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1、机械制造基础铸造过程仿真技术,材料科学与工程学院,铸造凝固过程仿真模拟研究室,内容介绍,（1）铸造工艺设计；（2）铸造模拟软件简介；（3）铸造CAD/CAE集成；（4）铸造模拟技术发展趋势；（5）实例应用；（6）凝固微观组织模拟研究,铸造模拟技术发展趋势,（1）由宏观模拟向微观模拟发展 可以预测组织、结构、性能，从而调整生产工艺，生产出理想的凝固组织，达到优良的综合力学性能。（2）单一分散向耦合集成方向发展 流场、温度场、应力/应变场、组织场等之间的耦合，以真实模拟复杂的实际热加工过程。（3）共性、通用向专用、特性方向发展*解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题：压铸、低压铸造、金属型铸造、实型
2、铸造、连续铸造等特种铸造。*解决铸件的缺陷消除问题,铸造模拟技术发展趋势,（4）重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究 重视在热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精确的基础数据获得与积累等基础性研究（5）重视物理模拟及精确测试技术（6）在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集成，成为先进制造系统的重要组成部分*产品、模具CAD/CAE/CAM/RPM系统集成*与PDM（Product Data Management）系统集成,铸造模拟软件简介,铸造模拟软件可以对铸件形成过程中流场、温度场进行模拟，并且能够对铸造过程中产生的缺陷（如浇不足，冷隔，缩孔缩松缺陷）进行预测，从
3、而对铸造过程所涉及的工艺参数工艺方案等做出评价和优化，达到降低铸造废品率，节省材料和劳动力，最大可能在降低成本，以及大幅度在缩短铸造工艺定型周期。,软件组成及功能,系统功能特点：（1）软件适合于多材质（铸钢、铸铁、铸造有色合金等），多种铸造方法（普通砂铸、金属型铸造、精密铸造、低压铸造、压力铸造、消失模铸造等）。（2）系统具有开放的数据库体系，包括200多种铸造材料参数并且用户根据需要可以自行添加材料数据库。（3）系统软件中文界面友好、操作方便。系统运行环境 硬件（推荐配置）：PIV 2.8CPU；内存512M，硬盘40G。软件：Win2000、WinNT、Window XP等操作系统,软件组
4、成及功能,3软件产品系列 砂型重力铸造CAE 砂型低压铸造CAE 金属型重力铸造CAE 金属型低压铸造CAE 熔模精密铸造CAE 压力铸造CAE.差压铸造CAE.消失模铸造CAE,软件组成及功能,铸造模拟软件,前处理,模型建立,网格剖分,凝固模拟,充型模拟,缺陷预测,模拟计算,后处理,数据库,应力模拟,一铸件的材质和结构,铸件的三维图,一铸件的材质和结构,该铸件为火车轴的侧架，铸件的材质为 B级钢，（即C25钢）该铸件属于箱式结构，复杂薄壁铸件，轮廓尺寸为2235mm565mm420mm，质量为314KG，体积为4.0107mm3。内腔连接筋较多，平均壁厚25mm,最大厚度为31mm。中央导框
5、框磨耗板面不加工，外导框间距、滑槽中心多个圆孔等配合面尺寸要求高。,二铸造工艺方法的选择,综合分析该铸件，选择用砂型铸造，由于该铸件为大型铸件，结构复杂。外型采用Z2520II型造型机，一箱一件，水玻璃砂；手工制芯，一箱一件 过桥浇注。,三分型面选择,分型面在侧架纵向中心平面；为保证侧架滑槽的尺寸精度，将其设置在下型，铸号面位于上型。,四工艺参数的确定,1、铸件最小铸出壁厚：砂型铸造最小铸出壁厚为68mm，所以该铸件可以采用砂型铸造。2、铸件最小铸出孔：铸钢件最小铸出孔为60mm，所以该铸件所有孔都不需要铸出。3、铸件的尺寸公差：规定该侧架铸件一般公差按HB6103-1986 CT7。4、机械
6、加工余量：据铸造工艺设计表1-13知砂型铸造机械造型铸钢件等级为EH，这里取H为+7mm。,五砂芯设计,根据铸件结构知，需要模样一套，芯盒18个，具体如工艺图上所示，其中下芯顺序为17、18-16-12-7、8-9、11-10、12-15-2、3-4、5-14-6、13 1#芯与16#芯不留芯头间隙，其余砂芯上箱芯头间隙1mm，下箱芯头间隙0.5mm；砂芯分段部位做成直面，芯盒做稍板。下面的下芯芯座周边做出R3mm集砂槽；16#减轻如图，7#（8#）芯做减轻，吃砂量大于50mm。,六浇注系统设计,由于该铸件的材料为B级钢，采用转包式浇注系统，大铸件，从铸件外导框端头引入钢液，采用过桥浇注，一箱
7、一件。1、确定包内直径：采用10t漏包，45mm包孔浇注铸件 2、浇注时间：t=Q/q=447/42=10.6s,浇注过程中，应遵循缓流全速缓收流的浇注原则，且由于改侧架壁厚偏厚，因此点浇冒口3次。,3、按包孔断面确定浇注系统各断面 采用过桥水口两个内浇道由分型面引入，根据F孔F直F横F内=1：（1.82）:(1.82):2确定直浇道、横浇道、内浇道的断面尺寸为：直浇道为圆形断面2个452mm：横浇道为梯形断面2个（50.60）50mm:内浇道为梯形断面2个（50.60）50mm。直浇道截面示意图,内浇道截面图 外浇道与内浇道尺寸一致确定各道长度：直浇道高度为420mm，横浇道长度为170mm
