ProCAST仿真技术在铸钢件缺陷预测上的探讨与应用_赵富
铸造模拟软件ProCAST
Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 由美国 Ｕ Ｅ Ｓ 软件公司开 发， １９８８ 年发布第 １ 版， 经过多年的开 发完善，至今已成为世界上著名的铸 造凝固仿真软件之一。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 是铸造工艺人员的有力 工具，可以提供新的途经来解决铸造 过程中遇到的困难。ＰｒｏＣＡＳＴ 的 ＣＡＤ／ Ｃ Ａ Ｅ 集成化程度很高，它使用有限元 技术，同时拥有功能强大的能直接利 用三维 Ｃ Ａ Ｄ 进行完全自动网格划分的 软件Ｍｅｓｈｃａｓｔ。
图２ 缩孔预测
过程中可能出现的问题，为铸造工程 师提供新的途经来研究铸造过程，使 他们有机会看到型腔内所发生的一切， 从而得到新的设计方案。模拟结果可 以由计算机屏幕直接显示，从而使比 较复杂的铸造过程能够通过网络得到 有效的讨论分析和研究。 （２） 缩孔 收缩缺陷在铸造中占很大比例。 ＰｒｏＣＡＳＴ 可以确认封闭液体的位置， 并 使 用 特 殊 的 判 据 ，例 如 宏 观 缩 孔 或 Ｎｉｙａｍａ 判据来确认缩孔缩松是否会在 这些敏感区域内发生， 同时可以计算与 缩孔缩松有关的补缩长度，如图２所 示。在砂铸中，ＰｒｏＣＡＳＴ 可以优化冒口 的位置、大小及绝热保温冒口的效果。 在压铸中， ＰｒｏＣＡＳＴ 可以模拟计算模型 中的热节、 冷却加热通道的位置和大小 以及溢流槽的位置对铸件的影响。
一、ＰｒｏＣＡＳＴ 模块设置
ＰｒｏＣＡＳＴ 共有 １０ 个模块，其中包 括 Ｍｅｓｈｃａｓｔ （网格划分） 用户可以根 。 据需要灵活购买这些模块。对于普通 用户， ＰｒｏＣＡＳＴ 有基本模块、 流动分析 模块、应力分析模块和网格划分模块。 对铸造模拟有更高要求的用户则需要 有更多功能的其他模块。 Ｐ ｒ ｏ Ｃ Ａ Ｓ Ｔ 的基本模块包括前处理 模块、 热分析模块和后处理模块。 功能 模块包括流动分析模块、应力分析模 块和辐射分析模块。高级模块包括晶 粒结构分析模块、微观组织分析模块、 电磁分析模块和射芯流动分析模块。 工具模块包括网格生成模块、反向求 解模块。
简介CAE分析技术在铸造生产中的应用
简介CAE分析技术在铸造生产中的应用摘要: 近年来，计算机铸造工艺模拟软件开始被大多数铸造工厂所接受，应用这些软件可以较为准确的预测各种铸造缺陷，优化浇注系统设计、消除热裂等裂纹缺陷、提高工艺出品率。
本文介绍了应用ProCAST软件在实际铸造工艺优化设计中的一些实例，应用表明该软件能准确的预测铸件的多种铸造缺陷，有利于铸造工艺的优化和铸件的质量提高。
关键词: ProCAST CAE 数值模拟铸造1 引言铸造是国民经济的重要产业部件之一，它反映了一个国家制造工业的规模和水平。
随着航空、航天、船舶、汽车、机械等各行业的蓬勃发展，铸件的需求量越来越大，对铸造金属的性能及铸件本身的可靠性等要求越来越高。
先进制造技术的发展，要求铸件的生产向轻型化、精确化、强韧化、复合化及无环境污染方向发展。
计算机技术的飞速发展及其在铸造生产中的广泛应用，可以通过对制造工艺过程进行数值模拟及仿真，使得上述目标得以实现。
这项工作以数值计算为基本方法，对铸造过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现，可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，以提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高市场竟争能力。
同时，用计算机等高新技术来改造制造传统产业是国内外科学技术发展的共同趋势，是铸造领域的学科前沿，也是铸造工艺由“经验设计”走向“科学指导”的重要途径，具有重大的实际意义。
图1展示了铸件工艺优化的整个流程。
2 ProCAST软件介绍近年来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem 等软件。
procast在铸造中的应用
对于我们学铸造专业的学生来说，掌握几款铸造方面的软件是很有必要的，有了一定的软件基础在以后的铸造设计、模拟中都是很有用的。
下面介绍下ProCAST软件在铸造中应用。
一、概述∙ProCAST是为评价和优化铸造产品与铸造工艺而开发的专业CAE系统，借助于ProCAST系统，铸造工程师在完成铸造工艺编制之前，就能够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并预测铸件的质量、优化铸造设备参数和工艺方案。
∙ProCAST可以模拟金属铸造过程中的流动过程，精确显示充填不足、冷隔、裹气和热节的位置以及残余应力与变形，准确地预测缩孔、缩松和铸造过程中微观组织的变化。
∙作为ESI集团热物理综合解决方案的旗舰产品，ProCAST是所有铸造模拟软件中现代CAD/CAE集成化程度最高的。
它率先在商用化软件中使用了最先进的有限元技术并配备了功能强大的数据接口和自动网格划分工具。
∙全部模块化设计适合任何铸造过程的模拟；∙采用有限元技术，是目前唯一能对铸造凝固过程进行热－流动－应力完全耦合的铸造模拟软件；∙高度集成。
二、发展历程∙Procast自1985年开始一直由位于美国马里兰州首府Annapolis的UES Software进行开发，并得到了美国政府和诸多研究机构的大力资助。
为了保证模拟的精度，Procast一开始就采用有限元方法作为模拟的技术核心。
∙1990年后，位于瑞士洛桑的Calcom SA和瑞士联邦科技研究院也加入了Procast部分模块的开发工作，基于其强大的材料物理背景，Calcom在Procast 的晶粒计算模块和反求模块开发上贡献良多。
∙2002年，Procast和Calcom SA先后加入ESI集团，并重新组建为Procast Inc. (美国马里兰州)和Calcom ESI (瑞士洛桑)。
