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      基于CAE技術(shù)的柱塞泵蓋鑄造工藝設(shè)計(jì)

      2019-07-23 07:05:58趙穎烈
      鑄造設(shè)備與工藝 2019年3期
      關(guān)鍵詞:充型鐵液縮孔

      趙穎烈

      (太重集團(tuán)榆次液壓工業(yè)有限公司鑄造分公司,山西晉中 030600)

      隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能發(fā)展,新的產(chǎn)業(yè)革命已經(jīng)開始,傳統(tǒng)鑄造業(yè)的經(jīng)營管理模式面臨著挑戰(zhàn)。鑄造技術(shù)正朝著綠色、智能、高質(zhì)量、低成本、短流程、定制化的方向發(fā)展。以數(shù)字化為基礎(chǔ)的智能鑄造已成為鑄造學(xué)科前沿研究熱點(diǎn),鑄造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為核心的產(chǎn)業(yè)變革已初現(xiàn)端倪,虛擬設(shè)計(jì)在智能設(shè)計(jì)中應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)成熟,其中基于鑄造過程數(shù)值模擬技術(shù)(CAE)已經(jīng)大量應(yīng)用,模擬仿真技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)延伸到產(chǎn)品的全生命周期,應(yīng)用實(shí)踐表明利用CAE仿真技術(shù)降低鑄件的開發(fā)成本、生產(chǎn)成本、提高鑄造企業(yè)的競爭力有巨大的作用。應(yīng)用鑄造CAE軟件可以實(shí)現(xiàn)鑄造充型過程、凝固過程、組織性能、應(yīng)力場變化過程的可視化模擬,預(yù)測鑄造過程中的缺陷;可以實(shí)現(xiàn)凝固過程形成的鑄件縮孔類缺陷定量化,充型過程中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行定性的預(yù)測,凝固金相組織、應(yīng)力場變化預(yù)測。因此鑄造CAE技術(shù)在鑄造業(yè)向智能鑄造轉(zhuǎn)型過程中大量應(yīng)用,促進(jìn)了鑄造技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。本次開發(fā)的柱塞泵蓋鑄件為柱塞泵的核心部件,泵蓋承受較大的交變載荷,因而,鑄件內(nèi)部不允許有縮孔、縮松、夾渣、冷隔,裂紋,氣孔鑄造缺陷,內(nèi)部油道不允許有粘砂、飛邊和結(jié)痂等影響內(nèi)部油道光潔的缺陷,外表面不允許有影響性能穿透類孔洞缺陷,泵蓋內(nèi)部不規(guī)則油口與其他部件有配合,但油口形狀不加工,尺寸精度要求高。為避免傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程中模具反復(fù)試做,同時(shí)縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本,采用鑄造CAE軟件進(jìn)行充型及凝固過程模擬,預(yù)測充型過程噴濺,紊流,凝固過程中縮孔、縮松缺陷,采取優(yōu)化措施降低鑄造工藝設(shè)計(jì)不合理,從而使?jié)沧⑾到y(tǒng)和補(bǔ)縮系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu),通過鑄造CAE軟件模擬為鑄造工藝優(yōu)化提供理論依據(jù),為實(shí)際鑄造件開發(fā)進(jìn)行指導(dǎo)。經(jīng)過前期大量模擬驗(yàn)證制造出模具,進(jìn)行了實(shí)際澆注驗(yàn)證,鑄件合格,工藝合理。

      1 鑄件結(jié)構(gòu)分析及工藝設(shè)計(jì)

      1.1 柱塞泵蓋結(jié)構(gòu)分析

      圖1所示為柱塞泵蓋鑄件三維數(shù)模,柱塞泵蓋輪廓尺寸為260 mm×238 mm×168 mm,最薄壁厚8 mm,最厚壁厚75 mm,重量38 kg,鑄件材質(zhì)QT400-15.鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,壁厚差較大,存在多處孤立熱節(jié),一般而言鑄件內(nèi)部孤立熱節(jié)存在使鑄件凝固時(shí)補(bǔ)縮較為困難,易發(fā)生縮松缺陷。同時(shí)細(xì)小油道砂芯散熱和排氣較差,增加氣孔缺陷發(fā)生概率,內(nèi)腔多的油道使鑄件充型易發(fā)生紊流,產(chǎn)生凝固縮松、氣孔等缺陷。

