CN113722964A - 一种铸造模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铸造模拟方法，采用铸造模拟软件ProCast对球墨铸铁支座进行模拟分析，依次进行浇注***设计、三维建模造型、网格划分、参数设定、模拟结果一次分析、浇注***优化、模拟结果二次分析等步骤。本发明利用铸造模拟软件分析铸件充型结果，从而设计较佳方案的浇注***，可以减少试铸成本，缩短零件生产周期，且减少缺陷产生保证零件的工艺性能和支座铸件质量，得到合格的产品，满足支座工艺性能的要求。

Description

一种铸造模拟方法
技术领域
本发明涉及砂型铸造领域，特别涉及一种铸造模拟方法。
背景技术
球墨铸铁支座用于支撑固定器械零件，属于中型铸件。支座是机械工程中常用的一种零件，其工作环境比较复杂，受到多种方向力的作用，在这些力中对支座影响最大的是轴向力的压缩作用，为了防止其受到轴向力而发生裂纹或破坏，在选择材料进行浇注加工时要注意在工作过程中不受压破坏。用铸件做零件毛坯可以减少用材和二次切削所浪费的材料，不仅节约材料，也大大的提高了经济性。铸造件在铸造的时候必须严格制订铸造工艺，尤其是浇注***的设计，直接影响产品的出品率。同时对支座零件进行有效的铸造工艺设计使其能有效的符合实用时的标准，使经济性和实用性得到提升。
砂型铸造生产成本低，被广泛应用于零件铸造。但传统的，在实际铸造条件下反复试铸，方案再修改的模式浪费大量人力、物力和资金，生产效率低，生产成本高。在讲究生产效益的工业背景下，利用铸造模拟软件事先对待铸件的充型过程进行模拟已经成为当下铸造业流行趋势。球墨铸铁件易氧化和二次造渣，流动充型过程较差，缩孔、缩松倾向大。如若在实际铸造前，利用铸造模拟软件分析，合理设计出较佳浇注方案，减少缺陷产生，提高工艺成品率，不仅减少试铸成本，缩短零件生产周期，还保证了零件的工艺性能，提高支座铸件质量。
发明内容
本发明的目的在于通过待铸造零件的结构特点设计浇注类型、浇注时间、各浇道面积、浇口杯、过滤网、冒口和冷铁，再结合铸造模拟软件ProCast的模拟结果分析，最终确定球墨铸铁支座件的最佳工艺。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种铸造模拟方法，包括以下步骤：
步骤1)根据待铸造零件的结构特点设计浇注***，包括浇注类型、浇注时间、各浇道面积、浇口杯和过滤网；
步骤2)利用Solid Works三维建模软件绘制待铸造零件和步骤1)设计的浇注***的三维实体模型；
步骤3)利用ProCast铸造模拟软件mesh模块对步骤2)所述的三维实体模型进行网格划分；
步骤4)在ProCast铸造模拟软件中对待铸造零件的浇注温度、浇注时间、各部分材料及换热系数进行参数设定；
步骤5)利用ProCast铸造模拟软件viewer模块对砂型铸造充型过程进行模拟分析。
具体地，所述步骤1)具体实现方法是：根据待铸造零件的铸造特点选择浇注类型、浇口杯和过滤网；根据待铸造零件的浇注时间经验公式得出浇注时间；采用阻流界面设计法确定内浇道、横浇道和直浇道面积。
具体地，将步骤2)绘制的三维实体模型转换成x_t格式后导入铸造模拟软件ProCast中进行网格划分。
具体地，步骤5)中对砂型铸造充型过程的速度场、凝固过程的温度场和凝固场及缩孔、缩松缺陷进行结果分析。
步骤5)之后还优选包括：
步骤6)根据模拟结果对浇注***进行优化，设置冒口和冷铁。利用ProCast铸造模拟软件viewer模块对优化后的方案进行最终缺陷分析，从而获得最佳浇注***，有利于获得组织致密、工艺性能优良的合格产品。
作为一个实施例，一种铸造球墨铸铁支座的方法，包括以下步骤：
步骤1)根据待铸造零件的结构特点设计浇注***，包括浇注类型、浇注时间、各浇道面积、浇口杯、过滤网；具体为：
