機械制造基礎(chǔ)-鑄造過程仿真技術(shù).ppt

1、機械制造基礎(chǔ)鑄造過程仿真技術(shù),材料科學(xué)與工程學(xué)院,鑄造凝固過程仿真模擬研究室,內(nèi)容介紹,（1）鑄造工藝設(shè)計； （2）鑄造模擬軟件簡介； （3）鑄造CAD/CAE集成； （4）鑄造模擬技術(shù)發(fā)展趨勢； （5）實例應(yīng)用； （6）凝固微觀組織模擬研究,鑄造模擬技術(shù)發(fā)展趨勢,（1）由宏觀模擬向微觀模擬發(fā)展 可以預(yù)測組織、結(jié)構(gòu)、性能，從而調(diào)整生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出理想的凝固組織，達到優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。 （2）單一分散向耦合集成方向發(fā)展 流場、溫度場、應(yīng)力/應(yīng)變場、組織場等之間的耦合，以真實模擬復(fù)雜的實際熱加工過程。 （3）共性、通用向?qū)Ｓ?、特性方向發(fā)展 *解決特種熱加工工藝模擬及工藝優(yōu)化問題： 壓鑄、低壓鑄造

2、、金屬型鑄造、實型鑄造、連續(xù)鑄造等特種鑄造。 *解決鑄件的缺陷消除問題,鑄造模擬技術(shù)發(fā)展趨勢,（4）重視提高數(shù)值模擬精度和速度的基礎(chǔ)性研究 重視在熱加工基礎(chǔ)理論、新的數(shù)理模型、新的算法、前后處理、精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲得與積累等基礎(chǔ)性研究 （5）重視物理模擬及精確測試技術(shù) （6）在并行環(huán)境下，工藝模擬與生產(chǎn)系統(tǒng)其它技術(shù)環(huán)節(jié)實現(xiàn)集成，成為先進制造系統(tǒng)的重要組成部分 *產(chǎn)品、模具CAD/CAE/CAM/RPM系統(tǒng)集成 *與PDM（Product Data Management）系統(tǒng)集成,鑄造模擬軟件簡介,鑄造模擬軟件可以對鑄件形成過程中流場、溫度場進行模擬，并且能夠?qū)﹁T造過程中產(chǎn)生的缺陷（如澆不足，冷隔

3、，縮孔縮松缺陷）進行預(yù)測，從而對鑄造過程所涉及的工藝參數(shù)工藝方案等做出評價和優(yōu)化，達到降低鑄造廢品率，節(jié)省材料和勞動力，最大可能在降低成本，以及大幅度在縮短鑄造工藝定型周期。,軟件組成及功能,系統(tǒng)功能特點： （1）軟件適合于多材質(zhì)（鑄鋼、鑄鐵、鑄造有色合金等），多種鑄造方法（普通砂鑄、金屬型鑄造、精密鑄造、低壓鑄造、壓力鑄造、消失模鑄造等）。 （2）系統(tǒng)具有開放的數(shù)據(jù)庫體系，包括200多種鑄造材料參數(shù)并且用戶根據(jù)需要可以自行添加材料數(shù)據(jù)庫。 （3）系統(tǒng)軟件中文界面友好、操作方便。 系統(tǒng)運行環(huán)境 硬件（推薦配置）：PIV 2.8CPU；內(nèi)存512M，硬盤40G。 軟件：Win2000、WinNT

4、、Window XP等操作系統(tǒng),軟件組成及功能,3軟件產(chǎn)品系列 砂型重力鑄造CAE 砂型低壓鑄造CAE 金屬型重力鑄造CAE 金屬型低壓鑄造CAE 熔模精密鑄造CAE 壓力鑄造CAE .差壓鑄造CAE .消失模鑄造CAE,軟件組成及功能,鑄造模擬軟件,前處理,模型 建立,網(wǎng)格剖分,凝固模擬,充型模擬,缺陷預(yù)測,模擬計算,后處理,數(shù)據(jù)庫,應(yīng)力模擬,一鑄件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu),鑄件的三維圖,一鑄件的材質(zhì)和結(jié)構(gòu),該鑄件為火車軸的側(cè)架，鑄件的材質(zhì)為 B級鋼，（即C25鋼）該鑄件屬于箱式結(jié)構(gòu)，復(fù)雜薄壁鑄件，輪廓尺寸為2235mm565mm420mm，質(zhì)量為314KG，體積為4.0107mm3 。內(nèi)腔連接筋較多，

