1 前言铸造长期以来只是一种手工工艺的经验积累,近代才逐渐成为一门工程技术,但仍缺乏完整 的科学体系计算机技术和数值计算方法的发展,使得用计算机模拟凝固过程成为可能近10年来, 这种计算机模拟技术在铸造生产中的应用已取得相当大的成功能够实现在计算机内展示金属液进入 铸型直到完全凝固的全过程并根据各种判据功能找到形成缺陷的部位,确定合适的工艺方案,从而 降低废品率,缩短试制周期,节约新产品试制成本本文主要针对江西拖拉机厂的喷油泵座等铸件进 行多种工艺方案的数值模拟该厂的喷油泵座为球墨铸铁件,长期以来铸件缩孔缩松的废品率较高, 铸件质量全靠反复试浇、加工进行验证,浪费十分严重,为此考虑用数值模拟的方法来协助工艺参 数的选择,并优化铸造工艺图1 喷油泵座铸件形状数值模拟软件的源程序是用ＢｏｒｌａｎｄＣ ++语言编制软件运行环境:486以上机型,主频大于66ＭＨｚ,内存8Ｍ以上,支撑软件环 境为ＭＳ-ＤＯＳ6.2或Ｗｉｎｄｏｗｓ3.1以上版本2 工艺参数的确定喷油泵座铸件形状 如图1所示喷油泵座的材质为ＱＴ400-15(Ｃ质量分数3.6%,Ｓｉ质量分数2.1%) 铸件质量为2.8ｋｇ21 喷油泵座的铸造工艺采用粘土砂湿型造型,铸型硬度大于80浇注温 度:1350℃金属液从压边冒口注入型腔,由于浇注系统(直浇道、横浇道)对进行的模拟影响 不是最主要的,故暂不考虑22 初始条件及边界条件的设定221 初始条件的设定铸件的初始 温度的设定:由于该铸件为小型件(假设金属液瞬时充满型腔),故不考虑金属液流动时的传热影 响由于热辐射的影响,温度下降20℃,故取铸件的初始温度为1330℃铸型及环境温度设为2 5℃型砂退让性值取0.07222 边界条件设定球墨铸铁铸件在凝固过程中产生体积膨胀,与 铸型紧密接触,设其界面热阻为0,而铸型与砂芯之间的边界存在热阻,由此来考虑各材质之间的 界面热交换系数23 热物性参数的确定假设铸件、铸型、砂芯的热物性参数为常数,其值列表如 表1表1 各材质热物性参数表导热系数/Ｊ·(ｃｍ·Ｋ·ｓ)-1比热容/Ｊ·(ｇ·Ｋ)- 1密度/ｇ·ｃｍ-3结晶潜热/Ｊ·ｇ-1液相线温度/℃固相线温度/℃铸件0.37671 .08847.0234.412001145铸型0.01341.05071.60———砂 芯0.00041.17210.80———24 三维实体造型采用ＡｕｔｏＣＡＤ对铸件、铸 型及砂芯进行三维实体造型,形成铸件文件、铸型文件、砂芯文件,分别进行网格剖分后共同送入 计算模块3 工艺方案一的凝固过程计算机模拟 通过以上参数,在586微机上计算了从金属 液浇注完毕到铸件完全凝固整个过程的温度变化以30ｓ为一个时间间隔保存了多个温度场文件, 可以通过后处理程序用彩色图形显示各个时刻的温度场变化情况取球墨铸铁金属液的凝固临界固相 率为0.65铸件中固相率 图2 喷油泵座工艺方案一 图3 工艺方案一的缩孔缩松预测 图大于临界固相率的单元为已凝固单元,不可补缩固相率小于临界固相率的单元尚未凝固根据临界 固相率法,便可判断铸件是否产生缩孔缩松缺陷图2为喷油泵座的工艺方案一,压边冒口设在等边 三角形的一边图3为完全凝固时缩孔缩松形成位置预测结果计算总单元数为74480,缺陷总单 元数为593由图可知:缩孔缩松缺陷位置主要集中在压边冒口上部,在铸件内部还有较多缺陷单 元,分布在铸件与冒口连接处的最后凝固的部位,该处为一热节这与江西拖拉机厂的实际生产情况 相符4 工艺方案二的计算机模拟结果 图4 喷油泵座工艺方案二 图5 工艺方案二的 缩孔缩松预测结果由于压边冒口与铸件形成热节,故将压边冒口改在铸件的三角形一角上,改进后 的工艺方案见图4,模拟结果见图5计算总单元数为74480,缺陷总单元数为624缩孔缩松 缺陷的位置发生了改变,虽然缺陷单元总数有所增加,但由图可看出缩孔缩松大部分集中在冒口的 上部,而真正在铸件内部的缺陷反而减少了,这是由于三角形的两个大端远离冒口先凝固,冒口处 为最后凝固部位,能及时补缩5 型砂退让性对缩孔缩松的影响在工艺方案一的浇注系统不变的前 提下,改变其参数,以取得最佳工艺参数,并以此验证数值模拟结果的正确性因考虑到球墨铸铁凝 固时产生体积膨胀,故型砂退让性是合理工艺下影响铸件缩孔缩松缺陷产生的最主要因素于是取不 同的型砂退让性值,得到多个预测结果如图6所示 由图6可知,型砂退让性值越小,即型砂密 度越大,球墨铸铁件中缩孔缩松缺陷越少,这与实际表2 不同型砂退让性值对应的缺陷单元数实 验次数型砂退让性值缩孔缩松单元数10.0144120.0254930.0357940. 