挂舵臂铸造成形过程的计算机模拟毕业论文(编辑修改稿)

挂舵臂铸造成形过程的计算机模拟毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

艺措施补足铸件外形收缩，补充钢液体积减小，弥合缩孔缺陷，得到合乎质量要求的铸件。 167。 挂舵臂铸件中缩孔位置的确定 一般认为缩 孔形成在金属长期处于液体状态的地方，即在被称为“热节”处。 形状简单的铸钢件，如球形、圆柱形，根据形状可大致判断缩孔出现的位置。 形状复杂的铸钢件必须根据铸件各部分壁厚情况进行分析。 有时一个铸件分成几个 区域同时凝固，缩孔位置呈分散状态；有时一个铸件结构恰好形成顺序凝固，缩河南科技大学毕业设计 (论文 ) 10 孔位置则集中在最后凝固处。 在生产实践中，近似地求集中缩孔位置的常用方法是用“结晶等温线法”和“内切圆法”（如图 24）。 “结晶等温线法”一般用于形状较为简单的铸钢件。 在铸件断面上自冷却表面开始，相应于结晶温度的状况画出与铸件传热方向相垂直的 等温线。 在同一等温线上各点同时达到碳钢的固相线温度，划分到在最狭小的断面上相接触为止 [8]。 此时，等温线不相毗连的地方就会有缩孔出现。 图 24 缩孔位置的确定 近似地求集中缩孔位置的另一种方法是“内切圆法”。 所谓“内切圆”，即在铸件上“热节”处所能画出的最大内切球体，通常称为“热节圆”。 计算热节圆有两种方法。 第一种方法需先在图纸上用 1∶ 1比例画出铸件热节处的形状，然后再画出的内切圆即是热节圆。 此法应用较普遍。 第二种方法是公式法，用于计算形状规则的热节处，例如铸件中的“ T”字形筋，“ +”字形筋的热节圆。 内切圆直径大于铸件壁厚的部位凝固较晚，叫做铸件的“热节点”。 “热节点”由于较厚大，冷却速度小于相邻的铸件壁。 “热节点”凝固时如果得不到钢液的补缩，就会在该处形成缩孔。 接下来，结合 “内切圆法”的原理和挂舵臂铸件的 结构 来确定挂舵臂的热节 ，进而预测缩孔缺陷。 由挂舵臂铸件结构可知，大舵轴孔（图 25 a)）、小舵轴孔（图25 b)）与脊梁处（图 25 c)）存在较大热节。 流线型侧曲面的厚度均匀，无厚大热节，可顺序凝固，不易产生缩孔、缩松缺陷。 而 筋板的根部 （图 25 d)）相对于厚度均匀的侧曲面为热节部位，不易 进行顺序凝固，热节处不能得到补缩而形成缩松，影响挂舵臂质量 [9]。 在 生产实际中， 挂舵臂的热节 确实 出现在厚大的壁、厚大的壁和舵轴孔的联接处和筋板的根部。 河南科技大学毕业设计 (论文 ) 11 a) 大舵轴孔处 b) 小舵轴孔处 c) 脊梁处 d) 肋板处 图 25 挂舵臂热节处 167。 挂舵臂铸件生产中缩孔的防止 凝固区域的存在是产生缩孔的根本原因，而凝固区域宽度是影响缩孔分布的重要原因。 挂舵臂铸件的 材质为低碳钢，低碳钢结晶温度范围窄，在凝固过程中铸件断面上的凝固区域很窄，以逐层凝固方式进行凝固，易产生集中性缩孔。 工艺上容易对集中缩孔缺陷进行补缩。 在实际的生产当中防止铸件中产生集中缩孔的工艺措施主要有以下两种： 1. 以直接补注法消除缩孔 消除缩孔的理想情况是在浇注过程中边浇边凝固，使所有的液态的和凝固期的体积收缩全部在浇注过程中得到补偿。 此法常用于钢锭的铸造中，而在成形铸造时很少使用。 只有在铸件形状简单、具有敞露的、不凝固的表面，通过这表面可以进行补缩时才有可能实现。 河南科技大学毕业设计 (论文 ) 12 2. 用冒口补缩铸钢件 所谓“冒 口”是铸件上附加的突出部分，它装置在铸件上，以使钢液能有此流入铸件补充内部收缩。 显然冒口是一附加的容积。 补缩过程是钢液由自身的重量或由附加的压力不断流到正在结晶的部分中去，一直到由该“冒口”补缩的部分完全凝固为止。 用冒口补缩铸件克服了直接补注法的缺点，几乎不论铸件的形状如何，都可以在需要的地方装置冒口对铸件进行补缩。 但要注意的是，冒口中的钢液也要结晶，因此使其中一部分金属不能利用，所以冒口的实际尺寸远大于铸件中被补缩的缩孔尺寸，此外冒口中不能利用的凝固金属还要从铸钢件上割除。 所有这些均造成非生产性消耗，从两 方面来看，正确地装置冒口及确定其实际需要的尺寸在生产中具有非常重要的意义。 河南科技大学毕业设计 (论文 ) 13 第三章 挂舵臂成形过程温度场数值模拟及工艺优化 167。 计算机技术在铸造生产中的应用 众所周知材料液态成形 — 铸造，就是将熔融的液态金属注入模型，在模型中凝固、冷却、成形，从而得到特定结构（形状）的产品。 中国是铸造古国，有着几千年的辉煌历史。 但在这几千年历史的绝大部分时间内，铸造是一种技艺，凭借的是经验，方式是手工，“睁眼造型，闭眼浇注”就是这一状况的生动写照。 随着计算机技术的飞速发展及在材料加工中的广泛应用，计算机也完全变 革了有着悠久历史的铸造领域，计算机辅助设计造型（ CAD） 、计算机辅助分析（ CAE）、计算机辅助制造（ CAM）与其他先进技术在铸造领域得到了广泛的应用，并已成为铸造学科的技术前沿和最为活跃的研究领域。 