兆瓦级风力发电机主轴铸造工艺模拟
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参考文献 [ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] 陈 国桢 , 肖 柯 则 , 姜不 居 . 铸 件缺 陷 和对 策手 册 [ M ] , 北 京 : 机 械出版社 , 1996. 陈 琦 , 彭兆弟 . 铸造技术 问题对策 [ M ] . 北京 : 机械工 业 出版社 , 2008. 郭 善 海 . 基 于数 值 模拟 的 铸 钢件 工 艺 分 析与 优 化 设 计 [ D] . 杭州 : 浙江大学 , 2006. 胡红军 . Pro CAST 软件的特点及 其在铸 件成形 过程中 的 应用 [ J] . 热加工工艺 , 2005, ( 1) : 70 71. 王寿彭 . 铸 件形成 理论 及工艺 基础 [ M ] . 西安 : 西 北工 业 大学出版社 , 1994.
Abstract: The foundry process of MW wind generator shaft was designed by UG modeling and finite element software ProCAST. The filling and solidification and temperature field were simulated and the shrinkage defect distribution was predicted. The simulation results show that the casting process that filling from the bottom, the heat riser and the chills located to the bottom can ensure the directional solidification of casting, then a MW wind generator shaft produced by casting can meet the required performance. Key words: Cast steel; Shaft; Numerical simulation; ProCAST
图2 Fig . 2
充型过程图 Filling pro cessing
图 4 凝固过程固相率示 意图 Fig. 4 Solidification Pr ocess
2. 2
凝固过程模拟 凝固过程中铸件所处的状态直接取决于温度, 由
铸件温度场决定铸件状态变化规律, 如凝固前沿位置 及推进情况, 凝固区域大小及变化 , 凝固时间 , 缩孔、 缩 松的部位等 。图 3 中 a、 b、 c 对应的是凝固前期、 中 期、 后期的温度场。铸件底部由于冷铁的激冷作用 , 温 度较低。由图 3b 可以看出, 凝固中期时 , 温度场梯度 分布趋势显著, 由四周向中心、 由底部向冒口部位温度 逐渐升高。由图 3c, 铸件完全凝固时 , 铸件中的温度
3 主轴的实际铸造结果 按照主轴的模拟工艺参数铸造出风力发电机主轴 铸件 , 并在铸造风力发电机主轴和锻造风力发电机机 主轴上取样( 取样位置相同) , 进行显微结构分析和性 能测试, 结果如图 7 和表 1。图 7 是铸造试样的晶粒 度图片, 其显示的晶粒度大小与图 8 所示的 9 级晶粒 度标准评级图近似, 故铸造试样的晶粒度达到 9 级 , 而 经锻造生产的风力发电机主轴晶粒度为 6. 5 级。对铸 件试样的晶粒度分析发现 , 风机主轴重力铸造总体而 言晶粒细小、 均匀, 铸件中无缩孔、 缩松存在, 说明方案 的计算机模拟、 铸造工艺的制定、 相关参数的选择是基 本正确的。
表 1 主轴性能测试对 比 T ab. 1 Contr ast o f propert y test 性能 制造方法 铸造测试 值 锻造标准 值
b s
判据 , 例如温度梯度法、 固相率梯度法、 凝固时间梯度 法、 Niy am a 判据法等来确定缩孔缩松的位置。 View cast 可显示缩孔、 缩松位置, 模拟结果见图 6。图 6 显 示, 只在冒口和内浇口处 ( 圈选的地方) 有缩孔、 缩松的 缺陷 , 本体上无缺陷产生 , 工艺设计符合预期的效果。
空冷。 保 温 层 与 铸 件 换 热 系 数 取 为 100 W/ ( m 2 ) , 铸件与砂换热系数 取为 500 W/ ( m 2 铁与砂的换热系数取为 500 W/ ( m 2 模拟结果及分析 2. 1 充型模拟过程 充型过程作为铸造生产的一个重要环节 , 浇不足、 冷隔、 气孔、 夹砂等缺陷都与充型过程密切相关 , 并且 避免铸件产生充填缺陷是铸件免于缩松缺陷的前提。 图 2 为充型过程图, ( a) 、 ( b) 、 ( c) 分别对应充型过程的 早期、 中期和后期, 钢液有序进入型腔, 充型平稳, 流动 均匀 , 没有出现飞溅、 喷射现象 , 随着浇注过程的进行, 液面不断均匀稳定地上升 , 液面延伸到冒口底部, 如图 2c, 冒口为最后填充部位。金属液从浇注开始到结束 都充满浇道, 在浇注系统中呈无压状态 , 对型腔冲刷力 小, 同时防止气体和夹渣物的卷入。由此可以看出采 用底注, 开放式的浇注系统比较合理。
