铸造工艺设计及模拟CASTsoft技术在大型采矿设备铸件生产中的应用

杨在国，杨扣华，杭有锋（江苏泰康安全环境科技有限公司,江苏 泰州 225300）

铸造工艺设计及模拟CASTsoft技术在大型采矿设备铸件生产中的应用

杨在国，杨扣华，杭有锋
（江苏泰康安全环境科技有限公司,江苏 泰州 225300）

摘 要：随着国内社会经济水平提升及计算机技术的持续发展，人们不断将仿真技术充分运用于铸造实际生产及实践研究中，发达国家已经全面实现了铸造工艺仿真设计高效率运用，促使铸造工艺仿真内容及方式与形式有着本质性变化。铸造工艺设计直接关系着铸件质量，本文分析了铸造工艺设计及模拟CASTsoft技术在大型采矿设备铸件生产中的应用，并提出了实用性应用措施。

关键词：铸造工艺；模拟CASTsoft技术；采矿设备；铸件

0 前言

现阶段，国内绝大多数铸造企业均是运用以往传统式工艺试错法展开铸件生产。传统式铸造工艺设计方式可以说通常是依赖于直觉及经验，铸件结构简单或者是铸造类似铸件时相关经验是主要因素，关于一些大型且复杂的铸件浇注时往往经验缺失，仅仅是通过重复性工艺实践来确定适宜的工艺。往往某些工艺出现极大失误时就极有可能将工艺方案彻底推翻。经过工艺重复性实践确定适宜的工艺方式，极有可能会造成所制作的模具报废，这对于较大型铸件来讲费用也是极高，从而出现极大经济性损失，并且会影响到新产品试制及延长新产品试制时间。随着计算机软件技术的持续进步，铸造信息也得到了很大发展，将CASTsoft技术有效运用于铸件铸造过程中，能够合理降低或者是取消新产品工艺试验，避免各类铸造缺陷出现以确保工艺可靠性，有效缩短新产品试制时间[1]。

1　铸造工艺设计及铸件质量控制

1.1 铸造工艺设计关键内容及方式

砂型铸造可以说是多种铸造方式最基础，水玻璃砂型铸造以及树脂砂型铸造目前在诸多中大型铸件及一些较小铸件生产中仍是非常关键。近些年压力铸造及消失模铸造发展快速。熔炼工艺，熔炼的关键任务就是促使配置合理的炉料及熔剂在熔炼与过热中所产生的冶金反应出有益造渣，这有助于净化金属液及相关成分调整，更是有助于变质处理及孕育处理；造型工艺，该工艺的关键任务就是促使铸型及浇注系统和冷却系统与排气系统，能够在造型及制壳中形成空腔，这有助于充型及充分净化入型金属液，并且能够有效实现内杂物及气体离开型腔，对于凝固时期维系补缩液有着极好的补缩通道，能够有效降低铸件残余应力；后续处理工艺，此工艺关键是铸件清理及铸件热处理等方面[1]。铸件清理工艺不止是影响着铸件表面质量，更是直接关乎着铸件表层组织及性能，并且影响着铸件残余应力大小及分布。铸件热处理关键是清除应力及有效稳定组织与力学性能，经过调控炉气氧化性能及加强炉内炉气中所存在的对流热换，有助于提升同类铸件热处理之后，得到组织及力学性能统一性。

1.2 铸件质量控制关键内容及方式

1.2.1 铸态力学性能控制

铸件材料铸态力学性质是材料铸态金有效结合方面所决定的，组织则是取决于材料化学成分及冷却速度或者是动态结晶这几个方面条件。所以处于生产条件之下想要得到稳定铸件铸态力学性能，关键是要制定及执行基于熔炼工艺，促使铸型之内的金属液得到高度净化的过程。这样能够在熔炼中经过炉料配料及成分元素等合理调整，把其稳定程度控制于要求范围之内。并且，在此基础上再经过铸型冷却环境改变以及调整铸件冷却系统设计方案这方面方式来构建及相关成分互相适应的冷却速度，运用科学合理的变质处理及孕育处理工艺方式来有效改变铸件结晶前沿性动态结晶条件，以便于充分达到铸态组织统一性[2]。

