專利名稱：一種基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鑄件模型設計領(lǐng)域，特別是一種基于數(shù)值模擬定量設置反變形量的鑄
件模型設計方法。
背景技術(shù)：
鑄件在熱加工過程中存在熱應力和相變應力，由于鑄件壁厚不均勻，形狀復雜，受 力不均，必將產(chǎn)生變形，影響鑄件尺寸精度。近年來，鑄造過程中鑄件的熱應力及變形越來 越受到人們的關(guān)注，尤其是復雜結(jié)構(gòu)件。開展了很多熱應力和變形的理論和數(shù)值模擬的研 究，但由于鑄件生產(chǎn)過程中的各個工序凝固、冷卻、打箱、切除澆注系統(tǒng)和熱處理都影響著 鑄件的最終形狀，使得準確預測機加工之前鑄件的殘余應力及加工余量成為一個難題。為 保證機加工時鑄件有足夠的加工余量，多數(shù)生產(chǎn)廠家在生產(chǎn)復雜鑄件時，往往在設計時靠 增加加工余量的方法來保證鑄件最終不出現(xiàn)"缺肉"的現(xiàn)象。然而增加加工余量給生產(chǎn)帶 來能耗增加，出品率低，后續(xù)機加工耗時長等問題，不僅使企業(yè)生產(chǎn)成本大幅提高，也不符 合國家節(jié)能降耗要求。 目前，絕大部分熱應力模型只針對凝固和冷卻兩個階段進行模擬，忽略了后續(xù)的 打箱、切除澆注系統(tǒng)和熱處理這幾個工序?qū)釕妥冃蔚挠绊?，不能準確地預測鑄件在 進行機加工之前的尺寸變化和剩余加工余量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法，能夠 成功預測復雜鑄件鑄造之后的殘余應力與變形，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特征給出鑄 件各部位的反變形量，從而很好的設計鑄件結(jié)構(gòu)，使得鑄件最終加工余量較小且分布均勻， 降低生產(chǎn)成本。 本發(fā)明的技術(shù)方案是 —種基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法，包括如下步驟 (1)建立凝固_冷卻_打箱_切除澆注系統(tǒng)_熱處理的整合熱應力模型，利用此模
型可視化地再現(xiàn)復雜鑄件在各個工序的熱應力和變形的情況，并且得到機加工前鑄件的最
終幾何形狀。 鑄件在各個熱工序中經(jīng)歷的物理冶金過程不同，鑄造過程中主要包含了流動、凝
固、固態(tài)相變過程；打箱過程涉及到應力釋放和打箱后冷卻時的固態(tài)相變過程；切除澆冒
口系統(tǒng)涉及局部相變和應力重新分配過程；熱處理過程主要包含了固態(tài)相變過程，因此在
整合的熱應力模型中根據(jù)各階段不同的特征采用不同的計算模型對其進行計算。 本發(fā)明基于Procast鑄造軟件，在凝固過程中使用粘_彈_塑性模型處理鑄件材
料，合理設置鑄造過程的邊界條件，模擬鑄件在鑄造過程中的應力和應變情況，材料的固態(tài)
相變過程通過將材料的熱物性參數(shù)設置成溫度和冷速的函數(shù)來實現(xiàn)；當鑄件冷卻到打箱
溫度時，修改鑄件的溫度邊界條件和約束邊界條件，提取鑄造模擬結(jié)束時各節(jié)點的溫度、應
