宋 彬，崔聿辰，崔明理

（1.北京北方恒利科技發(fā)展有限公司，北京市 100089；2.山東蒙凌集團技術中心，山東臨沂 276025）

采用鑄造工藝設計軟件模擬鑄鋼汽車橋缺陷分析和應對策略

宋 彬1，崔聿辰1，崔明理2

（1.北京北方恒利科技發(fā)展有限公司，北京市 100089；2.山東蒙凌集團技術中心，山東臨沂 276025）

在以往的鑄造工藝設計過程中，冒口的位置和尺寸大小主要是靠工人積累的經(jīng)驗來決定。使用的冒口尺寸過大或位置過多，消耗金屬液也多，對工藝設計人員的經(jīng)驗來說要求較高。為解決這一系列的問題，采用CASTsoft CAE軟件對鑄鋼件進行缺陷分析，通過分析模擬鑄造后的計算結果－縮松、縮孔缺陷圖，判斷鑄件缺陷的位置，設置冒口和冷鐵，建立冒口和冷鐵體積最小的目標函數(shù)，得出原始冒口尺寸，再利用模擬軟件進行優(yōu)化，得到最佳冒口和冷鐵，并添加排氣孔，最后通過實踐檢驗，證明該軟件的模擬分析方法是行之有效的。

鑄鋼汽車橋殼；鑄造工藝模擬；澆注溫度；工藝優(yōu)化；CAE

鑄型中的熔融金屬液在凝固過程中都會有體積收縮，在澆注過程中，一部分新注入的熔融金屬液會用來補縮。然而，隨著澆注進行，有一部分未凝固的金屬液被先凝固的金屬隔開，使新注入的金屬液無法填充體積收縮留下的空隙，從而形成孔洞，這種孔洞即是一種常見的鑄造缺陷—縮孔。為了補償凝固過程中的收縮，我們在鑄造缺陷處增加了冒口，使凝固具有一定的方向性(從鑄件到冒口)，將最后凝固點轉(zhuǎn)移到冒口中。在凝固完成后，冒口可以切除下來進行再利用。因此冒口的合理設計(包括冒口的數(shù)量、位置、尺寸和形狀等)是整個鑄造過程的關鍵，理想的冒口設計是在滿足工藝要求的前提下，使得冒口的體積、數(shù)量和尺寸最小。

近些年來，鑄造模擬軟件被逐漸廣泛應用于鑄造生產(chǎn)中，用于測評鑄造工藝設計的合理性，尤其是預測縮松縮孔缺陷。一旦分析完成，用戶可以直觀地了解分析的結果，并且找到存在缺陷的位置，之后對工藝設計進行修改、再模擬，直至達到理想的效果。以目前趨勢來看，一方面鑄造生產(chǎn)中傳統(tǒng)的試錯機制已逐漸被計算機模擬試錯機制所取代，另一方面，現(xiàn)有的模擬鑄造需要用戶具備CAD三維實體設計、凝固建模以及冒口設計等專業(yè)知識。

1 汽車橋殼鑄造工藝方案的設計

1.1 鑄造工藝方法的選擇

汽車橋作為在汽車上使用的重要部件，結構復雜，鑄件厚薄不均，熱節(jié)點較多，工件使用負荷大，質(zhì)量要求較高，所以在鑄造生產(chǎn)中應盡量減少鑄造缺陷的發(fā)生。結合汽車橋鑄造要求和特點，以及我廠鑄造現(xiàn)場生產(chǎn)能力，采用新的綠色環(huán)保鑄造工藝—樹脂砂工藝來進行鑄造的工藝設計方案。鑄型和砂芯全部采用樹脂砂鑄造，澆注溫度1600℃，采用保溫冒口套。

1.2 澆注系統(tǒng)位置的選擇

根據(jù)工程橋殼多年的鑄造經(jīng)驗，采用一貫的放置位置和分型方法，從中間澆注，兩端放置冒口，通過模擬來驗證，最終滿足工作位置的力學性能。

2 工藝模擬及工藝優(yōu)化流程圖（如圖1）

2.1 鑄件的三維建模

采用UG軟件對鑄件進行三維建模。先將鑄件毛坯輸出，進行鑄造工藝設計，確定分型面、鑄件擺放位置、工藝布置、冒口大小、澆注系統(tǒng)大?。辉偻ㄟ^鑄造工藝模擬軟件進行鑄造過程模擬，最后確定可行的澆注工藝方案。