1.2.2 表面质量控制

可以说运用改变铸型及型芯或者是涂料材料为主的相关工艺方式来控制铸件表面质量。或者是采用改变熔炼温度及浇注温度为主熔炼工艺方式来充分控制铸件表面质量。

1.2.3 内部质量控制

可以说在实现金属液高度净化基础上充分加强金属液的补缩能力以及铸件排气能力等方面工艺，这样有助于防止出现不致密组织；并且合理运用造型工艺来防止出现过多残余应力。

2　铸造工艺仿真设计

2.1 铸造工艺仿真设计关键内容及方式

以往传统式工艺设计往往是借以工程师熟练经验及多次工艺设计方案的修改，并进行重复试制，这样才可以有效确定最终生产工艺[3]。相关铸件结构简单或者是铸造类似铸件时通常长时间所积累的生产经验时非常关键的，不过在生产单件小批量大型或者是较为复杂的铸件时是运用新型铸造方式与生产不同材质铸件时总是会出现经验缺失现象，这样就不可以及时有效的编制科学合理的铸造工艺，并且在工艺出现失误时就极有可能出现工艺方案被彻底否定，以至于铸件或者是模具和工装等各个方面报废掉，这样也给对应企业带来了极大极大经济损失，并且严重影响着新型产品开发所需时间。

计算机模拟技术充分运用于铸造工艺仿真设计上，能够有效处理铸件铸造过程中所出现的各类问题，并且针对于生产铸件各类工艺条件及基本特征与铸件品质各个方面要求，这时分析铸件可能出现的铸造缺陷时，提出了初步工艺处理方案且运用铸造CASTsoft技术来对工艺克服铸件缺陷科学合理性施以有效仿真验证，这样就能够依据相关模拟结果，并施以对应措施进行修改工艺。铸造工艺仿真设计能够充分确保铸件质量，并且缩减产品开发时间及降低生产成本，降低研制所需费用。

可以说国内外目前具有十款主要铸造工艺仿真软件，帮助相关研究人员展开较宽领域运用铸造工艺仿真设计，这样有助于现场工作工程师能够得到针对性较强且效果优越和便捷简单的实用性工程处理方案，来适应于企业现存产品软件购置方案方面服务。

流程及方式，应该针对不同铸件的铸造方式及材质与材料来详细分析其中所存在的缺陷或者是预测缺陷类型及大小、形状和分部状态；接下来就是针对相关缺陷来确定适应的仿真内容；并且针对其仿真内容来合理选择仿真软件和对应模块；运用选择的仿真软件和模块来展开计算机模拟；详细分析仿真结果，经过相关工艺的改进，设计出适宜于铸件铸造的工艺；针对其铸件最佳仿真设计工艺，在生产现场应用调优设计周迁移原理来得到铸件最优化生产工艺；针对铸件的最优化生产工艺来编制产品技术性文件或者是产品生产管理文件，充分确定铸件最优化生产工艺稳定执行；最终把铸件铸造工艺及全部管理过程所产生的各类信息并进企业ERP[3]。

2.2 铸造工艺方案设计

铸造工艺方式选择。因为铲板是煤矿设备中最主要的钢铸件，其相关结构尽管比较简单，不过整体厚度确实不均匀的，热节部位诸多，产品的工作环境也是较为恶劣及质量方面要求很高，外轮廓的尺寸是1932 430 380毫米，对应铸件毛坯在进行机加工及除应力处理之后施以组焊及装机，铸件相关零件的表面质量内部质量及配合尺寸方面的要求更是极高。为了能够充分确保顺利充满及厚大位置不出现疏松现象，尤其是确保焊接位置及装配部位质量及尺寸，经过浇注系统化设计及浇注时间合理控制，降低及避免气孔及渣孔现象出现，经过造型及涂料和浇注温度等有效措施来确保其表面质量，充分考虑铲板质量及批量所提出的各类要求，并且有效结合厂铸造现场的生产能力，最终是选择适宜的砂型重力铸造及改性水玻璃砂工艺工艺方案。此次铸型是选择改性水玻璃砂，型芯是选择水玻璃砂及浇注温度1600摄氏度，对应冒口套是保温材料[4]。

2.3 浇注系统部位选择

铲板长度对应方向是装配配合部位以及铲板工作部位是最长方向法或者是铲板前部及各个加强筋根部组织的要求极高，务必要确保其不会缩松及气孔等方面铸造缺陷，为了促使铸件达到合理顺序凝固，确保工作部位力学性能。有效的满足所要求的工艺分型，经过铸造工艺设计软件和工艺模拟软件的合理确定。

