鑄造工藝的演變上

鑄造工藝的演變上

隨著科學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，制造行業(yè)也引入了高新技術(shù)。1962年,丹麥的Forund第一個采用電子計算機模擬鑄件凝固過程。隨后,世界上工業(yè)發(fā)達國家,如美國、英國、西德、日本、法國等冶金和鑄造研究人員都相繼開展了這方面的研究,并取得顯著進步。其中,美國的R.D.Penlke教授、J.T.Beety教授,日本的新山英輔教授、大中逸雄教授,丹麥的P.N.Hansen教授是這一領(lǐng)域的先行,代表這個領(lǐng)域的水平。1983年,國際第5屆鑄造會議專題討論了鑄件凝固數(shù)值模擬。美國密執(zhí)安大學(xué)的R.D.Pehlkt教授和佐治亞工學(xué)院的J.T.Benrry教授提出了鑄造工藝CDA的概念,并把它歸結(jié)為主計算機模擬(CalculatesSimulation)、幾何模擬(GenometricalModelling)和數(shù)據(jù)庫(DateBase)的有機連接。隨后,丹麥技術(shù)大學(xué)的P.N.Hansen教授提出前處理(Pre-Treatment)、后處理(Post-Treatment)和中間計算的概念。在1985年第52屆鑄造會議上,CAD/CAM成為會議的主旨。我國在鑄造行業(yè)率先引用計算機技術(shù)的是沈陽鑄造研究所張毅教授和大連理工大學(xué)的金俊澤教授。1978年,在葛洲壩電站125MW水輪機葉片的鑄造工藝研究中,張毅、王君卿等人開展了鑄件凝固過程熱場的計算機模擬的研究,楊恩長、宋維德等人開展了葉片流場水力模擬的研究。同期,大連理工大學(xué)的金俊澤等人開展了大型船用銅螺旋漿的凝固過程的數(shù)值模擬的研究,鄧兆豪等人開展了流場水力模擬的研究。1984年沈陽鑄造研究所的高尚書、于態(tài)亞推出了中小型混流式轉(zhuǎn)輪單鑄葉片澆冒口系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計程序,它實現(xiàn)了輸入數(shù)據(jù)、中間計算和輸出完整鑄造工藝圖的全過程,可能是我國鑄造行業(yè)第一個符合CAD構(gòu)思的使用軟件。隨后又與太原重型機器廠、第一重型機器廠等聯(lián)合開發(fā)了典型工藝與專家系統(tǒng)。此后,沈陽鑄造研究所、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)和第一重型機器廠、第二重型機器廠、太原重型機器廠、第一汽車制造廠等大中型企業(yè)進一步開發(fā)了鑄造工藝計算機輔助設(shè)計軟件及計算機技術(shù)在鑄造車間(廠)的管理、測試與控制、典型鑄造工藝數(shù)據(jù)庫與專家系統(tǒng)、鑄件——鑄型溫度場和應(yīng)力場與鑄件組織形態(tài)的模擬、充型過程流場的模擬等方面的應(yīng)用。1客戶管理及制件設(shè)計應(yīng)多在管理工作設(shè)備設(shè)計、設(shè)計、打印、放鑄造車間的管理及生產(chǎn)過程方面主要采用數(shù)據(jù)庫軟件,管理內(nèi)容十分廣泛,包括人事管理、財務(wù)管理、日程計劃、工具、材料及成品倉庫管理、生產(chǎn)記錄統(tǒng)計、生產(chǎn)進度、質(zhì)量與成本、合同及銷售管理各種報表的設(shè)計及打印等。2鑄造過程控制測試與控制可以貫穿鑄造生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié),對于采用生產(chǎn)線生產(chǎn)和需要處理大批量型砂的情況尤為重要。計算機技術(shù)在測試與控制中的應(yīng)用主要有:1)砂處理工部工藝過程復(fù)雜,控制及管理要求嚴格,設(shè)備品種繁多,物料搬運量大,塵源多,主要控制項目為水分含量、砂溫和濕度。清華大學(xué)和第一汽車制造廠等結(jié)合各自目標(biāo)實現(xiàn)了砂處理自動控制。大連理工大學(xué)、北京市機電研究院和第二汽車制造廠鑄造二廠聯(lián)合研制了混碾過程自動化和型砂混碾質(zhì)量的微機控制系統(tǒng),使型砂緊實率控制精度達到±(3%～5%)。2)散料稱量輸送主要包括鑄造生產(chǎn)中用的舊砂、新砂、石灰石、焦碳及粘結(jié)劑等散料的稱量和輸送,均可采用計算機進行處理。