李永剛

（濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261001）

鑄造工藝CAD/CAE 技術是鑄造領域的重要分支，該技術在鑄造生產中的應用可有效提高鑄件工藝開發(fā)效率，縮短試制周期，降低生產成本和能源消耗。鑄造工藝CAD/CAE 技術屬于虛擬制造領域，結合傳統(tǒng)的鑄造工藝設計、傳熱學、流體力學等理論基礎以及先進的計算機技術逐步實現(xiàn)了鑄造工藝設計的智能化，科學化，因此逐漸得到了鑄造生產企業(yè)的重視[1-5]。

橋殼鑄件是汽車及工程機械領域的關鍵零部件之一，其性能的優(yōu)劣對汽車整車和工程機械的性能和壽命有著直接影響[6-7]。但是橋殼鑄件結構復雜，鑄件厚薄不均，熱節(jié)點較多，工件使用負荷大，質量要求高。故其新產品工藝開發(fā)時間長，生產過程中易產生裂紋，縮孔、縮松等鑄造缺陷。本文借助先進的鑄造工藝CAD/CAE 技術對鑄鋼橋殼鑄件進行了工藝開發(fā)和評估，確定了橋殼鑄件的鑄造工藝生產方案。結果表明，鑄造工藝CAD/CAE 技術可以有效縮短產品試制周期，提高工藝開發(fā)效率，滿足生產需求。

1 橋殼鑄造工藝設計

1.1 橋殼鑄件結構分析

橋殼鑄件的三維實體模型如圖1 所示。從圖1可以看出，橋殼鑄件形狀復雜且存在一些定位孔?；跇驓よT件的形狀分析，從有利于補縮和凝固順序的角度出發(fā)，初步確定該橋殼鑄件應采用水平中間澆注，選取橋殼軸孔中心水平面為分型面。這樣不易出現(xiàn)澆不足、冷隔等缺陷，有利于造型及合箱澆注，橋殼中間部分組織均勻、對稱，力學性能良好。

圖1 橋殼鑄件的三維實體模型

1.2 橋殼鑄件的鑄造工藝CAD

若采用傳統(tǒng)的手工計算對橋殼鑄件進行工藝設計，需要大量的查表和三維實體修改，會極大的增加工藝開發(fā)周期。本文采用SINOVATION（SV）的鑄造工藝設計模塊進行橋殼鑄件的鑄造工藝開發(fā)。該模塊可進行鑄件熱模數(shù)、冒口、澆注系統(tǒng)、拔模斜度、最小鑄出孔、收縮量等工藝設計理論的計算，并可將結果創(chuàng)建出三維數(shù)據(jù)模型。設計操作簡便快捷，使得鑄造工藝設計更為嚴謹和專業(yè)化。

對于橋殼鑄件不需要鑄出的孔，可以采用孔填補命令將其填補，如圖2 所示，選擇鑄孔所在的實體，并指示需要填補的孔的構成面，確定之后即可完成鑄孔的填補。填補后的鑄件三維實體如圖3 所示。

圖2 鑄造工藝CAD 的孔填補

圖3 孔填補后的鑄件三維實體

運用SV 的拔模斜度命令對橋殼分型面處進行處理，選擇需要添加拔模斜度的構成面，指定拔模方向和添加拔模斜度的面，程序根據(jù)面的最大高度推薦標準尺寸，運行完畢后的鑄件三維實體如圖4所示。

橋殼鑄件的冒口、冷鐵工藝對產品的質量有著重要的影響，若添加不當易引起鑄件的縮孔、縮松、裂紋等鑄造缺陷。要進行冒口、冷鐵的設計首先應該對鑄件的熱節(jié)分布進行準確的把握，傳統(tǒng)的熱節(jié)分析方法如等溫線法、熱節(jié)圓法對于形狀復雜的橋殼鑄件并不適用。本文采用SV 的熱節(jié)分析功能對橋殼鑄件的熱節(jié)進行了分析計算，如圖5 所示。從圖中可以看出橋殼鑄件的軸孔周圍存在明顯的熱節(jié)。對相關部位進行冒口熱模數(shù)的計算，從而得出相應部位所需的冒口大小和冷鐵的接觸面積。確定了橋殼鑄件的冒口、冷鐵的設置方案。橋殼鑄件的澆注系統(tǒng)采用中間注入的封閉-開放式澆注系統(tǒng)，根據(jù)鑄件的重量和相應公式確定了鑄件澆注系統(tǒng)的最小截面積，確定直澆道、橫澆道以及內澆道的截面比例后確定了橋殼鑄件的澆注系統(tǒng)。設計完成后的鑄造工藝方案如圖6 所示。

