虛擬檢驗技術在進氣缸產品工藝設計中的應用

姚紅汝，李玉葉（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

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虛擬檢驗技術在進氣缸產品工藝設計中的應用

姚紅汝，李玉葉
（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

摘要：主要介紹了一種燃氣輪機球鐵進氣缸鑄造工藝方案，該工藝通過利用鑄造CAE輔助技術對鑄造工藝進行虛擬檢驗，將鑄造過程可視化，縮短了新產品試制周期，提高了鑄件質量，最終形成現場操作方便、鑄件質優的工藝方案，實現了產品的穩定、高效生產。

關鍵詞：進氣缸；工藝設計；虛擬檢驗

稿件編號:1510-1096

0 引言

燃氣輪機是一種效率高、能耗低、污染低的發電設備[1]，受到用戶的廣泛青睞。進氣缸作為燃氣輪機設備中重要的組成部件之一，為了保證燃氣輪機的有效、長久運轉，其質量要求非常高[2]。

虛擬制造技術是在一個統一模型下對設計、制造等過程進行虛擬集成，在產品設計階段，借助建模、仿真等技術及時、并行地模擬出產品未來制造過程的各種活動對產品設計的影響，預測、檢測、評價產品性能和產品的可制造性等[3]。

鑄造CAE輔助技術以傳統鑄造理論、流體力學等為基礎，結合計算機分析技術，作為虛擬制造技術的一部分，直觀展現鑄造過程，達到更加有效、經濟、柔性地組織生產的目的，使產品的開發周期和制造成本最小化，產品設計質量最優化，生產效率最大化，實現顧客與供應商雙贏的美好愿景[4]。

本文主要介紹一種球鐵進氣缸的鑄造工藝方案，結合鑄造CAE輔助虛擬檢驗技術進行檢驗與優化，形成合理的鑄造工藝，生產出滿足顧客規范的高質量鑄件。

1 鑄件信息

1.1 基本信息

此進氣缸鑄件分為上、下部，本文以下部鑄件為例，介紹其鑄造工藝設計流程。進氣缸下部輪廓尺寸為1 339×669.5×1 258(mm)，主體壁厚57 mm，最大壁厚102.9 mm，最小壁厚25.4 mm，鑄件毛坯質量1 473 kg，材質為ASTM A395 Gr.60-40-18，產品圖見圖1。

圖1 進氣缸下部鑄件三維示意圖

1.2 質量要求

根據顧客規范要求，此產品的主要質量指標詳見表1，包括機械性能、金相組織及NDT檢測等。

2 工藝方案

2.1 澆注方向及分型方案

根據鑄件結構特點，此產品主要可以有立澆、平澆兩種澆注方向，通常為內缸在下箱、結合面法蘭朝上兩種形式（圖2），此兩種方案在造型、下芯與補縮等方面都有各自的優劣勢，只是看造型無法直接判斷哪種方案更優。因此使用鑄造CAE輔助技術進行虛擬檢驗，以確定最佳方案。

表1 鑄件質量要求

圖2 兩種澆注方向及分型方案

2.2 澆注方案確定

根據公司澆注系統規范，設計了進氣缸下部的兩種澆注方案的澆注系統，使用充型凝固軟件進行初步模擬（無冷鐵、無冒口），用以判斷充型的平穩度、熱節位置及凝固順序。從兩種形式縮松和鑄件凝固順序結果可知（圖3、4），立澆方案更容易塑造補縮通道，更容易解決縮松缺陷，且立澆形式充型更加平穩，不易沖砂。

圖3 兩種澆注形式縮松結果

圖4 兩種澆注形式鑄件凝固順序

綜合考慮造型、出芯、澆注平穩度與缺陷解決難度等，最終確定使用立澆方式進行工藝設計。此種澆注及分型方案具有補縮通道順暢，更易形成溫度梯度，實現順序凝固，合箱操作簡便，冒口、冷鐵少，清理工作方便等優點。