8、,内浇道长度为20mm。,七冒口设计,1.上侧冒口设计：运用模数法1）铸件模数：外侧导框结构如图所示,热节圆直径=34 mm,则其模数M件=/2=17 mm。2）冒口模数：保温冒口的模数 M保=0.8M件=0.817=13.6 mm。3)选择冒口：2#保温冒口套的尺寸如图 所示,其模数为14 mm。M41#M保,因此可以选用。,3、铸件工艺出品率的校核,八冷铁的设计,分析铸件整体结构,通过view cast模拟结果：铸件需要在侧壁安放方形冷铁，冷铁长、宽、高各尺寸分别为30、30、30(单位mm)，在中央圆凸台上其尺寸大小为直径为40，高度为30mm 圆冷铁,第二章 侧架铸件工艺优化,一、三维
9、实体造型 二、凝固过程计算机模拟 三、铸件充型过程数值模拟四、加上浇注系统的模拟,一、三维实体造型,运用Pro/E对吊架前侧架铸件及其工艺进行三维实体造型：,二、凝固过程计算机模拟,运用view cast软件对铸件进行三维实体网格剖分，铸件充型流场、温度场等模拟，铸造缺陷预测，铸造缺陷分析，添加冒口、冷铁等工艺设计及优化。借助该软件，可以实现对铸件形成过程中的流场、温度场、热应力场进行模拟，并且能够对铸件生产过程中的缺陷（如浇不足,冷隔，缩孔缩松等缺陷）进行预测，从而实现对铸造过程所涉及的工艺参数、工艺方案做出评价和优化，达到降低铸造废品率，节省材料和劳动力,最大可能的降低成本,以及大幅度地缩
10、短铸造工艺定型周期。,1、运用view cast软件对原始铸件进行凝固场模拟首先进行网格剖分,网格剖分完成后,开始进行凝固模拟，选择Solver下拉菜单中的Solidification进行个参数的设定，参数设定完成后点开始计算。,2、加上冒口及冷铁初步模拟，分析上图，其顶部凸台位置的冒口颈处还有缺陷，分析可知其冒口颈太细，需要加大冒口颈，,修改工艺后再次模拟，结果如图改进冒口以后基本没有大的缺陷了，但图中还有一些小的缺陷，在图中黄色部位容易形成缩松，修改工艺，加冷铁,三、铸件充型过程模拟首先划分网格，其充型如图所示,充型1%,充型30%,充型60%,充型100%,四、加上浇注系统的模拟,1.加
11、上浇注系统的凝固缺陷图,2、铸件凝固过程模拟,凝固15%,凝固50%,凝固85%,凝固98%,软件组成及功能,4具体功能（1）前处理模块 铸造三维工艺组装图,软件组成及功能,（2）温度场模拟 此模块可以可以判断补缩系统的合理性：计算铸件凝固冷却过程中随时间的温度变化。,铸件温度场和凝固过程模拟,软件组成及功能,（3）流场模拟模块 随时间流动位置 预测浇不足 随时间压力分布 流动过程温度分布,铸件流场和矢量模拟,软件组成及功能,（4）缺陷预测缩孔缩松缺陷预测，可定量描述铸件中的缺陷位置,铸件缺陷位置预测,软件组成及功能,（4）材料数据库模块 建立了各种铸造材质与温度有关的热物理数据，用户也可以添
12、加新材质的热物理参数，如液固相温度、潜热、热容、热传导系数、密度、粘度等。,密度参数,导热率参数,软件组成及功能,（5）后处理模块 主要实现对温度场、流场及缺陷预测的计算结果进行可视化处理，从而可实现在计算机上可直观显示铸造过程的各种现象。后处理显示形式为：整体显示结果 不同截面显示结果 流动及凝固动态显示结果 旋转、缩放显示 流动矢量显示,实际生产运用 砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱工艺图,实际生产运用 砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱充型模拟,实际生产运用 砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱温度场模拟,实际生产运用 砂型重力铸造（实例1）,应
13、用实例,发动机下曲轴箱凝固过程模拟,实际生产运用 砂型重力铸造（实例1）,应用实例,发动机下曲轴箱致密度预测,实际生产运用 砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座铸造工艺装配图,实际生产运用 砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟,实际生产运用 砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟状态图,实际生产运用 砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座温度场模拟,实际生产运用 砂型重力铸造（实例2）,应用实