ESI也重新整合了其原有的热物理模拟队伍如PAM-CAST和SYSWELD，这样Procast（有限元铸造仿真），PAM-CAST（有限差分元铸造仿真）, Calcosoft（连续铸造仿真）和SYSWELD （热处理与焊接模拟）一起组成ESI完整的热物理综合解决方案。
基于ProCAST数值模拟的马氏体不锈钢折流器铸造工艺优化
第11卷第6期 2 0 2 0年12月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringYol.l l!No.6Dec.2020文章编号 ％1674-9669(2020)06-0027-07 DOI：l0.l3264/ki.ysjskx.2020.06.004引文格式:聂金成，叶洁云，汪志刚，等.基于ProCAST数值模拟的马氏体不锈钢折流器铸造工艺优化[J].有色金 属科学与工程,2020,11(6):27-33.基于ProCAST数值模拟的马氏体不镑钢折流器铸造工艺优化聂金成1，叶洁云1，汪志刚1，何晓璇2，陈子慧3(1.江西理工大学材料冶金化学学部，江西赣州341000'2.南昌航空大学航空制造工程学院，南昌330000;3.南京理工大学泰州科技学院，江苏泰州225300)摘要：结合马氏体不锈钢折流器的结构特点和质量要求，设计了一种平做立浇工艺方案和环形底注侧 入式浇注系统，保证了折流器铸件平稳充型。
根据初始方案模拟结果合理布置外冷铁、保温冒口和调整 明冒口尺寸，最终将铸件缺陷率从24.2%大幅降低到1.56S，保证了铸件的致密性和综合机械性能。
关键词：马氏体不锈钢铸件；折流器；数值模拟；平做立浇；铸造工艺中图分类号:TQ249.27 文献标志码：ACasting process optimization of martensitic stainless steel baffle based onProCAST numerical simulationNIE Jincheng1, YE Jieyun1, WANG Zhigang1, HE Xiaoxuan2, CHEN Zihui3(1. Faculty of Materials Metallurgy and Chemistry, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000,Jiangxi, China;2. School of Aeronautical Manufacturing Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330000, China;3. Taizhou Institute of Science and Technology,Nanjing University of Science and Technology, Taizhou 225300, Jiangsu, China) Abstract：According to the structural characteristics and quality requirements of martensitic stainless steel baffle,a horizontal vertical pouring process scheme and an annular bottom pouring side entry gating system were designed to ensure the smooth filling of baffle castings.The simulation results of the initial scheme show the defect rate of castings was greatly reduced from24.2% to 1.56% .It ensured the compactness andcomprehensive mechanical properties of castings.Keywords：martensitic stainless steel castings;jet deflector;numerical simulation;horizontally molding and vertically pouring;casting processZG06Cr13Ni4Mo对应于美国标准A743/743M- 03中的CA6NM,是一种低碳马氏体不镑钢，具有优 异的强度、韧性、可焊接性能、耐磨性能和铸造性能，因此广泛应用于水力发电设备。
ProCAST仿真技术在铸钢件缺陷预测上的探讨与应用_赵富
ProCAST仿真技术在铸钢件缺陷预测上的探讨与应用赵 富,赵银虎,刘 斌,贾冬生(内蒙古一机集团公司工艺研究所,内蒙古包头014032)摘 要:利用ProCAS T铸造仿真模拟软件对某轮式车辆轮毂铸件铸造工艺进行仿真分析,预测了轮毂铸钢件存在的内部缺陷,对仿真技术在铸钢件缺陷预测上进行了探讨研究。
通过对实物解剖、铸造工艺CAE仿真分析等确定了缺陷产生的部位及形貌,找出了缺陷问题产生的原因,通过工艺优化及试验验证,基本解决了轮毂铸钢件的内在质量问题,保证了批量生产的顺利进行。
