先進(jìn)低成本的鑄件澆冒系統(tǒng)設(shè)計方法

1、先進(jìn)低本錢的鑄件澆冒系統(tǒng)設(shè)計方法徐志安1，凌 勇1，Ilse Evenepoel1，臧桂銘2，左緒娟21.SIRRIS比利時國家工業(yè)技術(shù)研究所，比利時,根特9052；2.濟(jì)南玫德鑄造，山東濟(jì)南250400摘要:用實例介紹了一項用于鑄造生產(chǎn)的三維模擬技術(shù)，通過對鑄件充型和凝固過程的數(shù)值模擬幫助鑄造技術(shù)人員進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計，從而在計算機(jī)上實現(xiàn)可視鑄造過程，能保證既快又省地設(shè)計一個優(yōu)化的鑄造工藝。與傳統(tǒng)的模數(shù)法，經(jīng)驗和試錯的工藝設(shè)計不同，本模型是用鑄件的凝固時間計算補(bǔ)縮系統(tǒng)。從一個鑄件凝固模擬開始，根據(jù)凝固時間和被補(bǔ)縮的體積，計算冒口和冒口頸的尺寸和數(shù)量，再進(jìn)行鑄件加冒口的模擬計算，做必要的修正,直

2、到獲得滿意的結(jié)果，最后根據(jù)鑄件的臨界壁厚，體積，充型速度和澆注溫度等參數(shù)計算澆注系統(tǒng)。當(dāng)整個系統(tǒng)設(shè)計完成后，模擬計算整個充型和凝固過程以驗證設(shè)計，做必要的修正，直到獲得一個能生產(chǎn)無鑄造缺陷鑄件的鑄造工藝，即保證一次成功生產(chǎn)出合格鑄件，節(jié)約了時間和本錢。關(guān)鍵詞：模擬；澆冒系統(tǒng)；凝固時間；中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：文章編號：An Advanced and Cost-Saving Method for Designing A Gating and feeding System of CastingsXU Zhi-an1, LING Yong1, Ilse Evenepoel1, ZANG Gui-mi

3、ng2, ZUO Xu-juan2(1.Sirris,Belgian Research Centre of the Technological Industry Technolgiepark919, Zwijnaarde9052, Belgium; 2. Jinan Meide Casting Co.,LTD, 250400 Jinan, Shandong, China)Abstract: This paper describes a 3-D simulation technology that assists foundry engineers in designing the feedin

4、g and gating systems, and simulates mould filling as well as solidification. While the traditional design was based upon pen and paper calculations (modulus), experience and guesses, this technology enables to conduct a fast and inexpensive virtual design and verify the effect of any change, resulti

5、ng in an optimal casting configuration. The underlying model is based upon the solidification time of the casting to calculate the feeding system. First of all, the solidification of the cast product only is simulated. Based on the solidification time and the volume to be fed, the feeding system is

6、proposed by the calculation. Then, the proposed feeding system is taken into account in the simulation and if necessary, the feeding system can be modified until a satisfied designing is obtained. Finally the gating system is calculated depending on the volume of the casting, including the risers, t

7、he critical wall thickness of the cast product and the pouring temperature.When the complete casting system has been designed, mould filling and solidification simulation are started to validate the design, and execute necessary modifications until a defect free casting is achieved. The technology e

8、nables leading foundries to produce first time right castings on a daily base. An industrial case clearly illustrates how time, money and energy can be saved using this casting simulation technology.Key words: simulation; gating and feeding System; solidification time鑄造過程包括了流體流動，傳熱傳質(zhì)和相變的復(fù)雜過程。為了生產(chǎn)高質(zhì)量

