运用 MAGMA 软件对过滤网进行仿真模拟,快速指导、优化过滤网设计,提高产品成功率,充分发挥过滤网的过滤作用,降低产品综合成本,提高企业竞争力。关键词: 铸造 CAE;过滤网设计;铸造缺陷中图分类号:TG244;文献标识码:A;文章编号 :1006-9658(2017)04-0048-04DOI:10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04. 014 收稿日期 :2017-03-01稿件编号 :1703-1682作者简介:宋亮(1986—),男,工程师 , 现主要从事铸铁铸造技术和管理工作 .0 引言过滤网在高温、高压和高冲击的环境中工作,因此对其品质要求较高,一般设计多依靠经验,设计不当将使过滤网破碎导致铸件报废,设计保守将导致产品生产成本升高。近年随着计算机软件的飞速发展,铸造模拟 CAE 技术已经广泛的应用于实际生产,大大减少了设计的盲目性,节省了巨额的设计费用,也大大缩短了设计周期[1]。本文利用 MAGMA 模拟软件对铸造过程过滤网设计进行仿真模拟,提高铸造过滤网设计的科学性和可靠性。1 CAE 技术介绍运用流体力学、热力学和有限元等数值分析理论[2],对铸造过程的充型、凝固、冷却、应力分布等进行整体的仿真分析,使铸造过程变得形象化、可视化,铸造变成“睁眼浇注”,方便工艺技术的改进和提升,对铸造工艺中新方法、新工艺的提出和应用,有着不可或缺的作用,得到了极大的推广,为铸造业带来了不可估量的效益[3]。2 过滤网介绍铸造用过滤网在高温、高压和高冲击的环境中工作,过滤网形状结构、材料性质、最高工作温度和过滤能力是评价过滤网的主要指标。一般设计多依靠经验,设计不当将使过滤网破碎导致铸件报废,设计保守将导致成品生产成本升高。2.1 过滤网的过滤机制过滤网过滤机理一般有三种,分别是筛选过滤、滤饼作用和吸附、深层过滤,如图 1 所示。(1)筛选过滤:大颗粒的杂质和薄膜式的夹杂物在过滤网片上被捕集;(2)滤饼作用:金属液中比过滤网片孔径大的颗粒聚集在过滤片的表面,形成一个滤饼,滤饼切刀有效的过滤媒体作用,比过滤网片孔径小的杂质颗粒被阻止在这个滤饼上,达到良好的过滤作用;(3)吸附、深层过滤:小颗粒杂质、细小夹杂质和显微杂质在越过初步的过滤层之后就进入过滤网孔隙的表面上。(a) 筛 选 过 滤 机 理 (b) 滤 饼 过 滤 机 理( c) 吸 附 、 深 层 过 滤 机 理图 1 过 滤 网 过 滤 机 理 示 意 图2.2 过滤网类型万方数据49 中国铸造装备与技术 4 ∕ 2017 Production Techniques 生产技术现在常用的有过滤网布、直孔过滤网、泡沫过滤网、陶瓷过滤网、碳化硅过滤网、碳晶过滤网。过滤网能力是过滤网形状结构、材料性质和工作温度的一个综合体现,一般过滤能力在 2~8 kg/cm2,较 常使用的是直孔或泡沫过滤网。直孔陶瓷过滤网具有整流作用,是金属液体从“紊流”变为稳定的“层流”;泡沫陶瓷过滤网具有稳流作用,降低金属液流速,利于杂质物上浮除去等作用。部分常用过滤网如图 2 所示。(a) 氧 化 锆 过 滤 网 ;(b) 碳 晶 过 滤 网 ;(c) 直 孔 过 滤 网图 2 过 滤 网 实 物 照 片3 CAE 仿真软件在过滤网的设计中的应用由于,液体流向与静压力的影响,位于浇注系统不同位置的过滤网流过的铁液流量不同。一般设计过滤网均采用理论计算的方式,按照每片过滤网的许用过滤能力设计,会导致部分过滤网流量过大,易产生过滤网冲碎的风险;部分过滤网未能有效发挥作用,能力富余,成本上升;使用 CAE 仿真软件对过滤网进行仿真模拟,可以提供工艺设计的准确性[3]。3.1 浇注系统及过滤网设计公司某产品,铸件毛坯质量 3 150 kg,浇注质量:3 500 kg。使用 120×120×22 ( mm)碳晶过滤网,供应商提供过滤网能力为 6 kg/cm2,最大过滤速度为22 kg/s,过滤网有效过滤面积为 100 cm2,即单个过滤网最大过滤网能力 600 kg。理论计算需要 6 块过滤网,每块过滤网平均过滤量为 567 kg,满足过滤网设计标准。但实际生产中,发生多次过滤网破碎进入铸件的情况。对浇注系统及过滤网设计进行研究,按照图3 形式,从直浇道到横浇道末端依次对过滤网编码1#、 2#、 3#、 4#、 5#、 6#。现使用 MAGMA 模拟软件对单片过滤网的过流量进行模拟,在模拟软件中将每个内浇道及过滤网分别进行定义,对产品做压力充型 + 凝固模拟,对模拟结果中每个过滤网的流速和流量进行分析,具体见图 4 和表 1。表 1 中,进流时刻是指从开始浇注到铁液开始进入对应过滤网的时间;最大进流速度是指在整个铁液通过相应过滤网过程中最大速度;流量是指通过相应过滤网的铁液质量。