[ 4]
, 利用该软件有限元网格划分功能划
分三维网格, 网格的大小要合适, 网格太小导致计算速 度慢 , 并且占取电脑空间大; 太大又不能保证精度, 最 后的网格模型如图 1。该铸件网格共有节点数 32 999 个, 单元数 154 404 个, 保证了模拟的精确性。 1. 3 参数设置 在 Pro CAST 前处理中设置材料参数、 边界条件、
收稿日期 : 2010 10 21; 作者简介 : 陈德平 ( 1986 工工艺 . Email : chendeping scu@ yahoo. cn 修订日期 : 2010 11 28 ) , 女 , 四川宜宾人 , 硕士生 . 研究方向 : 材料加
在热节部位产生缩孔缩松和裂纹等缺陷, 采用顺序凝固 原则生产, 结合适当的冒口来消除缩孔、 缩松。在铸件 冷却过程中 , 保持补缩通道畅通, 得到致密铸件[ 1~ 3] 。 根据风机主轴的要求和结构特点, 铸造工艺设计 时采用底注、 开放式的浇注系统, 设置保温冒口、 底部 加冷铁进行激冷的补缩工艺, 保证冒口最后凝固。 1. 2 建立模型及网格划分 利用 UG 对铸件、 浇注系统等建立三维模型, 再将 三维模型由_x t 格式导入 P roCAST , ProCAST 可以模 拟铸件充型、 凝固和冷却过程中的流场、 温度场、 应力 场和微观结构
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铸造技术 F OU N DRY T ECH NO LO GY
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兆瓦级风力发电机主轴铸造工艺模拟
陈德平 , 许
1
健 ,杨
2
刚,杨
1
屹 , 张泽磊
1
1
( 1. 四川大学制造科学与工程学院 , 四川 成都 610065; 2. 江苏常州凯达轧辊集团有限公司, 江苏 常州 213155)
Fig . 8 图 8 9 级晶粒度标准评级图 Standard P ictur e of g rade 9 g rain size
4 结语 ( 1) 利用有限元软件 pr oCA ST , 对以铸代锻风机 主轴件进行了充型、 凝固模拟分析 , 预测出了铸件可能 产生的缺陷及缺陷部位。采用底浇、 开放式浇注系统, 并结合设置保温冒口和加冷铁的铸造工艺 , 可以生产 出满足高致密度要求的铸造风机主轴。 ( 2) 以铸代锻风机主轴件的成功生产, 大大缩减 了生产周期, 降低了生产成本 , 将有利于风力发电事业 的快速发展。
目前 , 风力发电机的主轴均是采用锻造的方法生 产。锻造生产工艺复杂, 产品成型率不高, 后续加工材 料消耗大 , 使风力发电机主轴的生产不能满足目前大 的市场需求 , 阻碍了风力发电的发展。重力铸造作为 一种传统的铸造工艺, 具有设 备投入少、 工艺出品率 高、 产品质量稳定、 适宜大批量生产的特点。本文采用 以铸代锻的方法生产风电发电机主轴, 基于计算机仿 真数值模拟, 预测重力铸造风机主轴过程中的缺陷 , 并 生产出性能符合使用要求的铸件。 1 主轴的铸造工艺模拟 1. 1 铸件的特征及工艺分析 风力发 电机主轴 法兰盘长 2 700 mm, 最 大直径 1 300 mm, 其余部分平均直径 800 mm 。风力发电机主 轴长期工作在户外, 承受温度、 压力的变化, 要求无缩 孔、 缩松等缺陷, 有高的致密度。风力发电机主轴选用 34CrNiMo6 铸造成型, 铸钢的结晶温度范围较大, 容易
2
), 冷
图 3 铸件温度场示意 图 Fig . 3 T emperature distributing
)。
通过观察铸件的凝 固过程 , 可以很好地判断 铸 件的凝固顺序和最后凝固 的区域 , 从 而预 测缺陷 的 位置。图 4 中 , 深 色 的表 示 没有 凝 固 , 即 固相 率 为 0, 浅色的表示 已经凝 固 , 固 相分 数为 1 。其 余颜 色 表示正在 凝固 过 程中。 由图 4a、 b 可 知, 液 态 金 属 前期和中期的凝固过程呈 V 形向上移动 , 同时没 有 液相补缩通道的断开 , 铸件主 体部分 没有 产生孤 立 的液相区。图 5 为铸件的 凝固时 间图 , 该 图很直 观 的表达出铸件 的 凝固 次序 , 铸件 由 下自 上凝 固 , 并 且冒口部分是最后凝固的 地方 , 这满 足顺 序凝固 的 基本原则。
基金项目 : 四川省应用基础研究项目 ( 2010JY 0021)
初始条件。金属模具材料为 H 13 钢 , 冒口处保温层材 料为 insulat ion sheeve, 铸件和模具之间有 15 m m 的 硅砂。铸型和金属模具浇注前温度为 25 温度为 1 530 , 铸件浇注 , 浇注时间为 80 s, 模具的冷却条件是