2.3 工藝設計

根據確定的方案進行工藝設計及虛擬檢驗。利用軟件將造型、合箱、清理等工序進行虛擬制造設計，對鑄造全生產周期進行預檢驗，以優化鑄造生產組織，并減少鑄造失敗造成的回溯修改，縮短新產品試制周期，提高生產速率與經濟效益。

采用半開放式澆注系統，并設置過濾網。初始模擬結果顯示內澆口流速稍高，根據公司澆注系統自動優化庫數據優化后，內澆口平均流速計算值為0.68 m/s，滿足球鐵鑄件充型流速要求。設計立澆工藝，繪制三維工藝方案（圖5），利用動畫軟件進行虛擬制芯、合箱，檢驗其出芯合理性及操作簡便性（圖6），并進行優化，最終確定最佳工藝設計方案。

圖5 下型結構

圖6 虛擬合箱檢驗

3 模擬檢驗

3.1 澆注系統驗證

利用鑄造CAE輔助技術進行工藝檢驗，并完成冒口、冷鐵設置。首先對優化后的澆注系統進行驗證。如圖7、8所示，模擬結果顯示，鑄件充型平穩，內澆口處流速低，型腔內實現逐層充滿，充型完成后溫度場分布合理，判定按照公司規范設計優化的澆注系統合格。

圖7 充型流速圖

圖8 充型完成后溫度場分布圖

3.2 冒口、冷鐵設計

在確定澆注方案時，已經進行了初步模擬，由初步模擬結果可知，由于鑄件結構特點，鑄件內存在較大的縮孔缺陷，且熱節大，薄厚交接部位存在問題，加工外露風險大，需進一步改進驗證。

圖9 鑄件凝固順序合理

圖10 最終模擬縮松結果

利用整體分區補縮，并保證鑄件厚大部位石墨化膨脹充分達到自補縮效果的思路進行冒口、冷鐵設計。經過多次的改進、模擬驗證后，使得鑄件的熱節得到分散，分區補縮效果明顯，補縮順序合理（圖9），縮松缺陷很小（圖10，滿足顧客鑄件質量規范要求。

根據模擬驗證的結論及實際生產經驗判定此工藝合格，可進行生產。現場操作嚴格按照虛擬制造流程進行。后經檢驗，鑄件質量符合顧客規范要求，尺寸合規（圖11），且機械性能與金相結果均達到顧客規范要求（圖12）。使用此方案連續生產多件，均合格發運。

圖12 材料金相結果

4 結束語

利用虛擬制造技術，鑄造CAE仿真軟件，結合公司工藝設計專家庫數據，實現了鑄造工藝的預檢驗與再優化，打破了傳統工藝設計流程，為進一步實現全流程虛擬制造打下基礎，為提升企業競爭力發揮了重要作用，是未來鑄造工藝設計中不可或缺的有效方法。

參考文獻

[1] 唐建，于海，陳勇.SGT5-4000F燃氣輪機氣缸溫度場及位移場分析[J].熱力透平, 2011（2）：130-133,

[2] 安玲玲.燃氣輪機壓氣缸的鑄造工藝方法[J].中國鑄造裝備與技術，2015（4）：22.

[3] 杜寶江.虛擬制造[M].上海科學技術出版社,2011.12.01.

[4] 張良，趙旭平.計算機模擬技術在鑄造中的應用[J].石油機械, 2006（9）：92-94,

Application of foundry cae technology in inlet cylinder casting process design

YAO HongRu，LI YuYe
（Kocel Machinery Co.,Ltd.，Yinchuan 750021，Ningxia,China )

Abstract：Mainly introduces a kind of gas turbine cylinder castings process in ductile iron, utilizing foundry CAE assistive technology to virtual test the casting process, cut down the testing period greatly, make the casting process become visualization and improve the quality of castings，eventually forming the casting method which is easy to operate and good in quality , ultimately achieve our goals that product stable and effi cient, achieve the winwin situation for supplier and customer.

Keywords：gas turbine cylinder；process design；casting process simulation

中圖分類號：TG251；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0034-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.010

收稿日期:2015-10-16

作者簡介：姚紅汝（1990—），女，主要從事鑄造CAE輔助分析工作.