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傳統(tǒng)的鑄造工藝方案設(shè)計(jì)優(yōu)化主要依賴于工藝人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試澆。借助于溫度場數(shù)值模擬有限元分析，可以了解鑄件缺陷的形成機(jī)理、優(yōu)化鑄造工藝及其參數(shù)，從而能夠確保鑄件的質(zhì)量，提高鑄件合格率，降低生產(chǎn)成本。本研究以垂向減震器座為研究對象，設(shè)計(jì)了兩種澆注方案，利用ANSYS軟件仿真模擬鑄件凝固過程中不同澆注方案的溫度場變化，分析鑄件凝固過程中溫度場的模擬結(jié)果，研究鑄件凝固過程中的凝固順序和補(bǔ)縮狀況，選出最佳澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從而有效避免鑄件凝固過程中產(chǎn)生縮松、縮孔，優(yōu)化鑄件工藝參數(shù)。
采用UG軟件對垂直減震器座進(jìn)行三維實(shí)體建模，按照鑄造工藝要求對鑄件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的簡化和調(diào)整，得到鑄件的幾何模型，如圖所示。鑄件幾何結(jié)構(gòu)最大輪廓尺寸為：162 mmx116 mmx115 mm。
ANSYS可與許多先進(jìn)軟件共享數(shù)據(jù)，利用ANSYS的強(qiáng)大數(shù)據(jù)接口，可精確地將在Pro/E，UG和AutoCad等軟件生成的幾何數(shù)據(jù)運(yùn)用于ANSYS，從而節(jié)省在ANSYS上創(chuàng)建模型時間，提高工作效率。本研究采用UG軟件將設(shè)計(jì)好的鑄件模型導(dǎo)入ANSYS軟件。
對于該鑄件采用砂型鑄造工藝，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用兩種方案，即中注式澆注系統(tǒng)和底注式澆注系統(tǒng)。由于鑄件屬于小型鑄鋼件，若采用中注式澆注，澆注系統(tǒng)必須有較好的擋渣能力。因此，應(yīng)該采用半封閉式的澆注系統(tǒng)，如圖。澆口設(shè)計(jì)在中部邊緣位置，頂部厚大部位設(shè)計(jì)兩個明冒口。采用底注式需要設(shè)置較高的直澆道，導(dǎo)致需要澆入的鋼液質(zhì)量大大增加，因此，需設(shè)計(jì)更大的直澆道與橫澆道。橫澆道的斷面積和內(nèi)澆道設(shè)置為梯形。直澆道為上大下小圓臺，頂端最厚大的部位設(shè)置為兩個上大下小圓臺狀明冒口，另外，底注式需要設(shè)計(jì)三個砂箱。
液態(tài)金屬在凝固過程中不僅結(jié)構(gòu)形態(tài)發(fā)生變化，同時還要經(jīng)歷相變過程，由于其溫度變化區(qū)間非常大，故其熱導(dǎo)率及熱燴與溫度關(guān)系密切，鑄鋼的熱物理性能具體數(shù)據(jù)關(guān)系查手冊可得，如表所示。而砂型的熱性能參數(shù)可以看成是不隨溫度變化的常值，其導(dǎo)熱系數(shù)為0.52，密度為1 630 kg/m3，比熱容為1 220 J。
對建立的模型(即鑄件與鑄型)分別設(shè)置屬性，仿真過程中采用智能網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。鑄件網(wǎng)格劃分效果見圖，鑄型網(wǎng)格劃分效果見圖。
(1)溫度載荷由于鑄件充型時間相對于鑄件凝固時間可以忽略不計(jì)，仿真過程中假設(shè)金屬液瞬時充滿型腔。同時由于砂型在金屬凝固過程中溫度變化很小，因此將其熱物性參數(shù)設(shè)置為不隨溫度變化的常數(shù)。
(2)邊界載荷鑄件一砂型系統(tǒng)的傳熱過程主要通過液態(tài)金屬與砂型的熱傳導(dǎo)和對流換熱、砂型表面與大氣的對流換熱及其對外界的熱輻射等方式綜合進(jìn)行。由于液體金屬與砂模單元的對流換熱計(jì)算復(fù)雜，會引起計(jì)算量大增，同時二者在實(shí)際中熱交換時間不長，對于仿真結(jié)果影響很小，因此仿真中忽略了液體金屬與砂模單元對流換熱的影響。同時由于忽略砂型模型整體輻射熱并不影響求解精度，因此，本研究忽略砂型外表面輻射熱，簡化邊界條件。
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