虛擬檢驗技術在進氣缸產(chǎn)品工藝設計中的應用

姚紅汝，李玉葉（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

?

虛擬檢驗技術在進氣缸產(chǎn)品工藝設計中的應用

姚紅汝，李玉葉
（共享裝備股份有限公司，寧夏銀川 750021）

摘要：主要介紹了一種燃氣輪機球鐵進氣缸鑄造工藝方案，該工藝通過利用鑄造CAE輔助技術對鑄造工藝進行虛擬檢驗，將鑄造過程可視化，縮短了新產(chǎn)品試制周期，提高了鑄件質(zhì)量，最終形成現(xiàn)場操作方便、鑄件質(zhì)優(yōu)的工藝方案，實現(xiàn)了產(chǎn)品的穩(wěn)定、高效生產(chǎn)。

關鍵詞：進氣缸；工藝設計；虛擬檢驗

稿件編號:1510-1096

0 引言

燃氣輪機是一種效率高、能耗低、污染低的發(fā)電設備[1]，受到用戶的廣泛青睞。進氣缸作為燃氣輪機設備中重要的組成部件之一，為了保證燃氣輪機的有效、長久運轉(zhuǎn)，其質(zhì)量要求非常高[2]。

虛擬制造技術是在一個統(tǒng)一模型下對設計、制造等過程進行虛擬集成，在產(chǎn)品設計階段，借助建模、仿真等技術及時、并行地模擬出產(chǎn)品未來制造過程的各種活動對產(chǎn)品設計的影響，預測、檢測、評價產(chǎn)品性能和產(chǎn)品的可制造性等[3]。

鑄造CAE輔助技術以傳統(tǒng)鑄造理論、流體力學等為基礎，結(jié)合計算機分析技術，作為虛擬制造技術的一部分，直觀展現(xiàn)鑄造過程，達到更加有效、經(jīng)濟、柔性地組織生產(chǎn)的目的，使產(chǎn)品的開發(fā)周期和制造成本最小化，產(chǎn)品設計質(zhì)量最優(yōu)化，生產(chǎn)效率最大化，實現(xiàn)顧客與供應商雙贏的美好愿景[4]。

本文主要介紹一種球鐵進氣缸的鑄造工藝方案，結(jié)合鑄造CAE輔助虛擬檢驗技術進行檢驗與優(yōu)化，形成合理的鑄造工藝，生產(chǎn)出滿足顧客規(guī)范的高質(zhì)量鑄件。

1 鑄件信息

1.1 基本信息

此進氣缸鑄件分為上、下部，本文以下部鑄件為例，介紹其鑄造工藝設計流程。進氣缸下部輪廓尺寸為1 339×669.5×1 258(mm)，主體壁厚57 mm，最大壁厚102.9 mm，最小壁厚25.4 mm，鑄件毛坯質(zhì)量1 473 kg，材質(zhì)為ASTM A395 Gr.60-40-18，產(chǎn)品圖見圖1。

圖1 進氣缸下部鑄件三維示意圖

1.2 質(zhì)量要求

根據(jù)顧客規(guī)范要求，此產(chǎn)品的主要質(zhì)量指標詳見表1，包括機械性能、金相組織及NDT檢測等。

2 工藝方案

2.1 澆注方向及分型方案

根據(jù)鑄件結(jié)構特點，此產(chǎn)品主要可以有立澆、平澆兩種澆注方向，通常為內(nèi)缸在下箱、結(jié)合面法蘭朝上兩種形式（圖2），此兩種方案在造型、下芯與補縮等方面都有各自的優(yōu)劣勢，只是看造型無法直接判斷哪種方案更優(yōu)。因此使用鑄造CAE輔助技術進行虛擬檢驗，以確定最佳方案。

表1 鑄件質(zhì)量要求

圖2 兩種澆注方向及分型方案

2.2 澆注方案確定

根據(jù)公司澆注系統(tǒng)規(guī)范，設計了進氣缸下部的兩種澆注方案的澆注系統(tǒng)，使用充型凝固軟件進行初步模擬（無冷鐵、無冒口），用以判斷充型的平穩(wěn)度、熱節(jié)位置及凝固順序。從兩種形式縮松和鑄件凝固順序結(jié)果可知（圖3、4），立澆方案更容易塑造補縮通道，更容易解決縮松缺陷，且立澆形式充型更加平穩(wěn)，不易沖砂。

圖3 兩種澆注形式縮松結(jié)果

圖4 兩種澆注形式鑄件凝固順序

綜合考慮造型、出芯、澆注平穩(wěn)度與缺陷解決難度等，最終確定使用立澆方式進行工藝設計。此種澆注及分型方案具有補縮通道順暢，更易形成溫度梯度，實現(xiàn)順序凝固，合箱操作簡便，冒口、冷鐵少，清理工作方便等優(yōu)點。