关键词:铸钢件;仿真模拟;宏观缺陷;质量改进中图分类号:TP391.9 文献标志码:BApplication of ProCAST Simulation Technology in the Forecast of Defects of Foundry PartsZ HA O Fu,Z HA O Yinhu,L IU Bin,JI A Do ng sheng(P ro cess Researching Institute,I nner M o ng olia First M achinery Gr oup Co rpora tion,Baoto u014032,China)A bstract:T he paper did simula tion analy sis to foundry pr ocess of some w heel type o f v ehicle by using P roCA ST fo undry simulatio n softw are,predicted the inner defects o f hub foundry steel and did the resea rch on the applica tion o f simulation technolog y in foundry steel.Confir med the po sitio n and shape of defects ge nera tion thro ug h par ts dissection and simulation analysis of f oundry process CA E,fo und the reaso n of defects g ene ratio n,solved the quality pro blem o f hub foundry steel throug h o ptimizatio n of pr ocess and te stifying it,so the smo oth of big ba tch pro ductio n is assured.Key words:Foundry steel par ts,Simulation,M acr osco pic defects,Q uality impro vements 近年来,为了提升传统铸造行业的数字化制造技术水平,涌现出了大量的铸造CAE商品化软件,其中主要有法国的ProCAS T、德国的M AGM A-SOFT、芬兰的CastCAE及西班牙的Fo rcast等软件,在这些软件中,有限元软件ProCAS T是较为成功的一款。
ProCAST软件的特点及其在铸件成形过程中的应用_胡红军
ProCAST软件的特点及其在铸件成形过程中的应用Function of FEM Software ProCAST and Application in Casting胡红军(重庆工学院材料科学与工程学院,重庆400050)摘 要:介绍了商品化有限元软件P ro CA ST的组成模块、功能以及在铸件成形、缺陷预测方面的应用。
关键词:有限元模拟;Pr oCA ST;凝固模拟;缺陷预测中图分类号:T G244 文献标识码:B 文章编号:1001-3814(2005)01-0070-02 Pr oCAST软件从1985年开始将最先进的有限元技术用在铸造模拟中,有效地提高了铸造工艺的正确性。
借助于ProCAST系统,铸造工程师在完成铸造工艺编制之前,就能够对铸件在形成过程中的流场、温度场和应力场进行仿真分析并预测铸件的质量、优化铸造设备参数和工艺方案,通过对金属流动过程的模拟,可以精确显示浇不足、冷隔、裹气和热节的位置及残余应力和变形的大小,准确地预测缩孔缩松和微观组织。
1 ProCAST软件的组成模块Pro CA ST是针对铸造过程进行流动-传热-应力耦合作出分析的系统,共有8个模块,用户可以比较灵活地租用或购买这些模块。
对于普通用户,一般应有传热分析及前后处理、流动分析、应力分析和网格划分等基本模块。
对于铸造模拟有更高要求的用户则需要有更多功能的其它模块,例如热辐射分析,显微组织分析,电磁感应分析,反向求解,应力分析等模块。
这些模块既可以一起使用,也可以根据用户需要有选择地使用。
2 ProCAST软件的特点2.1 可重复性即使一个工艺过程已经平稳运行几个月,意外情况也有可能发生。
由于铸造工艺参数繁多而又相互影响,因而在实际操作中长时间连续监控所有的参数是不可能的。
任何看起来微不足道的某个参数的变化都有可能影响到整个系统,但又不可能在车间进行全部针对各种参数变化的试验。
ProCAST可以让铸造工程师快速检查每个参数的影响,从而得到可重复的、连续平稳生产的参数范围。
铸造模拟软件procast在课堂中的应用
2019年11月铸造模拟软件ProCAST 在课堂中的应用李维俊黄耀光（百色学院材料科学与工程学院，广西百色533000）摘要：工科类课程在以往的教学中存在着较多的教学难点，如原理抽象、结构复杂、过程不可见等。
解决这些教学难点，对于提高工科类教学质量有着重要的意义。
以铸造工艺学为例，讨论了授课过程中遇到的教学难点，通过引入铸造模拟软件ProCAST ，对教学效果进行研究，证明了其促进效果。
关键词：ProCAST ；课堂；教学效果在建设应用型高校、普及工程教育专业认证的大背景下，如何培养具有实践能力、行业认可的学生，成为了一个重要任务。
而要实现这一任务的重要前提，就是提高工科类课程的教学质量。
工科类课程有着概念抽象、逻辑性强的特点，所以学生在学习时，难度是比较大的，下面就以铸造工艺学为例，阐述其教学过程中的难点及ProCAST 软件在教学过程中的作用。
1铸造课程在教学中遇到的问题铸造工艺学在材料成型及控制工程专业中是一门较为重要的专业课，其主要内容包括铸造工艺设计的基本概念、铸造方案的确定、浇注系统设计、铸件的凝固与补缩、铸造工装设计等内容。
在教学过程中，主要遇到的教学难点可以归为以下3个方面：（1）原理抽象：在整个铸造过程中，涉及到了很多物理参数及公式，比如黏度、热导率、比热、热焓、传热公式等，这些参数概念抽象，不易理解，很难通过简单的图片或者描述将其向学生解释清楚，但其又对理解铸造过程有着重要的影响。
所以，很有必要把这些概念向学生讲解清楚。
（2）铸造生产设备结构复杂：铸造工艺多种多样，课程中介绍的包括重力铸造、低压铸造、高压铸造、离心铸造、消失模铸造等。
每种工艺都有其特点，设备也不尽相同，并且结构都比较复杂，要讲清楚每一个构件的作用比较困难。
（3）生产过程不可见：虽然可以通过生产视频来向学生展示整个铸造过程，但是学生只是看到了生产设备的外观、液态的金属、开模后的铸件，得到的只是直观的感受。
而充型过程、铸件的凝固这些内在的现象，是无法展示的。
铸件缺陷形成的PROCAST数值模拟
