基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法
阅读说明：本技术 基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法 (Computer-aided design method for lost foam in-mold spline fork head casting process ) 是由 林有希 祖广怡 郑开魁 齐先军 于 2021-02-18 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法,包括：浇注系统设计、铸造模拟分析、浇道结构优化、工艺参数优化分析、生产检验等过程。由设计人员根据内花键叉头的结构设计浇冒系统,建立铸件三维模型及有限元模型,输入边界条件和初始条件进行铸造数值模拟分析,得到模拟结果供设计人员进行结构和工艺参数优化。本发明可以实现对不同结构的联轴器叉头铸造工艺进行设计,可以有效的预测铸造缺陷,从一定程度上节省开发成本和开发周期。(The invention provides a computer-aided lost foam inner spline jaw casting process design method, which comprises the following steps of: the method comprises the processes of pouring system design, casting simulation analysis, pouring gate structure optimization, technological parameter optimization analysis, production inspection and the like. A casting system is designed by a designer according to the structure of the internal spline fork, a three-dimensional model and a finite element model of a casting are established, boundary conditions and initial conditions are input for casting numerical simulation analysis, and a simulation result is obtained for the designer to optimize structure and process parameters. The invention can realize the design of the coupling fork head casting process with different structures, can effectively predict the casting defects and save the development cost and the development period to a certain extent.)
技术领域
本发明属于铸造工艺，消失模铸造技术领域，尤其涉及一种基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法。
背景技术
消失模内花键叉头作为一种联轴器主要应用于轧机生产线，是轧锻设备的核心配套件，生产环境较为恶劣，其中叉头是万向节联轴器的一个重要零部件，且在交变循环外力作用下，容易引起应力集中，是一个较易失效的零件。因此，联轴器叉头等核心部件需要定期检查和更换，防止由于联轴器叉头突然断裂，酿成重大的设备事故，导致长时间停产和严重的经济损失。近年来，随着机械行业的不断增长，联轴器年均复合增长率在11%左右，市场前景较好，具有较好的经济效益。联轴器叉头通常是成对装配使用，需要较高的制造精度。铸造厂商一般使用水玻璃砂精密铸造法（熔模铸造）或消失模实型铸造法进行铸造，以满足铸件的精度要求，减少后期工作量。其中，水玻璃砂铸造法存在劳动环境差，环境污染等传统问题。消失模实型负压铸造则可克服传统水玻璃砂铸造工作环境差，环境污染大等问题，被称为21世纪绿色铸造法。生产厂商在该型联轴器前以生产球墨铸铁水表壳体为主，在生产该型叉头时，以传统铸造理论设计了浇注系统，在浇注过程中，出现了排气不畅的反喷现象，在凝固后铸件表面出现了许多渣孔，气孔等缺陷，铸件的成品率较低。
现阶段，多数厂家对消失模铸件工艺参数及浇注结构的设计仍采用试验法和经验法。试验法及经验法对于同种材料且相似结构的铸件具有良好的效果，但对于不同材料、不同结构的铸件，试错法及经验法的效果较差，往往需要花费较大的人力、物力及时间，经过多次试验才能解决铸件中的各种缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法，采用铸造数值模拟技术，通过分析铸件结构，模拟铸件的浇注过程，提前找到合适的工艺方案，减少试验周期，降低企业研发成本，对于提高企业竞争力和完善消失模铸造理论有着重要的实用价值和理论价值。其包括：浇注系统设计、铸造模拟分析、浇道结构优化、工艺参数优化分析、生产检验等过程。由设计人员根据内花键叉头的结构设计浇冒系统，建立铸件三维模型及有限元模型，输入边界条件和初始条件进行铸造数值模拟分析，得到模拟结果供设计人员进行结构和工艺参数优化。本发明可以实现对不同结构的联轴器叉头铸造工艺进行设计，可以有效的预测铸造缺陷，从一定程度上节省开发成本和开发周期。其能够提高铸件的质量，使铸件的铸造缺陷满足结构要求，大大缩短新产品的试制时间，减少试制成本。
本发明具体采用以下技术方案：
一种基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：设计白模：根据消失模内花键叉头的设计要求对白模结构、种类、密度进行设计；
步骤S2：设计涂层：根据消失模内花键叉头的铸造材料和白模的种类，选择白模涂层；
步骤S3：浇注系统建模：根据步骤S1所设计的白模结构对消失模内花键叉头的浇注系统结构进行设计，建立铸件浇注系统三维实体模型，并对三维实体模型进行网格划分，建立有限元模型；
