模擬技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何春華

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005）

模擬技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

何春華

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西玉林 537005）

基于鑄造企業(yè)工藝流程復(fù)雜、制造時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，造成新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的原因，在開發(fā)前期采用鑄造模擬技術(shù)先對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行模擬，從而優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品一次開發(fā)成功率，達(dá)到縮短產(chǎn)品研發(fā)周期的效果。

模擬；鑄造工藝；新產(chǎn)品

現(xiàn)在的鑄造過(guò)程模擬技術(shù)日趨成熟，模擬技術(shù)不僅能模擬鑄造鐵液的充型情況，更可以模擬鐵液凝固全過(guò)程、應(yīng)力分布等。

在進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)中，為了提高新產(chǎn)品的一次鑄造成功率，縮短開發(fā)時(shí)間，把模擬技術(shù)應(yīng)用到工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中，對(duì)設(shè)計(jì)出來(lái)的鑄造工藝進(jìn)行模擬，為改進(jìn)澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等提出一些意見和建議，從而提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量，盡量減少鑄造缺陷的發(fā)生。

1 傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)流程

傳統(tǒng)的鑄造工藝設(shè)計(jì)（圖1）是依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)，往往會(huì)認(rèn)為鐵液充型速度越快，產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷越少，但是澆注速度過(guò)快，所帶來(lái)的其它問(wèn)題則無(wú)法判斷。傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)在還沒(méi)有生產(chǎn)出具體實(shí)物時(shí)，是無(wú)法有效地判斷出零件氣孔、崩砂、縮孔的產(chǎn)生位置。若整體的工藝方案不合理，可能會(huì)導(dǎo)致無(wú)法做出合格的產(chǎn)品，需要多次重復(fù)地制造出產(chǎn)品來(lái)驗(yàn)證工藝，浪費(fèi)大量的時(shí)間、金錢，同時(shí)影響到新品研發(fā)的進(jìn)度。

圖1 傳統(tǒng)鑄造工藝設(shè)計(jì)流程

2 采用模擬技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)流程

采用模擬技術(shù)（圖2）應(yīng)用到鑄造工藝設(shè)計(jì)中,主要是在設(shè)計(jì)時(shí)增加對(duì)工藝設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)，避免時(shí)間和實(shí)物上的浪費(fèi)。相對(duì)于傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，它的設(shè)計(jì)周期會(huì)有所增加，但與傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)中用制造實(shí)物來(lái)驗(yàn)證工藝的時(shí)間相比少了許多，同時(shí)還避免了生產(chǎn)上的浪費(fèi)，可以使產(chǎn)品一次制造到位，提高新品的開發(fā)進(jìn)度。

圖2 采用模擬技術(shù)的工藝設(shè)計(jì)流程

3 模擬技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

（1）從設(shè)計(jì)處得到需要開發(fā)產(chǎn)品的三維模型后，先組織相關(guān)技術(shù)人員、專家對(duì)產(chǎn)品的可制造性進(jìn)行評(píng)審。

（2）組織鑄造經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的人員對(duì)產(chǎn)品的鑄造工藝方案評(píng)審。

（3）鑄造工藝設(shè)計(jì)人員開始按工藝方案評(píng)審要求進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)。

（4）工藝設(shè)計(jì)完成后，再由鑄造相關(guān)專家對(duì)具體的工藝進(jìn)行評(píng)審，確定是否可以用于模擬。

（5）采用模擬軟件對(duì)已通過(guò)評(píng)審的工藝進(jìn)行鑄造過(guò)程模擬。

（6）再次組織鑄造專家對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行評(píng)審，對(duì)鑄造過(guò)程模擬出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)一步分析討論，對(duì)需要優(yōu)化的部位進(jìn)行工藝優(yōu)化；若鑄造過(guò)程模擬沒(méi)有出現(xiàn)什么影響質(zhì)量的問(wèn)題，則可進(jìn)行模具制造，生產(chǎn)毛坯。

4 實(shí)例應(yīng)用

下面以具體的鑄造工藝設(shè)計(jì)為例，說(shuō)明模擬技術(shù)在工藝設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用。

在此不對(duì)傳統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)部分展開說(shuō)明，直接用模擬結(jié)果進(jìn)行分析說(shuō)明。改進(jìn)前與改進(jìn)后兩種方案所設(shè)定的澆注速度、鐵液重量、鐵液成分、鐵液溫度等參數(shù)都是一樣的，只是把橫澆道的截面積及形狀做了一些優(yōu)化；把內(nèi)澆口的平行進(jìn)水改成了喇叭口方式進(jìn)水，從而降低鐵液對(duì)型腔的沖刷。通過(guò)兩種不同方式的對(duì)比，可看出模擬技術(shù)在鑄造工藝設(shè)計(jì)當(dāng)中的重要性。

