ProCAST仿真技术在铸钢件缺陷预测上的探讨与应用赵 富,赵银虎,刘 斌,贾冬生(内蒙古一机集团公司工艺研究所,内蒙古包头014032)摘 要:利用Pr oCA ST铸造仿真模拟软件对某轮式车辆轮毂铸件铸造工艺进行仿真分析,预测了轮毂铸钢件存在的内部缺陷,对仿真技术在铸钢件缺陷预测上进行了探讨研究。

通过对实物解剖、铸造工艺CAE仿真分析等确定了缺陷产生的部位及形貌,找出了缺陷问题产生的原因,通过工艺优化及试验验证,基本解决了轮毂铸钢件的内在质量问题,保证了批量生产的顺利进行。

关键词:铸钢件;仿真模拟;宏观缺陷;质量改进中图分类号:T P391.9 文献标志码:BApplication of ProCAST Simulation Technology in the Forecast of Defects of Foundry PartsZHA O Fu,ZH A O Y inhu,L IU Bin,JI A Do ng sheng(P ro cess Researching Institute,Inner M o ng olia F irst M achinery Gr oup Cor porat ion,Baoto u014032,China)Abstract:T he paper did simulation analysis t o foundry pr ocess of some w heel type o f v ehicle by using Pr oCA ST fo undry simulatio n softw are,predicted t he inner defects o f hub foundry steel and did the r esea rch on the applicat ion o f simulation technolog y in foundr y steel.Confir med the po sitio n and shape of defects g enerat ion thro ug h par ts dissect ion and simulation analysis of f oundry pr ocess CA E,fo und the r easo n of defects g ener atio n,solved the quality pro blem o f hub foundr y steel throug h o pt imization of pr ocess and t estifying it,so the smo oth of big bat ch pro duction is assured.Key words:Foundr y steel par ts,Simulation,M acr osco pic defects,Q ualit y impro vements近年来,为了提升传统铸造行业的数字化制造技术水平,涌现出了大量的铸造CAE商品化软件,其中主要有法国的Pro CAST、德国的M AGM A-SOFT、芬兰的CastCAE及西班牙的For cast等软件,在这些软件中,有限元软件Pro CAST是较为成功的一款。

为进一步提高铸造工艺设计水平,2007年公司引进了Pr oCA ST铸造仿真软件技术,并开始进行了仿真技术的研究与应用。

2009年,针对某轮式车辆轮边减速器上的轮毂渗漏问题,通过运用Pro CAST铸造仿真软件模拟分析技术,对铸钢件的工艺、浇注、凝固过程进行计算模拟,准确的预测了某轮式车辆轮毂铸件存在的内部缩松缩孔缺陷部位,同时进行了改进,并对改进后的工艺方案模拟验证进行优化,摸索出了比较合适的铸造工艺方案和加工余量,为工艺方案的改进提供了可靠依据,解决了铸造缺陷问题,使铸件的内在质量有了较大提高。

1 对铸件渗漏产生的原因分析轮毂是某轮式车辆轮边减速器重要结构件之一,基数为8,工作时零件气道部位承受压力为0.8 ~1M Pa,对轮毂铸件的内在质量要求较高。

在该产品批生产过程中,轮毂加工完后进行水压试验时,发现轮毂铸件普遍存在渗漏问题,因铸造缺陷导致的零件不良品率达到66%,对产品的生产造成较大影响,经济损失也较大。

经过对存在渗漏的零件进行解剖分析发现,渗漏主要是因为在法兰盘根部与R30过渡处存在缩孔、缩松等铸造缺陷,缺陷部位及缺陷形貌如图1、图2所示。

图1 缺陷部位 图2 缺陷形貌2 铸造缺陷的仿真模拟为进一步验证缺陷产生的原因和工艺方案的合理性,利用ProCAST铸造仿真软件模拟分析技术对轮毂改进前的工艺、浇注、凝固过程进行了模拟分析。

2.1 模拟软件使用的数学模型2.1.1 能量方程1)瞬态线性方程C P= T t (k T)-q(x)=0(1)式中, 为密度;C P为比热容;T为节点温度;t为时间; =x+y+z;k为稳态热导率;q(x)为体积热源。

2)瞬态非线性方程H T T t- (k T)-q(x)=0(2)式中, 为密度, = 0f(T)。

H(T)= T0C P d T+L[1-f R(T)](3)式中,L为潜热;f R为固相率。

2.1.2 连续性方程t+ ( u iX i=0(4)式中,u P为单元i的速度;x i为单元i的位置。

2.1.3 动量方程(N-S方程)( u i) t+X j( u j u i+P ij- ij)= g i(5)式中,u i,u j分别为单元格i和j的速度;X j为单元格j的位置;P为压力; ij为Kronecker函数; ij 为单元i,j之间的粘度张力;g i为单元i的重力加速度。

2.2 模拟分析过程2.2.1 工艺造型的网格剖分运用三维建模软件Pro/ENGINEER对铸件进行三维实体造型,如图3、图4所示;其三维铸造工艺设计如图5所示。

用Pro CAST软件的剖分模块对铸件进行网格剖分时,模型网格单元的表面三角形最大边长为10mm,由此获得四面体网格数、节点数如图6、图7所示。

2.2.2 材料热物理性能测试用ProCAST软件模拟铸件凝固过程和宏观缩孔缺陷时,针对工艺中涉及材料的热物理性能进行了专业测试,保证了数值计算和模拟结果的可靠性,测试结果如图8、图9、图10所示。