图 3 浇 注 系 统 及 过 滤 网 编 码 图 4 MAGMA 模 拟 结 果表 1 过滤网进流模拟结果过 滤 网 进 流 时 刻 /s 最 大 进 流 速 度 /( kg/s) 流 量 /kg1# 5.49 12.41 4232# 4.75 13.82 5513# 4.21 13.95 5704# 4.21 11.41 5485# 4.14 14.89 7236# 4.57 13.85 5453.2 仿真模拟结果经过模拟,流过过滤网的铁液量 L =L1+L2+L3+ L4+L5+L6=3 360 kg;单个过滤网的过滤量由大到小的顺序如下: L5> L3> L2> L6> L1> L4; 单个过万方数据50中国铸造装备与技术 4 ∕ 2017生产技术 Production Techniques滤网的流速由大到小的顺序如下: V5> V3> V2>V6> V1> V4; 铁液流速全部在过滤网所能承受范围内,从流量的角度判断过滤网较安全; 1#、 2#、 3#、4#、 5#、 6# 过滤网小于过滤网理论过滤能力,无冲碎风险; 5# 过滤网过滤量 723 kg 超过过滤网理论过滤能力,超过量 723/600=121 %,有较大风险。3.3 实际结果验证为了验证模拟结果,我们选择铸件有夹过滤网的产品,对其浇注系统进行解剖检测,结果如图 5所示,其中左侧图片为发现铸件夹过滤网,中间为解剖 1#、 2#、 3#、 4#、 5#、 6# 过滤网的结果,右侧图片为解剖 5# 过滤网的结果,可以明显发现 5# 过滤网发生破碎,进入铸件导致夹过滤网缺陷。图 5 过 滤 网 解 剖 示 意 图4 品质改进通过 MAGMA 模拟和现场铸件解刨发现,模拟结果与现场品质问题吻合。发生以上问题,主要是由于浇注系统及过滤网设计时,未充分考虑到内浇口与直浇道与横浇道的配合关系,由于液态流动压力及过滤网的作用,发生不同的内浇道进流量不同,但是我们往往按照每个内浇道等流量的方法设计,从而导致部分内浇口处的过滤网超过流量使用,发生品质问题或产生风险,需要对其设计进行改进。4.1 浇注系统及过滤网设计改进通常,在浇注系统设计时,对横浇道与内浇道均是恒截面,对于有多个进流口的浇注系统来说,铁液从直浇道进入,流入横浇道后总是直接冲到横浇道端头,并从远离直浇道的内浇道率先进流,这使得从直浇道进入的铁液不能平均的分配到每个内浇道中,在直浇道的单侧的内浇道越多,各个内浇道中的进流时间和进流量就越不均匀,越容易发生个别内浇道大流量、高流速,个别内浇道进流量小或者反向进流,增加了品质风险的可能性。为此,对浇注系统进行改进,减少直浇道单侧的内浇道数量,增大直浇道与内浇口的距离,增大直浇道末端距离内浇道的距离,或者修改各个内浇道的面积来调整进流量。具体修改结果如图 6,按照从左至右,依次排序为 1#、 2#、 3#、 4#、 5#、 6#,过滤网数量保持6 块,修改直浇道与过滤网和内浇道的配合位置,并保证过滤网与直浇道、过滤网与横浇道末端的距离。按照图 6 的布置重新进行模拟,具体模拟结果如表 2 所示。图 6 改 进 后 浇 注 系 统 示 意 图表 2 改进后模拟结果过 滤 网 进 流 时 刻 /s 最 大 进 流 速 度 /( kg/s) 流 量 /kg1# 4.19 13.54 5772# 4.24 13.82 5413# 4.33 12.45 5504# 4.33 12.21 5585# 4.18 13.66 5476# 4.03 13.23 5754.2 改进后实际生产结果按照改进后的浇注系统进行生产,首件解剖结果见下图,过滤网全部无破损。采用此方案连续生产 34 件,未再发生过滤网破碎导致的夹过滤网的缺陷。图 7 过 滤 网 解 剖 示 意 图万方数据51 中国铸造装备与技术 4 ∕ 2017 Production Techniques 生产技术5 结束语(1)通过 MAGMA 模拟和现场铸件解刨发现,模拟结果与现场品质问题吻合,通过修改内浇道和过滤网的设计,可以达到优化过滤网使用的目的。(2)通过使用铸造 CAE 辅助技术对原有铸造工艺进行模拟改进,缩短了工艺改进周期,对整个缺陷的产生和改进更加直观、有效,降低生产成本,有效提高铸造经济效益,满足顾客要求,实现了供应商和顾客双赢的目标。参考文献[1] 宋贤发 . 利用铸造 CAE 技术优化铸造工艺 [ J]. 现代铸铁 ,2001(1) .[2] 张云鹏,杨秉俭,苏俊义,等. 铸件凝固过程数值模拟的新进展[ J]. 铸造技术 ,1998(1):34-36.[3] 柳百成 . 铸件充型凝固过程数值模拟国内外研究进展 [ J]. 