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    采用CAD技術(shù)的砂型鑄造工藝分析與仿真

    2019-01-10 01:47:14謝祖華李云妹
    關(guān)鍵詞:熱節(jié)斜度冒口

    謝祖華, 李云妹

    (福建船政交通職業(yè)學(xué)院 機械工程系,福州 350007)

    我國鑄造水平一直落后于發(fā)達(dá)國家,如鑄件鑄造性能差,容易出現(xiàn)熱裂、縮孔等,而且成本高、周期長,容易造成資源的浪費.鑄造工藝設(shè)計需要大量的數(shù)據(jù)作為支撐,鑄造工藝CAD系統(tǒng)的使用能夠縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期,提高工藝質(zhì)量.當(dāng)前國內(nèi)鑄造企業(yè)已經(jīng)認(rèn)識到CAE的重要性,并且已經(jīng)廣泛使用此技術(shù).但是CAD軟件仍然采用二維設(shè)計,工藝設(shè)計效率低下,本文主要分析砂型鑄造CAD系統(tǒng)工藝改進(jìn)[1].

    1 技術(shù)路線和開發(fā)平臺

    圖1 鑄造工藝設(shè)計開發(fā)技術(shù)路線

    在開發(fā)過程中,利用CAD軟件腳本語言以及C++特點實現(xiàn),使其能夠滿足鑄造工藝設(shè)計要求,開發(fā)技術(shù)路線見圖1.

    工藝設(shè)計軟件采用C++語言和軟件自身腳本語言程序,Script在文本格式下編寫、修改,在Sinovation環(huán)境下編譯.采用Vistual Studio開發(fā)環(huán)境.

    2 鑄造工藝參數(shù)CAD設(shè)計

    鑄造工藝參數(shù)CAD設(shè)計包括最小鑄出孔、加工余量設(shè)計、拔模斜度、冒口等.

    2.1 最小鑄出孔

    最小鑄出孔的設(shè)計與合金種類、鑄件種類、直徑、厚度等有關(guān),灰鑄鐵件、普通碳鋼和低合金鋼最小鑄出孔尺寸見表1、表2.

    表1 灰鑄鐵件不同鑄出孔直徑

    表2 普通碳鋼和低合金鋼最小鑄出孔尺寸

    2.2 加工余量和拔模斜度設(shè)計

    依照GB/T6414-1999中的規(guī)定,要求機械加工余量的設(shè)計全部滿足毛坯鑄件需求,而且需要根據(jù)成品鑄件的尺寸合理選擇,鑄件某一部位最大尺寸應(yīng)小于成品尺寸加工余量,如果存在傾斜,還需要考慮傾斜角度[2-3].如果鑄件本身沒有足夠的結(jié)構(gòu)斜度設(shè)計,應(yīng)該在工藝設(shè)計中設(shè)計拔模斜度,保證鑄件質(zhì)量,適當(dāng)增加鑄件壁厚.如果鑄件內(nèi)表面沒有采用砂芯,外表面可以存在較大斜度,原則上要求機械造型的上箱尺寸在0.3D以下,下箱尺寸在0.3D以下.隨著鑄造工藝的發(fā)展,精度要求可能還會提高,斜度會減少.

    鑄件線收縮率是指鑄件從收縮開始溫度冷卻到室溫的收縮量,可以表示為ε=(L1-L2)L1×100%,其中L1、L2分別是模樣長度和鑄件長度,收縮率不僅考慮了其他因素對鑄件收縮的影響,同樣考慮了結(jié)構(gòu)、種類等對收縮率的影響.各類鑄件收縮率見表3.為得到精度更高的鑄件,需要根據(jù)實際情況合理確定收縮率[4].

    表3 各種鑄鐵件鑄件線收縮率

    2.3 冒口和澆筑系統(tǒng)CAD設(shè)計

    冒口在鑄件上的位置包括頂部和邊緣部位.在鑄造工藝設(shè)計中,需要分析鑄件熱節(jié)位置,得到需要添加冒口的位置,反復(fù)檢查熱節(jié)位置,直至滿足鑄件要求.熱節(jié)預(yù)測中,鑄件某點距離散熱面的記錄倒數(shù)之和就是熱節(jié)傾向,但是這個模型僅適合二維分析,對此模型進(jìn)行改進(jìn),更加適合CAD軟件分析[5].

    鑄件凝固時間與截面模數(shù)存在幾何關(guān)系,tr=C(V/A)2,H/f=Hf+CpΔTs,這是比較簡單比較鑄件凝固時間的方法.對于復(fù)雜鑄件,需要計算截面模數(shù),SM=2/[Е1/di],以上模型適合二維場所,需要作出改進(jìn),在三維空間存在多個相接觸的網(wǎng)格單元,對該單元進(jìn)行簡化,得到每一個面上的散熱能力,Pi=1/di.

