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:B

Application of ProCAST Simulation Technology in the Forecast of Defects of Foundry Parts

ZHA 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 i

X 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。