5、平均壁厚25mm,最大厚度為31mm。中央導(dǎo)框框磨耗板面不加工，外導(dǎo)框間距、滑槽中心多個圓孔等配合面尺寸要求高 。,二鑄造工藝方法的選擇,綜合分析該鑄件，選擇用砂型鑄造，由于該鑄件為大型鑄件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。外型采用Z2520II型造型機，一箱一件，水玻璃砂；手工制芯，一箱一件 過橋澆注。,三分型面選擇,分型面在側(cè)架縱向中心平面；為保證側(cè)架滑槽的尺寸精度，將其設(shè)置在下型，鑄號面位于上型。,四工藝參數(shù)的確定,1、鑄件最小鑄出壁厚：砂型鑄造最小鑄出壁厚為68mm，所以該鑄件可以采用砂型鑄造。 2 、鑄件最小鑄出孔：鑄鋼件最小鑄出孔為60mm，所以該鑄件所有孔都不需要鑄出。 3、鑄件的尺寸公差：規(guī)定該側(cè)架

6、鑄件一般公差按HB6103-1986 CT7。 4、機械加工余量 ：據(jù)鑄造工藝設(shè)計表1-13知砂型鑄造機械造型鑄鋼件等級為EH，這里取H為+7mm。,五砂芯設(shè)計,根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)知，需要模樣一套，芯盒18個，具體如工藝圖上所示，其中下芯順序為17、18-16-12-7、8-9、11-10、12-15-2、3-4、5-14-6、13 1#芯與16#芯不留芯頭間隙，其余砂芯上箱芯頭間隙1mm，下箱芯頭間隙0.5mm；砂芯分段部位做成直面，芯盒做稍板。 下面的下芯芯座周邊做出R3mm集砂槽；16#減輕如圖，7#（8#）芯做減輕，吃砂量大于50mm。,六澆注系統(tǒng)設(shè)計,由于該鑄件的材料為B級鋼，采用轉(zhuǎn)包式澆

7、注系統(tǒng)，大鑄件，從鑄件外導(dǎo)框端頭引入鋼液，采用過橋澆注，一箱一件。 1、確定包內(nèi)直徑：采用10t漏包，45mm包孔澆注鑄件 2、澆注時間：t=Q/q=447/42=10.6s,澆注過程中，應(yīng)遵循緩流全速緩收流的澆注原則，且由于改側(cè)架壁厚偏厚，因此點澆冒口3次。,3、按包孔斷面確定澆注系統(tǒng)各斷面 采用過橋水口兩個內(nèi)澆道由分型面引入，根據(jù)F孔F直F橫F內(nèi)=1：（1.82）:(1.82):2確定直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道的斷面尺寸為：直澆道為圓形斷面2個452mm：橫澆道為梯形斷面2個（50.60）50mm:內(nèi)澆道為梯形斷面2個（50.60）50mm。 直澆道截面示意圖,內(nèi)澆道截面圖 外澆道與內(nèi)澆道尺寸

8、一致 3.6.4確定各道長度：直澆道高度為420mm，橫澆道長度為170mm,內(nèi)澆道長度為20mm。,七冒口設(shè)計,1.上側(cè)冒口設(shè)計： 運用模數(shù)法 1）鑄件模數(shù)： 外側(cè)導(dǎo)框結(jié)構(gòu)如圖所示, 熱節(jié)圓直徑=34 mm ,則其模數(shù)M件=/2 = 17 mm。 2）冒口模數(shù)：保溫冒口的模數(shù) M保= 0. 8 M件= 0. 817 = 13. 6 mm。 3) 選擇冒口：2 # 保溫冒口套的尺寸如圖 所示,其模數(shù)為14 mm。M41 # M保,因此可以選用。,3、鑄件工藝出品率的校核,八冷鐵的設(shè)計,分析鑄件整體結(jié)構(gòu),通過view cast模擬結(jié)果 ：鑄件需要在側(cè)壁安放方形冷鐵，冷鐵長、寬、高各尺寸分別為30

9、、30、30(單位mm)， 在中央圓凸臺上其尺寸大小為直徑為40，高度為30mm 圓冷鐵,第二章 側(cè)架鑄件工藝優(yōu)化,一 、三維實體造型 二 、凝固過程計算機模擬 三 、鑄件充型過程數(shù)值模擬 四 、加上澆注系統(tǒng)的模擬,一 、三維實體造型,運用Pro/E對吊架前側(cè)架鑄件及其工藝進行三維實體造型：,二、凝固過程計算機模擬,運用view cast軟件對鑄件進行三維實體網(wǎng)格剖分，鑄件充型流場、溫度場等模擬，鑄造缺陷預(yù)測，鑄造缺陷分析，添加冒口、冷鐵等工藝設(shè)計及優(yōu)化。借助該軟件，可以實現(xiàn)對鑄件形成過程中的流場、溫度場、熱應(yīng)力場進行模擬，并且能夠?qū)﹁T件生產(chǎn)過程中的缺陷（如澆不足,冷隔，縮孔縮松等缺陷） 進行