3力、應變值作為初始條件，通過修改邊界條件模擬鑄件打箱過程。其中的應力釋放過程通過 更改約束后，模型內(nèi)各點應力重新調(diào)整平衡各點處的應力應變過程來實現(xiàn)。打箱后的冷卻 過程材料模型和鑄造過程相同；切除澆冒口系統(tǒng)過程的模擬，首先提取打箱冷卻后各節(jié)點 的溫度、應力、應變數(shù)值，通過設置澆冒口區(qū)域節(jié)點的熱循環(huán)來實現(xiàn)模擬打箱過程；熱處理 過程的初始條件來自于切除澆冒口系統(tǒng)后鑄件各節(jié)點處的溫度、應力、應變值，采用彈_塑 性模型處理材料，通過設置界面換熱的方式來模擬熱處理爐內(nèi)加熱和冷卻過程，界面換熱 系數(shù)通過實際溫度測量逆運算得到。 上述模擬的平臺為Procast有限元軟件，本發(fā)明中鑄件的三維模型使用ProE或UG 等通用三維造型軟件造型。 同時，對鑄件關(guān)鍵點進行實際測量，證明模擬結(jié)果的準確性。 (2)在鑄件變形模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)鑄件各部分的應力水平確定不同區(qū)域的 拘束度，進而對不同區(qū)域設置不同的反變形松弛系數(shù)。拘束度越大的區(qū)域應力水平越高，反 變形松弛系數(shù)越小，而自由變形區(qū)域反變形松弛系數(shù)為1。根據(jù)反變形松弛系數(shù)和變形量 (負的變形矢量)的乘積定量地給出不同區(qū)域的反變形量，將反變形量疊加到原始鑄件模 型上，形成新的鑄件模型。 本發(fā)明中，采用歸一法評價任一節(jié)點處的拘束度，具體計算方法為設定所有節(jié)點 中應力絕對值最大的節(jié)點處的拘束度為l，其余節(jié)點處通過該處沿某一坐標軸的正應力值 與該方向上最大應力值之比為該點的拘束度。而反變形系數(shù)則由l減去拘束度確定，因此 本發(fā)明中，每個網(wǎng)格節(jié)點處的反變形松弛系數(shù)n下式確定 = 1
CT
cr..
"",max 式中， ni為任意節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的松弛系數(shù)； Oii為任意節(jié)點處沿i(i取x，y，z)方向上的正應力； o為所有節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的最大正應力； (3)對添加反變形量的鑄件模型，再進行鑄造、打箱、切割冒口和熱處理過程的全
流程數(shù)值模擬，得到機加工前鑄件變形量分布。 比較變形后模型和最終產(chǎn)品設計模型，如果鑄件加工余量均勻且處于合理范圍
內(nèi)，則根據(jù)反變形模型設計鑄件模型；否則繼續(xù)根據(jù)反變形模型、變形量和反變形松弛系
數(shù)，進行下一循環(huán)反變形設計與計算模擬，直到鑄件的最終幾何形狀滿足加工余量的要求。 本發(fā)明基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法的機理如下 大型金屬鑄件熱加工過程中由于各部分加熱、冷卻條件不同，導致鑄件在熱加工
過程中各部分的溫度變化有差別，從而引起鑄件內(nèi)部存在熱應力和/或相變應力，從而使
鑄件在熱加工過程中存在應力和應變，導致最終得到的鑄件和初始鑄件模型之間有較大差
別。本發(fā)明是在綜合考慮鑄件凝固、冷卻、打箱、切割澆冒口和熱處理整個熱加工過程的物
理冶金和力學結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，準確測量材料的熱物理性能，使用計算機模擬方法計算鑄件
在整個熱加工過程中的溫度場、應力應變場，從而建立起一整套的鑄件變形預測模型，并根
據(jù)鑄件實際變形測量數(shù)據(jù)驗證和修正計算模型。本發(fā)明中每一道熱加工工序的初始條件都