9、鑄件，鑄造技術(shù)人員應(yīng)該預(yù)先了解這些現(xiàn)象，從而有效地進(jìn)行控制。但是由于這些過程過于復(fù)雜以致于無法僅用理論解析來解決問題。當(dāng)今鑄造工藝設(shè)計包括澆注系統(tǒng)，冒口和冷鐵仍沿用傳統(tǒng)經(jīng)驗和試錯方法。睜著眼睛造型，閉著眼睛成形,仍然是鑄造生產(chǎn)的真實寫照。這種傳統(tǒng)的經(jīng)驗和試錯法不僅耗時, 耗力,低效,而且不能滿足客戶快速生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件的要求，鑄造工作者迫切需要用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)來替代這些試錯和經(jīng)驗的設(shè)計方法，通過使用可視化技術(shù)，觀察鑄造過程，從而來輔助技術(shù)人員進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計。在過去的幾十年，許多商業(yè)軟件1-3能夠模擬驗證已設(shè)計完成的澆冒系統(tǒng)或已生產(chǎn)的鑄件的鑄造過程，但不是主動地設(shè)計鑄造工藝。研究人員已經(jīng)認(rèn)識到模

10、擬技術(shù)不僅是用于被動驗證而且要主動地用于設(shè)計鑄造工藝4。 研究開發(fā)的Experto-ViewCast是一個基于實驗的有限體積三維模擬技術(shù)，可以模擬鑄件充型和凝固過程，獨(dú)創(chuàng)的澆注系統(tǒng)和冒口設(shè)計等實用模塊，使數(shù)值模擬從被動變?yōu)橹鲃?，從單一的模擬驗證走向輔助鑄造工藝設(shè)計，成為鑄造工程技術(shù)人員必備的日常工具。本文用一實例介紹了如何利用這項先進(jìn)技術(shù)幫助技術(shù)人員在計算機(jī)上完成鑄造工藝設(shè)計。1 冒口的設(shè)計1.1冒口設(shè)計原那么傳統(tǒng)的冒口設(shè)計是基于模數(shù)(冷卻外表體積)法，也就是冒口的尺寸是由鑄件被補(bǔ)縮局部的模數(shù)來決定的。但是在很多情況下，尤其是復(fù)雜的鑄件，計算鑄件的模數(shù)是很困難的，甚至模數(shù)法無法工作。事實上冒口

11、計算并不復(fù)雜，它必須滿足以下條件：1冒口和冒口頸的凝固時間應(yīng)該大于或等于鑄件的凝固時間以保證補(bǔ)縮通道的暢通能量條件； 2冒口中必須要有足夠的液體金屬補(bǔ)縮鑄件體積要求；3冒口的勢能應(yīng)該高于被補(bǔ)縮鑄件的勢能勢能要求。 如果能知道鑄件和冒口的凝固時間和鑄件被補(bǔ)縮的體積，冒口設(shè)計的問題就迎刃而解了。模擬技術(shù)可以提供鑄件凝固過程的信息。Experto-ViewCast根據(jù)鑄件材質(zhì)，鑄型類別和澆注溫度開發(fā)了一個包括不同冒口和冒口頸尺寸的凝固時間數(shù)據(jù)庫，并建立了冒口，冒口頸與鑄件在不同材質(zhì)情況下的關(guān)系式。當(dāng)被補(bǔ)縮鑄件的凝固時間，被補(bǔ)縮體積及冒口形狀，冒口模塊會計算出相應(yīng)的冒口和冒口頸尺寸及數(shù)量。1.2鑄件和

12、冒口系統(tǒng)的凝固模擬鑄件的縮孔縮松缺陷是由鑄件本身的形狀和結(jié)構(gòu)決定的。合理和自然的方法是，首先對一個不帶任何澆冒系統(tǒng)的鑄件本體進(jìn)行凝固過程計算，從而獲得鑄件熱節(jié)凝固時間和鑄件縮孔縮松缺陷的分布，根據(jù)被補(bǔ)縮部位的凝固時間和體積，用冒口模塊計算出相對應(yīng)的冒口和冒口頸的尺寸和數(shù)量。冒口的參加會改變鑄件的溫度場分布和凝固過程，所以必須進(jìn)行鑄件加冒口系統(tǒng)的凝固過程計算，檢查冒口是否有效地起作用，需要的情況下修改冒口或冒口頸的大小和位置。有的情況下，盡管冒口足夠保證凝固時間和補(bǔ)縮量，但由于鑄件的結(jié)構(gòu)阻礙了補(bǔ)縮通道，必須調(diào)整鑄件的結(jié)構(gòu)，或用冷鐵或補(bǔ)貼來幫助冒口更有效地消除縮孔縮松缺陷。盡管冷鐵無法直接補(bǔ)縮，但

