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铸造计算机数值模技术及软件在铸件制造过程中的应用

发布时间:2009-08-19 来源: 浏览次数:7254

铸造计算机数值模技术及软件在铸件

制造过程中的应用

一、企业概况

陕西柴油机重工有限公司隶属于中国船舶重工集团公司。是我国舰船动力系统规模最大的中、高速大功率柴油机企业制造厂和海军舰船动力主要配套企业,是国家512家重点国有企业之一,全国保军脱困152家重点军工企业之一。陕西省“十五”期间首批制造业信息化工程示范单位。工厂现有在职职工5500余人,其中各类专业技术人员1000余人,中级职称近400人,高级职称130余人。

陕西柴油机重工有限公司(SXD)设有铸、锻、焊、热处理等热加工分厂,大、中、小零件机械加工分厂,工具、模具、油泵油嘴加工及总装试验等11个生产分厂。还设有产品设计研究所、工艺研究所、铸造研究所、综合技术处、技术检验处、理化计量中心、计算中心、用户服务部和质量管理处等技术和质量保证部门。
二、铸造计算机数值模技术及软件在铸件制造过程中的应用

1、铸造计算机数值模拟软件的应用

(1)如何利用铸造数值模拟软件优化铸件工艺?

首先依据图纸和铸造工艺方案,利用计算机进行三维实体造型,生成若干个STL格式文件,然后利用软件的网格自动剖分功能对铸件、铸型等实体进行网格剖分,得到计算部分所需的物质属性文件。接着利用计算处理模块进行流动场与温度场的计算,从这些计算中得到的流动场、温度场数据,再通过后处理功能将其可视化为各种可视的图形、图象、曲线和过程动画,以揭示充型过程和凝固过程的行为细节,为进行工艺决策和工艺优化提供可靠的定性定量的依据。

(2)铸造数值模拟软件的结构

前处理模块:主要负责网格剖分。

计算模块:主要用于铸造中充型过程中的流动与传热计算、凝固过程的传热计算。

后处理模块:后处理模块是一套将复杂数据可视化、动化化的图形图象工具,即显示表达模块。

经前2大模块处理后,从计算中得到铸件浇注、凝固过程的流动场、温度场以及结晶相变等物理过程详尽、完整的大量数据。由于这些数据是基于时空四维空间的物理量数据,非常繁琐、非常庞杂,不经过处理是无法阅读、无法识别的。后处理模块的任务就是分析、识别这些繁琐的数据,将其组织起来,构建出可视的三维图形,以模拟充型、凝固过程的视觉效果,显示充型过程流动场和温度场及凝固过程温度场的变化细节,让实物和过程动起来。

 根据充型过程流动场和温度场及凝固过程温度场的变化细节及相应的判据,可以得出铸件缺陷产生倾向及位置的判断,并为改进工艺提供依据,从而达到改进铸造工艺和优化铸造工艺的目的。

2、应用实例

(1)某型柴油机缸体是该柴油机所有铸件中结构最复杂、尺寸精度和铸造质量要求最高的铸件之一。机身共有20个缸孔,分2列(A列和B列)V型布置,夹角60°。机身外形尺寸为3550×1306×1090,毛重为5000Kg,主要壁厚及公差为10+1.0-0.5,最大壁厚为90,结构极为复杂。

某型柴油机缸体铸造工艺难点:(1)按专用技术文件,采用“石灰乳法”或“红色渗透法”检验铸件表面的气孔、渣孔、裂纹等铸造缺陷。(2)铸件内在质量要求严,铸件粗加工后,在轴承座和下缸孔部位进行超声波探伤,质量等级为3级,在曲轴孔和缸孔隔板部位进行X射线探伤,质量等级为CA1—CD1,并按专用技术文件要求,对水腔、气腔、油腔等进行密封性试验,(3)铸件材质及机械性能要求为:材质为QT500-7,抗拉强度≥500n/mm2,极限强度≥320n/mm2,延伸率≥7%,本体硬度HB170~240。

缩孔、缩松是球墨铸铁件生产中常见的缺陷,是产生废品的主要原因,长期以来一直没有得到彻底解决。铸件凝固过程数值模拟是预测缺陷的有效方法。工厂与西安交通大学合作开发大型复杂球墨铸铁件凝固过程数值模拟软件,预测收缩缺陷,进而优化工艺方案。

(2)某型柴油机为公司新引进并开发的先进柴油机,缸体铸件为直列式,共6缸,缸径:上缸圈为φ492±0.2mm,下缸圈为φ468mm;缸孔中心距:740mm。零件外形尺寸:长×宽×高=5055×1440×1885mm,主要壁厚:缸孔周围缸套冷却水腔和连接曲轴轴瓦部位为40mm;安装曲轴轴瓦部位为150mm;凸轮轴部位为30mm;底角板厚度为105mm;其余加强筋和壁厚为25mm和30mm,壁厚变化较大部位曲轴轴瓦位置,最大壁厚150mm。该缸体有曲轴轴瓦面,缸套冷却水腔;侧面无凸轮轴轴瓦面、阀顶杆孔和气腔;水腔要求密封性试验,零件外围形状复杂,法兰、搭子比较多。从整体上看,该缸体铸件壁厚比较均匀,结构较复杂。