      圖1 柱塞泵蓋三維數(shù)模結(jié)構(gòu)圖

      1.2 澆注位置分析

      為方便造型時(shí)模具從砂型中拔出,通常確定鑄件最大面為分型面,以此確定鑄件在砂箱中的澆注位置。通過分析鑄件結(jié)構(gòu),顯然鑄件最大面在如圖1所示的上端面,鑄件澆注位置有兩種狀態(tài),位置一是鑄件大部分位于分型面以上,位置二是鑄件大部分位于分型面下方。澆注位置一為底澆方案,鐵液充型過程平穩(wěn),雖然充型較好,但由于鑄件大部分形狀在分型面以上,補(bǔ)縮困難,普通的側(cè)冒口存在自下向上的補(bǔ)縮狀態(tài),顯然存在反重力補(bǔ)縮,易出現(xiàn)補(bǔ)縮不到或不足,如果在此狀態(tài)采取頂冒口方案,由于鑄件結(jié)構(gòu)所限,鑄件此部分為鑄件薄壁部分,凝固時(shí)較早凝固,補(bǔ)縮通道不暢。澆注位置二為頂澆方案,充型時(shí)鐵液自上向下充型,鐵液易紊流,造成鐵液易卷氣,沖砂,氧化;但此種方案,鑄件厚壁部分在下箱,容易補(bǔ)縮,補(bǔ)縮通道也相對通暢。綜合考量后,兼顧以上兩種澆注位置的優(yōu)缺點(diǎn),采用鑄件大部分在下箱,頂冒口補(bǔ)縮,同時(shí)降低進(jìn)入型腔鐵液與型腔底部高度差減輕紊流,把分型面由頂面下移,內(nèi)澆道沿砂芯底面進(jìn)入型腔,如圖2所示。

      1.3 砂芯設(shè)計(jì)

      圖2 澆注位置示意圖

      鑄件內(nèi)腔采用覆膜砂芯形成,由于出模問題砂芯采用組合砂芯,設(shè)計(jì)6個(gè)砂芯組合成整體,組裝形成整體芯使用。為使?jié)沧r(shí)砂芯燃燒氣體排出,在砂芯中心加排氣通孔;為保證精度和防錯,砂芯之間設(shè)計(jì)定位芯頭,組芯間隙設(shè)計(jì)0.2 mm.砂芯厚度主體為10 mm,既保證砂芯易固化,又保證砂芯抵抗鐵水強(qiáng)度,砂芯厚大部分做減重槽,減少用覆膜砂用量,降低砂芯發(fā)氣,降低成本,減少污染排放,降低工人勞動強(qiáng)度。圖3為組裝砂芯數(shù)模。

      圖3 砂芯組裝示意圖

      1.4 澆注系統(tǒng)和過濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      根據(jù)柱塞泵蓋結(jié)構(gòu),鑄件壁厚差較大,局部壁厚較薄,為防止薄壁處出現(xiàn)缺陷,需要快速澆注避免溫度下降快造成澆注不足、冷隔、氣孔缺陷,同時(shí)為避免鐵液充型過快沖蝕砂型面,綜合考慮澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為先封閉過濾后逐級開放的澆注系統(tǒng),澆道各組元截面比例為:ΣF直:ΣF橫進(jìn):ΣF阻:ΣF橫出:ΣF內(nèi)=1.2:1.1:1:1.2:1.5,其中ΣF阻為控流面積。為防止鐵液中浮渣或顆粒物進(jìn)入型腔,在橫澆道前端設(shè)置SiC泡沫陶瓷過濾器,過濾器面積為控流面積的5倍。設(shè)定液面上升速度值為1.7 cm/s,設(shè)定整箱澆注時(shí)間為12 s,帶入奧贊公式計(jì)算出控流面積值,然后結(jié)合以上各組元截面比例計(jì)算出澆注系統(tǒng)尺寸。通過綜合考慮砂箱體積,采用靜壓線黏土砂造型,一箱兩件的布局,澆注箱重95 kg,綜合考慮型腔中液面上升速度和過濾器可過濾的鐵液重量,選用75 mm×75 mm×22 mm,10 PPI規(guī)格泡沫陶瓷過濾器一塊。