13、它可以移動熱節(jié)的位置，改變鑄件的凝固時間。在計算機(jī)上進(jìn)行反復(fù)修改、調(diào)整和模擬，直到獲得一個滿意的結(jié)果。 圖1是一個閥門球鐵鑄件的三維模型 (STL格式)，以此STL文件作為模擬的輸入文件。一旦選擇了澆注位置、鑄型材料和澆注溫度，就可以進(jìn)行鑄件的模擬。圖2是用X-射線的形式顯示了鑄件縮孔縮松缺陷的分布，由于沒有冒口，只要鑄件的上部沒有凝固，在重力的作用下，鑄件的上部就會補(bǔ)償鑄件的收縮，一旦補(bǔ)縮通道被阻，鑄件內(nèi)部的隔離區(qū)域就會產(chǎn)生缺陷。圖3顯示了鑄件的凝固時間分布。圖1. 閥體鑄件的三維模型 (STL格式)Fig.1 圖2 鑄件縮孔縮松缺陷X-射線透視Fig.2 圖3 單鑄件 (左圖) 和鑄件水平

14、截面(右圖)的凝固時間Fig.3 模擬結(jié)果顯示，在沒有澆注系統(tǒng)的情況下至少需要一個冒口。根據(jù)鑄件的凝固時間和被補(bǔ)縮的體積，冒口計算模塊見圖4給出了冒口和冒口頸的尺寸及數(shù)量。 圖4 冒口計算模塊給出的冒口和冒口頸的數(shù)量和尺寸Fig.4首先把冒口放置在與缺陷較近的中間法蘭處圖5，模擬計算的縮孔縮松缺陷如圖6所示，鑄件仍有缺陷。通過分析液體金屬停止流動補(bǔ)縮的時間，可以知道由于中間法蘭較薄，冒口過早地停止給鑄件提供補(bǔ)縮圖7。 圖5 鑄件加冒口系統(tǒng) (STL) 圖6 縮孔縮松缺陷X-射線透視Fig.5 Fig.6圖7 冒口過早停止給鑄件補(bǔ)縮停止流動時間Fig.7 修改的方案是把冒口移到較厚的邊發(fā)蘭上，圖

15、8顯示了計算的結(jié)果，用此設(shè)計冒口可以完全補(bǔ)縮鑄件的收縮。 圖8鑄件加冒口縮孔縮松缺陷X-射線透視Fig.8 還可以進(jìn)一步改變冒口和冒口頸的尺寸，直到獲得一個優(yōu)化的補(bǔ)縮系統(tǒng)。在計算機(jī)上進(jìn)行補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計完全可以替代在鑄造現(xiàn)場的試錯法。2 澆注系統(tǒng)設(shè)計2.1澆注系統(tǒng)設(shè)計原那么在設(shè)計完補(bǔ)縮系統(tǒng)后，可以根據(jù)鑄件臨界壁厚，鑄型類別和澆注溫度等條件進(jìn)行澆注系統(tǒng)設(shè)計。其澆注系統(tǒng)設(shè)計原那么是: (1)根據(jù)鑄件材質(zhì)的類型，液體金屬進(jìn)入鑄件型腔的速度應(yīng)控制在小于50-70 cm/s，以防止液體金屬外表紊流和飛濺；(2)在充型過程中應(yīng)保持整個澆注系統(tǒng)是充滿的，以防止吸氣，二次氧化和渣卷入;(3)能保證充滿鑄型以防止