实验四 铸件缺陷形成的PROCAST 数值模拟一、实验目的1）利用ProCAST 软件，对照模拟同一铸件的不同铸造方案，了解铸件在铸造过程中可能出现的缺陷；2）分析缩松缩孔、裂纹等缺陷可能出现的原因，并尝试更改铸造工艺，以减少缺陷，改善铸件质量。
二、实验原理ProCAST 可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发，并且具有可重复性。
而在实际模拟过程中，常见的铸造缺陷有缩松缩孔、裂纹和气孔等。
1. 缩松缩孔金属铸件在凝固过程中，由于合金的体积收缩，往往会在铸件最后凝固部位出现孔洞。
容积大而集中的孔洞被称为集中缩孔；细小而分散的孔洞被称为缩松。
一般认为，金属凝固时，液固相线之间的体积收缩是形成缩孔及缩松的主要原因；当然，溶解在金属液中的气体对缩孔及缩松形成的影响有时也不能忽略。
当金属液补缩通道畅通、枝晶没有形成骨架时，体积收缩表现为集中缩孔且多位于铸件上部；而当枝晶形成骨架或者一些局部小区域被众多晶粒分割包围时，金属液补缩受阻，于是体积收缩表现为缩松。
图4-1 缩孔形成过程示意图ProCAST 可以确认封闭液体的位置。
使用特殊的判据，例如宏观缩孔或NiYama 判据1来确定缩孔缩松是否会在这些敏感区域内发生。
同时ProCAST 可以计算与缩孔缩松有关的补缩长度。
在砂型铸造中，可以优化冒口的位置、大小和绝热保温套的使用。
在压铸中，ProCAST 可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小，以及溢流口的位置。
2. 裂纹金属液接近凝固温度时，收缩量较大，塑性较差，铸件自由收缩受阻而造成热裂以至在随后的冷却过程中产生裂纹，一般位于铸件最后凝固的部位。
热裂形成的过程如图4-2所示，图中c p 为空隙压1即为新山英辅判据，NiYam a C R G /， G —判别区域的局部温度梯度，R —冷却速度，NiYama C —有量刚量。
研究表明，NiYama C 值随铸件大小变化，大件取1.1，小件取0.8。
基于ProCAST的轮轴铸钢件砂型铸造工艺优化
2021年第2期/第7◦卷工艺技术F Q U N D R V i m253基于ProCAST的轮轴铸钢件砂型铸造工艺优化韩宝，马彦伟，李志杰，高海燕，宝喜庆，武玉平(内蒙古第一机械集团股份有限公司第一分公司，内蒙古包头014030 )摘要：介绍了轮轴铸造工艺设计与优化，以及在工艺设计和优化过程中采用P r o C A S T模拟软件对其进行模拟的结果。
结果表明，铸件上部厚大部位热节大，原工艺浇注系统不利于铸件形成顺序凝固，补缩效果差，易形成缩孔、夹砂缺陷。
通过改进浇道系统、芯子结构等工艺方法，减少了铸造缺陷，提高了产品合格率。
关键词：铸钢件；P r o C A S T模拟；工艺优化；缩孔轮轴是某车型上的关键零部件，内部质量要求高，铸件加工部位多，加工余量大，受结构限制，在加工过程中发现铸件内部有缩孔、砂眼等铸造缺陷，缩孔和夹砂主要集中在上筒内外壁和花边平台上，在生产过程中，毛坯合格率为99%以上，但加工后，不合格品率为21%，其中废品率为3%。
设计中使用ProCAST铸造模拟软件对铸件在充型和凝固过程中的温度场进行模拟仿真，研究了两种浇注系统对铸件缩松缩孔缺陷的影响，达到工艺优化的目的。
根据正交实验法优化工艺方案[1]，所生产的产品废品率得到较好的控制，进一步提高了产品机加后的质量，提升综合合格率，提高了企业的经济效益。
作者简介：韩宝（1987-),男，硕 士，主要研究方向为铸造 工艺技术及铸造新材料、新方法的应用。
E-mail: hbxc2018@163 .com中图分类号：T G26文献标识码：B文章编号：1001 "4977 (2021) 02-0253-06收稿曰期：2020-06-15收到初稿，2020-09-26收到修订稿。
1产品的结构及原工艺方案轮轴为某车中的关键零件，轮廓尺寸少246 mm x403 mm,重量约75 k g,属于 轴类小结构零件，铸件三维立体如图1。
由于产品加工面积大，内部质量要求高，所 以铸造工艺的设计难度大。
Procast在铸造缩孔预测及其优化中的应用
第07卷 第03期 中 国 水 运 Vol.7 No.03 2007年 03月 China Water Transport March 2007收稿日期：2007-2-19作者简介：侯延辉 （1981—） 西南交通大学力学系 博士研究生 （610031） 研究方向：机械加工数值模拟Procast 在铸造缩孔预测及其优化中的应用侯延辉 成志强 冯威潮 柳葆生摘 要：使用Procast 程进行模拟仿真，来预测缩孔、缩松等缺陷，力图对缩孔缺陷的形成机制、特征、影响因素及其解决办法进行讨论。
据此采用局部冷却的方式控制铸件凝固顺序，增开溢流槽并且溢流槽保温的有效技术手段转移缺陷的位置，从而保证了铸件内部质量。
最后，对比优化工艺后的数值模拟结果，确定了合理的工艺方案，确保铸件浇注成功。
关键词：Procast 缩孔 溢流槽 优化中图分类号：TG249.2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）03-0067-03缩孔是由于高温金属液在型腔内热量不断散失，凝固收缩过程中液体不能有效地从浇注系统和冒口得到补充，而在最后凝固的部位形成孔洞造成的。
由于浇冒口补缩不足而导致了很大的内部收缩缺陷[1]。
缩孔的形成条件受多方面的影响，比如浇冒口的设计、浇铸工艺参数、冷却条件及其实际操作等因素有关。
西光工业有限公司所提供的汽车电喷门体零件图，在不同位置存在严重的缩孔缺陷。
用Procast 通过计算铸件动态温度场进行数值模拟，来预测缩孔、缩松等缺陷，针对不同条件下缩孔的产生机理，采用改变溢流槽的厚度与位置、局部冷却的方式控制铸件凝固顺序，从而有效的提高了铸件内部质量。
最后，对比原模型与数值模数值模拟结果，确定了合理的工艺方案，确保铸件浇注成功。
一、控制方程不可压缩粘性流体的非稳态流动,数值模拟过程极其复杂,其核心部分是控制方程。