2.2 工藝步驟

步驟1：采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝設計模塊進行工藝熱節(jié)計算，確定冒口位置和冒口大小、鑄件工藝布局、澆注系統(tǒng)。

根據(jù)模擬計算缺陷的結果（圖4，圖5），可以知道工藝放置方案1熱節(jié)集中，集中在鑄件上半部，現(xiàn)場操作方便，所以按方案1計算澆冒口，確定鑄件工藝布局，確定澆注系統(tǒng)。

步驟2：采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝模擬模塊進行鑄造過程模擬,根據(jù)缺陷重新設計冒口、冷鐵和出氣孔，得到最終沒有縮孔縮松缺陷的鑄件(或者使缺陷維持在最小范圍)。通過造型、涂料及澆注溫度等方式保證表面質(zhì)量，再通過鑄造工藝模擬軟件進行鑄造過程模擬,最后確定可行的澆注工藝方案。

2.3 鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、保溫冒口套的三維建模

通過CASTSOFT/CAE鑄造工藝設計模塊進行不同工藝布局的鑄件毛坯工藝熱節(jié)位置計算和現(xiàn)場生產(chǎn)條件分析，最后選擇可行的工藝布局位置并進行了工藝冒口設計并確定冷鐵大小，澆注系統(tǒng)設計，采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝模擬模塊進行鑄造過程模擬驗證和工藝調(diào)整。

由于在工藝模擬時，鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、冒口套屬于工藝裝配體部件且各部件材料及屬性都不一樣，三維建模要保證建模工藝部件與實際生產(chǎn)工藝部件的位置、大小一致，要求鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)間面貼合。由于鑄件的一些部位是不規(guī)則的曲面，所以鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)的形狀也為不規(guī)則曲面形狀即為隨形鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)。同時由于鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)不連續(xù)相互間孤立、分散，所以在建模時也應分散分布，相互間不相連，而在工藝模擬時要求同種材料工藝部件組合成一個整體，生成一個STL文件。鑄件毛坯三維模型（如圖 6）；鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)的工藝三維模型（如圖7）。

2.4 前處理

本次模擬時,鑄件毛坯進行網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格尺寸為2.5mm×2.5mm×2.5mm,共剖分網(wǎng)格400萬單元。

2.5 鑄造模型構建及模擬計算

按工藝要求添加砂型鑄造相應的工藝參數(shù)。參數(shù)設置如下：鑄件材料為ZG35CrMo，鑄型材料為呋喃樹脂砂，型芯選用呋喃樹脂砂，澆注溫度1600℃，保溫冒口套采用保溫棉。

2.6 鑄造工藝結果顯示及工藝合理評定

采用CASTSOFT/CAE鑄造工藝模擬模塊進行鑄造過程模擬驗證，通過鑄件充型過程、凝固過程、溫度場及縮孔、縮松的判定，可以看到工藝冒口尺寸偏?。▓D8）。

為節(jié)省鋼液，采用不加大冒口而引入冒口套工藝（如圖9）消除缺陷，通過模擬鑄件補縮工藝比較合理，消除了嚴重縮孔缺陷位置（如圖10）。

工藝分析：

a)鑄件凝固過程中熱節(jié)不多，但是區(qū)域較大，而且在鑄件水平方向的兩端和中間均存在熱節(jié)，最后凝固的區(qū)域在保溫冒口的根部。大熱節(jié)的存在對鑄件的溫度場分布有重要影響。

b)從縮孔縮松的分布圖分析，冒口對鑄件的凝固進行了良好的補縮。除冒口位置外，鑄件上沒有發(fā)現(xiàn)集中且嚴重的縮孔、縮松（如圖10）。

c)鑄件凝固過程中存在較大的溫度梯度，尤其是球冠與軸向的過渡部位以及冒口根部的兩側(cè)（如圖 8）。

d)從整個鑄件上最大主應力和三個方向的應力分布來看，應力在X方向上和中間球冠與軸過渡的區(qū)域的集中區(qū)域較多，也是發(fā)生裂紋傾向較大的區(qū)域。靠近內(nèi)澆道的一側(cè)，應力集中尤為嚴重。

e)在球冠和軸的過渡區(qū)域的截面與溫度場的對應來看，應力集中的區(qū)域主要集中在冷卻速度相差較大的區(qū)域，而這種冷卻速度的差異主要來自于大的冒口根部的緩慢凝固（如圖8）。