16、鑄件出現(xiàn)冷隔和澆缺乏；(4)滿足鑄型壽命和生產(chǎn)周期的要求。 合理的澆注時間應(yīng)該由澆注系統(tǒng)來決定，而不是由澆鑄工來決定，澆鑄工任務(wù)是盡快澆注，確保澆口杯充滿以保持澆注高度。適宜的澆注系統(tǒng)也可以替代冒口起補(bǔ)縮作用。澆注系統(tǒng)設(shè)計是保證生產(chǎn)合格鑄件的關(guān)鍵，許多鑄件的缺陷，比方冷隔，澆缺乏，氣體和渣的卷入，氧化薄膜等，是不合理的或錯誤的澆注系統(tǒng)造成的。2.2兩種澆注系統(tǒng)的實驗結(jié)果比擬為了證明澆注系統(tǒng)的重要性，用兩種不同的澆注系統(tǒng)進(jìn)行充型實驗。一種是封閉-開放式澆注系統(tǒng)，它的最小截面積位于直澆道的底部見圖9。另一種是封閉式澆注系統(tǒng)，它的最小截面位于內(nèi)澆道。鑄件是厚200mm×200mm×

17、;4mm的平板，澆注高度大約是350mm從最小截面到澆口杯。鑄型的一半是由一塊耐熱玻璃替代，用鑄鐵液體進(jìn)行澆注，充型過程由高速電影攝影機(jī)記錄。同樣的實驗也可以用X-射線的方法獲得5。直澆道底部的液體金屬速度()是由澆注高度(H)和沿程能量損失因子(B)決定的，液體金屬經(jīng)過一個帶斜度的直澆道的能量損失因子是1.25，這樣：= (2gH)1/2/B = (2×9.8×0.35) 1/2/1.25 = 2.1 m/s (1)g 為重力加速度。 圖9 封閉-開放式澆注系統(tǒng)的充型Fig.9 在采用封閉-開放式澆注系統(tǒng)時，澆注時間僅取決于最小截面和澆注高度，橫澆道中的液體金屬速度可以通

18、過改變橫澆道的截面來控制，在一定的澆注速率下，增加橫澆道截面積會降低液體金屬的速度。本例中盡管直澆道底部液體金屬的速度是2.1 m/s，但通過調(diào)整橫澆道截面可以降低液體金屬速度，使液體金屬以比擬平穩(wěn)的狀態(tài)進(jìn)入鑄件。圖9是一個封閉-開放式澆注系統(tǒng)的充型過程沒有外表紊流。但是在封閉式澆注系統(tǒng)，液體金屬進(jìn)入鑄型的速度取決于澆注高度和能量損失因子，改變內(nèi)澆道截面積，只改變了澆注時間。在此實驗中，大于2 m/s的液體金屬進(jìn)入鑄型產(chǎn)生了如圖10所示的紊流、飛濺和卷氣的充型過程。 圖10 在封閉式澆注系統(tǒng)中液體金屬以高速進(jìn)入鑄件的充型過程Fig.10圖11比擬了兩種澆注系統(tǒng)不同液體速度對鑄件最終質(zhì)量的影響，

19、可以證明控制液體金屬進(jìn)入鑄件型腔的速度是設(shè)計一個好的澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵。 (a) 封閉-開放式澆注系統(tǒng)(b) 封閉式澆注系統(tǒng)圖11 不同充型速度澆注的鑄件質(zhì)量比擬 Fig.112.3鑄件的澆注系統(tǒng)設(shè)計及模擬結(jié)果對于圖1所示的鑄件，根據(jù)型板的尺寸，一箱可以澆鑄4個鑄件。用Experto-ViewCast澆注系統(tǒng)設(shè)計模塊圖12計算了一個封閉-開放式的澆注系統(tǒng)。把設(shè)計的直澆道尺寸與冒口比擬，發(fā)現(xiàn)有可能用澆注系統(tǒng)替代冒口，模擬后通過修改澆注系統(tǒng)的尺寸加大內(nèi)澆道，可以用澆注系統(tǒng)替代冒口。圖13是無冒口的鑄造系統(tǒng)，凝固模擬未經(jīng)充型的計算結(jié)果如圖14所示，鑄件無縮孔縮松缺陷，此鑄件可實現(xiàn)無冒口鑄造。圖12 澆注