中图分类号 : TG 24; T P391 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 8365( 2011) 03 0297 03
Simulation of Casting Process for MW Wind Generator Shaft
CHEN De ping1 , XU Jian2 , YANG Gang1 , YANG Yi1 , ZHANG Ze lei1 ( 1. School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan Universi ty, Chengdu 610065, China; 2. Changzhou Kaida Roll Group, Co. , Ltd. , Changzhou 213155, China)
图5 凝固时间图 F ig. 5 So lidificat ion time
[ 5]
铸造技术 3/ 2011
陈德平等 : 兆瓦级风力发电机主轴铸造工 艺模拟
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2. 3
缩孔缩松预测 ProCAST 可以确认封闭液体的位置, 使用特殊的
求, 进一步说明所选择的材质、 制定的铸造工艺方案、 实施的热处理工艺是基本可行的。
摘要 : 设 计了兆瓦级风力发电机主轴的铸造工艺 , 利 用 U G 进 行三维 造型 , 应用 有限元软 件 Pro CAST 进行 充型模 拟 、 凝 固模 拟、 温度场模拟 , 预测了铸件缩孔 、 缩松缺陷产生的部位 。 模拟结果表明 , 采用底注 式 、 保 温冒口 、 底部加冷 铁等浇注和 补缩工 艺 , 可以保证铸件的顺序凝固 。 试生产了 1 件兆瓦级风力发电机主轴 , 符合性能要求 。 关键词 : 铸钢件 ; 主轴 ; 数值模拟 ; P ro CA ST
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由下向上显现递增的分布趋势 , 冒口处的温度最高 , 整 个铸件的温度场分布完全符合顺序凝固所需要的温度 场的要求。这样的温度场分布有利于冒口对铸件的补 缩, 消除缩孔、 缩松的产生。
图 1 网格模型 Fig. 1 M o del of mesh
/ M P a / M Pa ( % ) 887 685 650 540 16. 1
(%) HB
AK 68 39
/ 7. 87 7. 84
/ J ( g/ cm 2 )
16. 1 43. 4 240 35 228
wk.baidu.com
图6
缩孔缩松的预测
F ig. 6 Shr inkag e of the cast ing
Abstract: The foundry process of MW wind generator shaft was designed by UG modeling and finite element software ProCAST. The filling and solidification and temperature field were simulated and the shrinkage defect distribution was predicted. The simulation results show that the casting process that filling from the bottom, the heat riser and the chills located to the bottom can ensure the directional solidification of casting, then a MW wind generator shaft produced by casting can meet the required performance. Key words: Cast steel; Shaft; Numerical simulation; ProCAST
图2 Fig . 2
充型过程图 Filling pro cessing
图 4 凝固过程固相率示 意图 Fig. 4 Solidification Pr ocess
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凝固过程模拟 凝固过程中铸件所处的状态直接取决于温度, 由
铸件温度场决定铸件状态变化规律, 如凝固前沿位置 及推进情况, 凝固区域大小及变化 , 凝固时间 , 缩孔、 缩 松的部位等 。图 3 中 a、 b、 c 对应的是凝固前期、 中 期、 后期的温度场。铸件底部由于冷铁的激冷作用 , 温 度较低。由图 3b 可以看出, 凝固中期时 , 温度场梯度 分布趋势显著, 由四周向中心、 由底部向冒口部位温度 逐渐升高。由图 3c, 铸件完全凝固时 , 铸件中的温度