    冒口設(shè)計中,要求凝固時間大于逐漸被補縮部分凝固收縮時間,冒口所提供的補縮液量應(yīng)大于鑄件液態(tài)收縮量以及固態(tài)收縮量之和.在整個補縮過程中,冒口和鑄件補縮部分需要存在通道,保證順序凝固.冒口內(nèi)部應(yīng)該存在足夠的補縮壓力,保證補縮金屬液能夠流向特定區(qū)域中,克服阻力.冒口和鑄件相連接的節(jié)點應(yīng)該大于幾何熱點.

    冒口設(shè)計方法較多,在本文研究中采用簡單模數(shù)法,認(rèn)為模數(shù)是鑄件補縮體積與散熱表面積的比值,表示為Tf=M2/K2,對于模數(shù)相同的鑄件,Chovorinov發(fā)現(xiàn),鑄件完全凝固的時間與模數(shù)成正比,其中M為逐漸補縮部位模數(shù),K為凝固系數(shù).只需要知道鑄件各個部分模數(shù)就能夠明白凝固順序,無需計算凝固時間,Tr>Tc.對于普通冒口而言,Mr=fMc,其中f為擴大系數(shù),冒口不做澆口時,f=1.2,暗冒口,f=1.1.最后需要校正冒口補縮能力,保證足夠的金屬液補縮鑄件,依照逐漸體積補縮能力,普通冒口需要具有足夠的體積收縮.冒口對鑄件最大收縮能力依照公式Vcmax=Vr(Π-ε)/ε計算.

    轉(zhuǎn)包澆注一般應(yīng)用在大批量小型鑄件的生產(chǎn),而且多采用封閉式系統(tǒng),內(nèi)澆道尺寸∑A內(nèi)=Gl/(tkS-1),澆注時間t2=C2Gl,相對密度ρ=Gl/Vc,Gl是指澆注鋼液重量,Vc是指鑄件體積,鑄件相對密度小于鑄件密度.塞桿包澆注尺寸設(shè)計依照重量速度計算法,根據(jù)鑄件重量和結(jié)構(gòu)特點計算澆注時間和速度,選擇合適包孔[6].

    3 CAD仿真結(jié)果

    運用CAD技術(shù)輔助鑄造工藝設(shè)計,確定最佳工藝參數(shù).高溫金屬溶體填充鑄件型腔,形成過程非常復(fù)雜,將澆冒口系統(tǒng)看做金屬液通道,采用計算機流體力學(xué)模擬凝固過程.充型和凝固可以簡單理解為高溫溶體在幾何模型內(nèi)持續(xù)變化的過程,該過程遵循質(zhì)量守恒,假設(shè)金屬為不可壓縮液體,體積函數(shù)方程δ(ρu)/δt+Δ(Fu)=0,能量方程δ(ρcpT)/δt+Δ(ρcpTu)=λΔ2T+Qv.對金屬液在澆注系統(tǒng)內(nèi)流動情況,采用雷諾系數(shù)Re作為參考.采用CAE軟件求解方程,初始條件均由企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場直接測量,邊界調(diào)節(jié)通過相關(guān)單位熱傳導(dǎo)系數(shù)查詢.

    選用CAD軟件作為數(shù)值模擬過程,給予Windows操作平臺進(jìn)行仿真分析.使用AnyPRE模塊,導(dǎo)入stl文件,定義各部分組間功能,設(shè)置澆口方向和模型,在求解中,劃分不同網(wǎng)格,進(jìn)行基本過程的設(shè)置.將目標(biāo)工藝設(shè)置為非金屬型鑄造,溫度常溫27 ℃,其他條件均為默認(rèn)值.選擇用戶自定義條件、各組件界面熱交換系數(shù),查詢熱交換系數(shù),見表4.經(jīng)過工藝之后得到仿真結(jié)果,工藝設(shè)計中,不適合在鑄件表面設(shè)置保溫冒口,鑄件型腔外圍可以設(shè)置補縮距離.若在砂芯處設(shè)置側(cè)冒口,就會導(dǎo)致開口方向出現(xiàn)問題,在埋設(shè)冷鐵時,需要避免埋設(shè)冷鐵導(dǎo)致堵塞[7].

    表4 砂型鑄造熱交換系數(shù)表

    4 結(jié)語

    本文研究在CAD軟件源代碼基礎(chǔ)上,完成鑄造工藝CAD軟件的設(shè)計,從而能夠更加精確地計算鑄件整體模數(shù).采用簡單模數(shù)法設(shè)計冒口,方便用戶設(shè)計,更加貼近實際需求.在能夠滿足冒口尺寸基礎(chǔ)上,改進(jìn)模數(shù)模型,準(zhǔn)確預(yù)測鑄件熱節(jié)位置.

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