鑄造CAE技術在過濾網設計過程中的應用

宋亮，蘇少靜，王洪濤

（ 共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021 ）

鑄造CAE技術在過濾網設計過程中的應用

宋亮，蘇少靜，王洪濤

（ 共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021 ）

運用MAGMA軟件對過濾網進行仿真模擬，快速指導、優化過濾網設計，提高產品成功率，充分發揮過濾網的過濾作用，降低產品綜合成本，提高企業競爭力。

鑄造CAE；過濾網設計；鑄造缺陷

0 引言

過濾網在高溫、高壓和高沖擊的環境中工作，因此對其品質要求較高，一般設計多依靠經驗，設計不當將使過濾網破碎導致鑄件報廢，設計保守將導致產品生產成本升高。近年隨著計算機軟件的飛速發展，鑄造模擬CAE技術已經廣泛的應用于實際生產，大大減少了設計的盲目性，節省了巨額的設計費用，也大大縮短了設計周期[1]。

本文利用MAGMA模擬軟件對鑄造過程過濾網設計進行仿真模擬，提高鑄造過濾網設計的科學性和可靠性。

1 CAE技術介紹

運用流體力學、熱力學和有限元等數值分析理論[2]，對鑄造過程的充型、凝固、冷卻、應力分布等進行整體的仿真分析，使鑄造過程變得形象化、可視化，鑄造變成“睜眼澆注”，方便工藝技術的改進和提升，對鑄造工藝中新方法、新工藝的提出和應用，有著不可或缺的作用，得到了極大的推廣，為鑄造業帶來了不可估量的效益[3]。

2 過濾網介紹

鑄造用過濾網在高溫、高壓和高沖擊的環境中工作，過濾網形狀結構、材料性質、最高工作溫度和過濾能力是評價過濾網的主要指標。一般設計多依靠經驗，設計不當將使過濾網破碎導致鑄件報廢，設計保守將導致成品生產成本升高。

2.1 過濾網的過濾機制

過濾網過濾機理一般有三種，分別是篩選過濾、濾餅作用和吸附、深層過濾，如圖1所示。

(1)篩選過濾：大顆粒的雜質和薄膜式的夾雜物在過濾網片上被捕集；

(2)濾餅作用：金屬液中比過濾網片孔徑大的顆粒聚集在過濾片的表面，形成一個濾餅，濾餅切刀有效的過濾媒體作用，比過濾網片孔徑小的雜質顆粒被阻止在這個濾餅上，達到良好的過濾作用；

(3)吸附、深層過濾：小顆粒雜質、細小夾雜質和顯微雜質在越過初步的過濾層之后就進入過濾網孔隙的表面上。

圖1 過濾網過濾機理示意圖

2.2 過濾網類型

現在常用的有過濾網布、直孔過濾網、泡沫過濾網、陶瓷過濾網、碳化硅過濾網、碳晶過濾網。過濾網能力是過濾網形狀結構、材料性質和工作溫度的一個綜合體現，一般過濾能力在2~8 kg/cm2，較常使用的是直孔或泡沫過濾網。直孔陶瓷過濾網具有整流作用，是金屬液體從“紊流”變為穩定的“層流”；泡沫陶瓷過濾網具有穩流作用，降低金屬液流速，利于雜質物上浮除去等作用。部分常用過濾網如圖2所示。

圖2 過濾網實物照片

3 CAE仿真軟件在過濾網的設計中的應用

由于，液體流向與靜壓力的影響，位于澆注系統不同位置的過濾網流過的鐵液流量不同。一般設計過濾網均采用理論計算的方式，按照每片過濾網的許用過濾能力設計，會導致部分過濾網流量過大，易產生過濾網沖碎的風險；部分過濾網未能有效發揮作用，能力富余，成本上升；使用CAE仿真軟件對過濾網進行仿真模擬，可以提供工藝設計的準確性[3]。

3.1 澆注系統及過濾網設計

公司某產品，鑄件毛坯質量3 150 kg，澆注質量：3 500 kg。使用120×120×22（mm）碳晶過濾網，供應商提供過濾網能力為6 kg/cm2，最大過濾速度為22 kg/s，過濾網有效過濾面積為100 cm2，即單個過濾網最大過濾網能力600 kg。理論計算需要6塊過濾網，每塊過濾網平均過濾量為567 kg，滿足過濾網設計標準。但實際生產中，發生多次過濾網破碎進入鑄件的情況。

對澆注系統及過濾網設計進行研究，按照圖3形式，從直澆道到橫澆道末端依次對過濾網編碼1#、2#、3#、4#、5#、6#。現使用MAGMA模擬軟件對單片過濾網的過流量進行模擬，在模擬軟件中將每個內澆道及過濾網分別進行定義，對產品做壓力充型+凝固模擬，對模擬結果中每個過濾網的流速和流量進行分析，具體見圖4和表1。表1中，進流時刻是指從開始澆注到鐵液開始進入對應過濾網的時間；最大進流速度是指在整個鐵液通過相應過濾網過程中最大速度；流量是指通過相應過濾網的鐵液質量。