1.1)根据球墨铸铁件的铸造特点选择底注式浇注***，选择池型浇口杯；
1.2)根据球墨铸铁的浇注时间经验公式得出浇注时间为15s；
1.3)根据阻流界面设计法，计算得到直浇道、内浇道、横浇道的面积分别为21cm2、8cm2、12cm2；
1.4)根据球墨铸铁件的铸造过程中夹渣缺陷特点，选择泡沫式陶瓷过滤器；
步骤2)利用Solid Works三维建模软件对待铸零件和步骤1)设计得到的浇注***进行三维实体绘制，绘制完成后通过转换成x_t格式文件导入铸造模拟软件ProCast中；
步骤3)利用ProCast铸造模拟软件mesh模块对三维模型进行网格划分，首先在三维实体外绘制盒体，随后划分二维网格，检查网格缺陷并修复，修复后划分三维网格；
步骤4)在ProCast铸造模拟软件中对待铸零件的浇注温度、浇注时间、各部分材料及换热系数进行参数设定，根据球墨铸铁的熔点选择浇注温度1340℃±5℃；由步骤1.2)的计算结果输入浇注时间15s；铸件的材质为QT500-7，砂型为树脂砂；根据接触面类型设定换热系数，本实施例中砂型和铸件之间热交换系数取500W/(m2·K)；
步骤5)利用ProCast铸造模拟软件viewer模块对对砂型铸造充型过程的速度场、凝固过程的温度场和凝固场及缩孔、缩松缺陷进行结果分析。
根据支座顶部浇不足、补缩困难的模拟结果，在支座顶部添加冒口对铸件进行补缩，根据法兰盘厚壁处凝固较慢的模拟结果，在法兰盘厚壁处放置冷铁。
本发明的有益效果：
本发明利用铸造模拟软件分析铸件充型结果，从而设计较佳方案的浇注***，可以减少试铸成本，缩短零件生产周期，且减少缺陷产生保证零件的工艺性能和支座铸件质量，得到合格的产品，满足支座工艺性能的要求。
附图说明
图1为实施例的铸造模拟流程图；
图2为实施例球墨铸铁支座的三维实体模型；
图3为实施例球墨铸铁支座与浇注***的三维实体模型；
图4为对实施例球墨铸铁支座与浇注***进行网格划分的示意图；
图5显示了铸造模拟软件中砂型铸造充型过程；其中，5a显示了1.85s时的充型情况，5b显示了5.75s时的充型情况，5c显示了9.24s时的充型情况，5d显示了9.64s时的充型情况，5e显示了13.04s时的充型情况；
图6显示了温度场；
图7显示了凝固场；
图8显示了缩孔、缩松缺陷分布情况；
图9显示了冒口、冷铁的安装位置；
图10显示了优化后的浇注***。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
如图2，本实施例以球墨铸铁支座为例，说明本方法。
如图1，本发明所述一种铸造模拟方法，包括以下步骤：
步骤1)根据待铸造零件的结构特点设计浇注***，包括浇注类型、浇注时间、各浇道面积、浇口杯、过滤网。
1.1)根据球墨铸铁件的铸造特点选择浇注类型：球墨铸铁件的金属液极易氧化和二次造渣，铁液较粘，流动充型能力较差，缩孔、缩松倾向大，易产生氧化皮夹渣和皮下气孔。支座属于中型球墨铸铁件，为了减少浇注过程中氧化的影响，提高浇注***的挡渣能力，采用保温性能好，阻渣能力强的漏包浇注；支座的最大截面处壁厚且法兰盘为重要工作面与接触面，着重保证此处铸造质量，保证其没有铸造缺陷，浇注时保证大平面朝下，力求充型平稳，所以采用底注式浇注***。根据球墨铸铁浇注易造渣的特点，浇口杯选择池型，池型浇口杯内液体深度大，可阻止水平漩涡的产生而形成垂直旋涡，从而有助于分离熔渣和气泡，挡渣效果好。
1.2)根据球墨铸铁的浇注时间经验公式τ＝AGn得出浇注时间。其中，τ为浇注时间；G为铸件或浇注金属质量；A、n均为系数，根据铸件材质，A取2.5～3.5；n取0.33。本实施例算出浇注时间为15s。
1.3)考虑到造型和起模方便，浇注***采用埋管造型，直浇道、内浇道、横浇道的横截面积比，即浇口比选择∑A直：∑A横：∑A内＝1：1.2：1.5，金属液从底部冲入型腔，其中A直、A横、A内分别代表直浇道的横截面积、横浇道的横截面积、内浇道的横截面积。