0458850.0559060.0759370.161780.15661情况相符运用数 值模拟技术不仅可以定性地而且可以定量地考虑各工艺参数对铸件质量的影响,以便于设计者选择 合适的工艺参数除喷油泵座外,还对其它多个铸件进行了模拟,模拟结果也与实际情况相符6 结 论1)应用数值模拟方法可以对喷油泵座等铸件进行缩孔缩松缺陷预测,且预测结果与铸件实际生 产中出现的情况基本一致2)通过两种工艺方案的模拟结果的对比可知方案二较合理,由此可选择 工艺方案二作为实际铸造工艺3)用数值模拟方法验证了型砂退让性对铸件质量的影响符合生产实 际4)在微机上模拟计算铸件的凝固过程,预测铸件中产生缩孔缩松危险区域,可为铸造工艺设计 者提供科学依据,显著提高经济效益运用数值模拟技术预测喷油泵座铸件缩孔缩松缺陷@陈典红$ 南昌大学机电工程学院!江西南昌330029@骆楠生$南昌大学机电工程学院!江西南昌33 0029@董懿琼$江西拖拉机厂!江西南昌330002数值模拟;;喷油泵座;;缩孔缩松运 用微型计算机和数值模拟技术,模拟了喷油泵座等球墨铸铁件的不同工艺方案的凝固过程,并模拟测试了型砂退让性值对铸件缩孔缩松的影响实验结果和生产验证表明,该技术能准确模拟铸件的缩孔缩松缺陷,为铸造工艺优化提供了科学的依据〔1〕 闵光国,刘瑞祥 数值模拟在曲轴铸件工艺优化中的应用〔J〕 铸造 ,1 996 ,(1 ) :1 1～ 1 3
〔2〕 大中逸雄 计算机传热凝固解析入门〔M〕 北京 :机械工业出版社 ,1 988
〔3〕 杨亚杰 ,陈广 铸造过程计算机仿真系统的应用〔J〕 铸造 ,1 998,(1 ) :31～ 33
〔4〕 陈海清 铸件凝固过程数值模拟〔M〕 重庆 :重庆大学出版社 ,1 992
〔5〕 LotharTM ,KallienH ,SturmC .NewDevelopmentsinFoundryProcessSimulatin〔J〕 .FoundryManagement&Technology ,1 998,(8)?预测铸件中产生缩孔缩松危险区域,可为铸造工艺设计者提供科学依据,显著提 高经济效益运用数值模拟技术预测喷油泵座铸件缩孔缩松缺陷@陈典红$南昌大学机电工程学院! 江西南昌330029@骆楠生$南昌大学机电工程学院!江西南昌330029@董懿琼$江西 拖拉机厂!江西南昌330002数值模拟;;喷油泵座;;缩孔缩松运用微型计算机和数值模拟 技术,模拟了喷油泵座等球墨铸铁件的不同工艺方案的凝固过程,并模拟测试了型砂退让性值对铸 件缩孔缩松的影响实验结果和生产验证表明,该技术能准确模拟铸件的缩孔缩松缺陷,为铸造工艺优化提供了科学的依据〔1〕 闵光国,刘瑞祥 数值模拟在曲轴铸件工艺优化中的应用〔J〕 铸造 ,1 996 ,(1 ) :1 1～ 1 3
〔2〕 大中逸雄 计算机传热凝固解析入门〔M〕 北京 :机械工业出版社 ,1 988
〔3〕 杨亚杰 ,陈广 铸造过程计算机仿真系统的应用〔J〕 铸造 ,1 998,(1 ) :31～ 33
〔4〕 陈海清 铸件凝固过程数值模拟〔M〕 重庆 :重庆大学出版社 ,1 992
〔5〕 LotharTM ,KallienH ,SturmC .NewDevelopmentsinFoundryProcessSimulatin〔J〕 .FoundryManagement&Technology ,1 998,(8)
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