1．连续性方程控制流体运动的普遍方程是连续性方程，连续性方程是质量守恒定律的数学表达式，它是运动学方程，既适用于理想流体，也适用于粘性流体。
135.基于ProCAST软件的低压铸造充型过程的研究
基于ProCAST软件的低压铸造充型过程的研究王超 ，游龙 ，王自东，冯建，林国标，刘航（北京科技大学材料科学与工程学院，北京 100083）摘要：由于低压铸造充填速度较慢, 充型平稳, 因而充型计算采用层流模型。
论述了低压铸造充型模拟的数学模型，算法上采用目前充型过程数值模拟中应用最为普遍的方法SOLA-VOF 方法，其中SOLA 法用于求解流体的速度场和压力场, VOF 法处理自由表面。
采用UG进行三维造型，用ProCAST进行了网格划分并对铸件进行了充型过程的模拟。
关键词：低压铸造；数学模型；ProCAST；充型模拟Study of Mold Filling Simulation on Low Pressure Die Casting Basedon ProCAST SoftwareWang Chao,You Long,Wang Zidong,Feng Jian,Lin Guobiao,Liu Hang（School of Material Science and Engineering,University of Science & Technology Beijing，Beijing 100083,China）Abstract:As the low pressure die casting fills slow, smooth filling, so laminar flow model is used in filling calculated. Discusses the low pressure die casting filling simulation of mathematical model, algorithm on the filling process using numerical simulation of the current application of the most common method of SOLA-VOF method, which SOLA method used to solve the fluid velocity and pressure field, VOF solve free treatment surface. UG is used to set three-dimensional modeling, meshing with procast ,and use procast to show filling and casting process simulation.Key words:low pressure die casting;mathematical model;procas;mold filling simulation由于低压铸造具有铸件尺寸精度较高、充型平稳、充型速度可控等优点，近年来使其在铸造行业中占据着越来越重要的位置。
有限元模拟预测铸钢件的宏观缩孔缺陷
Shrinkage Defect in Steel Casting Predicted by FEM Software
ZHOU Ye ming1 , LI Li1 , HU Zhi yong2 , LI Dian zhong2 ( 1 Qingdao Sifang Locomot ive and Rolling Stock Works, Qingdao 266031, Shandong, China; 2 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, Liaoning, China) Abstract: The shrinkage defect of steel castings cast by sand molding process had been predicted using FEM software ProCast in this paper. The simulated result tallied well with actual cast experiment, and laid down a foundat ion for improving the cast technology of the steel castings. Keywords: steel casting; FEM simulation; ProCast software; shrinkage defect 在近年来用计算机程序模拟液态金属流动和热传 导现象的各种商 品化软件中
1~ 3
q ( x ) ! ! ! 体积热源 ( 2) 瞬态非线性方程 : H T ∀ T t 式中 ! ! ! 密度, = k
0f
ProCAST在大型复杂铸件工艺优化中的运用
ProCAST在大型复杂铸件工艺优化中的运用ProCAST是一种被广泛应用于大型复杂铸件工艺优化的计算机模拟软件。
它通过模拟铸造过程中的各种物理现象和工艺参数，帮助工程师们在设计阶段预测和优化铸件的质量和性能。
首先，ProCAST可以帮助工程师们准确预测铸件的缺陷，如疏松度、气孔、缩孔等。
通过模拟铸造过程中的温度分布、凝固行为等物理现象，ProCAST可以帮助工程师们确定凝固过程中可能发生的缺陷，并通过调整工艺参数来减少或消除这些缺陷的产生。
这样可以显著提高铸件的质量和可靠性。
其次，ProCAST还可以帮助工程师们优化铸造工艺参数，以获得最佳的成型结果。
通过模拟铸造过程中的温度分布、凝固行为、气泡运动等物理现象，ProCAST可以帮助工程师们确定最佳的浇注温度、浇注速度、升降温速度等工艺参数，从而获得最佳的铸造效果。
这样可以提高铸件的强度、成型精度等性能指标，降低成本和能源消耗。
此外，ProCAST还能够提供全面的模拟结果分析和可视化功能。
通过对铸件凝固过程中各种物理现象的模拟，ProCAST 可以生成温度、浓度、应力等各种参数的分布图像，帮助工程师们直观地了解铸件的成型过程和质量状况。