20、系統(tǒng)設(shè)計模塊Fig.12 圖13 鑄件及澆注系統(tǒng)設(shè)計(STL格式) 圖14 計算的縮孔縮松缺陷分布 Fig.13 Fig.14進(jìn)行充型過程模擬，圖15是充型過程和結(jié)束時的溫度場，從充型過程來看，液體金屬以低的速度進(jìn)入鑄件型腔，充型方式平穩(wěn)。充型過程明顯地影響了鑄件和鑄型的溫度分布，對于本例子，充型后的溫度場更有利補(bǔ)縮。圖16是用充型后繼續(xù)凝固過程計算的X-射線結(jié)果，可以獲得無鑄造缺陷的鑄件。在計算機(jī)上設(shè)計完成鑄造工藝，可以進(jìn)行實際鑄造。上述例子在生產(chǎn)實際一次鑄造成功。這項技術(shù)已經(jīng)改變了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，成為許多鑄造廠進(jìn)行工藝設(shè)計的工具。一天可以設(shè)計兩個上述相類似的工藝。 圖15充型過程溫度場分布

21、Fig.15圖16充型和凝固模擬后系統(tǒng)的縮孔縮松缺陷X-射線透視Fig.163與傳統(tǒng)設(shè)計方案本錢比擬這個鑄件的原來鑄造工藝設(shè)計是基于經(jīng)驗和試錯法，其在工廠使用的鑄造方案及模擬結(jié)果如圖17所示，僅2個鑄件在鑄型中，并且每個鑄件放置2個冒口以保證鑄件質(zhì)量。顯而易見，用Experto-ViewCast設(shè)計的一箱4件無冒口鑄造方案,生產(chǎn)效率和回收率大大提高，返回料從53%降到了34%，節(jié)省了能源，提高了效率。 圖17原設(shè)計STL左圖及模擬結(jié)果X-射線透視 Fig.17 4結(jié)論借助于模擬技術(shù)，用鑄件凝固時間替代模數(shù)法設(shè)計鑄件補(bǔ)縮系統(tǒng)是一種直接和有效的方法，不同的液體金屬進(jìn)入鑄件型腔的速度會影響最終的鑄件

22、質(zhì)量，控制其速度是設(shè)計澆注系統(tǒng)的關(guān)鍵，封閉-開放式澆注系統(tǒng)可以在不改變澆注時間的情況下，保證平穩(wěn)充型。本文鑄造工藝設(shè)計實例清晰地說明了計算機(jī)輔助鑄造工藝設(shè)計的能力，利用Experto-ViewCast先進(jìn)的模擬設(shè)計技術(shù)可以替代傳統(tǒng)日常使用的試錯法來設(shè)計一個低本錢、高效益、無缺陷的鑄造系統(tǒng)。用這個“綠色可視的鑄造技術(shù)可以大幅度地提高生產(chǎn)效率和回收率，降能耗，顯著地節(jié)約本錢。從單鑄件開始，在計算機(jī)上可視設(shè)計鑄造工藝，直到獲得一套優(yōu)化的鑄造工藝，改變了鑄造工藝設(shè)計的理念，是現(xiàn)代鑄造工藝設(shè)計的方向。參考文獻(xiàn)：1 AFS Process Design & Modeling. Committee (1-F), Sources of Casting Modeling Software,J.Modern Casting, 1997,10: 27-29.2 R.P. McDermott, Software Solutions,J.Foundry M