3 主轴的实际铸造结果 按照主轴的模拟工艺参数铸造出风力发电机主轴 铸件 , 并在铸造风力发电机主轴和锻造风力发电机机 主轴上取样( 取样位置相同) , 进行显微结构分析和性 能测试, 结果如图 7 和表 1。图 7 是铸造试样的晶粒 度图片, 其显示的晶粒度大小与图 8 所示的 9 级晶粒 度标准评级图近似, 故铸造试样的晶粒度达到 9 级 , 而 经锻造生产的风力发电机主轴晶粒度为 6. 5 级。对铸 件试样的晶粒度分析发现 , 风机主轴重力铸造总体而 言晶粒细小、 均匀, 铸件中无缩孔、 缩松存在, 说明方案 的计算机模拟、 铸造工艺的制定、 相关参数的选择是基 本正确的。
表 1 主轴性能测试对 比 T ab. 1 Contr ast o f propert y test 性能 制造方法 铸造测试 值 锻造标准 值
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判据 , 例如温度梯度法、 固相率梯度法、 凝固时间梯度 法、 Niy am a 判据法等来确定缩孔缩松的位置。 View cast 可显示缩孔、 缩松位置, 模拟结果见图 6。图 6 显 示, 只在冒口和内浇口处 ( 圈选的地方) 有缩孔、 缩松的 缺陷 , 本体上无缺陷产生 , 工艺设计符合预期的效果。
空冷。 保 温 层 与 铸 件 换 热 系 数 取 为 100 W/ ( m 2 ) , 铸件与砂换热系数 取为 500 W/ ( m 2 铁与砂的换热系数取为 500 W/ ( m 2 模拟结果及分析 2. 1 充型模拟过程 充型过程作为铸造生产的一个重要环节 , 浇不足、 冷隔、 气孔、 夹砂等缺陷都与充型过程密切相关 , 并且 避免铸件产生充填缺陷是铸件免于缩松缺陷的前提。 图 2 为充型过程图, ( a) 、 ( b) 、 ( c) 分别对应充型过程的 早期、 中期和后期, 钢液有序进入型腔, 充型平稳, 流动 均匀 , 没有出现飞溅、 喷射现象 , 随着浇注过程的进行, 液面不断均匀稳定地上升 , 液面延伸到冒口底部, 如图 2c, 冒口为最后填充部位。金属液从浇注开始到结束 都充满浇道, 在浇注系统中呈无压状态 , 对型腔冲刷力 小, 同时防止气体和夹渣物的卷入。由此可以看出采 用底注, 开放式的浇注系统比较合理。
[ 4]
, 利用该软件有限元网格划分功能划
分三维网格, 网格的大小要合适, 网格太小导致计算速 度慢 , 并且占取电脑空间大; 太大又不能保证精度, 最 后的网格模型如图 1。该铸件网格共有节点数 32 999 个, 单元数 154 404 个, 保证了模拟的精确性。 1. 3 参数设置 在 Pro CAST 前处理中设置材料参数、 边界条件、
收稿日期 : 2010 10 21; 作者简介 : 陈德平 ( 1986 工工艺 . Email : chendeping scu@ yahoo. cn 修订日期 : 2010 11 28 ) , 女 , 四川宜宾人 , 硕士生 . 研究方向 : 材料加
在热节部位产生缩孔缩松和裂纹等缺陷, 采用顺序凝固 原则生产, 结合适当的冒口来消除缩孔、 缩松。在铸件 冷却过程中 , 保持补缩通道畅通, 得到致密铸件[ 1~ 3] 。 根据风机主轴的要求和结构特点, 铸造工艺设计 时采用底注、 开放式的浇注系统, 设置保温冒口、 底部 加冷铁进行激冷的补缩工艺, 保证冒口最后凝固。 1. 2 建立模型及网格划分 利用 UG 对铸件、 浇注系统等建立三维模型, 再将 三维模型由_x t 格式导入 P roCAST , ProCAST 可以模 拟铸件充型、 凝固和冷却过程中的流场、 温度场、 应力 场和微观结构
V ol. 32 N o. 3 M a r. 2011
铸造技术 F OU N DRY T ECH NO LO GY
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兆瓦级风力发电机主轴铸造工艺模拟
陈德平 , 许
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健 ,杨
2
刚,杨
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屹 , 张泽磊
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( 1. 四川大学制造科学与工程学院 , 四川 成都 610065; 2. 江苏常州凯达轧辊集团有限公司, 江苏 常州 213155)
Fig . 8 图 8 9 级晶粒度标准评级图 Standard P ictur e of g rade 9 g rain size
4 结语 ( 1) 利用有限元软件 pr oCA ST , 对以铸代锻风机 主轴件进行了充型、 凝固模拟分析 , 预测出了铸件可能 产生的缺陷及缺陷部位。采用底浇、 开放式浇注系统, 并结合设置保温冒口和加冷铁的铸造工艺 , 可以生产 出满足高致密度要求的铸造风机主轴。 ( 2) 以铸代锻风机主轴件的成功生产, 大大缩减 了生产周期, 降低了生产成本 , 将有利于风力发电事业 的快速发展。
