铸造成形工艺过程的数值模拟仿真及其应用-学兔兔www.bzfxw.com.pdf

毒 华 | ^ L铸_ ．。蓬 曩盈霉曩 铸造成形工艺过程的数值 模拟仿真及其应用 中国三江航天集团国营红阳机械厂 (湖北孝感432100) 王华侨张颖费久灿王德跃 【摘要】一本文对国内外常用的几款铸造成形工艺模拟仿真软件的功能进行了简要介绍，希望对从事铸 造行业的产品设计师 模具设计师、铸造工艺师提供一定的参考借鉴作用，从而为提高企业的铸造工艺水平 搭建一个更好的优化设计，以及成形工艺的数字化工艺优化设计、制造、仿真集成的先进平台。 一、概述 铸造仿真模拟优化软件是为评价和优化铸造产品与 铸造工艺而开发的，借助于铸造仿真模拟优化软件系统 平台，铸造工程师在完成铸造『[艺编制之前，就能够对 铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分 析并预测铸件的质量、优化铸造设备参数和工艺方案。 通过模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不 足、冷隔、裹气和热节的位置，以及残余应力与变形， 准确地预测缩孑L、缩松和铸造过程中微观组织的变化。 1所示为铸造仿真模拟分析的典型过程。 图1 铸造仿真模拟分析的典型过程 蠡 工@热加工 垫丝 塑 壁重 !! 星 塑■蛊誓 WWW．meta1wo rking 7950 com I蚕蚕圈 本文对国内外常用的几款铸造成形_[艺模拟仿真软 件华铸CAE／InteCAST、AnyCasting、ProCAST等软件的 功能与实例应用进行了简要介绍，希望对铸造行业的产 品设计师、模具设计师、铸造工艺师提供一定的参考借 鉴作用，从而为提高企业的铸造工艺水平搭建一个更好 的优化设计，以及成形工艺的数字化工艺优化设计、制 造、仿真集成的先进平台。 二、华铸CAE／InleCAST铸造仿真系统 HZCAE／InteCAST是中国铸造领域著名的模拟分析 系统，是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具。它以铸 件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行 铸造工艺分析。该软件具备冷却凝固过程、流动充型过 程、充型换热耦合过程等模拟功能，可以有效地对铸造 过程中的夹渣、卷气、冷隔、浇不足、缩孔和缩松等缺 陷进行预测。数据库材料包括铸钢、球墨铸铁、灰铸 铁、铸铝、铸铜、铸镁及铸锌等各类铸造合金；可针对 砂型、金属型、熔模、低压、压力、倾斜铸造及钢锭模 铸造等各种铸造方式进行真实的模拟仿真分析。 HZCAE系统的前置处理是模拟过程的准备工作， 它实现了CAD模型的导人，利用STL预览检查三维造 型是否正确，进行有限差分网格的划分。另外，还可以 通过HZCAE提供的CAD功能对实体造型进行简单修 改。三维造型平台用户可任选，绝大部分三维造型系统 (包括CATIA、PRO／E、UGNX、SOLIDEDGE、SOLID— WORKS I-DEAS AutoCAD MDT lnventor CAXA 金银花等)均能与本系统顺利接口。 系统的自动网格剖分速度快、稳定性好、容错能力 强，一般中等复杂程度的铸件，剖分千万个网格几分钟 内即可完成。具备异位网格计算功能，即流动基于一套 网格，凝固基于另一套网格，同时不影响计算精度。全 自动非均匀网格剖分，智能化识别壁厚，溥壁处网格变 细，厚大部位自动采用粗大网格，大大提高了系统的分 析效率。系统的全自动序列剖分功能可实现按给定规 则，全自动生成一系列网格尺寸不同的刮分结果，满足 模拟的各种需要。图2为HZCAE／InteCAST系统后处理 界面及模拟分析实例。 计算分析主要设定合金属性参数，铸件、铸型、砂 芯等材料的物性参数，各种材质问的界面导热系数，用 于铸件的充型过程、凝固过程，以及流动与传热的耦合 ■20¨年第5期热处． 锻 铸造 WWW meta／working 7950．com 参磊 工。热加工 图2 HZCAE／InteCAST后处理界面 计算，能够进行低压铸造、压铸、金属型铸造的多周 期、多阶段全过程的分析。