3)沖天爐熔煉測控內(nèi)容主要有:(1)鐵水溫度、化學(xué)成分、風(fēng)量、風(fēng)壓、爐氣溫度與成分等;(2)爐料配比優(yōu)化及爐料的定量控制;(3)送風(fēng)量、送風(fēng)濕度、加氧送風(fēng)、焦碳加入量等。沈陽鑄造研究所與國內(nèi)許多廠家合作,取得許多實用性的研究成果。4)熱分析測試廣泛用于測定可鍛鑄鐵、灰鑄鐵的化學(xué)成分,球墨鑄鐵的球化等,鋁合金的變質(zhì)效果,金相組織和力學(xué)性能等。5)低壓鑄造控制是應(yīng)用計算機技術(shù)控制低壓鑄造過程,穩(wěn)定工藝規(guī)范,自動補償因液位下降造成的壓力損失,保持充型過程的一致。6)爐溫控制是對于各種加熱爐(熱處理爐、烘干爐等)應(yīng)用計算機技術(shù)進行控制,實現(xiàn)自動采樣,并在采樣時間間隔內(nèi),求出給定值和測定值之間的偏差值,再根據(jù)偏差值以及系統(tǒng)設(shè)定的各種參數(shù),求出操作量,輸出控制信號進行控制。燃油式或燃氣式加熱爐爐溫自動控制,通常是控制進入噴嘴的燃料量及空氣量的配比,按加熱規(guī)范要求控制供熱量,而達到爐溫自動控制的目的。7)其它應(yīng)用如造型線的自動控制,自動澆注,造型機模板的自動交換、自動開澆口,澆注后鑄型的冷卻噴水裝置,氣流輸送,鑄件落砂及噴丸清理等。3工藝cad數(shù)據(jù)庫為了把鑄造工作者多年積累的鑄造經(jīng)驗繼承下來,并經(jīng)優(yōu)化和總結(jié)、綜合上升到一定的理論高度,使鑄造生產(chǎn)達到穩(wěn)定優(yōu)質(zhì),有必要建立典型鑄造工藝數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)。機械工業(yè)部曾組織了大型鑄鋼件鑄造工藝CAD“七五”聯(lián)合攻關(guān)組,參加單位有沈陽鑄造研究所、第一重型機器廠、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)、大連理工大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)等。其研究成果中包含有數(shù)個數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng),其中:1)輪型件鑄鋼工藝CAD基本覆蓋了所有齒輪和齒圈類鑄鋼件生產(chǎn)工藝,并可自動輸出鑄造工藝圖和模樣工藝圖。該系統(tǒng)已在太原重型機器廠、第一重型機器廠、衡陽冶金機械廠、韶關(guān)鑄鍛總廠、唐山水泥機械廠等廣泛應(yīng)用,并結(jié)合生產(chǎn)實際進行了二次開發(fā)。2)機架類外(內(nèi))冷鐵工藝CAD系統(tǒng)形成1100種組合,包含110個冪函數(shù)方程,使用的鑄件斷面尺寸范圍為(300×300)mm～(1200×1200)mm。用該系統(tǒng)曾成功的設(shè)計生產(chǎn)了大型鋁板軋機機架(單重110t)。3)葉片類鑄鋼工藝CAD、鋼體類鑄鋼工藝CAD、閥體類鑄鋼工藝CAD等,均在我國重點工程項目上獲得應(yīng)用。4)通用工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、熱物理參數(shù)數(shù)據(jù)庫、缸體類工藝圖形庫包括了各種造型材料和鑄造合金的高溫參數(shù),各類鑄造工藝參數(shù)及鋼體類圖形。內(nèi)蒙古工學(xué)院研編了灰鑄鐵件氣、縮孔缺陷判定的專家系統(tǒng)GDDES。該系統(tǒng)是由知識庫、推理機、知識庫管理機構(gòu)、解釋機構(gòu)4個部分組成,能判別氣孔、縮孔、型壁移動三類灰鑄鐵件的缺陷。4速度場、壓力場鑄件形成過程的計算機數(shù)值模擬包括熱模擬(含溫度場、應(yīng)力場、鑄件組織的模擬)和流場(含速度場、壓力場)的模擬。在熱場模擬中,溫度場的數(shù)值模擬是最基本的。而熱場模擬準(zhǔn)確的前提條件之一是凝固過程濕度場的準(zhǔn)確測定。溫度場的準(zhǔn)確測定必須滿足測點多,采樣時差小,測溫元件對溫度變化響應(yīng)快,滯后小的要求,并在處理各點測溫值時要選擇合適的擬合方法及數(shù)學(xué)式。4.1計算方法的選擇在鑄件形成過程的數(shù)值模擬中,數(shù)值計算都是把連續(xù)解變成離散解,從而把偏微分方程變成代數(shù)方程組進行求解。數(shù)值模擬的基本方法主要是有限差分法、有限元法和邊界元法。