目前 , 风力发电机的主轴均是采用锻造的方法生 产。锻造生产工艺复杂, 产品成型率不高, 后续加工材 料消耗大 , 使风力发电机主轴的生产不能满足目前大 的市场需求 , 阻碍了风力发电的发展。重力铸造作为 一种传统的铸造工艺, 具有设 备投入少、 工艺出品率 高、 产品质量稳定、 适宜大批量生产的特点。本文采用 以铸代锻的方法生产风电发电机主轴, 基于计算机仿 真数值模拟, 预测重力铸造风机主轴过程中的缺陷 , 并 生产出性能符合使用要求的铸件。 1 主轴的铸造工艺模拟 1. 1 铸件的特征及工艺分析 风力发 电机主轴 法兰盘长 2 700 mm, 最 大直径 1 300 mm, 其余部分平均直径 800 mm 。风力发电机主 轴长期工作在户外, 承受温度、 压力的变化, 要求无缩 孔、 缩松等缺陷, 有高的致密度。风力发电机主轴选用 34CrNiMo6 铸造成型, 铸钢的结晶温度范围较大, 容易
2
), 冷
图 3 铸件温度场示意 图 Fig . 3 T emperature distributing
)。
通过观察铸件的凝 固过程 , 可以很好地判断 铸 件的凝固顺序和最后凝固 的区域 , 从 而预 测缺陷 的 位置。图 4 中 , 深 色 的表 示 没有 凝 固 , 即 固相 率 为 0, 浅色的表示 已经凝 固 , 固 相分 数为 1 。其 余颜 色 表示正在 凝固 过 程中。 由图 4a、 b 可 知, 液 态 金 属 前期和中期的凝固过程呈 V 形向上移动 , 同时没 有 液相补缩通道的断开 , 铸件主 体部分 没有 产生孤 立 的液相区。图 5 为铸件的 凝固时 间图 , 该 图很直 观 的表达出铸件 的 凝固 次序 , 铸件 由 下自 上凝 固 , 并 且冒口部分是最后凝固的 地方 , 这满 足顺 序凝固 的 基本原则。
基金项目 : 四川省应用基础研究项目 ( 2010JY 0021)
初始条件。金属模具材料为 H 13 钢 , 冒口处保温层材 料为 insulat ion sheeve, 铸件和模具之间有 15 m m 的 硅砂。铸型和金属模具浇注前温度为 25 温度为 1 530 , 铸件浇注 , 浇注时间为 80 s, 模具的冷却条件是
中图分类号 : TG 24; T P391 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 8365( 2011) 03 0297 03
Simulation of Casting Process for MW Wind Generator Shaft
CHEN De ping1 , XU Jian2 , YANG Gang1 , YANG Yi1 , ZHANG Ze lei1 ( 1. School of Manufacturing Science and Engineering, Sichuan Universi ty, Chengdu 610065, China; 2. Changzhou Kaida Roll Group, Co. , Ltd. , Changzhou 213155, China)
图5 凝固时间图 F ig. 5 So lidificat ion time
[ 5]
铸造技术 3/ 2011
陈德平等 : 兆瓦级风力发电机主轴铸造工 艺模拟
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2. 3
缩孔缩松预测 ProCAST 可以确认封闭液体的位置, 使用特殊的
求, 进一步说明所选择的材质、 制定的铸造工艺方案、 实施的热处理工艺是基本可行的。
摘要 : 设 计了兆瓦级风力发电机主轴的铸造工艺 , 利 用 U G 进 行三维 造型 , 应用 有限元软 件 Pro CAST 进行 充型模 拟 、 凝 固模 拟、 温度场模拟 , 预测了铸件缩孔 、 缩松缺陷产生的部位 。 模拟结果表明 , 采用底注 式 、 保 温冒口 、 底部加冷 铁等浇注和 补缩工 艺 , 可以保证铸件的顺序凝固 。 试生产了 1 件兆瓦级风力发电机主轴 , 符合性能要求 。 关键词 : 铸钢件 ; 主轴 ; 数值模拟 ; P ro CA ST
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F OU N DRY T ECH NO LO GY
V ol. 32 N o. 3 M ar . 2011
由下向上显现递增的分布趋势 , 冒口处的温度最高 , 整 个铸件的温度场分布完全符合顺序凝固所需要的温度 场的要求。这样的温度场分布有利于冒口对铸件的补 缩, 消除缩孔、 缩松的产生。
图 1 网格模型 Fig. 1 M o del of mesh
/ M P a / M Pa ( % ) 887 685 650 540 16. 1
(%) HB
AK 68 39
/ 7. 87 7. 84
/ J ( g/ cm 2 )
16. 1 43. 4 240 35 228
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图6
缩孔缩松的预测
F ig. 6 Shr inkag e of the cast ing