      1.5 補(bǔ)縮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      鑄件材質(zhì)為QT400-15,鑄件結(jié)構(gòu)壁厚差較大,故對鑄件熱節(jié)處進(jìn)行點(diǎn)補(bǔ)縮,為方便出模和提高出品率,選用微型發(fā)熱冒口,分析鑄件熱節(jié)處模數(shù),選用冒口模數(shù)較鑄件模數(shù)大一些,冒口模數(shù)1.6 cm~1.7 cm,為防止鑄件充型形成過熱區(qū)與冒口產(chǎn)生的接觸過熱區(qū)重合產(chǎn)生過熱,把發(fā)熱冒口設(shè)置在遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的一側(cè)。靜壓線造型時(shí),把微型發(fā)熱冒口提前套在型板的發(fā)熱冒口桿上,然后填砂壓實(shí),冒口即可預(yù)置在上箱砂型中。圖4為微型發(fā)熱冒口,圖5為完整工藝方案示意圖。

      圖4 微型發(fā)熱冒口

      圖5 完整工藝方案

      2 模擬驗(yàn)證

      2.1 網(wǎng)格劃分

      通過以上工藝方案設(shè)計(jì),采用鑄造CAE模擬軟件模擬鑄造過程,驗(yàn)證鑄造工藝方案合理性。實(shí)際生產(chǎn)條件,制芯采用熱芯盒覆膜砂,砂芯固化溫度230℃,造型采用黏土砂靜壓造型線造型,鐵液熔煉采用中頻感應(yīng)電爐,根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,球化溫度1 500℃~1 510℃,澆注溫度1 400℃~1 370℃,球化結(jié)束倒包孕育,澆注時(shí)隨流孕育,澆注時(shí)間控制在12 s左右。運(yùn)用三維建模軟件做出三維模型,如圖5,把三維數(shù)模保存為STL文件后倒入鑄造CAE模擬軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總量為2 048 280,圖6為有限元網(wǎng)格。球墨鑄鐵在結(jié)晶過程中存在液相收縮、石墨化膨脹、固相收縮,整體收縮率設(shè)定為0.8%.

      2.2 鑄件充型模擬分析

      圖7為充型過程壓力場分布,鐵液流經(jīng)澆注系統(tǒng)時(shí)在過濾器之前的控流截面處充型壓力最高,經(jīng)過過濾器梳整紊亂的金屬液流后,進(jìn)入開放的后端橫澆道,顯然壓力值明顯降低,然后鐵液由4個(gè)內(nèi)澆口進(jìn)入鑄件型腔,從開始充型直至充滿整個(gè)型腔壓力值保持穩(wěn)定,充型過程平穩(wěn),無明顯噴射和大量的紊流。圖8充型溫度場分布,充型過程溫度場分布較均勻,趨勢穩(wěn)定,沒有局部低溫區(qū),無噴射形成冷豆或澆不足。整個(gè)充型過程歷時(shí)14 s,比設(shè)計(jì)時(shí)間加長2 s可以接受,充型過程在平穩(wěn)的前提下實(shí)現(xiàn)較快澆注,初步計(jì)算一包澆注10箱,一包鐵液從球化到澆注完成可以控制在8 min之內(nèi),有效防止溫降過快和球化衰退。通過模擬鐵液充型過程,設(shè)計(jì)的控流截面后逐級開放的澆注系統(tǒng)充型過程平穩(wěn),紊流小,溫度場均勻,澆注系統(tǒng)方案可行。