采用阻流界面设计法，对于底注式浇注方式，平均静压头高度计算公式为
Figure BDA0003246556300000041
其中，HP为平均计算压力头高度；H0为铸件(型腔)总高度，本实施例中为600mm；P为阻流以上的型腔高度，本实施例中为274mm。
再代入公式：
Figure BDA0003246556300000051
求得最小横截面的浇道面积。
其中，A阻为浇注***最小截面积；GL为流经A阻截面的金属液总重量；t为浇注时间；μ为流量损耗系数。
根据浇口比得知直浇道横截面积最小，即A阻＝A直，再按浇口比依次求得横浇道和内浇道的横截面积。
1.4)铸件工艺要求中对铸件夹渣缺陷有严格要求，因此在浇注过程中应该对金属液进行过滤处理。本实施例中过滤网选取泡沫式陶瓷过滤器，使金属液的流动方式有湍流变为层流，减少过滤后金属进一步氧化的可能。
2)利用Solid Works三维建模软件对待铸零件和步骤1)设计得到的浇注***进行三维实体绘制，如图3所示，绘制完成后通过转换成x_t格式文件导入铸造模拟软件ProCast中。
3)利用ProCast铸造模拟软件mesh模块对三维模型进行网格划分，首先在三维实体外绘制盒体，随后划分二维网格，检查网格缺陷并修复，修复后划分三维网格，如图4所示。
4)在ProCast铸造模拟软件中对待铸零件的浇注温度、浇注时间、各部分材料及换热系数进行参数设定。根据球墨铸铁的熔点选择浇注温度1340℃±5℃；由步骤1.2)的计算结果输入浇注时间15s；铸件的材质为QT500-7，砂型为树脂砂；根据接触面类型设定换热系数，本实施例中砂型和铸件之间热交换系数取500W/(m2·K)。
5)利用ProCast铸造模拟软件viewer模块对砂型铸造充型过程进行模拟分析。
5.1)充型速度场分析：根据铸件各部分的充型速度判断充型顺序，充型是否平稳，可能出现的由于流速较快导致的冲击砂型，飞溅产生情况。
如图5所示，为支座充型过程。从金属液进入型腔直至充满共需13.04s，与理论计算时间相近。从充型1.85s时可以看出，金属液开始进入支座底部；充型5.75s时，金属液在底部与侧壁左方的交界处流速较快，约为0.8m/s，从图中可以看出流速快的区域金属液较低，两侧金属液较高，充型不平稳，并可能产生卷气现象造成缺陷，该现象对铸件最终的孔洞缺陷分布产生了至关重要的影响；充型9.24s时，铸件支座底部基本充满；充型9.64s时，金属液填充到侧壁处，可以看出，液面比较平整，充型比较稳定，没有发生金属液的飞溅、卷气现象；在13.04s时充型完毕，说明工艺采用底注式浇注***。总体充型效果良好。
5.2)温度场分析：根据铸件各部分温度观察热节存在部位，并判断缺陷存在部位。如图6所示，支座底部法兰盘和支座顶部温度较高，存在热节，可能出现缺陷。
5.3)凝固场分析：观察铸件凝固顺序，是否为自下而上的顺序凝固；观察最后凝固位置，从而判断铸件补缩困难的位置。如图7所示，支座底部法兰盘两侧和顶部滞后凝固，可能产生缺陷。
5.4)缩孔、缩松分析：可判断缩孔、缩松存在于支座底部法兰盘两侧和支座顶部，如图8所示。
步骤6)根据模拟结果对浇注***优化。根据步骤5)的分析结果，对支座顶部浇不足、补缩困难情况添加冒口对铸件进行补缩，提高逐渐的致密性；支座由于承重存在厚壁，厚壁处法兰盘凝固较慢需局部放置冷铁改善铸件的凝固顺序，使铸件实现自下而上的顺序凝固。如图9所示为优化后浇注***冒口及冷铁位置。
步骤7)利用ProCast铸造模拟软件viewer模块对优化后的方案进行最终缺陷分析，从而获得最佳浇注***，有利于获得组织致密、工艺性能优良的合格产品。如图10所示，优化后缺陷集中在冒口，冒口可通过后续机加工切除，不影响支座的整体质量，说明在支座底部的四个角增设冷铁增加了底部整体的冷却速度，有利于改善铸件的凝固顺序，增加冒口的补缩效果，从而得到致密的组织。
