【正文】 3. 借鑒本模擬優(yōu)化后的工藝， 中信重機(jī)公司鑄鍛廠 進(jìn)行了 掛舵臂 實(shí)際的生產(chǎn)，結(jié)果表明：通過合理設(shè)置冒口、冷鐵的位置和大小，合理選擇澆注系統(tǒng)及分型面，控制冶煉和熱處理工 藝，保證鑄件符合順序凝固的原則，生產(chǎn)出組織致密、性能優(yōu)良、各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到用戶要求的優(yōu)質(zhì)掛舵臂鑄件。為此，在相關(guān)部位設(shè)置冷鐵，造成激冷的趨勢(shì)， 使冷鐵和冒口之間區(qū)域的溫度梯度、冒口補(bǔ)縮的末端區(qū)擴(kuò)大，使鑄件的凝固速度提高，大大減少了 縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生。 基于以上的研究，得出以下結(jié)論： 1. 對(duì)掛舵臂凝固過程的模擬表明：筋板的根部凝固時(shí)，樹枝狀晶體形成骨架時(shí)分隔其了包圍的液體部分，進(jìn)而形成微觀縮松。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 結(jié) 論 本文以計(jì)算機(jī)技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應(yīng)用為基礎(chǔ)，利用三維造型軟件設(shè)計(jì)掛舵臂鑄造工藝，并以鑄造 CAE 對(duì)其成形過程溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)初始工藝進(jìn)行了優(yōu)化。掛舵臂實(shí)物如圖 49。中信重機(jī)公司在掛舵臂的生產(chǎn)過 程中合理的選用造型材料和造型方法，為獲得優(yōu)質(zhì)鑄件、消除掛舵臂生產(chǎn)中產(chǎn)生的缺陷提供了保證；采用合理的熔煉工藝，控制鋼液的成分和氣體含量；采用多爐熔煉技術(shù)，控制合適的熔煉溫度、出爐溫度、出爐時(shí)間、出爐順序等環(huán)節(jié)，保證鑄件順利澆注；通過計(jì)算機(jī)工藝優(yōu)化，合理的設(shè)置澆口、冒口及冷鐵，控制鑄件的順序凝固和金屬液的有效補(bǔ)縮。 圖 48 可以看出掛舵臂筒體與側(cè)向伸出部分交接處 （脊梁處）也 沒有明顯缺陷，表面較平整 。圖 45 是掛舵臂 筒體底部 形貌 ，外觀整潔，可看到舵臂的曲面外形。 圖 43 為 掛舵臂飛 邊、毛 刺 清理 現(xiàn)場(chǎng) 。尺寸檢查必須嚴(yán)格遵照標(biāo)準(zhǔn)。這樣既可以避免因澆注溫度高而產(chǎn)生裂紋 ， 又可以提高溫度梯度 ， 增強(qiáng)冒口的補(bǔ)縮能力。 三、 合澆工藝 由于鋼液需要量大 ， 設(shè)計(jì)了多爐合澆工藝 ， 即根據(jù)澆注時(shí)間 ， 合理測(cè)算每爐鋼液量、提前冶煉的時(shí)間 ， 達(dá)到同時(shí)澆注 ， 有序補(bǔ)澆的目的。起包溫度 1540℃ ~1560℃ ， 澆注溫度為 1530℃ ~1550℃ 。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 24 圖 42 木模實(shí)樣 二、 熔煉 鋼液的純凈度及澆注溫度直接影響掛舵臂的質(zhì)量。 掛舵臂 6~10m長(zhǎng)的筒腔 ， 采用 1個(gè)體積 20多立方米的數(shù)十噸大芯來形成 ， 最大的木模實(shí)樣（如圖 42所示），芯盒均達(dá)到 10m長(zhǎng) ， 4m多高 ， 2m多寬。 圖 41 地坑造型 2. 造型方法 木模、芯盒采用計(jì)算機(jī)三維造型及數(shù)控加工 ， 確保鑄件各截面尺寸準(zhǔn)確 ， 保證形狀正確 ， 對(duì)于特大木模關(guān)鍵斷面采用計(jì)算機(jī) 1∶ 1放樣制作樣板 。 一、 造型 1. 型砂選擇 采用地坑組芯造型，砂芯面砂 采用鉻礦砂（黑色），如 圖 41所示。 圖 35 工藝優(yōu)化后的凝固末期照片（凝固時(shí)間為 11759s） 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 第四章 掛舵臂鑄鋼件的實(shí)際生產(chǎn) 在掛舵臂的生產(chǎn)實(shí)踐中，中信重機(jī)公司根據(jù)自身的生產(chǎn)條件 ， 合理選用造型材料 ， 采用合理的熔煉工藝 ， 控制鋼液的成分和氣體含量 ， 通過計(jì)算機(jī)工藝優(yōu)化 ，合理設(shè)置澆口、冒口及冷鐵 ， 控制鑄件的順序凝固和金屬液的有效補(bǔ)縮 ， 解決掛舵臂生產(chǎn)中產(chǎn)生的缺陷問題 ， 生產(chǎn)出符合商檢和船級(jí)社驗(yàn)收的鑄件。