传统的液态成型工艺的设计都是基于人工的、经验的，利用红蓝铅笔直接在图纸上画出铸造工艺。 而利用 CAD 进行工艺设计不仅甩掉红蓝铅笔，而且能够完成工艺基本要素的设计与绘制（造型）任务。 随着三维造型理论和实用技术的日趋成熟，基于三维的铸造工艺 CAD 系统具有几何信息的完整，易于与铸造工艺CAE 系统、铸造工装 CAD/CAM 系统衔接，可实现数据共享，设计结果直观，可方便地生成二维工程图样等。 目前常见的、成熟的、商品化的三维 CAD 造型平台有 Pro/E、 UG、 Solidworks、 Solidedge 等。 液态成型 CAE 技术主要包括充型流动过程模拟、结晶凝固过程模拟、应力 /应变分析、微观组织模拟等。 众所周知，铸造是一个过程复杂、影响因素多、废品率高的成形方式。 但是铸造过程模拟技术（ CAE）与 CAD 技术相结合完全改变了传统模式。 设计者先在三维 CAD 平台上设计出一个铸造工艺方案，然后利用CAE 进行模拟分析，预测缺陷，发现问题，再根据 CAE 的模拟结果在 CAD 上对方案进行修改，再进行 CAE 分析，如此往复直到得到满意的工艺设计方案，根据优化后的方案组织实际生产。 国内外商品化数值模拟软件 [10]的简介见表 31 所示。 计算机辅助制造技术（ CAM）在铸造上的应用主要是在工装领域，包括铸造模具、模板等。 随着技术的进步，目前绝大部分铸造模具、模板的制造都采用了 CAM 技术，由数控机床完成，并且大都实现了 CAD/CAM 一体化。 这些先进设 计、技术大大推动了铸造行业的技术进步，缩短了新产品的开发周期，大幅度降河南科技大学毕业设计 (论文 ) 14 低了废品率，提高了铸造企业的竞争力。 表 31 国内外商品化数值模拟软件的简介 （ T 为砂型铸造， F 为低压铸造， S 为金属型铸造） 系统名称 国别 模拟方法 功能模块 应用范围 MAGMA 德国 FDM 造型，流动，应力，凝固，微观， CAD 接口 各种铸造， T， F，S ProCast 美国 FEM 造型，凝固，流动，应力，微观， CAD 接口 各种铸造， T， F，S Novacast 瑞典 FDM 流动，凝固 各种铸造， T， F CastTech 芬兰 FDM 造型，凝固，流动，微观，CAD 接口 各种铸造， T CASTEM 日本 FDM 流动，凝固， CAD 接口 各种铸造， T， S 华铸 CAE 中国 FDM 流动，应力，凝固，微观，CAD 接口 多种铸造， T， F SIMULOR 法国 FDM 流动，凝固， CAD 接口 多种铸造， T， F 167。 华铸 CAE 的概述 华铸 CAE/InteCAST铸造工艺分析系统以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心对铸件进行铸造工艺分析，一般包括前置处理模块、计算分析模块以及后置处理模块。 前置处理模块包括对铸件、砂芯、铸型等的三维造型和网格剖分 ，计算分析模块是对铸件 、 铸型的各物理场进行求解 ， 后置处理模块是把计算结果以曲线、 图形、图像以及动画等表达方式直观有效地表达出来。 最后根据模拟分析的结果判断工艺的优劣 ， 如果工艺不可行 ， 则改进工艺重新进行模拟分析直至获得一个比较满意的结果 ， 这样就实现了在计算机虚拟环境下优化工艺的目的。 前处理模块包含造型及网格剖分两大部分。 现阶段铸造 CAE软件的前处理模块一般先借助于通用的三维造型软件如 Pro/E、 UG、 Solidworks、 CAD等进行三维造型，然后采用通用的 STL文件格式接口进行衔接，然后进行网格剖分。 网格自动剖分是基于有限差分均匀正交网格的剖分，实际上使用尺寸相同的小立方体去近河南科技大学毕业设计 (论文 ) 15 似被剖 分的实体，近似程度与实体的复杂程度和小立方体的数量有关。 计算分析模块是对前处理模块 剖分所得的离散模型进行各物理场模拟分析。 计算分析模块一般包括如下步骤：首先要将数学模型进行离散，求出前处理模块所得到的离散模型所对应的离散格式；然后设置对应的初始条件和边界条件；最后进行求解并保存各物理场的分布情况 [12]。 此外 计算分析模块是将液态金属充 型凝固过程看作是不可压缩粘性流体的流动来进行多物理场的分析 ， 它可以由动量方程、连续性方程、能量方程以及体积函数来描述。 动量方程为： ）（）（ 222222x z uy ux uzuwyuvxuux1gtu   P ）（）（ 222222y z vy vx vwvwyvvxvuy1gtv   P ）（）（ 222222s z wy wx wzwwywvxwuz1gtw   P 连续性方程为： 0zwyvxu  能量方程为： QTTTTTTT  ）（）（）（）（ zzyyxxzwyvxutc p  体积函数为： 0zwyvxu。