本发明的说明书和附图被认为是说明性的而非限制性的，在本发明基础上，本领域技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中一些技术特征做出一些替换和变形，均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种铸造模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)根据待铸造零件的结构特点设计浇注***，包括浇注类型、浇注时间、各浇道面积、浇口杯和过滤网；
步骤2)利用Solid Works三维建模软件绘制待铸造零件和步骤1)设计的浇注***的三维实体模型；
步骤3)利用ProCast铸造模拟软件mesh模块对步骤2)所述的三维实体模型进行网格划分；
步骤4)在ProCast铸造模拟软件中对待铸造零件的浇注温度、浇注时间、各部分材料及换热系数进行参数设定；
步骤5)利用ProCast铸造模拟软件viewer模块对砂型铸造充型过程进行模拟分析。
2.根据权利要求1所述的一种铸造模拟方法，其特征在于：所述步骤1)具体实现方法是：根据待铸造零件的铸造特点选择浇注类型、浇口杯和过滤网；根据待铸造零件的浇注时间经验公式得出浇注时间；采用阻流界面设计法确定内浇道、横浇道和直浇道面积。
3.根据权利要求1所述的一种铸造模拟方法，其特征在于：将步骤2)绘制的三维实体模型转换成x_t格式后导入铸造模拟软件ProCast中进行网格划分。
4.根据权利要求1所述的一种铸造模拟方法，其特征在于：步骤5)中对砂型铸造充型过程的速度场、凝固过程的温度场和凝固场及缩孔、缩松缺陷进行结果分析。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种铸造模拟方法，其特征在于：步骤5)之后还包括：
步骤6)根据模拟结果对浇注***进行优化，设置冒口和冷铁。
6.一种铸造球墨铸铁支座的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1)根据待铸造零件的结构特点设计浇注***，包括浇注类型、浇注时间、各浇道面积、浇口杯、过滤网；具体为：
1.1)根据球墨铸铁件的铸造特点选择底注式浇注***，选择池型浇口杯；
1.2)根据球墨铸铁的浇注时间经验公式得出浇注时间为15s；
1.3)根据阻流界面设计法，计算得到直浇道、内浇道、横浇道的面积分别为21cm2、8cm2、12cm2；
1.4)根据球墨铸铁件的铸造过程中夹渣缺陷特点，选择泡沫式陶瓷过滤器；
步骤2)利用Solid Works三维建模软件对待铸零件和步骤1)设计得到的浇注***进行三维实体绘制，绘制完成后通过转换成x_t格式文件导入铸造模拟软件ProCast中；
步骤3)利用ProCast铸造模拟软件mesh模块对三维模型进行网格划分，首先在三维实体外绘制盒体，随后划分二维网格，检查网格缺陷并修复，修复后划分三维网格；
步骤4)在ProCast铸造模拟软件中对待铸零件的浇注温度、浇注时间、各部分材料及换热系数进行参数设定，根据球墨铸铁的熔点选择浇注温度1340℃±5℃；由步骤1.2)的计算结果输入浇注时间15s；铸件的材质为QT500-7，砂型为树脂砂；根据接触面类型设定换热系数，本实施例中砂型和铸件之间热交换系数取500W/(m2·K)；
步骤5)利用ProCast铸造模拟软件viewer模块对对砂型铸造充型过程的速度场、凝固过程的温度场和凝固场及缩孔、缩松缺陷进行结果分析。
7.根据权利要求6所述一种铸造球墨铸铁支座的方法，其特征在于：根据支座顶部浇不足、补缩困难的模拟结果，在支座顶部添加冒口对铸件进行补缩，根据法兰盘厚壁处凝固较慢的模拟结果，在法兰盘厚壁处放置冷铁。
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