      圖6 有限元網(wǎng)格

      2.3 鑄件凝固模擬分析

      球墨鑄鐵為微過共晶合金,凝固方式為內(nèi)生凝固的糊狀凝固,鐵液溫度下降到1 300℃左右時(shí)二次石墨開始大量形核長大,由于是內(nèi)生凝固方式,此時(shí)鑄件外壁凝固層并不結(jié)實(shí),不能完全抵抗鑄件內(nèi)部析出石墨相產(chǎn)生作用力,導(dǎo)致石墨化膨脹作用力易作用在鑄型上,如果鑄型剛性不足,容易發(fā)生型壁移動,鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生縮松,從均衡凝固的角度講,球墨鑄鐵采用剛性足夠的鑄型澆注時(shí),鑄件凝固體收縮可以依靠石墨析出膨脹來抵消,但在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)發(fā)現(xiàn)黏土砂即使鑄型表平面硬度達(dá)到90,仍然很難實(shí)現(xiàn)整體的自補(bǔ)縮。因此在設(shè)計(jì)補(bǔ)縮冒口時(shí),考慮實(shí)現(xiàn)順序凝固,在最后凝固的熱節(jié)附近設(shè)置頂冒口補(bǔ)縮。圖9凝固溫度場分布,內(nèi)澆口先冷卻凝固,然后鑄件邊角薄壁冷卻凝固,鑄件上高溫區(qū)相對集中在冒口和鑄件上冒口下方一圈的厚壁位置,采用發(fā)熱冒口相對晚于鑄件熱節(jié)凝固,利于補(bǔ)縮。圖10為凝固縮孔縮松分布,通過模擬切片分析鑄件內(nèi)部無縮孔縮松。

      3 鑄件實(shí)澆驗(yàn)證

      圖7 充型壓力分布

      圖8 充型溫度分布

      圖9 凝固溫度分布

      圖10 凝固縮孔、縮松分布

      應(yīng)用CAE仿真技術(shù)模擬優(yōu)化,確定工藝方案后,實(shí)際制作出模具,現(xiàn)場造型澆注柱塞泵蓋鑄件,拋丸后泵蓋鑄件外觀光潔,內(nèi)部油道無粘砂、潔凈;澆注后檢查發(fā)熱冒口補(bǔ)縮情況,發(fā)熱冒口頂面下降,冒口體剩余65%,冒口液量滿足;泵蓋鑄件切片檢測內(nèi)部,內(nèi)部無縮孔縮松;鑄件尺寸檢測合格;加工性能合格;整泵裝配后試驗(yàn)合格。運(yùn)用CAE仿真技術(shù)優(yōu)化鑄造工藝制作模具,實(shí)際澆注,鑄件合格,一次性開發(fā)成功,避免以前反復(fù)澆注試錯糾正工藝不足,降低模具反復(fù)修補(bǔ)造成報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn),鑄件開發(fā)成本降低,同時(shí)利用CAE仿真技術(shù)虛擬驗(yàn)證澆注過程縮短鑄件開發(fā)時(shí)間。圖11柱塞泵蓋砂芯和現(xiàn)場造型,圖12為實(shí)澆鑄件和內(nèi)部切片檢測。

      圖11 柱塞泵蓋砂芯和現(xiàn)場造型

      4 結(jié)論

      1)綜合分析制定初始工藝方案,采用鑄造CAE軟件仿真技術(shù)驗(yàn)證工藝方案可行。

      2)實(shí)際制作模具,澆注鑄件,檢測鑄件合格。

      圖12 柱塞泵蓋鑄件和內(nèi)部切片檢測

      3)鑄造CAE仿真模擬技術(shù)可以指導(dǎo)鑄件先期開發(fā),降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期。

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