冒口內(nèi)還有大量金屬液存在，能夠有效的補(bǔ)縮鑄件 大舵軸孔、小舵軸孔及脊梁處等熱節(jié)部位 ，可以實(shí)現(xiàn)從鑄件到冒口的順序凝固。另外，從圖中 圖 34 e)、 f)中 還可看到，加設(shè)冷鐵沒有完全消除縮孔、縮松缺陷，今后還需進(jìn)一步研究。由于鋼冷鐵的蓄熱能力大，可吸收較多的 能量，激冷能力強(qiáng)，故冷鐵的材質(zhì)和鑄件一致。 在兩塊筋板下部分別設(shè)置外冷鐵，厚度為 40mm，最薄邊緣處 20mm，邊緣到中心倒角 100~250mm，為了操作方便，把冷鐵切成 40000~90000mm2大小的冷鐵，分布間隙控制在 10mm以內(nèi)。熱節(jié)部位凝固時(shí)，樹枝狀 晶體形成骨架時(shí)分隔其了包圍的液體部分，進(jìn)而形成微觀縮松，模擬結(jié)果證實(shí)了預(yù)測(cè)。 a) 凝固時(shí)間為 0s b) 凝固時(shí)間為 3247s 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 20 c) 凝固時(shí)間為 5187S d) 凝固時(shí)間為 6979s e) 凝固時(shí)間為 7464s f) 凝固時(shí)間為 10935s 33 原始工藝的凝固過程照片 167。圖 33 d)可以看出鑄件脊梁處和底部已經(jīng)出現(xiàn)孤立的液相區(qū)，這可能是由于補(bǔ)縮通道不暢通造成的。圖 33 b)可以看出鑄件先從鑄件小頭端底部和大頭端開始凝固。 圖 33分別顯示的是凝固階段不同時(shí)刻的液相分布圖（綠色為固相，紅色為液相）。 167。當(dāng)鑄件單元的 GR值小于某一臨界值時(shí) ， 該單元可能出現(xiàn)縮松 ， 所有可能出現(xiàn)縮松的單元的集合就表示縮松的分布 [16]。 4. 縮孔、縮松的判據(jù) 在華鑄 CAE 軟件中， 對(duì)于縮松出現(xiàn)部位是用 GR判據(jù)（也稱 Niyama 判據(jù)）進(jìn)行判斷 ， 式中 G為溫度梯度 ， R為冷卻速度 。本次模擬臨界固相線溫河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 19 度 %70)( ???? SLLS TTTT ，得臨界固相線溫度值為 1475℃ 。一般取鑄件的臨界固相率為 ，與此固相率所對(duì)應(yīng)的溫度稱為臨界溫度。溫度場(chǎng)界面參數(shù)如 表 33 所示： 表 33 溫度場(chǎng)界面參數(shù) （ .℃ 1 ） 鑄件 鑄型 冒口套 冷鐵 鑄件 鑄型 冒口套 冷鐵 3. 臨界固相線溫度的確定 在鑄件的凝固過程中，各個(gè)單元的凝固情況可以通過一個(gè)臨界固相率來判斷其凝固的情況。鑄件、鑄型之間存在氣層，使鑄件 鑄型邊界產(chǎn)生溫差。 表 32 溫度場(chǎng)初始化物性參數(shù) 物性參數(shù) 鑄件 鑄型 冒口套 空氣 密度 () 熱容 (.℃ 1) 導(dǎo)熱系數(shù) （ .℃ 1) 初始溫度 (℃ ) 1556 25 25 25 2. 邊界條件的確定 關(guān)于邊界條件，按凝固過程不同的冷卻條件主要遇到鑄件 鑄型邊界和鑄型 大氣界面。 1. 溫度場(chǎng)的初始化 初始條件是指 0 時(shí)刻的溫度分布，華鑄 CAE 純凝固計(jì)算只考慮凝固過程溫度河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 18 場(chǎng)的計(jì)算，而不考慮充型的影響，基于“瞬間充型，初溫均布”假設(shè)。方程式如下： ?????? ??????????? ??????????? ???????? ZTZYTYXTXTC ????? 式中， ? 表示金屬液密度； PC 為比熱容；τ為時(shí)間。實(shí)踐證明，從澆注充填到凝固冷卻，鑄件鑄型系統(tǒng)的傳熱過程是通過高溫金屬的輻射換熱、液體金屬與鑄型的對(duì)流換熱（包括鑄型表面與大氣的對(duì)流換熱）、金屬向鑄型導(dǎo)熱等三種方式綜合進(jìn)行的。 圖 32 網(wǎng)格剖分 167。 華鑄 CAE 采用的是直六面體網(wǎng)格 ，正常情況下，一個(gè)鑄件網(wǎng)格與周圍的鑄件網(wǎng)格至少有一個(gè)面相接觸。 