61100车床床身铸造过程数值模拟及仿真优化研究

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CY-61100车床床身铸造过程数值模拟及仿真优化研究

发表时间：2012/3/15 作者：杨曼云 沈曙东 撒能德 赵明星 孙希平  来源：万方数据

关键字：CAE 铸造工艺 优化设计 数值模拟 

本文对铸造充型及凝固过程数值模拟的数学模型进行了研究。通过铸造过程CAE仿真优化技术与传统铸造工艺设计有效结合，对CY-61100车床床身的铸造工艺进行了优化设计。在工厂实际浇注生产应用中取得了良好效果。

1 铸造过程数值模拟数学模型

铸件充型凝固过程的数值模拟是一个多学科交叉的研究领域，它涉及到计算流体力学、传热学，计算机图形学、计算方法、偏微分方程的数学理论和铸造丁艺理论等。铸件充型过程的流场、温度场模拟包括几何实体造型、计算域的网格划分、充型过程中自由表面的处理、流场中速度和压力的求解、充型过程紊流的模拟、充型过程对凝固过程的影响、充型过程对铸造缺陷形成的影响以及计算结果的可视化等。

1.1 铸造充型过程数学模型

对于流体，其充型阶段的流动为带有自由表面粘性不可压缩的非稳态流动，包含着动量传递、质量传递和能量传递，要完整地描述其流动、充型和传热状态及过程，其控制方程需要符合动量守恒、质量守恒和能量守恒定律。型腔充填过程中流动现象的数值模拟，，首先是求解这一非稳态过程中流体流动的控制方程组，也就是N-S方程、连续性方程以及能量方程，以此建立模拟计算方法的数学和物理模型。充型过程的数学及物理模型如下：

(1)动量守恒方程

充型及凝固过程数值模拟的一项基本内容，是用有限差分或有限元等数值模拟方法，求解质量守恒方程(连续性方程)和动最守恒方程(Navier-Stokes方程，简称N-S方程)，以得出流体运动规律。粘性流体运动方程式上动量守恒定律的数学表达形式，即根据牛顿第二定律导出的粘性流体运动方程式，称为纳维一斯托克斯(Navier-Stokes)方程式。它与连续性方程一起组成基本方程组，可用来解决粘性不可压缩流体的动力学问题。

(2)连续性方程

连续性方程体现了流动过程中的质量守恒，质量守恒是流动过程必须满足的必要条件。连续性方程表达式为：

式中，ux、uy、uz分别为速度在三个方向(x、y、z)上的分量，ρ为流体的密度。

(3)能量方程

能量方程反映了在浇注过程中流体、铸型等热交换的规律，体现了充型和凝固过程中的能量守恒。流体在运动过程中也是遵循能鼍守恒定律的。能量守恒定律表达为：对于流体控制单元，其所受的作用力(包括体积力和表面力)所作的功和加入的热量应等于该单元体的总能量改变量。实质上，这就是热力学第一定律在流体力学中的表达方式。

式中，c为比热容。等号左边的2、3、4项即为由于流体流动所引起的温度变化。能量方程和N-S方程式一般可以分开求解，即先求出速度分布，然后再利用能量方程求出温度分布。

为了跟踪自由表面，得出自由表面的位置，需要求解体积函数方程。采用体积函数法跟踪自由表面移动时，需要求解函数方程：

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发表时间：2012/3/15 作者：杨曼云 沈曙东 撒能德 赵明星 孙希平  来源：万方数据

关键字：CAE 铸造工艺 优化设计 数值模拟 

本文对铸造充型及凝固过程数值模拟的数学模型进行了研究。通过铸造过程CAE仿真优化技术与传统铸造工艺设计有效结合，对CY-61100车床床身的铸造工艺进行了优化设计。在工厂实际浇注生产应用中取得了良好效果。

2 CY-61100车床床身铸件铸造过程仿真分析

床身总重7.86t，轮廓尺寸为7705mm×870mm×670mm。材质为铸铁HT300。整个床身重量大，结构复杂，壁厚悬殊，给铸造生产带来了难度。铸件技术要求为：

①铸件不应有降低结构强度、影响切削加工和气孔、砂眼、夹渣、冷隔等铸造缺陷，铸件主要尺寸精度不低于CT10；

②导轨部位硬度要求高，且不允许存在深度超过实际加丁余量的铸造缺陷；粗加工后进行时效处理，时效处理后检查导轨面硬度值，各处硬度值不得低于规定值，各处硬度差不得超差；