这些分析和可视化结果可以帮助工程师们快速识别问题和优化方案，提高工作效率。
综上所述，ProCAST在大型复杂铸件工艺优化中的运用可以帮助工程师们预测缺陷、优化工艺参数，并提供全面的模拟结果分析和可视化功能。
它为工程师们提供了一个有效的工具，帮助他们设计高质量、高性能的铸件，降低成本，提高竞争力。
随着科技的发展和软件的不断完善，ProCAST将在铸造业中发挥越来越重要的作用。
大型复杂铸件工艺优化一直是一个具有挑战性的任务。
传统的试验和经验方法往往耗时费力，并且在设计阶段无法提供实时的反馈。
这就使得计算机模拟软件的应用变得尤为重要。
ProCAST作为一种可靠且广泛使用的软件，在大型复杂铸件工艺优化中发挥着重要的作用。
研究生Procast课程论文
图4-1冲头零件充型过程
从上图中可以看出，所涉及的方案在充型过程平稳、迅速，充型时间到15秒时，铸件已基本充满，无卷气和夹杂产生。
4.3冲头铸件凝固过程分析
铸件的凝固过程决定了缩孔缩松等铸造缺陷的大小和分布。为了验证由浇注系统、冒口组成的铸件温度控制体控制铸件凝固方式的能力，对冲头铸件凝固过程进行模拟，分析浇冒口系统设置的合理性。冲头凝固过程示如图4-2所示。
AFS
Solidification
System
美国Finite Solutions公司
三维有限差分程序，可模拟铸件的凝固过程，预测缩空和热节以及缩松等，可进行铸造工艺优化设计。
PAM-CAST/SIM
ULOR
法国Aluminum Pechiney
可模拟铸件充型和凝固过程，并能预测缩孔和疏松。
MAGAMA
表3-1铸造工艺模拟软件表
名称
开发商
简介
Pro CAST
美国UES公司
有限元软件，可模拟铸造过程中温度场、流场、应力场，可模拟充型过程和凝固微观组织结构、应力分析、电磁场等，软件提供了数据库、自动网格抛分和复杂的可视化工具，适用于各种铸造工艺设计。
View Cast
比利时金属加工中心
铸造过程模拟辅助工艺设计商业软件，可模拟凝固过程温度场、固相分数、液态金属停止流动的时间以及充型过程中的速度场等，主要用于铸造缺陷预测和浇注系统设计。
{1)它必须能预测该工艺过程能产生哪些问题，铸件中缺陷气孔、缩孔、冷隔、夹杂、砂蚀和热裂的位置，以及如何在综合考虑不同生产细节的前提下，采用合适的方式解决这些问题；
(2)需要在模拟中考虑更多的影响因素，建立更加完善符合实际情况的宏观和微观相统一的模型，并开发更加完善的既侧重铸造工艺又有友好可视前后处理界面图形的CAD软件；
基于ProCAST的主轴箱铸造工艺数值模拟及优化
基于ProCAST的主轴箱铸造工艺数值模拟及优化主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把动力传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向[1]。
其工作性能的好坏直接影响到机床运行的可靠性和安全性。
因此，对箱体的力学性能有较高要求。
工厂中，箱体与其他部件装配在恒温室进行，可见对其精度有较高要求。
因此在工艺设计中，需保证铸件精度与质量，在此前提之下，考虑成本的降低与工艺中污染的减少。
采用数值模拟软件对铸件的温度场、流场以及凝固过程进行模拟计算，能够有效预测铸造过程中出现缺陷的具体位置以及大小，并可以通过优化工艺参数有效地消除这些缺陷。
与传统的“经验+试制”的方法确定铸造工艺参数相比，数值模拟技术能够大大缩短开发周期，降低开发成本，是目前最具竞争力的铸造工艺研究方法，得到行业的一致认可[2～4]。
合肥工业大学刘继飞等[5]运用ProCAST仿真软件对低合金钢大转轴铸件进行了仿真分析，并结合温度场、凝固场的模拟结果分析缺陷产生的部位以及原因，优化了工艺参数后减少了缺陷，提高了铸件的合格率。
邢甜甜等[6]利用仿真软件对铝合金横梁铸造过程进行了模拟，分析了横梁缺陷产生的原因，并提出了合理有效的解决方法。
笔者运用UG软件对铸件进行三维模型设计并导入到模拟软件ProCAST中，对主轴箱充型和凝固过程进行模拟仿真，通过分析铸件的凝固时间以及固相分数模拟结果，预测铸件缺陷可能产生的位置和原因，最后改进并优化工艺方案，提高铸件质量，满足铸件使用要求。
1 主轴箱结构特征分析笔者所研究主轴箱零件三维实体如图1所示。
零件外形轮廓尺寸为468 mm×360 mm×344 mm，质量95 kg，材质为HT300（具体化学成分和性能见表1和表2），平均厚度为20 mm；内部有个轴孔直径为130 mm，箱体本身存在许多孔，其大小小于铸出孔范围标准，所以决定后期加工。
铸件品质要求不得有疏松、裂纹、气孔、砂眼等铸造缺陷，其余要求符合国家和行业标准。
基于ProCAST的大型熔铅锅铸件缩孔预测及浇注工艺的仿真优化
基于ProCAST的大型熔铅锅铸件缩孔预测及浇注工艺的仿真优化马庆恒;李再参;朱攀;刘子春;徐源东【摘要】使用ProCAST完成大型熔铅锅铸件在现有的浇注工艺下充型、凝固过程的仿真分析,预测出较多的缩孔缺陷,仿真结果与实物检测结果基本吻合;设计出新的浇注工艺并使用ProCAST完成循环迭代优化,最终实现缩孔缺陷大幅减少,铸件内在质量大幅提高.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2017(030)004【总页数】3页(P100-102)【关键词】Procast;缩孔;浇注工艺;优化【作者】马庆恒;李再参;朱攀;刘子春;徐源东【作者单位】云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南省先进制造技术研究中心,云南昆明650031;云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南省先进制造技术研究中心,云南昆明650031;云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南省先进制造技术研究中心,云南昆明650031;云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南省先进制造技术研究中心,云南昆明650031;云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南省先进制造技术研究中心,云南昆明650031【正文语种】中文【中图分类】TP317我单位为某用户提供技术服务，解决其长期面临的技术难题。
