基于Anycasting的球墨鑄鐵汽車(chē)泵體鑄造工藝優(yōu)化

張武

摘要：本文基于Anycasting軟件對(duì)球墨鑄鐵汽車(chē)泵體的澆注系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，側(cè)重分析了鑄件充型、凝固過(guò)程中溫度、壓力以及速度場(chǎng)的變化規(guī)律。最后由模擬結(jié)果來(lái)預(yù)測(cè)該零件可能產(chǎn)生的鑄造缺陷，進(jìn)一步提出改進(jìn)方案，本文的研究可為實(shí)際鑄造生產(chǎn)中澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供理論依據(jù)，有助于提高鑄件的鑄造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Anycasting;汽車(chē)泵體;數(shù)值模擬

0? 引言

基于現(xiàn)代鑄造技術(shù)的發(fā)展，鑄造工藝CAE技術(shù)的深入應(yīng)用，不僅可以高效解決實(shí)際鑄造生產(chǎn)與工程問(wèn)題，還使鑄造業(yè)的發(fā)展前景日益多元化、綠色化。隨著我國(guó)倡導(dǎo)下“一帶一路”的命運(yùn)共同體在經(jīng)濟(jì)、科技等領(lǐng)域的迎來(lái)重大發(fā)展的契機(jī)，國(guó)內(nèi)多家高等院校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)各方面力量密切合作，對(duì)于FT-Star、華鑄CAE等國(guó)產(chǎn)鑄造CAE技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域組織產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，加大推動(dòng)了CAE技術(shù)輔助國(guó)內(nèi)鑄造生產(chǎn)的研發(fā)力度，不斷探索創(chuàng)新制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式的基礎(chǔ)工作。本文采用Anycasting軟件模擬分析球墨鑄鐵汽車(chē)泵體工藝系統(tǒng)的充型、凝固過(guò)程，以及觀察澆注過(guò)程的溫度、速度和壓力場(chǎng)的變化規(guī)律，從而避免通過(guò)大量的鑄造生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1? 泵體零件及其工藝系統(tǒng)的三維造型

對(duì)零件、澆注系統(tǒng)及其補(bǔ)縮系統(tǒng)等建立三維實(shí)體造型，是對(duì)其鑄造工藝實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬的應(yīng)用基礎(chǔ)。本設(shè)計(jì)利用Pro/E軟件首先對(duì)該鑄件（包括鑄型、澆冒口系統(tǒng)）進(jìn)行三維建模。再將鑄造工藝裝備的各部分及系統(tǒng)作為一個(gè)整體進(jìn)行裝配約束，并以“.stl”格式文件分別輸出。

2? 工藝澆注的Anycasting分析

2.1 數(shù)值模擬前處理

本設(shè)計(jì)基于Anycasting模擬的仿真試驗(yàn)可由該軟件的前處理器AnyPRE模塊對(duì)鑄件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作以及模擬條件設(shè)定。具體設(shè)置如下：

將建好的“.stl”文件全部導(dǎo)入到AnyPRE中，分別定義各部分實(shí)體造型的屬性，設(shè)置鑄型并確定默認(rèn)求解域。劃分網(wǎng)格時(shí)為保證仿真鑄件不失真，選擇壁厚參數(shù)時(shí)設(shè)置為小于該鑄件的最小壁厚。采用均勻網(wǎng)格劃分法，鑄件結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，網(wǎng)格數(shù)較少。任務(wù)制定設(shè)置中，本設(shè)計(jì)為砂型鑄造，將鑄造工藝選為非金屬型鑄造，分析類(lèi)型選擇“充型過(guò)程和之后的傳熱及凝固”。設(shè)置其他鑄造工藝參數(shù)與邊界條件，包括：打開(kāi)AnyDBASE庫(kù)，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)選擇鑄造材料;設(shè)置初始條件和邊界條件，可對(duì)鑄件、鑄型及周?chē)目諝忸A(yù)熱溫度達(dá)到200℃，以保持一定的干燥度，提高鑄件質(zhì)量;設(shè)置熱傳遞率與澆口條件，選擇澆注溫度為1350℃，設(shè)置澆注速度常量為0.1m/s;激活重力設(shè)置，選擇默認(rèn)參數(shù)。設(shè)置結(jié)束條件及輸出狀態(tài)，默認(rèn)充型凝固條件輸出。保存文件設(shè)置，并運(yùn)行AnySOLVER求解器，進(jìn)行計(jì)算分析，最后生成“.rlt”數(shù)據(jù)文件。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

