基于procas的鑄造過程仿真分析

基于procas的鑄造過程仿真分析

先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)是，工藝設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)的評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)向定量分析，并在熱加工過程中應(yīng)用數(shù)值模型，確定工藝參數(shù)。優(yōu)化工藝方案，預(yù)測(cè)過程中可能出現(xiàn)的缺點(diǎn)和預(yù)防措施，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高效、低效率的目標(biāo)。計(jì)算機(jī)模擬是使包括鑄造在內(nèi)的熱加工工藝研究從“定性”走向“定量”、從“經(jīng)驗(yàn)”走向“科學(xué)”的重要標(biāo)志。ProCAST軟件是美國(guó)UES(UniversalEnergySystem)公司開發(fā)的鑄造過程仿真分析軟件,是針對(duì)鑄造過程進(jìn)行流動(dòng)一傳熱一應(yīng)力耦合作出分析的系統(tǒng),由于采用基于有限元(FEM)的數(shù)值計(jì)算方法,特別適用于模擬復(fù)雜鑄件成型過程中的各種物理現(xiàn)象大齒輪是某重機(jī)廠設(shè)計(jì)的動(dòng)力傳動(dòng)關(guān)鍵零件,在機(jī)器中主要用來傳送扭矩。鑄件不許有縮孔、縮松,內(nèi)外表面不許有氣孔、砂眼、夾砂、渣孔和粘砂等缺陷,周身需經(jīng)探傷檢驗(yàn),質(zhì)量要求較高。本文采用ProCAST軟件從補(bǔ)縮能力方面對(duì)鑄鋼大齒輪鑄件的工藝方案進(jìn)行了驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果證明了原工藝方案在補(bǔ)縮能力方面的可行性,從而達(dá)到縮短試制周期,降低成本的目的。1proctor技術(shù)模擬鑄造過程ProCAST主要有八個(gè)模塊組成:有限元網(wǎng)格劃分模塊;基本模塊-傳熱分析及前后處理模塊;流動(dòng)分析模塊;應(yīng)力分析模塊;熱輻射分析模塊;顯微組織分析模塊;電磁感應(yīng)分析模塊;反向求解模塊。這些模塊既可以一起使用,也可以根據(jù)用戶需要有選擇的使用。ProCAST具有以下特點(diǎn):①ProCAST采用基于有限元(FEM)的數(shù)值計(jì)算方法,與有限元差分法(FDM)相比,有限元法具有較大的靈活性,特別適用于模擬復(fù)雜鑄件成型過程中的各種物理現(xiàn)象。②在鑄造過程分析方面,ProCAST提供了能夠考慮氣體、過濾、高壓、旋轉(zhuǎn)等對(duì)鑄件充型的影響,能夠模擬出氣化模鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等幾乎所有鑄造工藝的充型過程,并能對(duì)注塑、壓制粉末等的充型過程進(jìn)行模擬;在傳熱分析方面,ProCAST能夠?qū)醾鲗?dǎo)、對(duì)流和輻射等三種傳熱方式進(jìn)行求解,另外,使ProCAST擅長(zhǎng)于解決精鑄及單晶鑄造問題;在應(yīng)力分析方面,通過采用彈塑性和粘塑性及獨(dú)有的處理鑄件/鑄型熱和機(jī)械界面的方法,使其具有分析鑄件應(yīng)力、變形的能力;在電磁分析方面,ProCAST可以分析鑄造過程所涉及的感應(yīng)加熱和電磁攪拌等。以上的分析可以獲得鑄造過程的各種現(xiàn)象、鑄造缺陷形成及分布、鑄件最終質(zhì)量的模擬和預(yù)測(cè)③ProCAST以模擬鑄造過程的基本功能劃分模塊,而不以鑄造方法進(jìn)行模塊劃分。各模塊根據(jù)可靠數(shù)據(jù)不僅能模擬鑄造過程,還能夠模擬出熱處理和焊接等方面的問題。這極大地方便了用戶,使用戶可以靈活地應(yīng)用軟件解決多種工藝問題。ProCAST的前后處理完全基于OSF/Motif的ProCAST的用戶界面,通過提供交互菜單、數(shù)據(jù)庫(kù)和多種對(duì)話框完成用戶信息的輸入,ProCAST具有全面的在線幫助,具有良好的用戶界面。④ProCAST通過提供和通用機(jī)械CAD系統(tǒng)的接口,直接獲取鑄件實(shí)體模型的IGES文件或通用CAE系統(tǒng)的有限元網(wǎng)格文件。