鑄造虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用及工藝缺陷分析

邢小穎，湯 彬，馬 運(yùn)，姚啟明，徐江波，王龍兵

（清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心,北京 100084）

0 引言

鑄造虛擬仿真技術(shù)是現(xiàn)代企業(yè)先進(jìn)設(shè)計(jì)的必備方法之一。隨著鑄造虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展,企業(yè)對(duì)掌握和了解鑄造CAE 技術(shù)人才有著迫切的需求。結(jié)合國(guó)家人才培養(yǎng)的重大戰(zhàn)略需求，落實(shí)清華大學(xué)的育人理念，通過對(duì)工程實(shí)踐和創(chuàng)新教育發(fā)展趨勢(shì)的研究，凝練中心發(fā)展理念，清華大學(xué)基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心與MAGMA 合作，并將會(huì)用MAGMA 教育版軟件為清華大學(xué)以及周邊大學(xué)的學(xué)生提供模擬課程及體驗(yàn)。

傳統(tǒng)的鑄造生產(chǎn)和工藝制定過程中,主要是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的積累和不斷反復(fù)的試錯(cuò),直到做出合格產(chǎn)品。這種依靠經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試錯(cuò)的做法,導(dǎo)致生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高,而且很難保證鑄件質(zhì)量。鑄造虛擬仿真軟件是數(shù)字化制造的有機(jī)組成部分之一，其目的在于讓學(xué)生全方位了解鑄造流動(dòng)性、應(yīng)力、傳熱、凝固、缺陷分析以及優(yōu)化的全過程。通過采用鑄造虛擬仿真技術(shù),設(shè)計(jì)人員只要在電腦上直接利用三維造型軟件如SolidWorks 等建立鑄件的三維模型,再利用鑄造虛擬仿真軟件模擬鑄件的澆注凝固過程,在實(shí)際澆注之前就能夠?qū)﹁T件中可能產(chǎn)生的缺陷部位進(jìn)行預(yù)測(cè),從而對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn),以確保鑄件質(zhì)量。鑄造虛擬仿真技術(shù)已經(jīng)成為鑄造行業(yè)的重要技術(shù)發(fā)展方向,在國(guó)外已經(jīng)普遍使用,我國(guó)作為全球鑄造第一大國(guó)也正在大力推廣應(yīng)用這一技術(shù)。虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用,使鑄造工藝設(shè)計(jì)周期縮短,鑄件制造速度加快,鑄件質(zhì)量明顯提高,同時(shí)也對(duì)鑄造技術(shù)人員的素質(zhì)提出了更高的要求,需要具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí),能夠掌握和開發(fā)新工藝、新技術(shù)的高級(jí)應(yīng)用型人才。目前,國(guó)內(nèi)大部分相關(guān)高等院校只開設(shè)了CAD/CAM課程,開設(shè)鑄造虛擬仿真課程的學(xué)校還不多。因此,為了適應(yīng)鑄造企業(yè)對(duì)技術(shù)人才的素質(zhì)和能力的要求,使學(xué)生能滿足鑄造行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的需求,迫切需要將先進(jìn)虛擬仿真技術(shù)引入到教學(xué)中，全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,以適應(yīng)時(shí)代和企業(yè)對(duì)鑄造專業(yè)技術(shù)人才的要求。

1 過程實(shí)施

訓(xùn)練中心鑄造實(shí)驗(yàn)室在2018 年引入鑄造虛擬仿真技術(shù)，對(duì)工程實(shí)踐進(jìn)行改革，在實(shí)際動(dòng)手操作的同時(shí)，注重對(duì)學(xué)生的仿真技能培養(yǎng)，主要采用了MAGMA 軟件作為仿真平臺(tái)。該軟件以鑄件充型及凝固過程的數(shù)值模擬技術(shù)為核心對(duì)鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析,可以完成多種鑄造合金在多種鑄造方法下鑄件充型流動(dòng)的全過程，計(jì)算溫度場(chǎng)、液體壓力、氣體壓力、流動(dòng)速度、氣體含量、各澆道流量等結(jié)果，模擬砂芯發(fā)氣情況，預(yù)測(cè)砂芯內(nèi)部氣壓，預(yù)測(cè)氣孔類缺陷風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，并可計(jì)算凝固及冷卻過程中的體收縮。通過對(duì)模擬結(jié)果的分析，可預(yù)測(cè)縮孔、縮松等多種常見鑄造缺陷的發(fā)生傾向,在改進(jìn)和優(yōu)化工藝,降低廢品率,提高工藝出品率,縮短生產(chǎn)周期,降低制造成本,減少技術(shù)人員對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴、保持工藝設(shè)計(jì)穩(wěn)定等方面都有較好的效果。在專業(yè)實(shí)踐中引入MAGMA 軟件進(jìn)行鑄造虛擬仿真技術(shù)后,使模具設(shè)計(jì)方法和手段更加現(xiàn)代化,設(shè)計(jì)的結(jié)果可視化,提高了設(shè)計(jì)工作的技術(shù)層次和教學(xué)質(zhì)量;同時(shí),由于學(xué)生接觸仿真技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用,對(duì)鑄造行業(yè)的一些負(fù)面印象也發(fā)生了改變。