10、預(yù)測，從而實現(xiàn)對鑄造過程所涉及的工藝參數(shù)、工藝方案做出評價和優(yōu)化，達到降低鑄造廢品率，節(jié)省材料和勞動力, 最大可能的降低成本, 以及大幅度地縮短鑄造工藝定型周期。,1、運用view cast軟件對原始鑄件進行凝固場模擬 首先進行網(wǎng)格剖分,網(wǎng)格剖分完成后,開始進行凝固模擬，選擇Solver下拉菜單中的Solidification進行個參數(shù)的設(shè)定，參數(shù)設(shè)定完成后點開始計算。,2、加上冒口及冷鐵初步模擬， 分析上圖，其頂部凸臺位置的冒口頸處還有缺陷，分析可知其冒口頸太細(xì)，需要加大冒口頸，,修改工藝后再次模擬 ，結(jié)果如圖 改進冒口以后基本沒有大的缺陷了，但圖中還有一些小的缺陷，在圖中黃色部位容易形成縮

11、松，修改工藝， 加冷鐵,三、鑄件充型過程模擬首先劃分網(wǎng)格，其充型如圖所示,充型1%,充型30%,充型60%,充型100%,四、加上澆注系統(tǒng)的模擬,1.加上澆注系統(tǒng)的凝固缺陷圖,2、鑄件凝固過程模擬,凝固15%,凝固50%,凝固85%,凝固98%,軟件組成及功能,4具體功能 （1）前處理模塊 鑄造三維工藝組裝圖,軟件組成及功能,（2）溫度場模擬 此模塊可以可以判斷補縮系統(tǒng)的合理性： 計算鑄件凝固冷卻過程中隨時間的溫度變化。,鑄件溫度場和凝固過程模擬,軟件組成及功能,（3）流場模擬模塊 隨時間流動位置 預(yù)測澆不足 隨時間壓力分布 流動過程溫度分布,鑄件流場和矢量模擬,軟件組成及功能,（4）缺陷預(yù)測

12、 縮孔縮松缺陷預(yù)測，可定量描述鑄件中的缺陷位置,鑄件缺陷位置預(yù)測,軟件組成及功能,（4）材料數(shù)據(jù)庫模塊 建立了各種鑄造材質(zhì)與溫度有關(guān)的熱物理數(shù)據(jù)，用戶也可以添加新材質(zhì)的熱物理參數(shù)，如液固相溫度、潛熱、熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、粘度等。,密度參數(shù),導(dǎo)熱率參數(shù),軟件組成及功能,（5）后處理模塊 主要實現(xiàn)對溫度場、流場及缺陷預(yù)測的計算結(jié)果進行可視化處理，從而可實現(xiàn)在計算機上可直觀顯示鑄造過程的各種現(xiàn)象。后處理顯示形式為： 整體顯示結(jié)果 不同截面顯示結(jié)果 流動及凝固動態(tài)顯示結(jié)果 旋轉(zhuǎn)、縮放顯示 流動矢量顯示,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例1）,應(yīng) 用 實 例,發(fā)動機下曲軸箱工藝圖,實際生產(chǎn)運用 砂型重

13、力鑄造（實例1）,應(yīng) 用 實 例,發(fā)動機下曲軸箱充型模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例1）,應(yīng) 用 實 例,發(fā)動機下曲軸箱溫度場模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例1）,應(yīng) 用 實 例,發(fā)動機下曲軸箱凝固過程模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例1）,應(yīng) 用 實 例,發(fā)動機下曲軸箱致密度預(yù)測,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例2）,應(yīng) 用 實 例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座鑄造工藝裝配圖,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例2）,應(yīng) 用 實 例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座澆注過程模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例2）,應(yīng) 用 實 例,材料：ZG1

14、Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座澆注過程模擬狀態(tài)圖,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例2）,應(yīng) 用 實 例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座溫度場模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例2）,應(yīng) 用 實 例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座澆注過程模擬狀態(tài)圖,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例2）,應(yīng) 用 實 例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例2）,應(yīng) 用 實 例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例3）,應(yīng) 用 實 例,材料：CF-8M，鑄件