3　三维建模

3.1 铸件三维建模

运用Pro-E软件进行铸件三维建模，首先将铸件的对应毛坯输出，施以铸造工艺设计来合理确定其分型面，铸件的摆放部位确定工艺布置，对应冒口大小及浇注系统的大小。经过铸造工艺模拟软件施以铸造过程模拟，最终科学有效的确定最佳浇注工艺方案[5]。

3.2 铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套三维建模

因为进行工艺模拟时对应铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套这些均是工艺装配体部件，而且各个部件的材料和属性均是不同的，三维建模确保建模工艺部件及实际的生产工艺部件位置及大小是统一化的，应该要求对应铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套间面是极为贴合的。因为铸件很多位置是不规则的曲面，因此铸件毛坯及浇注系统和冒口系统及冒口套形状也均是不规则的曲面形状，也就是随形铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套，与此同时因为铸件毛坯及浇注系统和冒口套不连续，其相互间是单独且分散的，因此在进行建模时也应该是分散式分布，互相间是不连接的，不过在工艺建模时是要求一种材料工艺部件组合成的整体，所生成STL文件。

3.3 工艺模拟及工艺优化

3.3.1 工艺步骤确定

首先，是使用CASTsoft铸造工艺设计模块展开工艺热节计算，以便于确定其冒口部位及大小，更能够有效确定铸件的工艺布局与浇注系统；其次，是运用CASTsoft铸造工艺模拟模块施以铸造全部过程模拟，经过铸造充型过程及凝固过程展开模拟和缺陷分析，最后获得最佳铸造方案。

3.3.2 造模型构建和模拟计算

依据工艺要求增加砂型重力铸造工艺参数。通常铸件材料参数设置为ZG30CrMo，铸型材料往往是改性水玻璃砂，对应型芯是选择水玻璃砂，浇注温度应该是1600摄氏度，其相关冒口应该运用保温棉。

3.3.3 铸造工艺设计和方案初定

经过铸件毛坯不同布局下的工艺热节部位合理确定，详细分析有助于具体生产方案展开的工艺设计，以便于充分确定冒口部位及大小及浇注系统。

3.3.4 铸造工艺结果显示和合理评定

运用CASTsoft铸造工艺模拟模块展开铸造过程模拟验证，经过凝固过程及温度场和缩孔或者是缩松等方面详细判定，在工艺冒口尺寸较小时，为了要节约钢水则运用不加大冒口直接引进冒口套工艺消除缺陷，经过模拟逐渐的对应补缩工艺来处理，具有非常严重的缩孔缺陷部位清除。

4　结语

总而言之，运用CASTsoft软件能够充分预测工艺设计过程中所存在的各类问题，可以预测铸件会出现的铸造缺陷，并且依据该模拟结果来进行工艺改进与优化。运用三维建模软件有效的展开铸件毛坯及浇注系统和冒口系统与冒口套改善，并且运用CASTsoft软件进行铸造工艺对应参数设置及调节，多次模拟且改良，直到清除所存在的铸造缺陷。这有助于较大型复杂铸件高质量铸造，能够充分降低工艺实践重复性次数，更是可能取消工艺性实践，确保铸件一次就是试制成功。进而有效缩短新产品试制所需时间，有效提升企业竞争力。并且，根据该次模拟结果所编制的工艺用于生产之后，各方面效果较好及对应铸件在机械施以加工之后并未出现铸造缺陷，在组焊时也没有出现缺陷，充分满足了设计各方面要求，进而有效验证了工艺模拟科学合理性。

参考文献：

[1]陈日军,黑玉龙,宋彬.铸造工艺模拟CASTsoft CAD/CAE技术在铸造工艺设计及优化中应用[J].铸造技术,2012(10).

[2]黑玉龙,陈日军,宋彬.CAD/CAE技术在铸造工艺设计及优化中的应用[J].特种铸造及有色合金,2012(13).

[3]李化芳,刘魁敏,胡占军,张辉.基于CAE技术的铸造工艺设计研究[J].热加工工艺,2013(03).

[4]王仲珏,傅宏江,左大利.铸造工艺仿真设计方法初探[J].铸造,2013(10).

[5]唐红涛,周建新,计效园,沈旭,汪洪,廖敦明,庞盛永.基于KBL技术的铸造工艺数字化平台研究[J].铸造,2013(08).

作者简介：杨在国（1969-），男，江苏姜堰人，大专，工程师，研究方向：安全生产风险评估。