系统可以对包括水、油、气 等不同冷却介质的各种复杂冷却工艺进行优化分析；能 够模拟多个不同规格的浇包同时浇注的复杂浇注过程； 能够模拟补浇工艺、点冒口过程；应用了重力补缩技 术，可以直接准确模拟缩孔、缩松的形成过程，实现了 缩孔和缩松的位置、形状及大小的定量模拟；在微机上 实现实用的流场分析、流动与温度耦合计算，单元数可 达数百万个。流动场、耦合场分析技术在国内首屈一 指。 后处理采用最新可视化技术、多媒体技术，丰富、 直观、生动，任意实时缩放、旋转和剖切。可自动生成 x射线透视图、凝固色温图、温度梯度图、铸件结构 图、铸型系统装配图、流动向量图、填充体积图、压强 分布图及充型温度分布图等。颜色随意调整，画面直接 打印；分析结果三维动画自动合成，动画演示直观准 确，透彻明了，动态过程完整细腻；后处理中实时动 态、动画显示技术达到国际同类软件的先进水平。 三、韩国AnyCasting AnyCasting是韩国ANYCASTING公司研发的新一代 基于Windows操作平台的高级铸造模拟软件系统，是专 门针对各种铸造工艺过程开发的仿真系统，可以进行铸 造的充型、热传导、凝固过程和应力场的模拟分析。 AnyCasting日益成为当今世界上技术先进、包含丰富实 际工程经验的铸造模拟分析软件系统。 作为AnyCasting的前处理程序，AnyPRE可以实现 CAD模型的导入，有限差分网格的划分，模拟条件的设 置，并调用AnySOLVER进行求解。使用AnyPRE，可以 进行多种设置包括工艺流程和材料的选择来模拟铸造成 形过程，设置边界、热传导和浇口条件，也能通过特殊 功能模块来设置一些设备和模型。另外，还可以通过 AnyPRE提供的CAD功能来查看、移动／旋转实体坐标 系统。作为AnyCasting的求解器，AnySOLVER能够根 据设定计算流场和温度场。 铸造成形模拟包括计算熔体充型过程的流动分析和 熔体凝固过程的传热／凝固分析。只有在两个分析都准 确的前提下才能正确预测可能造成缺陷的区域。基于此 概念，AnySOLVER通过分析三维Navier—Stokes方程和 VOF方程来进行快速准确的模拟。为了在铸造成形中模 拟出所有的流动现象，AnySOLVER在它的系统中有许 多粘性、紊乱和表面张力模型。为了在凝固过程中发现 产生的缺陷，AnySOLVER还具备缩孔和微观结构预测 模块，整个程序操作方便简单易懂。 作为AnyCasting的后处理器，AnyPOST通过读取Any— SOLVER中生成的网格数据和结果文件在屏幕上输出图形 结果。使用AnyPOST，可以用二维和三维观察充型时间、 凝固时间、等高线(温度、压力、速率)和速度向量，也 可以用传感器的计算结果来创建曲线图。这个程序具备动 画功能，用户可把计算结果编辑成播放文件，通过卓越的 结果合并功能来观察各种二维或三维的凝固缺陷。另外， 相关资料可以保存成新的文件用于将来的复试。 AnyMESH能编辑由AnyPRE生成的网格文件，可以 轻松地修改网格信息而不改变几何模型。作为一个能概 括铸造成形中熔体、模具和其他材料性能的数据库管理 程序，AnyDBASE主要分为常规数据库和用户数据库。 常规数据库提供了具有国际标准的常用材料性能，而用 户数据库能使用户保存和管理修改或附加的数据。用户 能简单地选择感兴趣的材料而不需输入几百种不同的材 料性能。另外，它还提供每种材料的导热系数，提高了 程序的方便性。 预测熔体充型和凝同的数值模拟技术包括熔体充型 过程分析模块，定常流和非定常流的流动分析，凝固、 流动、流动+凝固分析功能。熔体冷却和凝固模拟功能 包括根据温度和时间考虑材料性能(热传导性、比热 容、粘性等)的变化，根据时间、温度、压力和铸造过 程考虑接触面问的热传导，收缩预测模型(Niyama、进 料效率、剩余熔体模型等)，缩孔预测模型，微观组织 预测模型，以及力学性能预测等。 例如，针对某ADC12铝合金缸盖采用高压铸造成 形，压铸后其螺纹孔位置有缩孔导致产品报废率高的情 况，通过使用AnyCasting模拟在不同位置增加线冷管道 或水冷管道后，可以准确预测出缩孔位置的变化，并最 终得出最优的水路排布方案，螺纹孔位置的缩孔问题得 到解决。AnyCasting分析到的缩孔位置和实际位置相吻 合，图3为缩孑L位置模拟与优化。 