该技术难题表现为：某款大型熔铅锅铸钢件产品，在现有的生产条件和浇注工艺下，成品检测出不少缩孔缺陷。
用户要求对浇注工艺进行优化，从而尽量减少缩孔缺陷，提高产品的内部质量，降低相应的检修率，延长使用寿命。
为从根源上解决上述技术难题，我们并行使用Pro/EWildfire 5.0和ProCAST 2009软件，基于该生产条件和产品各项，为用户完成：铸件及其现有的浇冒口系统、铸型及砂芯各一体化的三维建模与装配；在现有的浇注工艺下，进行铸件充型、凝固过程的动态温度场与流动场藕入的数值模拟，经过仿真结果的显示与分析，预测出缩孔的分布及形态；仿真结果经与实物检测结果比对，基本吻合；设计出新的浇冒口系统；替代后，按该流程进行反复摸试，循环迭代优化，最终获得较为理想的结果，基本达到用户的要求。
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ProCAST仿真技术在铸钢件缺陷预测上的探讨与应用赵 富,赵银虎,刘 斌,贾冬生(内蒙古一机集团公司工艺研究所,内蒙古包头014032)摘 要:利用Pr oCA ST铸造仿真模拟软件对某轮式车辆轮毂铸件铸造工艺进行仿真分析,预测了轮毂铸钢件存在的内部缺陷,对仿真技术在铸钢件缺陷预测上进行了探讨研究。
通过对实物解剖、铸造工艺CAE仿真分析等确定了缺陷产生的部位及形貌,找出了缺陷问题产生的原因,通过工艺优化及试验验证,基本解决了轮毂铸钢件的内在质量问题,保证了批量生产的顺利进行。
关键词:铸钢件;仿真模拟;宏观缺陷;质量改进中图分类号:T P391.9 文献标志码:BApplication of ProCAST Simulation Technology in the Forecast of Defects of Foundry PartsZHA O Fu,ZH A O Y inhu,L IU Bin,JI A Do ng sheng(P ro cess Researching Institute,Inner M o ng olia F irst M achinery Gr oup Cor porat ion,Baoto u014032,China)Abstract:T he paper did simulation analysis t o foundry pr ocess of some w heel type o f v ehicle by using Pr oCA ST fo undry simulatio n softw are,predicted t he inner defects o f hub foundry steel and did the r esea rch on the applicat ion o f simulation technolog y in foundr y steel.Confir med the po sitio n and shape of defects g enerat ion thro ug h par ts dissect ion and simulation analysis of f oundry pr ocess CA E,fo und the r easo n of defects g ener atio n,solved the quality pro blem o f hub foundr y steel throug h o pt imization of pr ocess and t estifying it,so the smo oth of big bat ch pro duction is assured.Key words:Foundr y steel par ts,Simulation,M acr osco pic defects,Q ualit y impro vements近年来,为了提升传统铸造行业的数字化制造技术水平,涌现出了大量的铸造CAE商品化软件,其中主要有法国的Pro CAST、德国的M AGM A-SOFT、芬兰的CastCAE及西班牙的For cast等软件,在这些软件中,有限元软件Pro CAST是较为成功的一款。
为进一步提高铸造工艺设计水平,2007年公司引进了Pr oCA ST铸造仿真软件技术,并开始进行了仿真技术的研究与应用。
2009年,针对某轮式车辆轮边减速器上的轮毂渗漏问题,通过运用Pro CAST铸造仿真软件模拟分析技术,对铸钢件的工艺、浇注、凝固过程进行计算模拟,准确的预测了某轮式车辆轮毂铸件存在的内部缩松缩孔缺陷部位,同时进行了改进,并对改进后的工艺方案模拟验证进行优化,摸索出了比较合适的铸造工艺方案和加工余量,为工艺方案的改进提供了可靠依据,解决了铸造缺陷问题,使铸件的内在质量有了较大提高。
1 对铸件渗漏产生的原因分析轮毂是某轮式车辆轮边减速器重要结构件之一,基数为8,工作时零件气道部位承受压力为0.8 ~1M Pa,对轮毂铸件的内在质量要求较高。
在该产品批生产过程中,轮毂加工完后进行水压试验时,发现轮毂铸件普遍存在渗漏问题,因铸造缺陷导致的零件不良品率达到66%,对产品的生产造成较大影响,经济损失也较大。
经过对存在渗漏的零件进行解剖分析发现,渗漏主要是因为在法兰盘根部与R30过渡处存在缩孔、缩松等铸造缺陷,缺陷部位及缺陷形貌如图1、图2所示。
图1 缺陷部位 图2 缺陷形貌2 铸造缺陷的仿真模拟为进一步验证缺陷产生的原因和工艺方案的合理性,利用ProCAST铸造仿真软件模拟分析技术对轮毂改进前的工艺、浇注、凝固过程进行了模拟分析。
