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CY-61100車床床身鑄造過程數(shù)值模擬及仿真優(yōu)化研究

發(fā)表時間：2012/3/15 作者：楊曼云 沈曙東 撒能德 趙明星 孫希平  來源：萬方數(shù)據(jù)

關(guān)鍵字：CAE 鑄造工藝 優(yōu)化設(shè)計 數(shù)值模擬 

本文對鑄造充型及凝固過程數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型進行了研究。通過鑄造過程CAE仿真優(yōu)化技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計有效結(jié)合，對CY-61100車床床身的鑄造工藝進行了優(yōu)化設(shè)計。在工廠實際澆注生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好效果。

1 鑄造過程數(shù)值模擬數(shù)學(xué)模型

鑄件充型凝固過程的數(shù)值模擬是一個多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，它涉及到計算流體力學(xué)、傳熱學(xué)，計算機圖形學(xué)、計算方法、偏微分方程的數(shù)學(xué)理論和鑄造丁藝理論等。鑄件充型過程的流場、溫度場模擬包括幾何實體造型、計算域的網(wǎng)格劃分、充型過程中自由表面的處理、流場中速度和壓力的求解、充型過程紊流的模擬、充型過程對凝固過程的影響、充型過程對鑄造缺陷形成的影響以及計算結(jié)果的可視化等。

1.1 鑄造充型過程數(shù)學(xué)模型

對于流體，其充型階段的流動為帶有自由表面粘性不可壓縮的非穩(wěn)態(tài)流動，包含著動量傳遞、質(zhì)量傳遞和能量傳遞，要完整地描述其流動、充型和傳熱狀態(tài)及過程，其控制方程需要符合動量守恒、質(zhì)量守恒和能量守恒定律。型腔充填過程中流動現(xiàn)象的數(shù)值模擬，，首先是求解這一非穩(wěn)態(tài)過程中流體流動的控制方程組，也就是N-S方程、連續(xù)性方程以及能量方程，以此建立模擬計算方法的數(shù)學(xué)和物理模型。充型過程的數(shù)學(xué)及物理模型如下：

(1)動量守恒方程

充型及凝固過程數(shù)值模擬的一項基本內(nèi)容，是用有限差分或有限元等數(shù)值模擬方法，求解質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)和動最守恒方程(Navier-Stokes方程，簡稱N-S方程)，以得出流體運動規(guī)律。粘性流體運動方程式上動量守恒定律的數(shù)學(xué)表達形式，即根據(jù)牛頓第二定律導(dǎo)出的粘性流體運動方程式，稱為納維一斯托克斯(Navier-Stokes)方程式。它與連續(xù)性方程一起組成基本方程組，可用來解決粘性不可壓縮流體的動力學(xué)問題。

(2)連續(xù)性方程

連續(xù)性方程體現(xiàn)了流動過程中的質(zhì)量守恒，質(zhì)量守恒是流動過程必須滿足的必要條件。連續(xù)性方程表達式為：

式中，ux、uy、uz分別為速度在三個方向(x、y、z)上的分量，ρ為流體的密度。

(3)能量方程

能量方程反映了在澆注過程中流體、鑄型等熱交換的規(guī)律，體現(xiàn)了充型和凝固過程中的能量守恒。流體在運動過程中也是遵循能鼉守恒定律的。能量守恒定律表達為：對于流體控制單元，其所受的作用力(包括體積力和表面力)所作的功和加入的熱量應(yīng)等于該單元體的總能量改變量。實質(zhì)上，這就是熱力學(xué)第一定律在流體力學(xué)中的表達方式。

式中，c為比熱容。等號左邊的2、3、4項即為由于流體流動所引起的溫度變化。能量方程和N-S方程式一般可以分開求解，即先求出速度分布，然后再利用能量方程求出溫度分布。

為了跟蹤自由表面，得出自由表面的位置，需要求解體積函數(shù)方程。采用體積函數(shù)法跟蹤自由表面移動時，需要求解函數(shù)方程：

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CY-61100車床床身鑄造過程數(shù)值模擬及仿真優(yōu)化研究

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本文對鑄造充型及凝固過程數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型進行了研究。通過鑄造過程CAE仿真優(yōu)化技術(shù)與傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計有效結(jié)合，對CY-61100車床床身的鑄造工藝進行了優(yōu)化設(shè)計。在工廠實際澆注生產(chǎn)應(yīng)用中取得了良好效果。

2 CY-61100車床床身鑄件鑄造過程仿真分析

床身總重7.86t，輪廓尺寸為7705mm×870mm×670mm。材質(zhì)為鑄鐵HT300。整個床身重量大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚懸殊，給鑄造生產(chǎn)帶來了難度。鑄件技術(shù)要求為：

①鑄件不應(yīng)有降低結(jié)構(gòu)強度、影響切削加工和氣孔、砂眼、夾渣、冷隔等鑄造缺陷，鑄件主要尺寸精度不低于CT10；

②導(dǎo)軌部位硬度要求高，且不允許存在深度超過實際加丁余量的鑄造缺陷；粗加工后進行時效處理，時效處理后檢查導(dǎo)軌面硬度值，各處硬度值不得低于規(guī)定值，各處硬度差不得超差；

③鑄件的壁厚懸殊大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造應(yīng)力大，易裂，但澆注要求鑄件不能產(chǎn)生開裂。床身鑄件的結(jié)構(gòu)見圖2。機械加工余量設(shè)計按GB/T11350-89《鑄件機械加工余量》，鑄件按JB/T3997-1994《機床灰鑄鐵件技術(shù)條件》驗收。