③铸件的壁厚悬殊大，结构复杂，铸造应力大，易裂，但浇注要求铸件不能产生开裂。床身铸件的结构见图2。机械加工余量设计按GB/T11350-89《铸件机械加工余量》，铸件按JB/T3997-1994《机床灰铸铁件技术条件》验收。

根据床身铸件的特点，结合设计公式和工艺要求初步设计浇注系统，包括浇口杯、直浇道、横浇道和冒口等，确定了各浇道的截面形状、尺寸，包括浇口盆的类型选择、数量和位置的确定等。在设计过程中并行采用了基于有限元方法的铸造分析软件ProCAST对CY-KG1100床身进行了铸造充型及凝固过程的仿真分析优化。铸造类型：垂力铸造。为了缩短铁液在铸型中的凝固时间，获得致密组织，采用较低的浇注温度：1370℃ ；环境温度：22℃。材料液相线温度：1238℃，固相线温度:1100℃；计算冷却终止温度：300℃。计算浇注及凝固过程温度场分布及缺陷情况。在ProCAST内铸型所划分的单元为四面体单元，单元数量为238696个。采用虚拟摸进行计算。

图2 床身铸件结构图

2.1 床身铸件无浇冒口凝固过程分析结果

首先进行了床身铸件无浇冒口凝固过程计算。凝固完成床身铸件缩松分布见图3，缩孔缩松分析计算对床身铸造过程热节产生的位置进行了预测。可以看出，在车床的底部安装位置厚度较厚处及床身头部位置(即主轴箱安装位置附近)的导轨面部分有很集中的缩松缺陷产生。床身无浇冒口凝固过程分析计算为床身铸造工艺方案的设计提供了科学的设计依据及工艺方案优化方向。

图3 无浇冒口凝固过程床身铸件缩松分布

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2.2 床身铸件优化后铸造工艺方案

根据床身铸件的结构特点及质量要求，把床身的导轨面朝下，造型工艺及浇注系统见图4，采用两头浇注。通过多次分析及改进优化，重新设定及调整床身浇口形式及位置及尺寸后，在床身尾部浇口位置设置上下两条横浇道分双层进行浇注，在床身头部浇口位置设置一条上部横浇道，浇注时，两浇包要同时浇注，避免产生断流形成冷隔缺陷。对床身铸件充型凝固过程在ProCAST内进行分析计算，充型速度为60kg/s床身充型凝固过程见图5。充型凝固过程完成后的缩孔缩松见图6。根据分析结论最终设计的床身铸造工艺方案见图4。分析表明，床身底部缩松产生的位置是铸件底部壁厚较厚的位置，冷却速度慢，所以形成了孤立的热节区域，该区域的缩松情况基本不影响车床使用性能要求。在床身铸件无浇冒口凝固过程分析中，可以看到床身头部位置的导轨面部分有很集中的缩松缺陷产生，这个部位由于是在主轴箱安装位置处，一方面床身导轨加工面处产生疏松会导致废品，另一方面由于该处对使用性能要求较高，会严重影响车床加工精度及床身寿命。另外，床身沿长度方向导轨部分有较多的缩松分布，也会影响床身性能及产生废品。通过分析进行优化设计后的浇注系统很理想、床身头部及沿长度方向导轨部分的缩松现象得到很大改善，这些部位的强度、寿命及性能得到了有效改善；缩松较多部位在床身尾部位置，该位置相对来说不是该机床最常用的加工工位。这部分选择摆放合适冷铁改善热节区域的冷却情况，使其达到均衡凝固，从而使缩松情况有效改善。另外床身结构复杂，铸造应力人易裂，为防止此类现象的发生，需要进行应力分析确定床身易开裂的部位，进行浇注方案及产品方案的改进；进行裹气分析以防止床身浇注卷气缺陷的产生。随后的工厂实际铸件浇注情况表明，该工艺方案能有效满足床身铸件的铸造生产。

图4 床身最终铸造工艺方案

图5 床身铸造充型凝固过程色温图

图6 床身充型凝固完成后缩松分布

3 结论

铸造工艺的优化设计是一项复杂的系统工程，影响铸造工艺好坏的因素很多，我们应以铸件最终设计性能的保证为目标，综合考虑铸件材料组分及材料热物性参数、浇注温度、浇注速度、界面换热系数等种种因素，通过铸造过程的模拟仿真技术：铸件充型过程(流场)数值模拟、凝固过程(温度场)数值模拟、微观组织数位模拟、热应力数值模拟，以及铸造缺陷(如缩孔、缩松及热裂等)预测等，并与试验结合来综合进行浇注系统的匹配设计，才能达到从实际意义上指导生产的作用，从而获得高质量的铸件。

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