ProCAST還可以將模擬結(jié)果直接輸出到CAD系統(tǒng)接口,尤其可以通過I-DEAS直接讀取ProCAST結(jié)果文件.這使得ProCAST極易與具有設(shè)計(jì)、加工的CAD/CAM/CAE系統(tǒng)相集成,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,大幅度提高鑄造生產(chǎn)率.⑤ProCAST可以在基于UNIX操作系統(tǒng)的工作站上運(yùn)行,也可以運(yùn)行在基于Windows/NT的微機(jī)上。2鑄件結(jié)構(gòu)及熱節(jié)鑄鋼大齒輪(圖1)頂圓直徑Φ1334.4mm,單輻板,靠近輪轂部分輻板較薄,只有40mm厚,一側(cè)分布有六條25mm厚的筋條。輻外圍稍厚,70mm。考慮加工余量后,鑄件輪緣及中央輪轂較厚大。輪緣和輻板交接處形成熱節(jié),熱節(jié)圓直徑達(dá)Φ140mm;鑄件和輻板交替處形成熱節(jié)圓直徑為Φ80mm。因此,該齒輪可分為三部分:厚實(shí)的中央輪轂、薄壁的輻板和厚大的輪轂。技術(shù)要求,該鑄件加工前應(yīng)正火,硬度達(dá)到160～210HB。鑄件不許有縮孔、縮松、內(nèi)外表面不許有氣孔、砂臉、夾砂、渣孔和粘砂等缺陷。2.1輻板凝固和補(bǔ)縮①凝固順序的選擇。鑄鋼的體收縮率大,且齒輪的輪緣和輪轂部分厚大,與輻板交接處形成熱節(jié)區(qū),很容易形成縮孔、縮松缺陷。因此,采用順序凝固原則鑄造。在輪轂、輪緣上分別安置冒口。澆注后,薄壁的輻板先凝固,其液態(tài)和凝固收縮分別由厚壁的輪緣和輪轂處的鋼液補(bǔ)給,冒口最后凝固,用來補(bǔ)給輪緣及輪轂處凝固時(shí)所需的鋼液,以便消除縮孔、縮松。②凝固位置和分型面的確定。由于70mm厚的輻板及6條筋板都偏向一側(cè),在輪轂上方安放冒口,6條筋可以起到增加補(bǔ)縮通道的作用,能更有效地對(duì)40mm輻板處進(jìn)行補(bǔ)縮。對(duì)輪緣而言,對(duì)70mm輻板處,由于補(bǔ)縮距離較近而更有效,因此,采用如圖1所示澆注方案。圖2為齒輪鑄件的鑄造工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)圖。輪緣冒口數(shù)量、輪緣冒口補(bǔ)貼、輪緣冒口尺寸、輪轂冒口尺寸等的詳細(xì)計(jì)算均參考文獻(xiàn)。2.2冒口邊界層作用區(qū)長(zhǎng)度依文獻(xiàn),輪緣部分可看作寬195mm、厚140mm的桿,查得冒口的補(bǔ)縮距離約為170mm。而實(shí)際上每個(gè)冒口的單邊作用區(qū)長(zhǎng)度/為:式中D——熱節(jié)圓中心線直徑,1230mm;A——胃口根部長(zhǎng)度;K——水平補(bǔ)貼長(zhǎng)度,K=70mm。將D、A、K代入(1),得/≈170mm,驗(yàn)算結(jié)果表明,用4個(gè)腰圓胃口正好滿足要求。2.3計(jì)算車輪襯底的填充距離設(shè)冒口能補(bǔ)縮鑄件部分的最大重量為:依文獻(xiàn),驗(yàn)算結(jié)果表明,輪轂冒口補(bǔ)縮能力足夠。3補(bǔ)縮通道不通暢圖3～圖8分別為300step、350step、400step時(shí),四個(gè)輪緣冒口、一個(gè)輪轂胃口的工藝方案從多方位的截面剖視來驗(yàn)證補(bǔ)縮通道是否暢通的模擬結(jié)果。可以看出,無論是縱向還是橫向,在整個(gè)固相分?jǐn)?shù)增加的過程中,補(bǔ)縮通道一直是暢通的,最后凝固部位被推移到冒口中,說明所設(shè)計(jì)的冒口能夠充分的滿足補(bǔ)縮的需要。上述結(jié)果表明,四個(gè)輪緣冒口、一個(gè)輪轂冒口可以滿足補(bǔ)縮需要。下面將輪緣冒口減少到三個(gè),圖9、10分別為255step時(shí)從多方位的截面剖視來驗(yàn)證補(bǔ)縮通道是否暢通的模擬結(jié)果?？梢钥闯?此時(shí),補(bǔ)縮通道不暢通。由此可知,三個(gè)輪緣冒口、一個(gè)輪轂冒口不能充分地滿足補(bǔ)縮的需要,此結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了四個(gè)輪緣冒口、一個(gè)輪轂冒口工藝在補(bǔ)縮能力方面的正確性。4冒口工藝方案的驗(yàn)證本文采用ProCAST軟件,對(duì)鑄鋼