1)有限差分法是以離散數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)。其實質(zhì)是把所研究的物體從時間和空間位置上分割成許多小單元,對于這些小單元用差分方程式近似代替微分方程式,設(shè)定初始條件和邊界條件,逐個計算各單元溫度的一種方法。它分為顯示法、隱式法、交替隱式法、DEF格式、SOLAVOF格式等。當(dāng)計算點溫度直接表示成已知溫度與空間坐標(biāo)的函數(shù)時,稱為顯式,否則稱為隱式。有限差分法采用直交網(wǎng)絡(luò),也可以變空間步長。在求解區(qū)域比較規(guī)則時,適合用有限差分法處理。2)有限元法又分為位移法、利用余法進行變分的方法和混合變分三種方法。位移法是將求解區(qū)域劃分為有限個單元,通過構(gòu)造差值函數(shù),把問題轉(zhuǎn)化為變分問題,即求泛函數(shù)值問題,經(jīng)過離散化得到計算格式而求解。變分法證明:求解某些微分方程的問題等效與泛函數(shù)的相關(guān)量最小化求解問題。如果相當(dāng)于因變量的網(wǎng)格點值使泛函數(shù)最小,那么所得到的條件,就是給出所需要的離散化方程。有限元法節(jié)點配置的方式任意性大,對于形狀復(fù)雜的形體,可以是邊界節(jié)點完全落在區(qū)域邊界上,使得邊界上給出較好的逼近。3)邊界元法是把定義域的邊界劃分成一系列單元,用滿足控制方程的函數(shù)來逼近邊界條件。由于區(qū)域邊界的維數(shù)總比區(qū)域本身的維數(shù)低一維,故在某種意義上說,邊界元法是把問題降低一維來考慮。但對不穩(wěn)定問題,邊界元法同樣要對區(qū)域本身進行剖分。另外,由于邊界元法以邊界為著眼點,所以對一些有限邊界無限區(qū)域的問題求解顯得特別有效。邊界元法的計算公式復(fù)雜,占用內(nèi)存較多,計算時間較長。計算方法的選擇還要配合選用不同的初始條件和邊界條件處理方法。邊界條件處理方法有N方程法、溫差函數(shù)法、點熱流法、綜合熱阻法、動態(tài)邊界條件法等。潛熱處理法有溫度回升法、熱熔法、固相率法、積分法、比例法等。4.2熱場值模擬的理論基礎(chǔ)11熱傳導(dǎo)的基礎(chǔ)是傅立葉法式中:q——單位傳導(dǎo)熱流量,W/m2;λ——導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);gradT——溫度梯度,K/m;T——考察點溫度,K。2u2004標(biāo)準(zhǔn)一般函數(shù)式中:qew——單位對流熱流量,W/m2;ac——放熱系數(shù),W/(m2·K);Tw——壁面溫度,K;Tf——流體的特征溫度,K。由于對流換熱的復(fù)雜性,放熱系數(shù)ac需要從相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)方程求出。相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)之間的一般函數(shù)關(guān)系式為式中:Nu——努謝爾特標(biāo)準(zhǔn),Nu=ac·L/λf;ac——放熱系數(shù),W/(m2·K);L——鑄件的特征尺寸,m;λf——流體的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);Pr——普朗特標(biāo)準(zhǔn),Pr=v/a;a——熱擴散率,m2/s;v——運動粘性系數(shù),m2/s;Gr——葛位曉夫準(zhǔn)則,Gr=gB1L3(Tw-Tf)/v2g——重力加速度,m/s2;B1——流體的容積膨脹系數(shù),1/(m2·s2·K);Re——雷諾準(zhǔn)則,Re=WL/v;w——流體的速度,m/s。3輻射傳熱參數(shù)黑度為ε的物體副射力為式中:ε——黑度;σ0——斯蒂芬—玻爾茲曼常數(shù),W(m2·K4);σ0=5.67×10-8W(m2·K4);T——物體的絕對溫度,K。實際物體的輻射換熱的流量為:式中:ε12——兩物體的綜合黑度,ε12=ε1·ε1;F1——物體1的表面積,m2;Φ1.2——角系數(shù)。Φ1.2是一個與兩物體的相對位置、形狀及大小有關(guān)的幾何參數(shù),相當(dāng)于從物體1的表面到物體2的表面的可見領(lǐng)域的視域系數(shù),也就是物體1的表面向外發(fā)射出去的輻射熱量中,能投射到物體2表面的份額數(shù)。