口剛進入鑄型時前期充型速度較大，對鑄件底部型腔造成沖砂、紊流現(xiàn)象而引起的。隨著型腔的金屬液面升高，壓力增大，使得澆注后期速率逐漸放緩，充型過程相對平穩(wěn)。但在澆注至鑄件頂部時由于壁厚差較大，而又引起一定的速度波動幅度。綜上所述，基于Anycasting模擬過程分析，根據缺陷預測判據分析缺陷分布，以及對于隨機設置測量點進行宏觀觀察，結果表明：本鑄件在充型過程的主要缺陷出現(xiàn)在澆注系統(tǒng)上的概率高；而在凝固過程中，鑄件的主要缺陷均有存在于澆注系統(tǒng)上和鑄件頂部上表面的可能，可認為本設計的澆注系統(tǒng)基本符合生產要求3數值模擬結果分析基于上述結論，為進一步降低本鑄件局部結構存在的質量缺陷傾向，可在原鑄造工藝基礎作出如下方案優(yōu)化：新工藝現(xiàn)采用在鑄件底部法蘭邊緣處合理設置較大暗邊冒口方式，在熱節(jié)外側放置冷鐵，并在鑄件中上部凸緣處設置出氣孔，同時增加內澆道的長度。將新工藝的鑄造澆冒口系統(tǒng)三維建模模型導進AnyPRE，其數值模擬過程與原工藝過程的設置原理基本相似，通過設置實體造型類型，材料選擇，合理劃分有限元網格，設置相同的澆注條件和工藝參數，進行后處理計算與仿真。觀察上述鑄件充凝狀態(tài)下的溫度變化和所用時間，結果表明：與原鑄造工藝設計相比，新工藝的澆冒口系統(tǒng)結構和布局更為完善，通過確定合理的澆注速度，使得充型過渡平穩(wěn)，大大減少了發(fā)生在充型前期的金屬液激濺和紊流現(xiàn)象；根據凝固模擬結果可知，新工藝設計的邊冒口所用的凝固時間大于鑄件凝固時間，說明其冒口設置合理，能夠極大地縮短了鑄件的凝固時間，避免了局部熱節(jié)的產生。觀察鑄件充型時間概率缺陷圖可以得出，充型過程中缺陷發(fā)生在澆注系統(tǒng)上的概率遠遠高于發(fā)生在鑄件上的概率，整體鑄件鑄造質量良好；而凝固時間發(fā)生的概率缺陷主要集中于鑄件頂部表面存在的質量缺陷與原工藝方案對比也有了明顯的改善，鑄造時可通過留出足夠的毛坯余量加以補償。綜上分析，說明新工藝的澆冒口系統(tǒng)設計合理，基本上能夠消除原工藝中鑄件上表面存在的渣孔缺陷。4冒口、冷鐵、熱節(jié)處設置工藝(1)本汽車泵體鑄件屬于中大型厚壁類球墨鑄鐵件，宜采用開放式底注式澆冒口系統(tǒng)設計，確定合適的澆道、砂芯的結構尺寸及布局，且在鑄件主要熱節(jié)處設置冒口、冷鐵等工藝，有助于充分保證產品鑄造質量。(2)基于Anycasting軟件模擬仿真