圖3 澆注系統及過濾網編碼

圖4 MAGMA模擬結果

表1 過濾網進流模擬結果

3.2 仿真模擬結果

經過模擬，流過過濾網的鐵液量L=L1+L2+L3+ L4+L5+L6=3 360 kg；單個過濾網的過濾量由大到小的順序如下： L5＞L3＞L2＞L6＞L1＞L4；單個過濾網的流速由大到小的順序如下： V5＞V3＞V2＞V6＞V1＞V4；鐵液流速全部在過濾網所能承受范圍內，從流量的角度判斷過濾網較安全；1#、2#、3#、4#、5#、6#過濾網小于過濾網理論過濾能力，無沖碎風險；5#過濾網過濾量723 kg超過過濾網理論過濾能力，超過量723/600=121 %，有較大風險。

3.3 實際結果驗證

為了驗證模擬結果，我們選擇鑄件有夾過濾網的產品，對其澆注系統進行解剖檢測，結果如圖5所示，其中左側圖片為發現鑄件夾過濾網，中間為解剖1#、2#、3#、4#、5#、6#過濾網的結果，右側圖片為解剖5#過濾網的結果，可以明顯發現5#過濾網發生破碎，進入鑄件導致夾過濾網缺陷。

圖5 過濾網解剖示意圖

4 品質改進

通過MAGMA模擬和現場鑄件解刨發現，模擬結果與現場品質問題吻合。發生以上問題，主要是由于澆注系統及過濾網設計時，未充分考慮到內澆口與直澆道與橫澆道的配合關系，由于液態流動壓力及過濾網的作用，發生不同的內澆道進流量不同，但是我們往往按照每個內澆道等流量的方法設計，從而導致部分內澆口處的過濾網超過流量使用，發生品質問題或產生風險，需要對其設計進行改進。

4.1 澆注系統及過濾網設計改進

通常，在澆注系統設計時，對橫澆道與內澆道均是恒截面，對于有多個進流口的澆注系統來說，鐵液從直澆道進入，流入橫澆道后總是直接沖到橫澆道端頭，并從遠離直澆道的內澆道率先進流，這使得從直澆道進入的鐵液不能平均的分配到每個內澆道中，在直澆道的單側的內澆道越多，各個內澆道中的進流時間和進流量就越不均勻，越容易發生個別內澆道大流量、高流速，個別內澆道進流量小或者反向進流，增加了品質風險的可能性。為此，對澆注系統進行改進，減少直澆道單側的內澆道數量，增大直澆道與內澆口的距離，增大直澆道末端距離內澆道的距離，或者修改各個內澆道的面積來調整進流量。具體修改結果如圖6，按照從左至右，依次排序為1#、2#、3#、4#、5#、6#，過濾網數量保持6塊，修改直澆道與過濾網和內澆道的配合位置，并保證過濾網與直澆道、過濾網與橫澆道末端的距離。按照圖6的布置重新進行模擬，具體模擬結果如表2所示。

圖6 改進后澆注系統示意圖

表2 改進后模擬結果

4.2 改進后實際生產結果

按照改進后的澆注系統進行生產，首件解剖結果見下圖，過濾網全部無破損。采用此方案連續生產34件，未再發生過濾網破碎導致的夾過濾網的缺陷。

圖7 過濾網解剖示意圖

5 結束語

(1)通過MAGMA模擬和現場鑄件解刨發現，模擬結果與現場品質問題吻合，通過修改內澆道和過濾網的設計，可以達到優化過濾網使用的目的。

(2)通過使用鑄造CAE輔助技術對原有鑄造工藝進行模擬改進，縮短了工藝改進周期，對整個缺陷的產生和改進更加直觀、有效，降低生產成本，有效提高鑄造經濟效益，滿足顧客要求，實現了供應商和顧客雙贏的目標。

[1] 宋賢發. 利用鑄造CAE 技術優化鑄造工藝[J]. 現代鑄鐵,2001(1) .

[2] 張云鵬，楊秉儉，蘇俊義，等. 鑄件凝固過程數值模擬的新進展[J]. 鑄造技術,1998（1）：34-36.

[3] 柳百成. 鑄件充型凝固過程數值模擬國內外研究進展[J]. 鑄造,1999(8): 40-45.

Application of CAE technology in casting fi lter design process

SONG Liang,SU ShaoJing, WANG HongTao
（KOCEL machinery Co.,Ltd., Yinchuan 750021,Ningxia,China）

This article describes the use MAGMA software to simulate the process of filter, can achieve rapid guide and optimized filter design, improve the success rate of products, bettler play the role of the fi lter , reducing the cost of products, improve the competitiveness of enterprises.

casting CAE；fi lter design；casting defects

TG244；

A；

1006-9658（2017）04-0048-04

10.3969/j.issn.1006-9658.2017.04.014

2017-03-01

稿件編號:1703-1682

宋亮（1986—），男，工程師,現主要從事鑄鐵鑄造技術和管理工作.