基于模擬技術　鑄件結構與工藝如何協同設計

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2017年7月20日 10:29

一般情況下，鑄件的結構設計和鑄造工藝設計是由結構設計師和鑄造工藝師根據各自的經驗分別完成的。有時，鑄件的結構設計具有足夠的強度，但是其鑄造質量非常差，甚至難于鑄造成形。鑄造工藝師必須將問題反饋給結構設計師進行結構修改。這個過程將增加產品研發的時間和成本。

　　一些研究者已經采用不同學科的協同來解決上述矛盾。并行工程用作一種有效的結構設計和優化鑄造工藝的方法被提出，通過鑄件結構和工藝的并行優化，以滿足日益嚴格的鑄件質量要求。合理的鑄件設計應具有足夠的結構強度，以滿足使用要求，同時要具有良好的鑄造可行性。

　　數字化制造技術包括計算機輔助設計、計算機輔助制造和計算機輔助工藝優化。它可以根據不同的情況，快速調改生產工藝，從而減少研發時間和降低研發成本。鑄件的結構和工藝能夠很方便的進行調改，這是虛擬制造和實際生產的主要區別。

　　本文以高速列車高強鋁合金軸箱為例，基于數值模擬技術，討論了一種結構和工藝協同設計的新方法。采用ANSYS軟件進行結構應力分析評估鑄件的結構強度，采用ProCAST軟件進行鑄件的凝固過程分析，以提高鑄件的內在質量。軸箱體的應力分析和凝固過程分析重復進行，直到鑄件的強度滿足使用要求，而鑄件的內部尤其是受力關鍵部位無縮孔、縮松現象，從而使鑄件達到一個良好的鑄造可行性。圖1所示為協同設計的流程。通過計算機仿真技術，能夠縮短鑄件的研發周期，降低成本。

　圖1　協同設計流程

　　1．原始方案的模擬

　　為了指導軸箱體的結構設計和評估其結構強度是否滿足使用要求，采用ANSYS軟件進行了軸箱體的應力分析。軸箱體的3D模型采用ProE軟件建立，如圖2所示。

采用ANSYS對軸箱體進行穩態的結構應力分析，得到的軸箱體應力分布云圖如圖3所示。

由圖3可知，最大應力發生在搖臂孔的邊緣，最大值是67MPa，該值遠低于材料的強度427MPa。因此，軸箱體的結構設計滿足其使用強度要求。采用ProCAST軟件進行軸箱體的凝固過程模擬，預測凝固過程中鑄件內部的缺陷分布。

　　根據鑄件的結構特點和受力分析的結果，基于順序凝固的原則，設計澆注系統，如圖4所示。在鑄件的厚大截面處放置冷鐵，在轉臂的上部增設冒口，起到補縮和集渣的作用。將建立澆注系統的鑄件模型導入ProCAST軟件中進行凝固過程分析，圖5所示為分析模型的網格剖分圖。

凝固模擬中，鑄件材料Al-A3004，其化學成分與Al7050較為接近。液相線溫度654℃，固相線溫度629℃。模擬結果以圖形的方式在計算機屏幕上顯示。為了關注鑄件內部的缺陷，選擇兩個截面進行分析，選取方式如圖6所示。

　充型并凝固253s時，截面1和截面2的溫度場分布如圖7、圖8所示。由圖7可知，軸箱體的大應力位置A在凝固過程中最先凝固，從而該部位產生鑄造縮孔、縮松的傾向較小。

　　由圖8可以看出，冷鐵加速了其周圍金屬液的冷卻，P1部位以較快的速度冷卻，先于油壓減震器座位置P2凝固，導致P2位置得不到有效地補縮，該位置在冷卻后將會出現縮孔缺陷。

　　位于補縮通道上3個點的溫度-時間曲線如圖9所示。圖中表明1、2、3三個點的凝固順序是2→1→3，2點先凝固，1點與3點之間的補縮通道被阻斷，導致軸箱體內部出現缺陷。

2．軸箱體鑄件的結構和工藝改進

　　結構設計人員能夠依據鑄件內在質量的模擬計算結果對結構做出適當的調整，使其在滿足使用要求的前提下，使鑄件便于鑄造成形。從凝固模擬結果可知，熱節發生的部位不是應力的集中位置。將截面1中出現熱節的位置進行體積減薄，如圖10所示。

　　在相同的約束和載荷條件下，對改進結構的軸箱體進行穩態的應力分析，分析結果如圖11所示。軸箱體內部應力的分布情況與結構改進前基本相同，應力最大值69MPa，低于材料的屈服強度，滿足使用要求。

　　對改進結構的軸箱體進行凝固過程分析，并評價其鑄造性能。由圖12可知，軸箱體的關鍵位置（A點）最先凝固。在與A點高度相同的B點在A點凝固時刻任然處于較高溫度640℃，因此，液態金屬能夠對鑄件的其它位置能夠進行充分的補縮，鑄件內部的凝固順序合理。截面1上固相率分布如圖13所示，軸箱體轉臂端部補縮冒口心部的固相率約為0.83，而轉臂端部的固相率為0.6～0.76，冒口具有良好的補縮效果，轉臂端部不會存在熱節和誘發縮松。