基于有限元的薄壁鑄鋼件澆注系統(tǒng)分析

劉洋

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000 ）

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基于有限元的薄壁鑄鋼件澆注系統(tǒng)分析

劉洋

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽 712000 ）

摘要：借助于有限元分析技術(shù)，分析薄壁鑄鋼件不同澆注系統(tǒng)的充型過程。對(duì)比分析結(jié)果優(yōu)化澆注方案，達(dá)到鑄件平穩(wěn)充型，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短工藝設(shè)計(jì)周期的目的。

關(guān)鍵詞：充型；有限元；鑄鋼件

稿件編號(hào):1510- 1087

將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到鑄造工藝的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)-模擬驗(yàn)證-優(yōu)化設(shè)計(jì)” 的鑄造工藝設(shè)計(jì)全過程，對(duì)鑄件品質(zhì)的提高具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值與理論研究意義[1]。本文借助有限元法的Pro-CAST軟件，分析不同的澆注方法對(duì)薄壁鑄鋼件的充型影響，確定最優(yōu)的澆注系統(tǒng)。

1 工藝方案

1.1 澆注方案

如圖1所示，該鑄件是一個(gè)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜的長方體鑄件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較薄，絕大部分壁厚在10～40 mm之間，為保證鑄件縱向順序凝固，該澆注系統(tǒng)的澆注位置設(shè)在鑄件的側(cè)面最低處，使鋼液從低處導(dǎo)入。考慮到鑄件壁厚較薄，為保證鑄件的充型，澆注系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)簡單，斷面尺寸應(yīng)充型快而平穩(wěn)，流股不宜分散過多，設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)方案Ⅰ，如圖2.a所示，在鑄件側(cè)面最低處每個(gè)鑄件開設(shè)一個(gè)內(nèi)澆道，不設(shè)計(jì)橫澆道，保證鑄件的充型速度。同時(shí)，為了防止鋼液流通效應(yīng)過強(qiáng)產(chǎn)生的接觸熱節(jié)對(duì)鑄件凝固補(bǔ)縮的熱干擾，以利于減少局部熱節(jié)，并在凝固初期形成合理的溫度梯度，以利于液態(tài)補(bǔ)縮，同時(shí)有利于減少鑄造應(yīng)力，防止沖砂缺陷。因此又設(shè)計(jì)了方案Ⅱ，如圖2.b所示，每兩個(gè)框架鑄件設(shè)計(jì)一個(gè)橫澆道和兩個(gè)內(nèi)澆口。

圖1 框架鑄件模型

圖2 澆注方案

1.2 仿真準(zhǔn)備

應(yīng)用UG三維建模軟件對(duì)鑄件及鑄造工藝進(jìn)行三維實(shí)體造型。將建好的CAD模型文件轉(zhuǎn)換成Pro-CAST所支持的STEP格式文件，然后導(dǎo)入到Mesh-CAST中進(jìn)行網(wǎng)格剖分,并設(shè)置相應(yīng)的仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真計(jì)算[2]。考慮到該鑄件標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因而仿真計(jì)算時(shí)，采用對(duì)稱計(jì)算方法來降低計(jì)算復(fù)雜度[3]。

2 有限元分析

2.1 方案Ⅰ結(jié)果分析

鑄件充型狀態(tài)如圖3所示。當(dāng)充型1 s時(shí)，在內(nèi)角口A區(qū)域的流速非常大，在1.5～2.3 m/s之間，并且由于該區(qū)域液態(tài)金屬流動(dòng)的截面變化，導(dǎo)致了流速的降低，但降低后仍非常大。因此，此處極易造成過熱和沖砂等現(xiàn)象。

圖3 方案Ⅰ充型過程中流速變化

在充型5 s時(shí)，在內(nèi)角口A處流速一直較大,在1.6 m/s之上，其它位置流速基本保持在0.6～1.0 m/s之間,且液面波動(dòng)較大。