图3缩孔位置优化 四、ProCAST铸造模拟仿真 在整个制造业，铸造过程仿真模拟现已作为一个重 要的产品设计和过程开发的工具，用以提高铸件产量与 质量。基于强大有限元求解器和高级选项，ProCAST提 供高效和准确的求解来满足铸造业的需求。与传统的尝 试一出错一修改方法相比，ProCAST是减少制造成本， 缩短模具开发时问，以及改善铸造过程质量的重要的、 完美的解决方案。ProCAST提供了整体软件解决方案， 能够进行完整的铸造工艺过程预测评估，包括充型、凝 固、微观组织及热力耦合模拟等，使得工艺设计人员可 以很便捷地观察模具设计效果，在制造过程的早期阶段 就能进行正确的选择与决策。 图4所示为ProCAST铸造应用的部分实例。 ProCAST采用有限元模拟分析技术，对铸造凝固过 程进行热．流动一应力完全耦合的铸造模拟。图5所示为 ProCAST可适用的范围包括砂型、消失模、高低压、重 力、倾斜浇注、熔模、壳型、挤压、触变成形及流变成 形等多种铸造场合。任何一种铸造过程都可以用同一软 件包ProCASTI'M进行分析和优化。它可以用来研究设 计结果，如浇注系统、通气孑L和溢流孔的位置，以及冒 口的位置和大小等。实践证明，ProCASTrM可以准确地 模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程，还可以精 确地计算冷却或加热通道的位置及加热冒口的使用。 参磊 工。热加工 塑丝 塑 簦童 !! 笪 塑■■ WWW meta1wo rking 7950 com 、r — ProCAST还可以使用X射线的方式确定缩孔的存在和位 置，采用缩孔判据或Niyama判据也可以进行缩孔和缩 松的评估。 (a)铸造金属液流动的速度场 j 如 圈 图6所示为ProCAST对铸造金属液流动的速度场的 分布、球墨铸铁铸造后珠光体的分布，以及冒El补缩不 足而导致的内部收缩缺陷的模拟情况。 (b)球墨铸铁中珠光体的分布 (c)冒口补缩不足而导致的内部收缩缺陷 图6铸造模拟实例 (1)缩孔是由于凝固收缩过程中液体不能有效 的耦合计算，可以准确计算充型过程中液体温度的变 地从浇注系统和冒口得到补缩造成的。ProCAST可以确 认封闭液体的位置，使用特殊的判据，如宏观缩孔或 Niyama判据来确定缩孔、缩松是否会在这些敏感区域 内发生，同时可以计算与缩孔、缩松有关的补缩长度。 在砂铸中，可以优化冒口的位置、大小和绝热保温套 的使用。在压铸中，ProCAST可以详细准确计算模型中 的热节、冷却加热通道的位置和大小，以及溢流口的 位置。 (2)裂纹铸造在凝固过程中容易产生热裂，以及 在随后的冷却过程中产生裂纹。利用热应力分析，Pro— CASTFM可以模拟凝固和冷却过程中产生的裂纹。在实 际生产之前，这些模拟结果可以用来确定和检验为防止 缺陷产生而尝试进行的各种设计。 (3)裹气由于液体充填受阻而产生的气泡和氧化 夹杂物会影响铸件的力学性能。充型过程中的紊流可能 导致氧化夹杂物的产生，ProCAST能够清楚地指示紊流 的存在，这些缺陷的位置可在计算机上显示和跟踪。由 于能够直接监视裹气的运行轨迹，从而使设计浇注系 统、合理安排气孔和溢流孔变得轻而易举。 (4)冲砂在铸造中，有时冲砂是不可避免的。如 果冲砂发生在铸造零件的关键部位，那将影响铸件的质 量。ProCAST可以通过对速度场和压力场的分析确认冲 砂的产生。通过虚拟的粒子跟踪则能很容易确认最终产 生夹砂的区域。 (5)冷隔及浇不足 在浇注成形过程中，一些不 当的工艺参数如型腔过冷、浇注速度过慢、金属液温 度过低等都会导致一些缺陷的产生。通过传热和流动 化。在充型过程中，凝固的金属将会改变液体在充型 中的流动形式。ProCAST可以预测这些铸造充型过程中 发生的问题，并且可以快速地制定和验证相应的改进 方案。 五、铸造模拟仿真分析基本流程 铸造模拟仿真的基本流程是：首先读人模型CAD 表面数据。自动生成面网格及三维体网格；然后设置铸 造过程的基本条件，如模具及铸件材料、速度、压力、 重力、约束、滤网和排气孔等物理条件；设置温度、热 辐射与对流、界面热交换系数，以及冷却或加热装置等 热学条件；进行熔液填充、凝固、应力应变计算模拟， 铸造模拟结果及缺陷分析等。 