何春華

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林 537005）

模擬技術在鑄造工藝設計中的應用

何春華

（廣西玉柴機器股份有限公司，廣西玉林 537005）

基于鑄造企業(yè)工藝流程復雜、制造時間長的特點，造成新產品開發(fā)時間過長的原因，在開發(fā)前期采用鑄造模擬技術先對制造過程進行模擬，從而優(yōu)化產品結構，優(yōu)化鑄造工藝設計，提高產品一次開發(fā)成功率，達到縮短產品研發(fā)周期的效果。

模擬；鑄造工藝；新產品

現(xiàn)在的鑄造過程模擬技術日趨成熟，模擬技術不僅能模擬鑄造鐵液的充型情況，更可以模擬鐵液凝固全過程、應力分布等。

在進行新產品開發(fā)中，為了提高新產品的一次鑄造成功率，縮短開發(fā)時間，把模擬技術應用到工藝設計當中，對設計出來的鑄造工藝進行模擬，為改進澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等提出一些意見和建議，從而提高工藝設計質量，盡量減少鑄造缺陷的發(fā)生。

1 傳統(tǒng)工藝設計流程

傳統(tǒng)的鑄造工藝設計（圖1）是依靠經驗來指導工藝設計，往往會認為鐵液充型速度越快，產生澆不足、冷隔等缺陷越少，但是澆注速度過快，所帶來的其它問題則無法判斷。傳統(tǒng)工藝設計在還沒有生產出具體實物時，是無法有效地判斷出零件氣孔、崩砂、縮孔的產生位置。若整體的工藝方案不合理，可能會導致無法做出合格的產品，需要多次重復地制造出產品來驗證工藝，浪費大量的時間、金錢，同時影響到新品研發(fā)的進度。

圖1 傳統(tǒng)鑄造工藝設計流程

2 采用模擬技術的工藝設計流程

采用模擬技術（圖2）應用到鑄造工藝設計中,主要是在設計時增加對工藝設計的驗證，優(yōu)化工藝設計，避免時間和實物上的浪費。相對于傳統(tǒng)工藝設計來說，它的設計周期會有所增加，但與傳統(tǒng)工藝設計中用制造實物來驗證工藝的時間相比少了許多，同時還避免了生產上的浪費，可以使產品一次制造到位，提高新品的開發(fā)進度。

圖2 采用模擬技術的工藝設計流程

3 模擬技術在鑄造工藝設計中的應用

（1）從設計處得到需要開發(fā)產品的三維模型后，先組織相關技術人員、專家對產品的可制造性進行評審。

（2）組織鑄造經驗相對豐富的人員對產品的鑄造工藝方案評審。

（3）鑄造工藝設計人員開始按工藝方案評審要求進行工藝設計。

（4）工藝設計完成后，再由鑄造相關專家對具體的工藝進行評審，確定是否可以用于模擬。

（5）采用模擬軟件對已通過評審的工藝進行鑄造過程模擬。

（6）再次組織鑄造專家對模擬結果進行評審，對鑄造過程模擬出現(xiàn)的問題進一步分析討論，對需要優(yōu)化的部位進行工藝優(yōu)化；若鑄造過程模擬沒有出現(xiàn)什么影響質量的問題，則可進行模具制造，生產毛坯。

4 實例應用

下面以具體的鑄造工藝設計為例，說明模擬技術在工藝設計中如何應用。

在此不對傳統(tǒng)工藝設計部分展開說明，直接用模擬結果進行分析說明。改進前與改進后兩種方案所設定的澆注速度、鐵液重量、鐵液成分、鐵液溫度等參數(shù)都是一樣的，只是把橫澆道的截面積及形狀做了一些優(yōu)化；把內澆口的平行進水改成了喇叭口方式進水，從而降低鐵液對型腔的沖刷。通過兩種不同方式的對比，可看出模擬技術在鑄造工藝設計當中的重要性。

下面所論述的模擬結果均是采用MAGMA軟件進行的氣缸體充型模擬。

圖3、圖4中，黃色（淺色）部分表示已充型的型腔。從圖可以看出，圖3澆注時橫澆道沒有充滿，集渣包沒有起到作用，不能防止渣、砂被吸入，容易導致鑄件出現(xiàn)缺陷。圖4澆注時，橫澆道快速充滿鐵液，澆注時帶進的渣及散砂能及時浮起，防止被吸入型腔。