在充型7 s時(shí)，液態(tài)金屬流動(dòng)至冒口中部，液面波動(dòng)依然大。

如圖4所示，為鑄件內(nèi)角口位置在充型6 s時(shí)的流速截面圖，由圖可知在內(nèi)角口位置的流速在4.5 m/ s 以上，該位置必然會(huì)出現(xiàn)過熱和沖砂的現(xiàn)象。因此，從流速圖上看，流速的變化較大，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理。

圖4 截面流速檢測(cè)點(diǎn)位置

2.2 方案Ⅱ結(jié)果分析

鑄件的充型狀態(tài)如圖5所示，當(dāng)充型1 s時(shí)，在A、B區(qū)域的流速變化較大，這是由于A、B區(qū)域分別為液態(tài)金屬流動(dòng)的截面變化處和液面流動(dòng)前端，變化處的流速比前端的流速大，主要是結(jié)構(gòu)截面開始變化，液面有波動(dòng)。經(jīng)過測(cè)量A區(qū)域的鋼液流速由1.66 m/s降低到0.94 m/s，在B區(qū)域則降低到0.58 m/s。

在充型2 s時(shí)，在C、D兩個(gè)區(qū)域的流速為0.41 m/s、0.41 m/s，而在同一鑄件型腔內(nèi)除A、B區(qū)域外流動(dòng)速度明顯降至0.25 m/s左右，并且液面較為平穩(wěn)。

在充型5 s時(shí)，在該充型時(shí)間內(nèi)的鋼液流速一直較平穩(wěn)，流速基本保持在0.27 m/s以下。

當(dāng)充型進(jìn)行到7 s時(shí)，已經(jīng)充型到冒口中部，液面流動(dòng)平穩(wěn)。因此，從流速圖來看，液態(tài)金屬流動(dòng)上升過程中，流速較平穩(wěn)，澆注時(shí)間較合理，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理。

3 澆注系統(tǒng)確定

基于以上模擬結(jié)果和分析，認(rèn)為方案Ⅱ澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，流場(chǎng)基本平穩(wěn)，澆注時(shí)間較合理，模具預(yù)熱溫度合理。保證砂型的預(yù)熱溫度大于50 ℃，采用8 s澆注時(shí)間金屬液完全可以充滿型腔。從不同時(shí)刻的流動(dòng)狀態(tài)來看，液態(tài)金屬流動(dòng)上升過程中，流速較平穩(wěn)，為最終確定的鑄件澆注系統(tǒng)。按照方案Ⅱ澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行試生產(chǎn)，并對(duì)所生產(chǎn)的鑄件進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，結(jié)果表明鑄件質(zhì)量完全滿足技術(shù)要求。

圖5 方案Ⅱ鑄件充型過程中流速變化

4 結(jié)論

借助于有限元分析技術(shù)，分析不同澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件的充型過程的影響，其分析結(jié)果與實(shí)際情況大致相同，說明該方法的有效性[4]。此外，利用有限元技術(shù)分析、改進(jìn)薄壁鑄鋼件澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可大幅縮減產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期。同時(shí)，可用該方法確定其他類型鑄件的鑄造工藝。

參考文獻(xiàn)

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Analysis of casting system of thin wall steel castings based on f nite element method

LIU Yang
（Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000, Shaanxi,China）

Abstract:The mold fi lling progress of thin wall steel castings with different gating system is analyzed by the method of fi nite element analysis technique. The gating system scheme is optimized by comparison and analysis. Using the optimized gating system to prepare casting, the mold is fi lled smoothly, the the quality of products is improved, and the process design cycle is shortened.

Keywords:fi lling; fi nite element; steel castings

中圖分類號(hào)：TG244+.2；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006-9658（2016）02-0031-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.010

收稿日期:2015- 10- 11

作者簡介：劉洋（1982—），男，碩士，講師. 主要研究方向?yàn)殍T造工藝.