華鑄 CAE 前處理模塊 提供“優(yōu)先級(jí)別”功能，這樣可以大大減少三維造型的河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 17 工作量。 STL文件的前置處理 前處理模塊包含造型和網(wǎng)格剖分兩大部分。圖 31 為溫度場(chǎng)計(jì)算分析流程圖。溫度場(chǎng)是判斷鑄件縮孔、縮松的基礎(chǔ)，它在鑄件凝固過程中起著決定性作用。 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 16 167。 華鑄 CAE 后處理軟件是將凝固過程中鑄件溫度場(chǎng)和流動(dòng)場(chǎng)等繁雜數(shù)據(jù)，通過直觀逼真的可視化、動(dòng)畫化的圖形圖像工具，即顯示表達(dá)模塊，使用戶能直接觀察到計(jì)算和仿真的結(jié)果。此外 計(jì)算分析模塊是將液態(tài)金屬充 型凝固過程看作是不可壓縮粘性流體的流動(dòng)來進(jìn)行多物理場(chǎng)的分析 ， 它可以由動(dòng)量方程、連續(xù)性方程、能量方程以及體積函數(shù)來描述。 計(jì)算分析模塊是對(duì)前處理模塊 剖分所得的離散模型進(jìn)行各物理場(chǎng)模擬分析?，F(xiàn)階段鑄造 CAE軟件的前處理模塊一般先借助于通用的三維造型軟件如 Pro/E、 UG、 Solidworks、 CAD等進(jìn)行三維造型，然后采用通用的 STL文件格式接口進(jìn)行銜接，然后進(jìn)行網(wǎng)格剖分。最后根據(jù)模擬分析的結(jié)果判斷工藝的優(yōu)劣 ， 如果工藝不可行 ， 則改進(jìn)工藝重新進(jìn)行模擬分析直至獲得一個(gè)比較滿意的結(jié)果 ， 這樣就實(shí)現(xiàn)了在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下優(yōu)化工藝的目的。 華鑄 CAE 的概述 華鑄 CAE/InteCAST鑄造工藝分析系統(tǒng)以鑄件充型過程、凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對(duì)鑄件進(jìn)行鑄造工藝分析，一般包括前置處理模塊、計(jì)算分析模塊以及后置處理模塊。這些先進(jìn)設(shè) 計(jì)、技術(shù)大大推動(dòng)了鑄造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期，大幅度降河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 14 低了廢品率，提高了鑄造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。 計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)（ CAM）在鑄造上的應(yīng)用主要是在工裝領(lǐng)域，包括鑄造模具、模板等。設(shè)計(jì)者先在三維 CAD 平臺(tái)上設(shè)計(jì)出一個(gè)鑄造工藝方案，然后利用CAE 進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)缺陷，發(fā)現(xiàn)問題，再根據(jù) CAE 的模擬結(jié)果在 CAD 上對(duì)方案進(jìn)行修改，再進(jìn)行 CAE 分析，如此往復(fù)直到得到滿意的工藝設(shè)計(jì)方案，根據(jù)優(yōu)化后的方案組織實(shí)際生產(chǎn)。眾所周知，鑄造是一個(gè)過程復(fù)雜、影響因素多、廢品率高的成形方式。目前常見的、成熟的、商品化的三維 CAD 造型平臺(tái)有 Pro/E、 UG、 Solidworks、 Solidedge 等。而利用 CAD 進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)不僅甩掉紅藍(lán)鉛筆，而且能夠完成工藝基本要素的設(shè)計(jì)與繪制（造型）任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展及在材料加工中的廣泛應(yīng)用，計(jì)算機(jī)也完全變 革了有著悠久歷史的鑄造領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型（ CAD）