该种材料的密度为7.9g/cm 3、固相线温度为1137 ,液相线温度为1503 。

2.2.3 初始条件和边界条件的确定根据实际生产工艺确定浇注温度为1530 ,浇注速度为0.45m/s,环境初始温度为25 。

ProCAST 可以很好地确定边界条件,它根据不同材料及它们相互之间是否接触来自动产生边界界面,用户可以忽略界面换热的本质,只需在这些界面上指定不同的传热系数即可。

它还可以使界面换热随温度和时间的变化而变化,保证界面换热的准确性。

3 模拟计算结果对比分析运用ProCAST 软件对改进前后2种工艺进行模拟计算,模拟结果采用Niyama 判据缩孔,结果如图11、图12所示。

可见原工艺方案模拟结果与实际铸件所存在的缩孔部位相吻合。

从实物解剖和仿真模拟的结果看,产生缩孔、缩松的主要原因是该铸件结构不合理,内外表面不加工,R 30处是该铸件最薄处,缺陷部位及其过渡部位壁薄,钢水补缩通道较窄,浇注过程中较快凝固,无法形成补缩通道,造成该部位补缩能力不足,从而导致缺陷的产生。

图11 原工艺方案仿真 图12 改进后工艺方案模拟结果仿真模拟结果4 工艺的改进与优化为确保铸件质量,对工艺方案进行了改进,增大补缩通道,加大缺陷部位的壁厚,增强钢水的补缩能力。

在铸造缺陷部位的内外壁加放了工艺补贴,使钢水在浇注过程中形成一个自下向上楔形补缩通道,使产生缩孔处得到充分补缩,彻底解决铸件结构中存在补缩通道阻断的问题,并有利于浮砂上浮进入冒口消除缺陷。

由于在原来铸造不加工面上增加了工艺补贴,为保证不增加零件重量,采用了加工的方法去除增加的加工余量。

改进后的工艺方案经过三维建模后利用Pro -Cast 铸造仿真模拟分析软件进行了模拟分析,模拟结果如图12所示。

从模拟结果来看,改进后方案的模拟结果原存在缺陷部位无缩松缺陷,缩松、缩孔缺陷均集中在浇道、冒口部位,充分证明了改进方案的可行性。

5 措施验证及效果为了验证工艺改进后的铸件质量效果,采用改进后的工艺进行了5台份试制验证,并对试制后的铸件进行了解剖、试加工和整体打压试验。

5.1 铸件解剖情况从工艺改进后的铸件中随机抽取3件进行解剖,断面无任何铸造缺陷,内部组织致密。

改进效果如图13所示。

图13 改进后的效果5.2 试加工情况对改进后的首批8件铸件进行了试加工,除1件存在黑皮报废外(黑皮缺陷是由于下芯时碰坏砂型造成铸件缺肉产生的),其余7件表面无任何铸造缺陷。

对工艺改进后加工合格的7件零件,按1.0M Pa(相当于10个大气压)保压10min 进行了打压试验,100%合格。

5.3 批量生产验证情况在随后的批量生产中,生产轮毂150件,加工后打压合格115件,出现35件不合格品,合格率77%,不良品率降为23%。

通过对存在缺陷的铸件进一步解剖分析,铸件 圆筒与法兰接触的圆环处 原渗漏部位内部组织致密,能够满足零件技术要求,原缺陷部位渗漏问题已基本得到解决。

图14 缺陷部位针对改进后批量生产时,铸件仍有23%不良品率的情况,又对零件壁厚3.5m m,高20m m 的顶面圆边处存在打压渗漏进行了认真分析,缺陷部位见图14。

经过取样分析该部位打压渗漏主要在零件壁厚3.5m m,高20m m 的顶面圆边处存在显微缩松。

其缺陷产生的主要原因是为便于补缩和冒口设置,整圈加放了工艺补贴,该部位壁厚增大,并位于浇道和冒口根部,浇注后该部位形成热节并最后凝固,中心部位容易形成微观缩松。

针对铸件壁厚3.5m,高20mm的顶面圆边处微观缩松缺陷,将进一步采取工艺措施,在铸件的底部增设内浇口,减小缺陷部位过热,有利于气体、浮砂的上浮,提高工艺的可靠性。

在此工艺改进的基础上进行进一步的改进验证,进一步提高铸件的质量。

6 结语1)通过使用Pro CAST铸造仿真模拟技术能够较准确的预测轮毂铸件缺陷产生部位,模拟分析结果与实际铸造结果相吻合,验证了改进后工艺的可靠性,可为工艺改进与优化提供依据。

2)依据仿真分析结果,对轮毂进行工艺改进后,铸件的不良品率由工艺改进前的66%降低到23%,工艺改进取得了一定的效果。

3)通过进一步采取措施,提高改进后工艺和铸件质量的稳定性,能够满足批生产要求。

作者简介:赵富(1982-),男,主管工艺师,助理工程师,主要从事铸造技术方面的研究工作。

收稿日期:2010年10月10日责任编辑 李超CAXA研发设计PLM解决方案2011系列新品隆重上市近日,中国最大的CA D和PLM软件供应商CAXA发布了CAXA研发设计PLM解决方案2011全系列新品,包括CAXA电子图板2011机械版和工艺版、CAXA实体设计2011、CAXA图文档2011和CAXA 协同管理2011。