ProCAST铸造模拟分析里面设置的参数很多，但是 针对不同的铸造方法，参数的设置又有许多不同的设置 要求，如显示铸件气孔、缩孔、缩松的位置和大小，就 有至少三四种方法，而且各个方法的精度又不相同。金 属型铸造时参数的设置与压铸有很大的不同，还有离心 铸造、熔模铸造等参数设置都有取舍之处，(需要对参 数仔细分析)。划分网格的时候需要经验，划的多了就 知道那些需要去除。相反，同样的错误提示，却需要保 留。各个场的耦合，由需要来取舍，可以三个场耦合， 也可以两个场耦合或一个一个叠加耦合。 利用ProCAST可以有效模拟砂型铸造过程中不同时 刻的温度场、压力场分布情况(模拟图例略)，同时可 以直观地观察铸液的流动和填充过程，铸造所需的冷却 时间和凝固时问，以及冷却时的温度分布和先后顺序， 通过铸造流动模拟可以非常逼真地体现出来，从而为铸 磊 ． 热加工 熟处 锻 铸造201 T年第5期 WWW．metalworking 7950，corn 高硅耐磨铸钢化学成分及热加工 工艺的优化设计 商丘职业技术学院 (河南476005) 王守忠陈爱荣 【摘要】 通过优化合金的化学成分，采用先进的熔炼、钢液净化和热处理工艺，以硅为主要合金元 素，以碳钢或硅钢下脚料为主要原材料，开发了一种新型高硅耐磨铸钢，利用相应的实验仪器、设备，对其 金相组织、力学性能进行了试验分析。结果表明：该生产工艺简单、成本低廉，且具有高强韧性和高耐磨性， 可作为耐磨材料应用于各种冲击磨料磨损场合。 一、概述 在我国矿山、冶金、电力等行业的设备中广泛应用 的耐磨材料是高锰钢和少量的低合金耐磨钢、奥一贝球墨 铸铁及高铬铸铁。南于奥氏体高锰钢的初始硬度很低， 其耐磨性完全依赖于使用过程r{1的加 [硬化效应，耐磨 特性只有在高冲击负荷的T况条件下才能表现出来，在 实际应用条件下，若不能或不能完全加工硬化，其耐磨 特性就不会得到充分发挥，有时甚至低于普通碳钢。低 合金耐磨钢生产工艺复杂、成本高，耐磨性能没有明显 优势。奥一贝球墨铸铁韧性低，不适应于有较大冲击的磨 损领域，同时石墨球在冲击磨损条件下不但不能起到自 润滑作用，而且会成为影响其使用寿命的裂纹扩展源， 耐磨性能受到了很大影响。高铬铸铁也存在韧性低，不 适应于冲击磨损的缺点。 近年来，以硅为主要合金元素，利 硅在等温转变 过程中强烈抑制碳化物析出的特点进行等温淬火，得到 由无碳化物贝氏体和被碳、硅稳定化了的奥氏体组成的 奥一贝双相组织，这种组织具有优异的综合力学性能。但 是，高硅耐磨铸钢的内在质量与钢液的纯净度有很大的 关系，钢液巾的非金属夹杂物会导致产品性能的恶化， 内在品质下降，从而导致气孔的形成及铸件致密度的降 低。那么，要想保证其优异的综合力学性能，应从减少 钢巾杂质元素的含量及严格控制钢中夹杂物两方面提高 钢液的纯净度。 另外，高硅铸钢的化学成分，特别是C、Si对 高硅铸钢断裂韧性和疲劳性能影响较大，不利于高 硅强韧铸钢的开发。因而，在若干次试验基础上， 进一步优化高硅铸钢成分，有利于改善高硅铸钢性 能。再者，高硅铸钢生产中存在等温淬火温度稳定 性差、产品性能波动大等不足，研究探讨先进的热 处理工艺，有利于稳定等温淬火温度，提高高硅耐 磨铸钢性能。 为此，我们通过合理的化学成分设计和选择热处理 规范，提高奥氏体化温度，采用先进的熔炼和钢液净化 T艺，以硅为主要合金元素，以碳钢或硅钢回用料为主 要原材料，用废电极石墨或其他增碳剂增碳，硅铁合金 —，； ； 0p — ≯—，； 户 、 j 0p，0 ’ 二 、0p、户 0 p 、 ‘P 、0 、 ／0 0 、，、0； ‘0 ) 造T艺过程的控制提供较好的指导，同时对于铸造工艺 好帮助产品设计师、模具设计师、铸造工艺师来完成铸 方案的优化设计提供了非常好的手段，为提高铸件的合 造的产品设计、模具结构设计，以及铸造成形工艺的优 格率和产品质量起到了极大的推动作用。 化，对于提高铸造行业的整体实力具有极大的帮助，希 六、结语 望本文的介绍能够对相关技术人员起到一定的参考和借 综上所述，几款常用的铸造仿真模拟软件，可以较 鉴作用。MW(20101019) ■20 71年第5期热处 缎1i；／铸造 WWW meta1working 7950 corn 参磊 工。热加工