2 案例分析

2.1 砂型鑄造連接盤工藝中的應(yīng)用

砂型鑄造是在砂型中生產(chǎn)鑄件的鑄造方法，鑄造行業(yè)80%以上的產(chǎn)品都是砂型鑄造完成的。訓(xùn)練中心鑄造實(shí)驗(yàn)室所開發(fā)的砂型鑄造實(shí)踐環(huán)節(jié)承擔(dān)了國(guó)家級(jí)精品課“機(jī)械制造實(shí)習(xí)”、文化素質(zhì)核心課“工業(yè)系統(tǒng)基礎(chǔ)”、“材料加工實(shí)驗(yàn)課”以及“材料流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)”等多個(gè)課程的實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，且在鑄造實(shí)踐中占比較重，同時(shí)課程內(nèi)容也受到了學(xué)生的一致好評(píng)。為了提高所做產(chǎn)品的鑄件質(zhì)量，全方位的了解鑄造充型及凝固的全過程，數(shù)字化模擬技術(shù)與試驗(yàn)研究成為提高鑄造技術(shù)的有效手段。

本案例首先針對(duì)實(shí)踐操作的連接盤模樣進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，然后利用MAGMA 仿真軟件模擬鑄造，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，如模擬有缺陷，分析缺陷改進(jìn)鑄造工藝參數(shù)的設(shè)定或澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，如模擬沒問題，則利用模具通過砂型鑄造實(shí)際操作得到鑄型并現(xiàn)場(chǎng)澆注得到鑄件，使鑄件和模擬結(jié)果進(jìn)行再次比對(duì)，檢查兩者結(jié)果是否一致，如一致，說明模擬有效，如不一致，分析原因，找出問題，進(jìn)行再次試驗(yàn)。所有的結(jié)果一致，形成系統(tǒng)有效的教案和課件，并加入到實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中。如圖1所示為連接盤工藝流程圖，圖2 為零件圖及鑄造工藝圖。

圖1 連接盤工藝流程圖

圖2 連接盤零件圖及鑄造工藝圖

根據(jù)二維圖繪制三維圖（圖3），通過MAGMA軟件幾何體處理界面，與幾何體進(jìn)行材料匹配和排序（圖4），所選澆注材料用AiSi7Mg-sand，澆注時(shí)間6s,添加邊界條件如澆口位置、排氣孔等，利用有限差分法劃分網(wǎng)格（圖5），進(jìn)行模擬澆注，通過設(shè)定的參數(shù)得到模擬結(jié)果（圖6）。結(jié)果沒問題，進(jìn)行砂型鑄造，根據(jù)模樣特點(diǎn)，選擇造型方法為手工兩箱整模造型，確定澆注位置豎直放置，小端面朝上，大端面朝下，外圓面?zhèn)攘ⅲx用這種澆注位置，澆注工藝及鑄件質(zhì)量有以下特點(diǎn)：小端面有夾渣及氣孔傾向，大端面及外圓面質(zhì)量較好。為了便于分型，鑄件的分型面只有一個(gè)，將其確定在鑄件截面最大位置，鑄件全部處于下箱。模樣使用的是鋁合金金屬模樣，它的強(qiáng)度高、尺寸精確、表面光潔、耐磨耐用。砂箱尺寸為300mm×250mm×90mm，澆口杯為漏斗形狀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，消耗金屬量少；直澆道使用的是斜度1°～2°，上大下小的圓錐形直澆道，它起模方便，澆注時(shí)充型快，金屬液在直澆道中成正壓狀態(tài)流動(dòng)，從而可以防止吸氣和雜質(zhì)進(jìn)入型腔。內(nèi)澆道選擇開在分型面上，便于造型操作，內(nèi)澆道與鑄件接口處的橫截面厚度小于鑄件壁厚的1/2，縱截面離接口處呈“遠(yuǎn)厚近薄”的狀態(tài)。