作為AnyCasting的后處理器，AnyPOST具有強(qiáng)大的圖像與數(shù)據(jù)分析功能。將AnySOLVER求解生成的“.rlt”文件導(dǎo)入AnyPOST中進(jìn)行模擬分析，通過(guò)讀取經(jīng)AnyPOST處理輸出的圖表結(jié)果，可以使得模擬結(jié)果變得更為直觀簡(jiǎn)潔[1]。

本設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)體鑄件整體體積較大，鑄件需要的充型時(shí)間大約為173s，在底注式的澆注系統(tǒng)下，澆注溫度為1350℃的液態(tài)金屬經(jīng)過(guò)垂直澆口窩、水平橫澆道的阻渣及過(guò)渡作用，再流經(jīng)內(nèi)澆道，以分散進(jìn)火方式平穩(wěn)澆進(jìn)型腔里，鑄型在自下而上的充型過(guò)程中，澆注溫度逐漸降低，充型速度逐漸減緩，最后充型完全時(shí)鑄件整體溫度相差不大，其邊冒口溫度略低于鑄件溫度，比較符合充型順序規(guī)律。

該回轉(zhuǎn)體鑄件從充型結(jié)束到完全凝固的時(shí)間較長(zhǎng)，多達(dá)7430s左右，凝固過(guò)程總體趨勢(shì)呈現(xiàn)由鑄件兩端邊緣向中心逐漸發(fā)展。由于兩個(gè)壓邊冒口的補(bǔ)縮距離有限，鑄件偏下的法蘭盤(pán)部分凝固速度不均，尤其是以鑄件法蘭“L”型接頭過(guò)渡處凝固過(guò)程最慢，存在不同程度的孤立熱節(jié)中心，表面難以形成堅(jiān)硬的外殼，也不利于自補(bǔ)縮的進(jìn)行，預(yù)測(cè)可能會(huì)產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷，且對(duì)動(dòng)平衡不利[2]。

為了更加容易觀察和發(fā)現(xiàn)規(guī)律，現(xiàn)對(duì)鑄件對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分，根據(jù)各點(diǎn)傳感器在空間位置的數(shù)據(jù)采集，由此得到鑄件在鑄造過(guò)程中隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)以及在充型過(guò)程中壓力、速度場(chǎng)的情況，分析可知：

①?gòu)臏囟葓?chǎng)曲線進(jìn)行分析，在鑄件充型過(guò)程中，1350℃的液態(tài)金屬?gòu)耐鉂部谧⑷牒螅菇佑|到的鑄型部分溫度瞬間升至1300℃左右，隨后進(jìn)入一個(gè)漫長(zhǎng)的凝固過(guò)程。而與其他點(diǎn)相比，位于鑄型頂部的測(cè)量點(diǎn)在溫度緩慢升高到1030℃左右便開(kāi)始凝固，這是由于鑄型頂部的壁厚最薄，冷卻速度較快，無(wú)明顯的充型與凝固的過(guò)渡過(guò)程，容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。隨著時(shí)間的推移，鑄件金屬液與周?chē)諝獾臒峤粨Q慢慢達(dá)到平衡，溫度下降梯度變緩，直至冷卻結(jié)束。

②從壓力場(chǎng)曲線進(jìn)行分析，隨著充型率的增大，接觸到金屬液的鑄型部分所受的壓力值呈指數(shù)式上升，并在充型完全后達(dá)到峰值。其中鑄型底部測(cè)量點(diǎn)的壓力峰值最大，說(shuō)明該處容易形成致密的金相組織，鑄件鑄造質(zhì)量較好。

③從速度場(chǎng)曲線進(jìn)行分析，在充型過(guò)程中自下而上的各測(cè)量點(diǎn)的充型速度變化規(guī)律總體一致，由最初的波動(dòng)后逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于金屬液從澆注口剛進(jìn)入鑄型時(shí)前期充型速度較大，對(duì)鑄件底部型腔造成沖砂、紊流現(xiàn)象而引起的。隨著型腔的金屬液面升高，壓力增大，使得澆注后期速率逐漸放緩，充型過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)。但在澆注至鑄件頂部時(shí)由于壁厚差較大，而又引起一定的速度波動(dòng)幅度。