2.1 模拟软件使用的数学模型2.1.1 能量方程1)瞬态线性方程C P= T t (k T)-q(x)=0(1)式中, 为密度;C P为比热容;T为节点温度;t为时间; =x+y+z;k为稳态热导率;q(x)为体积热源。
2)瞬态非线性方程H T T t- (k T)-q(x)=0(2)式中, 为密度, = 0f(T)。
H(T)= T0C P d T+L[1-f R(T)](3)式中,L为潜热;f R为固相率。
2.1.2 连续性方程t+ ( u iX i=0(4)式中,u P为单元i的速度;x i为单元i的位置。
2.1.3 动量方程(N-S方程)( u i) t+X j( u j u i+P ij- ij)= g i(5)式中,u i,u j分别为单元格i和j的速度;X j为单元格j的位置;P为压力; ij为Kronecker函数; ij 为单元i,j之间的粘度张力;g i为单元i的重力加速度。
2.2 模拟分析过程2.2.1 工艺造型的网格剖分运用三维建模软件Pro/ENGINEER对铸件进行三维实体造型,如图3、图4所示;其三维铸造工艺设计如图5所示。
用Pro CAST软件的剖分模块对铸件进行网格剖分时,模型网格单元的表面三角形最大边长为10mm,由此获得四面体网格数、节点数如图6、图7所示。
2.2.2 材料热物理性能测试用ProCAST软件模拟铸件凝固过程和宏观缩孔缺陷时,针对工艺中涉及材料的热物理性能进行了专业测试,保证了数值计算和模拟结果的可靠性,测试结果如图8、图9、图10所示。
该种材料的密度为7.9g/cm 3、固相线温度为1137 ,液相线温度为1503 。
2.2.3 初始条件和边界条件的确定根据实际生产工艺确定浇注温度为1530 ,浇注速度为0.45m/s,环境初始温度为25 。
ProCAST 可以很好地确定边界条件,它根据不同材料及它们相互之间是否接触来自动产生边界界面,用户可以忽略界面换热的本质,只需在这些界面上指定不同的传热系数即可。
它还可以使界面换热随温度和时间的变化而变化,保证界面换热的准确性。
3 模拟计算结果对比分析运用ProCAST 软件对改进前后2种工艺进行模拟计算,模拟结果采用Niyama 判据缩孔,结果如图11、图12所示。
可见原工艺方案模拟结果与实际铸件所存在的缩孔部位相吻合。
从实物解剖和仿真模拟的结果看,产生缩孔、缩松的主要原因是该铸件结构不合理,内外表面不加工,R 30处是该铸件最薄处,缺陷部位及其过渡部位壁薄,钢水补缩通道较窄,浇注过程中较快凝固,无法形成补缩通道,造成该部位补缩能力不足,从而导致缺陷的产生。
图11 原工艺方案仿真 图12 改进后工艺方案模拟结果仿真模拟结果4 工艺的改进与优化为确保铸件质量,对工艺方案进行了改进,增大补缩通道,加大缺陷部位的壁厚,增强钢水的补缩能力。
在铸造缺陷部位的内外壁加放了工艺补贴,使钢水在浇注过程中形成一个自下向上楔形补缩通道,使产生缩孔处得到充分补缩,彻底解决铸件结构中存在补缩通道阻断的问题,并有利于浮砂上浮进入冒口消除缺陷。
由于在原来铸造不加工面上增加了工艺补贴,为保证不增加零件重量,采用了加工的方法去除增加的加工余量。
改进后的工艺方案经过三维建模后利用Pro -Cast 铸造仿真模拟分析软件进行了模拟分析,模拟结果如图12所示。
从模拟结果来看,改进后方案的模拟结果原存在缺陷部位无缩松缺陷,缩松、缩孔缺陷均集中在浇道、冒口部位,充分证明了改进方案的可行性。
5 措施验证及效果为了验证工艺改进后的铸件质量效果,采用改进后的工艺进行了5台份试制验证,并对试制后的铸件进行了解剖、试加工和整体打压试验。
5.1 铸件解剖情况从工艺改进后的铸件中随机抽取3件进行解剖,断面无任何铸造缺陷,内部组织致密。
改进效果如图13所示。
图13 改进后的效果5.2 试加工情况对改进后的首批8件铸件进行了试加工,除1件存在黑皮报废外(黑皮缺陷是由于下芯时碰坏砂型造成铸件缺肉产生的),其余7件表面无任何铸造缺陷。
对工艺改进后加工合格的7件零件,按1.0M Pa(相当于10个大气压)保压10min 进行了打压试验,100%合格。
5.3 批量生产验证情况在随后的批量生产中,生产轮毂150件,加工后打压合格115件,出现35件不合格品,合格率77%,不良品率降为23%。
通过对存在缺陷的铸件进一步解剖分析,铸件 圆筒与法兰接触的圆环处 原渗漏部位内部组织致密,能够满足零件技术要求,原缺陷部位渗漏问题已基本得到解决。
图14 缺陷部位针对改进后批量生产时,铸件仍有23%不良品率的情况,又对零件壁厚3.5m m,高20m m 的顶面圆边处存在打压渗漏进行了认真分析,缺陷部位见图14。
经过取样分析该部位打压渗漏主要在零件壁厚3.5m m,高20m m 的顶面圆边处存在显微缩松。
其缺陷产生的主要原因是为便于补缩和冒口设置,整圈加放了工艺补贴,该部位壁厚增大,并位于浇道和冒口根部,浇注后该部位形成热节并最后凝固,中心部位容易形成微观缩松。
针对铸件壁厚3.5m,高20mm的顶面圆边处微观缩松缺陷,将进一步采取工艺措施,在铸件的底部增设内浇口,减小缺陷部位过热,有利于气体、浮砂的上浮,提高工艺的可靠性。
在此工艺改进的基础上进行进一步的改进验证,进一步提高铸件的质量。
6 结语1)通过使用Pro CAST铸造仿真模拟技术能够较准确的预测轮毂铸件缺陷产生部位,模拟分析结果与实际铸造结果相吻合,验证了改进后工艺的可靠性,可为工艺改进与优化提供依据。
2)依据仿真分析结果,对轮毂进行工艺改进后,铸件的不良品率由工艺改进前的66%降低到23%,工艺改进取得了一定的效果。
3)通过进一步采取措施,提高改进后工艺和铸件质量的稳定性,能够满足批生产要求。
作者简介:赵富(1982-),男,主管工艺师,助理工程师,主要从事铸造技术方面的研究工作。
收稿日期:2010年10月10日责任编辑 李超CAXA研发设计PLM解决方案2011系列新品隆重上市近日,中国最大的CA D和PLM软件供应商CAXA发布了CAXA研发设计PLM解决方案2011全系列新品,包括CAXA电子图板2011机械版和工艺版、CAXA实体设计2011、CAXA图文档2011和CAXA 协同管理2011。