15、模擬工藝和實際生產(chǎn)工藝圖,實際生產(chǎn)運用 砂型重力鑄造（實例3）,應(yīng) 用 實 例,材料：CF-8M，鑄件模擬缺陷各實際生產(chǎn)剖析對比,實際生產(chǎn)運用 砂型低壓鑄造（實例4）,應(yīng) 用 實 例,十二缸發(fā)動機箱體工藝圖,實際生產(chǎn)運用 砂型低壓鑄造（實例4）,應(yīng) 用 實 例,十二缸發(fā)動機箱體充型過程模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型低壓鑄造（實例4）,應(yīng) 用 實 例,十二缸發(fā)動機箱體溫度場模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型低壓鑄造（實例4）,應(yīng) 用 實 例,十二缸發(fā)動機箱體凝固過程模擬,實際生產(chǎn)運用 砂型低壓鑄造（實例4）,應(yīng) 用 實 例,十二缸發(fā)動機箱體缺陷位置,實際生產(chǎn)運用 砂型低壓鑄造（實例4）,應(yīng) 用 實 例,十二缸發(fā)

16、動機箱體實體,實際生產(chǎn)運用 熔模精密鑄造（實例5）,應(yīng) 用 實 例,材料：CF-8M，85KG泵殼鑄件工藝圖,實際生產(chǎn)運用 熔模精密鑄造（實例5）,應(yīng) 用 實 例,材料：CF-8M，85KG泵殼鑄件充型模擬,實際生產(chǎn)運用 熔模精密鑄造（實例5）,應(yīng) 用 實 例,材料：CF-8M，85KG泵殼鑄件凝固過程模擬,實際生產(chǎn)運用 熔模精密鑄造（實例5）,應(yīng) 用 實 例,材料：CF-8M，85KG泵殼鑄件缺陷預(yù)測,實際生產(chǎn)運用 熔模精密鑄造（實例5）,應(yīng) 用 實 例,材料：CF-8M，85KG泵殼鑄件縮松預(yù)測,實際生產(chǎn)運用 高壓鑄造（實例6）,應(yīng) 用 實 例,材料：鋁合金，4.5kg壓鑄鑄件工藝圖,實際

17、生產(chǎn)運用 高壓鑄造（實例6）,應(yīng) 用 實 例,材料：鋁合金，4.5kg壓鑄鑄件充型過程,實際生產(chǎn)運用 高壓鑄造（實例6）,應(yīng) 用 實 例,材料：鋁合金，4.5kg壓鑄鑄件充型狀態(tài),最后充型位置,實際生產(chǎn)運用 消失模鑄造（實例7）,應(yīng) 用 實 例,材料：QT450，630KG工程機械后橋鑄件工藝裝配圖,實際生產(chǎn)運用 消失模鑄造（實例7）,應(yīng) 用 實 例,材料：QT450，630KG工程機械后橋鑄件充型模擬,實際生產(chǎn)運用 消失模鑄造（實例7）,應(yīng) 用 實 例,材料：QT450，630KG工程機械后橋鑄件溫度場模擬,實際生產(chǎn)運用 消失模鑄造（實例7）,應(yīng) 用 實 例,材料：QT450，630KG工程

18、機械后橋鑄件凝固過程模擬,實際生產(chǎn)運用 消失模鑄造（實例7）,應(yīng) 用 實 例,材料：QT450，630KG工程機械后橋鑄件缺陷預(yù)測,微觀組織模擬研究工作,中心從2000年開始進行微觀組織模擬技術(shù)的研究工作，經(jīng)過3名碩士研究生和 2名博士生的研究，在相場法模擬枝晶生長方面取得了一定的進展?，F(xiàn)已著手對多晶粒、多尺度的組織模擬以及共晶合金的形核、生長機理做進一步的探索。,枝晶生長過程模擬結(jié)果,首先晶核從圓形轉(zhuǎn)換為方形, 接著出現(xiàn)四個主干并且此從生成二次枝晶和三次枝晶 .,噪聲的影響,(a),(b),無噪聲 (a) 相場; (b) 溫度場,(a),(b),有噪聲 (a) 相場; (b) 溫度場,枝晶出現(xiàn)一些分支,枝晶是光滑的,初始半徑的影響,枝晶尖端半徑和枝晶尖端生長速度的影響,空間步長對枝晶尖端半徑和尖端生長速度的影響,空間步長的影響,不同空間步長對枝晶形貌的影響,x=1.2 x=1.4 x=1.6 x=1.8,x=0.2 x=0.4 x=0.6 x=0.8 x=1.0,隨著空間步長的增大,枝晶形貌變形越大. 所以空間步長在計算過程中選擇必須合理.,空間步長的影響,各向異性因子的影響,枝晶尖端半徑 (mm),枝晶尖端生長速度 (m/s),Radius,Velocity,各向異性系數(shù),對枝晶尖端生長的影響,各向異性因子對枝晶形貌的影響,研究表明隨