從以上分析可知，使用CASTSOFT軟件可以有效地預測出工藝設計中存在的問題，能夠預測出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)此模擬結果改進、優(yōu)化鑄造工藝。利用三維建模軟件可以很方便地進行鑄件毛坯、澆注系統(tǒng)、冒口系統(tǒng)、冒口套等的設計，同時利用CASTSOFT軟件可以對鑄造工藝參數(shù)如澆注溫度、充型時間、鑄型材料、冒口套、冷鐵等進行改進，改進后再次進行模擬，經(jīng)過多次改進直到消除鑄造缺陷。這對于大型復雜鑄件有很重要的意義，它可以減少工藝試驗的次數(shù)，甚至可以完全代替工藝試驗，保證鑄件一次試制成功。從而大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，提高企業(yè)的競爭力。

3 實際生產(chǎn)工藝情況

依據(jù)此次模擬結果制定的工藝用于生產(chǎn)后，效果良好，前后共鑄造200套，鑄件在機械加工后沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，組焊時未發(fā)生缺陷現(xiàn)象。能夠滿足設計要求，從而也驗證工藝模擬的有效性，鑄件毛坯如圖11所示。

4 結論

通過此次模擬可以總結出以下幾點經(jīng)驗：①采用計算機進行鑄造工藝設計直觀且速度快，有利于新產(chǎn)品工藝開發(fā)和工藝優(yōu)化。②組合使用CASTSOFT/CAE鑄造工藝設計模塊和模擬模塊可大大節(jié)省工藝設計和模擬的時間和次數(shù)，模擬結果與實際相符。③采用冒口套可減小冒口尺寸，節(jié)省鋼液。④砂型重力鑄造樹脂砂工藝適合鑄鋼件生產(chǎn)，鑄件表面比較光滑。

[1]李慶春.鑄件形成理論基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982.

[2]李魁盛.鑄造工藝及原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[3]范英俊.鑄造手冊之特種鑄造[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4]王智平.底杯鑄件鑄造工藝模擬[J].鑄造，2006（2）149－151.

[5]胡漢起.金屬凝固原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997.

[6]徐宏.鑄造工藝設計及模擬技術[M].北京：教育出版社，

[7]柳百成，等.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.

[8]宋彬.鑄造工藝模擬CASTsoft CAD/CAE技術在鑄造工藝設計及優(yōu)化中應用[J].鑄造技術，2011,32(10)1403.

Defects Simulation and Countermeasures upon Steel Castings of Automobile Bridge with Casting Technology Design Software CASTsoft

SONG Bin1,CUI YuChen1,CUI MingLi2
（1.Beijing North Fangheng Li Technology Development Co.Ltd.,Beijing 100089,Beijing China;2.Shandong Meng Ling Group Technology Center,Linyi 276025,Shandong China）

CASTsoft CAE software has been used in steel castings defect analysis.Analysis of the simulation calculation results of casting shrinkage porosity,shrinkage defects of castings,has been used in determination of the defect position,riser and chilling iron arrangement,establishment of the riser and the chilling iron volume minimum objective function for the original dimension of the risers.Simulation software has been used in optimization of best riser,chilling iron and adding vent hole.This software simulation method has proved effective in practice.

Steel castings of automobile axle housings;CASTsoft Casting technology simulation;Pouring temperature;Technology optimization;CAE

TP391.99;

A；

1006－9658（2012）04－0021-4

2012-05-15

稿件編號：1205-051

宋彬（1978-），男，工程師，從事鑄造數(shù)值化模擬技術相關工作