14、例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座浇注过程模拟状态图,实际生产运用 砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析,实际生产运用 砂型重力铸造（实例2）,应用实例,材料：ZG1Cr18Ni12Mo2Ti,船用炮座缺陷位置剖析,实际生产运用 砂型重力铸造（实例3）,应用实例,材料：CF-8M，铸件模拟工艺和实际生产工艺图,实际生产运用 砂型重力铸造（实例3）,应用实例,材料：CF-8M，铸件模拟缺陷各实际生产剖析对比,实际生产运用 砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体工艺图,实际生产运用 砂型低压铸造（实例4）,应用
15、实例,十二缸发动机箱体充型过程模拟,实际生产运用 砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体温度场模拟,实际生产运用 砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体凝固过程模拟,实际生产运用 砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体缺陷位置,实际生产运用 砂型低压铸造（实例4）,应用实例,十二缸发动机箱体实体,实际生产运用 熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件工艺图,实际生产运用 熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件充型模拟,实际生产运用 熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件凝
16、固过程模拟,实际生产运用 熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件缺陷预测,实际生产运用 熔模精密铸造（实例5）,应用实例,材料：CF-8M，85KG泵壳铸件缩松预测,实际生产运用 高压铸造（实例6）,应用实例,材料：铝合金，4.5kg压铸铸件工艺图,实际生产运用 高压铸造（实例6）,应用实例,材料：铝合金，4.5kg压铸铸件充型过程,实际生产运用 高压铸造（实例6）,应用实例,材料：铝合金，4.5kg压铸铸件充型状态,最后充型位置,实际生产运用 消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件工艺装配图,实际生产运用 消失模铸造（实例7
17、）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件充型模拟,实际生产运用 消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件温度场模拟,实际生产运用 消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件凝固过程模拟,实际生产运用 消失模铸造（实例7）,应用实例,材料：QT450，630KG工程机械后桥铸件缺陷预测,微观组织模拟研究工作,中心从2000年开始进行微观组织模拟技术的研究工作，经过3名硕士研究生和 2名博士生的研究，在相场法模拟枝晶生长方面取得了一定的进展。现已着手对多晶粒、多尺度的组织模拟以及共晶合金的形核、生长机理做进一步
18、的探索。,枝晶生长过程模拟结果,首先晶核从圆形转换为方形,接着出现四个主干并且此从生成二次枝晶和三次枝晶.,噪声的影响,(a),(b),无噪声(a)相场;(b)温度场,(a),(b),有噪声(a)相场;(b)温度场,枝晶出现一些分支,枝晶是光滑的,初始半径的影响,枝晶尖端半径和枝晶尖端生长速度的影响,空间步长对枝晶尖端半径和尖端生长速度的影响,空间步长的影响,不同空间步长对枝晶形貌的影响,x=1.2 x=1.4 x=1.6 x=1.8,x=0.2 x=0.4 x=0.6 x=0.8 x=1.0,随着空间步长的增大,枝晶形貌变形越大.所以空间步长在计算过程中选择必须合理.,空间步长的影响,各向异
19、性因子的影响,枝晶尖端半径(mm),枝晶尖端生长速度(m/s),Radius,Velocity,各向异性系数,对枝晶尖端生长的影响,各向异性因子对枝晶形貌的影响,研究表明随着各向异性因子的增长,枝晶尖端越来越尖锐,生长速度越来越快.枝晶尖端生长速度成线形关系 而枝晶尖端半径成抛物线形式.,过冷度的影响,研究表明在低过冷度条件下,包裹晶粒的热扩散层厚一些.所以扩散受到影响,尖端生长也受到抑制,枝晶尖端光滑.,研究表明在高过冷度条件下,包裹晶粒的热扩散层薄一些.所以扩散加快,促进了尖端生长也加快了二次枝晶生长.,模拟结果和实验结果的比较,Fig(a)本次研究所获得的计算结果.Fig(b)国内清华大学的计算结果1.Fig(c)Glicksman 的实验结果 2.Fig(d)Esaka的实验结果3.,共晶合金的枝晶模拟,谢 谢,