毛坯重量: 18000Kg,材质:HT300 (按GB9439-88),机械性能:抗拉强度:≥300N/mm2 (单铸试棒)。

铸造工艺难点:铸件体积大,重量重,浇注重量约23吨;热节大而且多,壁厚大,如果冒口和冷铁设计不合理,容易产生缩松缺陷,难以保证铸件内外质量,铸造生产具有很大难度。我们利用华铸CAE软件的绝热技术,取缸体铸件的一部分进行了凝固数值模拟。

经过对最初的铸造工艺方案进行凝固数值模拟,发现冒口的尺寸和冒口颈的尺寸偏小,冷铁位置和数量不合理,经过将冒口的尺寸和冒口颈的尺寸调整和后冷铁位置和数量的变化和增加,重新进行了3次数值模拟计算,经过后处理的显示和判椐的判断,计算的结果比较满意,最终确定的缸体铸件铸造工艺的三维造型

经过生产,制造出的铸件经各项检验合格,为公司新型柴油机的研制和产品及早进入市场创造经济效益赢得了时间。

铸造数值模拟软件随着陕西柴油机重工有限公司计算机的大量应用逐渐显示出它较好的界面、强大的功能及适用性、良好的经济性和实用性,我们不但在柴油机的关键零件上使用它来优化铸造工艺方案和工艺参数,而且随着掌握它的技术人员数量的增加,利用它我们在柴油机的其他复杂零件如柴油机轴承盖、增压器支架、从动座等,多种材质的零件的铸造工艺进行优化设计,取得了良好的结果,现在,在铸造数值模拟软件的帮助下,我们对许多以前的零件铸造工艺进行了优化设计,提高了铸件质量。如今,我公司柴油机关键零件铸造质量合格品率大于95%以上。通过铸造数值模拟软件的应用,的确给陕西柴油机重工有限公司的铸造生产带来了良好的经济效益,提高了陕西柴油机重工有限公司铸造生产的实力。

3、结论

铸件凝固模拟软件在陕西柴油机重工有限公司铸件制造过程中的应用,使陕西柴油机重工有限公司拥有了包括铸铁、铸钢、铸铝三个方面的铸造模拟分析的手段和技术。通过铸造模拟软件的应用,使陕西柴油机重工有限公司铸造生产工艺更加合理,成品率更高,经济效益更好。自应用铸件凝固模拟软件后,陕西柴油机重工有限公司的铸件质量有了大幅度的提高,过去长期存在的质量问题得到根本的解决。某些零件的合格率有过去的40%-50%提高到80%-90%以上。在提高产品质量的同时,也为企业带来可观的经济效益。仅铁道部16V280缸体毛坯一项,已为工厂累计新增产值超过2000万元。经过长期的经验积累使工厂的铸造工艺文件格式、类似零件特别是某些典型工艺文件的工艺编制做到了相似或统一。随着工厂铸件凝固模拟软件的进一步深入应用,特别是铸造工艺专家库的建立,将会为工厂的新机研制及市场快速反应能力发挥其重要作用。

三、经验和工作体会

1、 企业主要领导亲自负责是企业信息化成功的关键。我厂由一名付厂长主抓信息化建设工作。工厂成立信息化工程领导组织机构,并由信息化工程领导小组、总师办、计算中心、项目专业小组为企业信息化工作提供组织保障。

2、“统筹规划、分布实施、突出重点、注重实效”是陕西柴油机重工有限公司信息化建设的基本原则,着力解决产品设计、工艺设计过程中的问题是企业信息化技术推广的重点之一。应用注重实效。

3、重视人才的培养。陕西柴油机重工有限公司在信息化建设过程中,培养了一批计算机应用技术和企业管理的复合型人才。在工厂计算中心和职工教育培训中心的共同努力下,共为企业培训计算机管理人员、CAD/CAPP/CAM/CAE工程技术人员、计算机财务管理等各类计算机应用人才500人以上。

4、在资金方面,坚持增量投入,滚动发展。

四、结束语

纵观陕西柴油机重工有限公司信息化工作的现状,陕西柴油机重工有限公司信息化工作还处在发展阶段,工厂的基础管理水平离工厂的快速发展的要求还有很大的差距,各部门计算机应用和发展还很不平衡。企业现有的管理体制在一定程度上制约了信息化工作的发展。企业目前正在按照信息化长远发展规划的目标,继续加大信息化建设的投入,加快信息化技术应用的步伐,使信息化为陕西柴油机重工有限公司快速的发展发挥其重要的作用。

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