根據(jù)床身鑄件的特點，結(jié)合設(shè)計公式和工藝要求初步設(shè)計澆注系統(tǒng)，包括澆口杯、直澆道、橫澆道和冒口等，確定了各澆道的截面形狀、尺寸，包括澆口盆的類型選擇、數(shù)量和位置的確定等。在設(shè)計過程中并行采用了基于有限元方法的鑄造分析軟件ProCAST對CY-KG1100床身進行了鑄造充型及凝固過程的仿真分析優(yōu)化。鑄造類型：垂力鑄造。為了縮短鐵液在鑄型中的凝固時間，獲得致密組織，采用較低的澆注溫度：1370℃ ；環(huán)境溫度：22℃。材料液相線溫度：1238℃，固相線溫度:1100℃；計算冷卻終止溫度：300℃。計算澆注及凝固過程溫度場分布及缺陷情況。在ProCAST內(nèi)鑄型所劃分的單元為四面體單元，單元數(shù)量為238696個。采用虛擬摸進行計算。

圖2 床身鑄件結(jié)構(gòu)圖

2.1 床身鑄件無澆冒口凝固過程分析結(jié)果

首先進行了床身鑄件無澆冒口凝固過程計算。凝固完成床身鑄件縮松分布見圖3，縮孔縮松分析計算對床身鑄造過程熱節(jié)產(chǎn)生的位置進行了預(yù)測�？梢钥闯�，在車床的底部安裝位置厚度較厚處及床身頭部位置(即主軸箱安裝位置附近)的導(dǎo)軌面部分有很集中的縮松缺陷產(chǎn)生。床身無澆冒口凝固過程分析計算為床身鑄造工藝方案的設(shè)計提供了科學(xué)的設(shè)計依據(jù)及工藝方案優(yōu)化方向。

圖3 無澆冒口凝固過程床身鑄件縮松分布

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2.2 床身鑄件優(yōu)化后鑄造工藝方案

根據(jù)床身鑄件的結(jié)構(gòu)特點及質(zhì)量要求，把床身的導(dǎo)軌面朝下，造型工藝及澆注系統(tǒng)見圖4，采用兩頭澆注。通過多次分析及改進優(yōu)化，重新設(shè)定及調(diào)整床身澆口形式及位置及尺寸后，在床身尾部澆口位置設(shè)置上下兩條橫澆道分雙層進行澆注，在床身頭部澆口位置設(shè)置一條上部橫澆道，澆注時，兩澆包要同時澆注，避免產(chǎn)生斷流形成冷隔缺陷。對床身鑄件充型凝固過程在ProCAST內(nèi)進行分析計算，充型速度為60kg/s床身充型凝固過程見圖5。充型凝固過程完成后的縮孔縮松見圖6。根據(jù)分析結(jié)論最終設(shè)計的床身鑄造工藝方案見圖4。分析表明，床身底部縮松產(chǎn)生的位置是鑄件底部壁厚較厚的位置，冷卻速度慢，所以形成了孤立的熱節(jié)區(qū)域，該區(qū)域的縮松情況基本不影響車床使用性能要求。在床身鑄件無澆冒口凝固過程分析中，可以看到床身頭部位置的導(dǎo)軌面部分有很集中的縮松缺陷產(chǎn)生，這個部位由于是在主軸箱安裝位置處，一方面床身導(dǎo)軌加工面處產(chǎn)生疏松會導(dǎo)致廢品，另一方面由于該處對使用性能要求較高，會嚴重影響車床加工精度及床身壽命。另外，床身沿長度方向?qū)к壊糠钟休^多的縮松分布，也會影響床身性能及產(chǎn)生廢品。通過分析進行優(yōu)化設(shè)計后的澆注系統(tǒng)很理想、床身頭部及沿長度方向?qū)к壊糠值目s松現(xiàn)象得到很大改善，這些部位的強度、壽命及性能得到了有效改善；縮松較多部位在床身尾部位置，該位置相對來說不是該機床最常用的加工工位。這部分選擇擺放合適冷鐵改善熱節(jié)區(qū)域的冷卻情況，使其達到均衡凝固，從而使縮松情況有效改善。另外床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造應(yīng)力人易裂，為防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，需要進行應(yīng)力分析確定床身易開裂的部位，進行澆注方案及產(chǎn)品方案的改進；進行裹氣分析以防止床身澆注卷氣缺陷的產(chǎn)生。隨后的工廠實際鑄件澆注情況表明，該工藝方案能有效滿足床身鑄件的鑄造生產(chǎn)。

圖4 床身最終鑄造工藝方案

圖5 床身鑄造充型凝固過程色溫圖

圖6 床身充型凝固完成后縮松分布

3 結(jié)論

鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，影響鑄造工藝好壞的因素很多，我們應(yīng)以鑄件最終設(shè)計性能的保證為目標(biāo)，綜合考慮鑄件材料組分及材料熱物性參數(shù)、澆注溫度、澆注速度、界面換熱系數(shù)等種種因素，通過鑄造過程的模擬仿真技術(shù)：鑄件充型過程(流場)數(shù)值模擬、凝固過程(溫度場)數(shù)值模擬、微觀組織數(shù)位模擬、熱應(yīng)力數(shù)值模擬，以及鑄造缺陷(如縮孔、縮松及熱裂等)預(yù)測等，并與試驗結(jié)合來綜合進行澆注系統(tǒng)的匹配設(shè)計，才能達到從實際意義上指導(dǎo)生產(chǎn)的作用，從而獲得高質(zhì)量的鑄件。

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