4.3流場模擬數(shù)值模擬應(yīng)力場的研究數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展概括起來有下述幾大方面:1)液態(tài)金屬凝固過程的數(shù)值模擬,引入了流動因素,即考慮到澆注完結(jié)時,初始溫度場并非均勻一致,考慮到自然對流的作用、枝晶間的流動和補縮等因素,又考慮了鑄件與鑄型間間隙對傳熱的影響,冒口輻射傳熱的影響,金屬液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮等因素對計算結(jié)果的影響,使模擬計算更為準(zhǔn)確。2)在鑄件凝固過程數(shù)值模擬判定鑄件裂紋的形成與擴展方面,把宏觀的模擬計算與微觀的結(jié)晶過程聯(lián)系起來,建立鑄件微觀組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力之間的關(guān)系,把微觀組織與各種物理參數(shù)、工藝參數(shù)聯(lián)系起來,不斷完善數(shù)學(xué)模型和鑄件生產(chǎn)的判據(jù),在優(yōu)化鑄造工藝,生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鑄件方面取得了豐碩成果。此后,國際上許多著名專家都在致力于發(fā)展三維計算於速度場和溫度場的聯(lián)合數(shù)值模擬的研究。如美國的GE公司研究部的H.P.Wang、日本東北大學(xué)的新山英輔、大坂大學(xué)的大中逸雄、德國阿亨工業(yè)大學(xué)P.R.Zham、丹麥科技大學(xué)的P.N.Hansen等學(xué)者及其領(lǐng)導(dǎo)的研究小組等都取得了豐碩成果。一些工業(yè)發(fā)達國家,計算機模擬開始向非重力場下的鑄件凝固過程模擬進軍。我國學(xué)者王君卿博士在流場數(shù)值模擬方面作了許多開創(chuàng)性的工作。1987年～1988年,王君卿博士在P.N.Hamsen教授的指導(dǎo)下,模擬了T型鑄鐵三通管的充型過程,并同時計算充型過程的溫度場。這是首次模擬三維立體真實鑄件的應(yīng)力場。由于鑄件熱應(yīng)力是在金屬處塑性、粘性狀態(tài)下產(chǎn)生的,在這一領(lǐng)域中還沒有形成權(quán)威的力學(xué)數(shù)學(xué)模型,所以對鑄造熱應(yīng)力場、殘余應(yīng)力場以及鑄件成形裂紋傾向程度的研究難度很大。目前,在這一領(lǐng)域的研究,國內(nèi)外于領(lǐng)先地位的是大連理工大學(xué)、沈陽鑄造研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位。在微觀凝固理論研究方面,包括有金屬結(jié)晶過程的自發(fā)成核,非自發(fā)成核,晶粒長大,結(jié)晶界面長大的形態(tài),平面的生長,胞狀生長,枝晶生長,定性向晶,非平衡結(jié)晶,深過冷結(jié)晶,共晶生長,一次枝晶間距,二次枝晶間距,成分過冷,溶質(zhì)再分配,非晶狀態(tài),噴射結(jié)晶,快速結(jié)晶,太空結(jié)晶等。這些研究,除了為鑄件凝固過程數(shù)值模擬提供了理論基礎(chǔ)外,還為提高鑄件材料性能,開發(fā)新材料做出了貢獻。沈陽鑄造研究所等單位已在模擬晶核產(chǎn)生長大、枝晶間補縮等方面做了大量的工作,正向組織與性能方面的研究深入。3)研究如薄壁壓鑄件、特種合金及超細材料的形成,非重力場下結(jié)晶等特殊凝固過程的數(shù)值模擬。5流場模擬研究鑄件充型過程流場的研究,過去是以水力模擬為主要手段。自1983年,美國芝加哥大學(xué)的Stoehr教授和他的學(xué)生黃文斯用計算機模擬金屬液流入一矩形水平型腔和一底部是階梯式垂直型腔的充型過程開始,形成了以流場數(shù)值模擬為主,水力模擬為輔的格局,并開展了鑄造過程的流速場和溫度場的聯(lián)合運算。1990年,沈陽鑄造研究所與第一汽車制造廠合作,采用SOLA—VOF法成功的模擬了球鐵減速器外殼二維流場;1991年～1993年,又與香港理工大學(xué)合作,成功的進行了壓鑄薄壁件的流場模擬。近年來清華大學(xué)在三維流場模擬方面也取得了較大進展。6充填材料的優(yōu)化設(shè)計鑄造工藝的計算機輔助設(shè)計CAD和鑄件的計算機輔助制造CAM,是現(xiàn)代鑄造生產(chǎn)的必然趨勢。它應(yīng)當(dāng)包括鑄件圖紙和參數(shù)的簡便(自動)輸出,各物理場