【中设集团】FLOW-3D CAST 铸造仿真软件改善铸钢件气孔的应用
【中设集团】FLOW-3D CAST 铸造仿真软件改善铸钢件气孔的应用

       


 

FLOW-3D CAST 铸造仿真软件改善铸钢件气孔的应用

安朝阳1 ,陈朋2

(中设集团装备制造有限责任公司1,北京 000050;帕盛博(苏州)软件科技有限公司2,江苏苏州 215000) 

摘要:采用计算机铸造模拟技术对铸造充型过程进 行模拟分析,FLOW-3D CAST模拟软件精确地计算 模拟铸钢件的金属液温度场、速度场和压力场的实 时变化,形成三场耦合分析优化铸造工艺。通过不 断地改善分析,有针对性地采取了有效改善措施, 从而彻底杜绝了皮下气孔,不仅节省了大量人力和 财力,同时提高了铸件的整体质量。

关键词:FLOW-3D CAST;数值模拟;铸钢件;皮下气孔 

 

1 问题点阐述

1.1 问题点阐述

此客户主要生产铸钢件,充型完成后产生憋气,加 工后铸件边缘发现大量气孔(图1和图2)。 

图1

图2

皮下气孔废品率高达60%,气孔密集度很高。此加 工面为铸件主要功能表面,不允许任何焊补或其他 任何表面处理。

 

1.2 原始改善方案-三维图

在铸件外圈间隔45°,追加8根透气棒(图3)。 

图3

 

1.3 原始改善方案-模具图

图4

 

1.4 原始改善方案的利弊

利:能够有效改善铸件边缘气孔。

弊:(1)共8根粗大的透气棒降低铸件出品率;

       (2)透气棒穿透砂模顶端,散落砂容易掉落到 型腔中造成铸件砂孔;

       (3)透气棒不容易去除,浪费物料和人工等成本。 (图5)

                        图5

 

1.5 改善方案

去除透气棒,追加排气槽并引出砂模边缘,达到合 理排气效果(图6)。

在铸件外圈间隔45°,追加8处排气槽。

                                                                          图6

 

1.6 排气槽设计因素

(1)连通铸件追加排气槽向外排气,达到合理的排 气效果;

(2)如何设计排气槽的尺寸是最关键的步骤;

(3)尺寸厚大时,金属液冷凝速度慢容易导致钢水 外漏;

(4)尺寸窄小时,金属液冷凝太快,达不到理想的 排气效果;

(5)通过FLOW-3D CAST模拟,选择合适的排气 槽厚度和尺寸,既能达到较为理想的排气效果,也 能确保金属液不会从排气槽溢出。

 

2 改善工艺原理验证

2.1 验证工艺方案介绍

验证工艺三维参照(图7)(图8)(图9)。 

                                     图7

                                       图8

                                      图9

 

2.2 设置参数 

                                           表1

 

2.3 模拟结果

                                                     图10

(1)颜色表示金属表面温度值;

(2)浇注过程前期,1mm薄板已经出现冷隔现象,阻 断金属液流出(图10)。

                             图11

                             图12

(1)金属液面升到2mm薄板时,薄板出现冷凝阻流 现象(图11);

(2)随着液面的上升,导致2mm薄板处压力和平均 温度增加,迫使薄板金属液流出(图12);

(3)模拟时,考虑到充型过程中金属液温度和压力 的变化尤其重要。 

                                                                       图13

充型完成后,部分金属液回流交融,能够明显的观 察每层薄板的温度梯度(图13)。

 

3 样件模拟和实际浇注验证

3.1 样件方案和参数

(1)浇注时间:6S;

(2)浇注温度:1550℃

(3)造型材料:呋喃树脂砂

(4)实际钢水成分: 

                             图14

                                图15

 

3.2 模拟结果 

                                                                      图16

浇注过程中,已经凝固阻流(图16);

                                                                      图17

浇注后,已经完全凝固(图17)。

 

3.3 模拟结果和实际对比

(图18)

                               图18

 

4 最终改善方案的验证

4.1 最终改善效果

完善最终排气工艺后整个浇注过程中没有造成钢水 外漏(图19),浇注过程一切正常。

排气槽连接铸件边缘,可以方便去除和打磨。

                                                                      图19

                                                                      图20

                                                                      图21

加工58个铸件均未发现气孔,废品率由60%降为 0%,已经彻底解决皮下气孔。

                                                                      图22

 

5 总结

(1)排气槽的尺寸设计非常合理,已经达到预想改 善成果;

(2)设计排气片尺寸的主要考虑因素有:铸件结 构、浇注温度、实时的金属液面高度以及压力(排 气片位置相对于铸件底部的高度);

(3)FLOW-3D CAST模拟浇注时,可以考虑到型 腔中的温度场、速度场和压力场,形成三场耦合计 算模拟分析;

(4)通过FLOW-3D CAST模拟, 客户可以准确设 置不同规格铸件的排气槽尺寸;

(5)客户端铸件的气孔、气泡以及憋气均得到有效 改善,皮下气孔得到彻底改善。

 

【参考文献】

[1]高尚书,计算机技术及其在铸造行业中的应用,《铸 造》1995年 第6期