铸造 ,1999(8): 40-45.Application of CAE technology in casting fi lter design processSONG Liang,SU ShaoJing, WANG HongTao (KOCEL machinery Co.,Ltd., Yinchuan 750021,Ningxia,China)Abstract: This article describes the use MAGMA software to simulate the process of filter, can achieve rapid guide and optimized filter design, improve the success rate of products, bettler play the role of the fi lter , reducing the cost of products, improve the competitiveness of enterprises.Keywords: casting CAE; fi lter design; casting defects 在 2017 丝绸之路国际博览会暨第 21 届中国东西部合作与投资贸易洽谈会上,奥邦智能制造项目i5 智能工厂机床设备及润滑油交付仪式圆满落幕。上海优尼斯工业设备销售有限公司携手埃克森美孚向该智能工厂正式交付了第一批 i5 智能机床及其配套的相关润滑产品,助力打造西北首家智能制造示范工厂,致力于构建信息化条件下的产业生态体系和新型制造模式。上 海优尼斯工业设备销售有限公司是沈阳机床股份有限公司的全资子公司,作为沈阳机床从制造商向工业服务商战略转型的市场平台,公司面向用户提供 i5 智能机床全生命周期的经营与服务。奥邦智能制造项目 i5 智能工厂是陕西省安康市“十二五”期间重点建设的项目之一,由沈阳机床与奥邦锻造合作共建而成,以智能装备为基础,利用互联网技术进行关联控制,对汽车零部件等相关产品进行精细加工,满足终端客户对于产品质量日益提高的需求。作为沈阳机床的战略合作伙伴,埃克森美孚将为 i5 智能工厂提供全面的润滑解决方案,包括一系列高性能的相关润滑产品和专业的配套服务,帮助提高设备的可靠性并延长使用寿命,进而降低维护成本,助力终端用户的设备可靠运转,生意顺心。近年来,高速发展的网络、信息技术正在广泛而深刻地改变着传统的制造业生产方式,全球制造业呈现出智能化、绿色化、服务化的发展趋势。而作为中国机床行业的领先者,沈阳机床在“中国制造2025”和“工业 4.0”的大背景下,打造“i5 智能工厂”,进一步推进 i5智能制造谷的布局与建设,标志着沈阳机床从机床设备制造商到工业服务商的重大转型。拥有超过150年润滑管理经验的埃克森美孚,近年来坚决贯彻本土化战略,在技术领域不断扩大投入,积极响应合作伙伴和终端用户的需求,为中国机加工行业的智能转型升级提供了强有力的支持。埃克森美孚为i5智能工厂提供包括美孚 DTE ™ 20 系列抗磨液压油和美孚威达 ™ 数字系列导轨油在内的相关润滑产品,能够满足 i5智能设备关键部件的润滑需求,减少计划外故障停工,降低维护成本;同时帮助机床加工提升精准性,从而进一步提升生产力。与此同时,埃克森美孚还会向 i5 智能工厂提供包括美孚优释达 SM 油品分析服务在内的专业配套服务。美孚优释达SM油品分析服务,能够将埃克森美孚遍布全球的油品专家的专业润滑知识直接传达给用户,用户在移动端即可轻松获取为设备量身定制的专业润滑管理方案,简化润滑监测进程,改善油品分析过程,提供准确的分析和详尽的可行性建议,实现安全、环保、高效的生产目标。仪 式上,上海优尼斯工业设备销售有限公司区域销售总经理李宾先生表示:“我们很高兴能在今天的交付仪式上,同时借助丝博会这个平台,向各位与会嘉宾展示我们的智能制造理念。i5智能工厂利用互联网技术进行关联控制,可实现不间歇生产,帮助企业节省人力成本;而我们的战略 合作伙伴,润滑行业的领先者——埃克森美孚则将通过其全面的润滑解决方案,为机床设备提供有效保护,帮助减少设备运维成本。双方将不断通力合作,帮助入驻智能工厂的企业提质增效。”“当前,在‘中国制造 2025’和‘一带一路’战略的引领下,国家把发展智能制造作为主攻方向,大力发展先进制造业,将推动中国制造向中高端不断迈进。” 埃克森美孚(中国)投资有限公司西北区大区经理黄强先生表示,“为了帮助中国机加工企业提升自身竞争力,埃克森美孚将不遗余力在产品、技术、服务及全球资源方面提供支持,帮助设备运转更可靠,让企业生意更顺心,能够更好地参与到全球市场的竞争与合作中。”业界资讯 Information可靠运转,“智造”升级—埃克森美孚携手上海优尼斯,助力打造西北首家智能制造示范工厂万方数据