圖3 連接盤三維模型

圖4 排序

圖5 網(wǎng)格劃分

圖6 模擬結(jié)果

通過鑄造得到鑄件，將模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，結(jié)果比較一致（圖7）。

圖7 連接盤鑄件及結(jié)果對(duì)比

2.2 消失模鑄造齒輪箱工藝中的應(yīng)用

消失模鑄造是將與鑄件尺寸形狀相似的泡沫模型，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動(dòng)造型，在負(fù)壓狀態(tài)下澆注，模型氣化，液體金屬占據(jù)模型位置，凝固冷卻后形成鑄件的新型鑄造方法，這種鑄造工藝又被稱為“氣化模鑄造”、“泡沫聚苯乙烯塑料造型”及“實(shí)型鑄造”等。

本案例是以齒輪箱為例，在聚苯乙烯珠粒預(yù)發(fā)泡之前加入虛擬仿真進(jìn)行模擬，然后通過聚苯乙烯珠粒預(yù)發(fā)泡，板材粘接，刷涂料及涂料烘干，填砂振動(dòng)抽真空，澆注液態(tài)金屬和落砂等工序后得到鑄件（圖8），將模擬結(jié)果與鑄件對(duì)比后發(fā)現(xiàn)最終的鑄件表面粘砂嚴(yán)重，且伴有少量針孔，分析其原因可能是涂料問題。消失模鑄造涂料與砂型鑄造的一個(gè)顯著不同點(diǎn)是將涂料涂刷在消失模表面上，而不是涂在鑄型的型腔表面上，涂料的主要作用是防止鑄件表面粘砂，提高消失模的表面強(qiáng)度和剛度，防止造型時(shí)產(chǎn)生變形，涂料在使用過程中，要求能很好地粘附在氣化模表面，干燥后不分層、不剝落，而此次使用的涂料為水基涂料，涂料的烘干時(shí)間較長(zhǎng)，懸浮性和涂掛性都較差，所以鑄件表面粘砂較為嚴(yán)重（圖8）。

圖8 齒輪箱制造流程

為了防止鑄件表面粘砂，提高模樣的表面強(qiáng)度和剛度，防止造型時(shí)產(chǎn)生變形，又重新選用了一種懸浮性以及涂掛性能比較好的樹脂系快干涂料，并且將制好的聚苯乙烯泡沫模型用毛刷涂刷兩遍并保證其均勻。通過實(shí)際鑄造驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)確是涂料環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題。圖9 為重新鑄造所得鑄件。

圖9 齒輪箱鑄件

通過此案例可以發(fā)現(xiàn)，鑄造虛擬仿真技術(shù)模擬出來的結(jié)果如果是正確的，并不能確定的說明所得鑄件也完全沒有問題，因?yàn)殍T造過程是環(huán)環(huán)相扣的，是較為復(fù)雜的，所以虛擬仿真只是起到對(duì)于缺陷產(chǎn)生的一個(gè)預(yù)測(cè)作用。但是仿真技術(shù)在鑄造里面又是不可或缺的，針對(duì)于大型復(fù)雜需要優(yōu)化的鑄件它還是有一定優(yōu)勢(shì)的。

3 結(jié)語

本文以虛擬仿真技術(shù)在砂型鑄造和消失模鑄造中的應(yīng)用進(jìn)行闡述并對(duì)工藝進(jìn)行分析，說明了仿真在鑄造專業(yè)使用的必要性，在我國(guó)從鑄造大國(guó)向鑄造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變進(jìn)程中，鑄造虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，有利于發(fā)揮鑄造技術(shù)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性，縮短鑄造工藝及工裝模具的設(shè)計(jì)周期，減少鑄造缺陷，從而保證鑄件質(zhì)量。