2.3 工藝設計

根據(jù)確定的方案進行工藝設計及虛擬檢驗。利用軟件將造型、合箱、清理等工序進行虛擬制造設計，對鑄造全生產(chǎn)周期進行預檢驗，以優(yōu)化鑄造生產(chǎn)組織，并減少鑄造失敗造成的回溯修改，縮短新產(chǎn)品試制周期，提高生產(chǎn)速率與經(jīng)濟效益。

采用半開放式澆注系統(tǒng)，并設置過濾網(wǎng)。初始模擬結(jié)果顯示內(nèi)澆口流速稍高，根據(jù)公司澆注系統(tǒng)自動優(yōu)化庫數(shù)據(jù)優(yōu)化后，內(nèi)澆口平均流速計算值為0.68 m/s，滿足球鐵鑄件充型流速要求。設計立澆工藝，繪制三維工藝方案（圖5），利用動畫軟件進行虛擬制芯、合箱，檢驗其出芯合理性及操作簡便性（圖6），并進行優(yōu)化，最終確定最佳工藝設計方案。

圖5 下型結(jié)構

圖6 虛擬合箱檢驗

3 模擬檢驗

3.1 澆注系統(tǒng)驗證

利用鑄造CAE輔助技術進行工藝檢驗，并完成冒口、冷鐵設置。首先對優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)進行驗證。如圖7、8所示，模擬結(jié)果顯示，鑄件充型平穩(wěn)，內(nèi)澆口處流速低，型腔內(nèi)實現(xiàn)逐層充滿，充型完成后溫度場分布合理，判定按照公司規(guī)范設計優(yōu)化的澆注系統(tǒng)合格。

圖7 充型流速圖

圖8 充型完成后溫度場分布圖

3.2 冒口、冷鐵設計

在確定澆注方案時，已經(jīng)進行了初步模擬，由初步模擬結(jié)果可知，由于鑄件結(jié)構特點，鑄件內(nèi)存在較大的縮孔缺陷，且熱節(jié)大，薄厚交接部位存在問題，加工外露風險大，需進一步改進驗證。

圖9 鑄件凝固順序合理

圖10 最終模擬縮松結(jié)果

利用整體分區(qū)補縮，并保證鑄件厚大部位石墨化膨脹充分達到自補縮效果的思路進行冒口、冷鐵設計。經(jīng)過多次的改進、模擬驗證后，使得鑄件的熱節(jié)得到分散，分區(qū)補縮效果明顯，補縮順序合理（圖9），縮松缺陷很?。▓D10，滿足顧客鑄件質(zhì)量規(guī)范要求。

根據(jù)模擬驗證的結(jié)論及實際生產(chǎn)經(jīng)驗判定此工藝合格，可進行生產(chǎn)?，F(xiàn)場操作嚴格按照虛擬制造流程進行。后經(jīng)檢驗，鑄件質(zhì)量符合顧客規(guī)范要求，尺寸合規(guī)（圖11），且機械性能與金相結(jié)果均達到顧客規(guī)范要求（圖12）。使用此方案連續(xù)生產(chǎn)多件，均合格發(fā)運。

圖12 材料金相結(jié)果

4 結(jié)束語

利用虛擬制造技術，鑄造CAE仿真軟件，結(jié)合公司工藝設計專家?guī)鞌?shù)據(jù)，實現(xiàn)了鑄造工藝的預檢驗與再優(yōu)化，打破了傳統(tǒng)工藝設計流程，為進一步實現(xiàn)全流程虛擬制造打下基礎，為提升企業(yè)競爭力發(fā)揮了重要作用，是未來鑄造工藝設計中不可或缺的有效方法。

參考文獻

[1] 唐建，于海，陳勇.SGT5-4000F燃氣輪機氣缸溫度場及位移場分析[J].熱力透平, 2011（2）：130-133,

[2] 安玲玲.燃氣輪機壓氣缸的鑄造工藝方法[J].中國鑄造裝備與技術，2015（4）：22.

[3] 杜寶江.虛擬制造[M].上?？茖W技術出版社,2011.12.01.

[4] 張良，趙旭平.計算機模擬技術在鑄造中的應用[J].石油機械, 2006（9）：92-94,

Application of foundry cae technology in inlet cylinder casting process design

YAO HongRu，LI YuYe
（Kocel Machinery Co.,Ltd.，Yinchuan 750021，Ningxia,China )

Abstract：Mainly introduces a kind of gas turbine cylinder castings process in ductile iron, utilizing foundry CAE assistive technology to virtual test the casting process, cut down the testing period greatly, make the casting process become visualization and improve the quality of castings，eventually forming the casting method which is easy to operate and good in quality , ultimately achieve our goals that product stable and effi cient, achieve the winwin situation for supplier and customer.

Keywords：gas turbine cylinder；process design；casting process simulation

中圖分類號：TG251；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）03-0034-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.010

收稿日期:2015-10-16

作者簡介：姚紅汝（1990—），女，主要從事鑄造CAE輔助分析工作.