綜上所述，基于Anycasting模擬過(guò)程分析，根據(jù)缺陷預(yù)測(cè)判據(jù)分析缺陷分布，以及對(duì)于隨機(jī)設(shè)置測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果表明：本鑄件在充型過(guò)程的主要缺陷出現(xiàn)在澆注系統(tǒng)上的概率高;而在凝固過(guò)程中，鑄件的主要缺陷均有存在于澆注系統(tǒng)上和鑄件頂部上表面的可能，可認(rèn)為本設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)基本符合生產(chǎn)要求[3]。

3? 工藝改進(jìn)與優(yōu)化

基于上述結(jié)論，為進(jìn)一步降低本鑄件局部結(jié)構(gòu)存在的質(zhì)量缺陷傾向，可在原鑄造工藝基礎(chǔ)作出如下方案優(yōu)化：

新工藝現(xiàn)采用在鑄件底部法蘭邊緣處合理設(shè)置較大暗邊冒口方式，在熱節(jié)外側(cè)放置冷鐵，并在鑄件中上部凸緣處設(shè)置出氣孔，同時(shí)增加內(nèi)澆道的長(zhǎng)度。將新工藝的鑄造澆冒口系統(tǒng)三維建模模型導(dǎo)進(jìn)AnyPRE，其數(shù)值模擬過(guò)程與原工藝過(guò)程的設(shè)置原理基本相似，通過(guò)設(shè)置實(shí)體造型類(lèi)型，材料選擇，合理劃分有限元網(wǎng)格，設(shè)置相同的澆注條件和工藝參數(shù)，進(jìn)行后處理計(jì)算與仿真。

觀察上述鑄件充凝狀態(tài)下的溫度變化和所用時(shí)間，結(jié)果表明：與原鑄造工藝設(shè)計(jì)相比，新工藝的澆冒口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布局更為完善，通過(guò)確定合理的澆注速度，使得充型過(guò)渡平穩(wěn)，大大減少了發(fā)生在充型前期的金屬液激濺和紊流現(xiàn)象;根據(jù)凝固模擬結(jié)果可知，新工藝設(shè)計(jì)的邊冒口所用的凝固時(shí)間大于鑄件凝固時(shí)間，說(shuō)明其冒口設(shè)置合理，能夠極大地縮短了鑄件的凝固時(shí)間，避免了局部熱節(jié)的產(chǎn)生。觀察鑄件充型時(shí)間概率缺陷圖可以得出，充型過(guò)程中缺陷發(fā)生在澆注系統(tǒng)上的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)生在鑄件上的概率，整體鑄件鑄造質(zhì)量良好;而凝固時(shí)間發(fā)生的概率缺陷主要集中于鑄件頂部表面存在的質(zhì)量缺陷與原工藝方案對(duì)比也有了明顯的改善，鑄造時(shí)可通過(guò)留出足夠的毛坯余量加以補(bǔ)償。綜上分析，說(shuō)明新工藝的澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，基本上能夠消除原工藝中鑄件上表面存在的渣孔缺陷。

4? 結(jié)語(yǔ)

①本汽車(chē)泵體鑄件屬于中大型厚壁類(lèi)球墨鑄鐵件，宜采用開(kāi)放式底注式澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)，確定合適的澆道、砂芯的結(jié)構(gòu)尺寸及布局，且在鑄件主要熱節(jié)處設(shè)置冒口、冷鐵等工藝，有助于充分保證產(chǎn)品鑄造質(zhì)量。

②基于Anycasting軟件模擬仿真鑄造工藝的澆注實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)定工藝參數(shù)，進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，模擬分析原澆冒口系統(tǒng)的充型凝固過(guò)程，觀察其中溫度、壓力和速度場(chǎng)的變化規(guī)律，分析原鑄造工藝的存在缺陷，從而對(duì)原鑄造工藝的合理性進(jìn)行科學(xué)性求證，并高效地總結(jié)出一套較為合理的澆注系統(tǒng)優(yōu)化方案，消除鑄件可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，降低試鑄成本，提升企業(yè)發(fā)展實(shí)力。

參考文獻(xiàn)：

[1]M Flemings.et al. Advanced Casting Technologies in Japan and EuropeEB/OL[J]. AmericanFoundrymen's Society，Inc. I937-03/1998-05-28.8-11.

[2]金勝燦，王晗，王建東.球鐵飛輪澆冒口系統(tǒng)的優(yōu)化[J].汽車(chē)工藝與材料，2005（6）：10-13.

[3]王喜玉.基于ViewCast的砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D].蘭州理工大學(xué)，2013.