下面所論述的模擬結(jié)果均是采用MAGMA軟件進(jìn)行的氣缸體充型模擬。

圖3、圖4中，黃色（淺色）部分表示已充型的型腔。從圖可以看出，圖3澆注時(shí)橫澆道沒(méi)有充滿，集渣包沒(méi)有起到作用，不能防止渣、砂被吸入，容易導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)缺陷。圖4澆注時(shí)，橫澆道快速充滿鐵液，澆注時(shí)帶進(jìn)的渣及散砂能及時(shí)浮起，防止被吸入型腔。

圖 5、圖 6 的不同顏色代表不同的充型速度。內(nèi)澆口優(yōu)化前，充型速度非常高，高達(dá) 1.6m/s；內(nèi)澆口優(yōu)化后，鑄型的充型速度明顯降低，速度在1.2m/s左右。從鑄造的角度來(lái)看，鐵液充型速度過(guò)快，沖刷強(qiáng)度過(guò)高會(huì)容易導(dǎo)致沖崩砂，導(dǎo)致砂眼等缺陷的產(chǎn)生。澆注系統(tǒng)優(yōu)化前與優(yōu)化后的澆注速度是一樣的，但是充型速度有所差別，降低了鐵液對(duì)鑄型的沖刷，減少崩砂等缺陷的產(chǎn)生。

以上只是對(duì)充型過(guò)程的模擬分析，觀察充型過(guò)程中有可能發(fā)生的質(zhì)量隱患，從而對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。鑄件的凝固過(guò)程同樣也會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，工藝設(shè)計(jì)合理與否，直接導(dǎo)致鑄件熱節(jié)位置的不同，影響到鑄件的凝固質(zhì)量，導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)縮孔或縮松。通過(guò)模擬可以直接看出凝固過(guò)程中，哪些位置會(huì)出現(xiàn)熱節(jié)，哪些位置產(chǎn)生的縮孔較大，從而優(yōu)化澆注系統(tǒng)或改進(jìn)工藝設(shè)計(jì)，防止縮孔、縮松的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

5 分步模擬方法

因所用于模擬的機(jī)體、缸蓋模型都比較大，模擬所耗費(fèi)的時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。因此我們不能按常規(guī)的辦法全部設(shè)計(jì)完成后再進(jìn)行模擬，以下講述分步模擬的方法。

（1）拿到產(chǎn)品三維模型后，直接用產(chǎn)品的三維模型先模擬分析凝固過(guò)程，省去充型過(guò)程的模擬。先對(duì)產(chǎn)品凝固模擬進(jìn)行分析，在容易產(chǎn)生縮孔的部位增加冒口設(shè)計(jì)或采用工藝方式減少縮孔的發(fā)生。優(yōu)化后，再重新模擬，直到滿意為止。

（2）對(duì)鑄件澆注系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)程模擬，因機(jī)體或缸蓋的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，若澆注系統(tǒng)和產(chǎn)品一起模擬分析，則時(shí)間會(huì)很長(zhǎng)。這種情況下，可以取一個(gè)重量與產(chǎn)品相差不多，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型用于分析，有利于縮短模擬時(shí)間。

（3）把模擬優(yōu)化后的產(chǎn)品和澆注系統(tǒng)組合在一起，全面模擬一次充型和凝固過(guò)程，對(duì)工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)。

6 總結(jié)

（1）澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞，直接會(huì)影響到產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題，設(shè)計(jì)得不合理，會(huì)導(dǎo)致吸入大量的渣或砂。為保證產(chǎn)品質(zhì)量，采用模擬充型的辦法先對(duì)澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬，從而可以提前優(yōu)化澆注系統(tǒng)，可以避免澆注系統(tǒng)的不合理。

（2）澆注速度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致鑄型崩砂，鑄件產(chǎn)生缺陷。通過(guò)模擬充型，可以在保證澆注速度的同時(shí)，降低鐵液對(duì)鑄型的沖刷速度，減少鑄型崩砂。

[1]許曉燕.鑄造成本核算電算化在我廠的應(yīng)用[J].鑄造,2010,59（7）：679-684.

[2]郝良品，田衛(wèi)星，鄭洪亮，等.定向凝固過(guò)程的數(shù)值模擬進(jìn)展[J].鑄造，2007，56（7）：704-707.

[3]李魁盛.鑄造工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

Application of Simulation Technology on Foundry Technology Design

HE ChunHua
(Guangxi Yulin Diesel Engine Machine Co.Ltd.,Yulin 537005,Guangxi China)

Foundry simulation technology has been adopted in prophase of developing new castings products to simulate manufacturing process so as to optimize product structure and foundry technology design hence higher success in developing and shorter developing cycle of products have been done.

Simulation;Foundry technology;New product

TP391.99;

A；

1006－9658（2012）03－0035-3

2012－01－17

稿件編號(hào)：1201－007

何春華（1980-），男，助理工程師，主要從事鑄造工藝、工裝設(shè)計(jì)等工作