圖 5、圖 6 的不同顏色代表不同的充型速度。內澆口優(yōu)化前，充型速度非常高，高達 1.6m/s；內澆口優(yōu)化后，鑄型的充型速度明顯降低，速度在1.2m/s左右。從鑄造的角度來看，鐵液充型速度過快，沖刷強度過高會容易導致沖崩砂，導致砂眼等缺陷的產生。澆注系統(tǒng)優(yōu)化前與優(yōu)化后的澆注速度是一樣的，但是充型速度有所差別，降低了鐵液對鑄型的沖刷，減少崩砂等缺陷的產生。

以上只是對充型過程的模擬分析，觀察充型過程中有可能發(fā)生的質量隱患，從而對澆注系統(tǒng)進行優(yōu)化。鑄件的凝固過程同樣也會影響到產品的質量，工藝設計合理與否，直接導致鑄件熱節(jié)位置的不同，影響到鑄件的凝固質量，導致鑄件出現(xiàn)縮孔或縮松。通過模擬可以直接看出凝固過程中，哪些位置會出現(xiàn)熱節(jié)，哪些位置產生的縮孔較大，從而優(yōu)化澆注系統(tǒng)或改進工藝設計，防止縮孔、縮松的產生，提高產品的質量。

5 分步模擬方法

因所用于模擬的機體、缸蓋模型都比較大，模擬所耗費的時間會很長。因此我們不能按常規(guī)的辦法全部設計完成后再進行模擬，以下講述分步模擬的方法。

（1）拿到產品三維模型后，直接用產品的三維模型先模擬分析凝固過程，省去充型過程的模擬。先對產品凝固模擬進行分析，在容易產生縮孔的部位增加冒口設計或采用工藝方式減少縮孔的發(fā)生。優(yōu)化后，再重新模擬，直到滿意為止。

（2）對鑄件澆注系統(tǒng)進行過程模擬，因機體或缸蓋的結構較為復雜，若澆注系統(tǒng)和產品一起模擬分析，則時間會很長。這種情況下，可以取一個重量與產品相差不多，結構相對簡單的模型用于分析，有利于縮短模擬時間。

（3）把模擬優(yōu)化后的產品和澆注系統(tǒng)組合在一起，全面模擬一次充型和凝固過程，對工藝設計進行確認。

6 總結

（1）澆注系統(tǒng)設計的好壞，直接會影響到產品的質量問題，設計得不合理，會導致吸入大量的渣或砂。為保證產品質量，采用模擬充型的辦法先對澆注系統(tǒng)進行模擬，從而可以提前優(yōu)化澆注系統(tǒng)，可以避免澆注系統(tǒng)的不合理。

（2）澆注速度過高會導致鑄型崩砂，鑄件產生缺陷。通過模擬充型，可以在保證澆注速度的同時，降低鐵液對鑄型的沖刷速度，減少鑄型崩砂。

[1]許曉燕.鑄造成本核算電算化在我廠的應用[J].鑄造,2010,59（7）：679-684.

[2]郝良品，田衛(wèi)星，鄭洪亮，等.定向凝固過程的數(shù)值模擬進展[J].鑄造，2007，56（7）：704-707.

[3]李魁盛.鑄造工藝設計基礎[M].北京：機械工業(yè)出版社，1980.

Application of Simulation Technology on Foundry Technology Design

HE ChunHua
(Guangxi Yulin Diesel Engine Machine Co.Ltd.,Yulin 537005,Guangxi China)

Foundry simulation technology has been adopted in prophase of developing new castings products to simulate manufacturing process so as to optimize product structure and foundry technology design hence higher success in developing and shorter developing cycle of products have been done.

Simulation;Foundry technology;New product

TP391.99;

A；

1006－9658（2012）03－0035-3

2012－01－17

稿件編號：1201－007

何春華（1980-），男，助理工程師，主要從事鑄造工藝、工裝設計等工作