步骤S4：模拟分析铸造过程：将有限元模型赋予边界条件，模拟后获得金属液充型过程的流动场、固相率场、铸件缩松缩孔分布图；
步骤S5：优化浇注结构设计：根据步骤S4模拟分析结果，综合分析消失模内花键叉头铸件缺陷形成的原因，对浇注系统结构进行优化；
步骤S6：优化工艺参数设计：根据步骤S5的优化结果，设置正交试验，对工艺参数中浇注温度、负压度、环境温度、涂层透气性进行数值模拟分析；
步骤S7：工艺参数模拟分析结果显示：对不同工艺参数的模拟结果进行后处理，获得金属液充型过程的流动场、固相率场、金属前沿气隙平均压力变化图、金属前沿最大速度变化图、铸件缩松缩孔分布图；
步骤S8：工艺参数优化结果：根据步骤S7获得的结果，对金属液流动场、固相率场、前沿气隙平均压力图和最大速度图进行方差分析和极差分析，得出最优工艺参数。
优选地，还包括步骤S9：生产加工：根据步骤S8的优化结果，对白模进行粘结组合，涂敷涂料，进行浇注，并在铸件凝固后进行质量检测。
优选地，步骤S5对浇注系统结构进行优化，获得消失模内花键叉头浇道结构、冒口结构的三维实体模型。
优选地，步骤S8当中，得出最优工艺参数的优化结果包括：浇注温度、负压度、涂层透气性、环境温度。
优选地，重复执行步骤S3-步骤S5，直至浇注结构符合设计要求。
优选地，将步骤6工艺参数的正交试验表征为金属前沿气隙平均压力值、金属前沿最大速度方差值、铸件缩松缩孔体积大小。
优选地，步骤S7和步骤S8替换为以下步骤S7B：根据表征值确定工艺参数，结合结构优化与工艺参数优化，获得铸件最优工艺方案。
优选地，根据计算机模拟分析结果对铸件浇注系统和工艺参数进行优化，优化方法如下：将浇注结构进行有限元建模，模型带入计算机辅助设计软件，赋予模型边界条件，得出步骤S4的结果。
优选地，所述计算机辅助设计软件为ProCAST。
与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下有益效果：
（1）本发明的铸件采用消失模铸造方法，较原有水玻璃铸造法，生产效率得到提高，并可有效减少铸造过程中产生的环境污染。
（2）本发明对铸件的浇注系统进行改进，有效提高铸件的工艺出品率及成品率。
（3）本发明采用计算机辅助设计方法对铸件的浇注系统和工艺参数进行优化，有效减少铸件工艺方案设计时间，缩短铸造周期。
附图说明
下面结合附图和
具体实施方式
对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明实施例方法流程示意图；
图2为本发明实施例内花键叉头零件的结构示意图；
图3为本发明实施例内花键叉头铸件的初步设计结构示意图；
图4为本发明实施例内花键叉头铸件初步设计的铸造数值模拟分析结果反映铸件的内部凝固后外部固相率场的示意图；
图5为本发明实施例内花键叉头铸件初步设计的铸造数值模拟分析结果反映缩孔缩松缺陷的示意图；
图6为本发明实施例内花键叉头铸件结构优化后铸件白模结构示意图；
图7为本发明实施例内花键叉头铸件结构优化后铸件冒口结构示意图；
图8为本发明实施例内花键叉头铸件结构优化后浇注系统结构示意图；
图9为本发明实施例内花键叉头铸件工艺参数优化后铸造数值模拟分析结果反映缩孔缩松缺陷的示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：
本发明提供的基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法的整体流程如图1所示，包括以下步骤：
1.白模设计步骤：按照内花键叉头铸件结构对白模结构进行设计，白模种类选择可发性甲基丙烯酸甲脂与苯乙烯共聚树脂珠粒（简称STMMA）、密度为21，白模三维结构如图2所示。
2.涂层的设计步骤：设计人员根据铸件材料和白模的种类，选择消失模涂层。涂层热物性参数在Procast软件中表征为换热系数和涂层透气性。
3.浇注系统建模步骤：根据步骤1所设计的白模结构对消失模内花键叉头的浇注系统结构进行设计。建立铸件、浇注系统三维实体模型，如图3所示，并将三维实体模型带入Procast的mesh模块进行网格划分，建立有限元模型。
4.模拟铸造过程：将有限元模型赋予材料属性、换热系数、浇注速度、负压度、透气性、负压度、气模厚度边界条件，带入Procast的Cast模型进行铸造过程数值模拟。
5.分析内花键叉头的金属液充型过程的流动场、固相率场：发现初始浇注方案在浇注过程中，叉头的腿部发生泡沫裹挟情况，铸件内金属液与浇道内的金属液呈现逆时针环流，铸件中部出现紊流，铸件内部出现上低下高的温度场，铸件固相率图，如图4所示。
6.分析铸件缩松缩孔分布图：发现铸件内的缩松缩孔主要分布在铸件上部以及中部热节两侧，如图5所示，原冒口并没有起到补缩作用。
7.优化浇注结构设计：根据步骤5，6的模拟分析结果，分析消失模内花键叉头铸件缺陷形成的原因，对浇注系统结构进行优化，浇注方式采用直接由热冒口直接充型，并对铸件的白模结构进行改进设计，如图6所示，冒口进行重新设计，如图7所示，最终使得冒口与铸件白模的粘结更加方便，冒口位置为铸件顶部，横浇道直接由侧面充型冒口，采取一次浇注充型两件，浇注系统结构如图8所示。
8.优化工艺参数设计：根据步骤7的优化结果，选取工艺参数浇注温度、负压度、环境温度、涂层透气性进行正交试验。工艺参数范围根据实际生产要求进行选择。
9.对不同工艺参数的模拟结果进行后处理：获得金属液充型过程的流动场、金属前沿气隙平均压力变化图、金属前沿最大速度图、凝固过程的固相率场、铸件缩松缩孔分布图；对于金属前沿气隙平均压力进行数据阈值处理，去除气压值超过100bar的时刻，然后对取平均气隙压力值的总时刻均值；对于金属前沿最大速度进行阈值处理，去除速度大于10m/s的时刻，后最大速度进行方差处理；对于铸件缩孔缩松体积，取5%概率下，铸件缩孔缩松体积。
10.分析不同工艺参数的铸造充型过程和凝固过程：将步骤9获取的具体数值带入正交试验结果，通过方差和极差分析，获取最佳工艺参数。
11.生产加工：根据步骤10的优化结果，对铸件进行浇注，浇注完成后，对铸件质量进行检测。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于计算机辅助的消失模内花键叉头铸造工艺设计方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。
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