圖4 添加拔模斜度后的鑄件三維實體

圖5 橋殼鑄件的熱節(jié)分析

圖6 橋殼鑄件的鑄造工藝圖

2 橋殼鑄件的工藝評估

確定橋殼鑄件的鑄造工藝圖后，借助鑄造工藝CAE 軟件對工藝的可靠性進行了評估。主要包括橋殼鑄件的缺陷（縮孔、縮松）分布、熱應力分析兩個方面。

2.1 鑄造工藝CAE 的前處理

將三維鑄件工藝實體模型轉換為STL 文件并導入到鑄造CAE 軟件中，采用網(wǎng)格剖分技術對橋殼鑄件的三維實體離散成直角六面體網(wǎng)格。剖分方式采用均勻剖分即三個方向的網(wǎng)格長度相等。為保證計算速度，網(wǎng)格長度取為5 mm，剖分單元數(shù)共計210 萬。剖分后的實體如圖7 所示。

從圖7 可以看出，剖分后的鑄件形狀與三維實體吻合較好，未出現(xiàn)“幾何失真”的情況，說明網(wǎng)格長度選擇合理，滿足鑄造工藝CAE 分析的需求。

圖7 網(wǎng)格剖分后的三維實體

2.2 鑄造工藝CAE 結果及工藝評估

前處理完畢后，設置鑄造工藝CAE 分析的相關計算參數(shù)，對橋殼鑄件進行充型、凝固以及熱應力分析。主要的計算參數(shù)如表1 所示。

表1 橋殼鑄造工藝CAE 分析參數(shù)

橋殼鑄件的縮孔、縮松的分布如圖8 所示。從圖8 可以看出，縮孔缺陷主要集中在冒口和澆注系統(tǒng)的直澆道位置處。雖然在鑄件本體上有易產生縮松缺陷的部位，但是其大小相對于整個鑄件來講可以忽略，并不能對鑄件的性能產生影響。

圖8 橋殼鑄件的縮孔、縮松分布

橋殼鑄件的熱應力分布如圖9 所示。球墨鑄鐵在凝固區(qū)間的彈性變形的應力范圍為≤172 MPa，從圖9 中可以看出，橋殼鑄件的熱應力在結構變化出現(xiàn)了數(shù)值偏高的情況，a） 圖最大主應力達到146.40 MPa，b）圖最大應力達到80.00 MPa，c）圖最大應力達到62.86 MPa，d）圖最大應力達到45.71MPa，所有最大應力均未超出球墨鑄鐵在凝固區(qū)間彈性變形的應力范圍，故應力分布不能引起橋殼鑄件的裂紋缺陷。

圖9 凝固結束后橋殼鑄件的熱應力分布圖

3 生產驗證

按照上述確定的鑄造工藝設計開發(fā)鑄造模具并投入實際生產，先后進行三個批次驗證，共生產63 件毛坯，經過實物解剖、超聲波檢測和外觀檢測，結果顯示，應用鑄造工藝CAD/CAE 技術開發(fā)的橋殼鑄件未出現(xiàn)常見的縮孔、縮松及裂紋缺陷。生產質量穩(wěn)定，產品合格率達到95%以上，工藝出品率達80%以上，滿足批量生產的需求。

4 結 論

運用鑄造工藝CAD/CAE 技術對橋殼鑄件的鑄造生產工藝進行了設計和評估，設計周期為傳統(tǒng)工藝設計方法的10%，大大提高了設計效率；

通過鑄造工藝CAD/CAE 技術設計得到的鑄造工藝未出現(xiàn)常見的縮孔、縮松及裂紋缺陷。生產質量穩(wěn)定，產品合格率達到95%以上，工藝出品率達80%以上，滿足批量生產的需求。

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