4是提取前一道工序的結(jié)束狀態(tài)，同時根據(jù)實際情況改變傳熱和約束條件。該方法的運用可以準確考慮前一道工序?qū)笠坏拦ば虻挠绊懞妥饔茫C合考慮整個熱加工過程對鑄件內(nèi)部應力和變形的積累效果，保證最終準確預測鑄件變形。因鑄件各部分變形是相互制約的，所以根據(jù)各部分受約束的情況設置合理的反變形松弛系數(shù)，而后根據(jù)負的變形矢量和反變形松弛系數(shù)的乘積確定反變形量可以使添加反變形量的鑄件模型最終能得到加工余量均勻的鑄件。鑄件各部分受約束的程度通過該部分的應力水平體現(xiàn)出來，因此使用應力水平來設置反變形松弛系數(shù)可以合理準確地確定反變形量的添加。 本發(fā)明方法具有普適性，可以用于所有鑄件的模具設計，尤其適用于大型、形狀復
雜、精度要求高的鑄件。
本發(fā)明具有如下有益效果 1.本發(fā)明提出一種整體計算鑄件整個熱加工工序過程的熱力耦合計算模型，能準確預測鑄件在整個熱加工過程的流場、溫度場和應力場，對提高鑄件合格率、出品率等具有重要意義； 2.本發(fā)明提出通過計算節(jié)點處的應力值水平來設定反變形松弛系數(shù)可以有效縮短反變形添加后的計算迭代次數(shù)，使計算效率大大提升； 3.本發(fā)明設計的變形預測和反變形措施，可以有效解決大型水輪機葉片等復雜曲面鑄件加工余量不足、不均勻等現(xiàn)象，極大提高生產(chǎn)效率，降低隨后的機加工難度，提高產(chǎn)品性能； 4.本發(fā)明使用預測鑄件變形和反變形措施的方式適合實際工業(yè)生產(chǎn)，很容易得到工廠認可，并已經(jīng)在部分廠家得到應用，大大提高我國在大型水輪機葉片等復雜曲面鑄件生產(chǎn)上的競爭力。


圖1大型水輪機葉片的幾何模型。圖中，1進水邊；2下環(huán)側(cè)；3出水邊；4上冠側(cè)。 圖2葉片在砂箱中冷卻至15(TC時的變形云圖；其中，(a)圖為下環(huán)側(cè)葉片在X方向上的變形；(b)圖為上冠側(cè)葉片在Y方向上的變形；(c)圖為葉片在Y方向上的變形；(d)
圖為葉片在z方向上的變形。 圖3葉片打箱后冷卻至室溫的變形云圖；其中，(a)圖為下環(huán)側(cè)葉片在X方向上的變形；(b)圖為上冠側(cè)葉片在Y方向上的變形；(c)圖為葉片在Y方向上的變形；(d)圖為葉片在Z方向上的變形。 圖4葉片切割完澆冒口時的變形云圖；其中，(a)圖為下環(huán)側(cè)葉片在X方向上的變
形；(b)圖為上冠側(cè)葉片在Y方向上的變形；(C)圖為葉片在Y方向上的變形；(d)圖為葉片
在z方向上的變形。 圖5葉片熱處理完畢后的變形云圖；其中，(a)圖為下環(huán)側(cè)葉片在X方向上的變
形；(b)圖為上冠側(cè)葉片在Y方向上的變形；(C)圖為葉片在Y方向上的變形；(d)圖為葉片
在z方向上的變形。 圖6添加反變形量后的葉片模型。 圖7添加反變形量后的葉片模型經(jīng)熱加工后和凈葉片模型加工余量對比圖。
具體實施例方式
為了準確地預測鑄件在進行機加工之前的尺寸變化和剩余加工余量，本發(fā)明提出一個整合凝固、冷卻、打箱、切除澆注系統(tǒng)和熱處理這幾個工序的熱應力模型，并以復雜結(jié)構(gòu)鑄件——大型水輪機葉片為例進行模擬。在此模擬計算的基礎(chǔ)上，根據(jù)提出根據(jù)計算時網(wǎng)格節(jié)點的應力水平來設置反變形松弛系數(shù)，進而給出葉片各部位的反變形量，并對添加反變形量的鑄件模型進行計算機模擬，最終給出添加反變形量的鑄件模型，按此成功生產(chǎn)出加工余量均勻的大型水輪機葉片。
實施例 本實施例為通過本發(fā)明的技術(shù)，設計一套大型水輪機葉片鑄件模型。本葉片輪廓尺寸為3400X3400X1100mm，用于700麗級大型水輪機轉(zhuǎn)輪。由于葉片在轉(zhuǎn)輪運轉(zhuǎn)過程中受水流作用而推動轉(zhuǎn)輪運轉(zhuǎn)，所以其型線設計非常復雜，扭曲嚴重。復雜的曲面造型使葉片在鑄造、熱處理等熱加工工序中極易變形，且憑經(jīng)驗很難預測葉片變形趨勢和變形量，原有技術(shù)只能通過增加鑄件加工余量的方式來保證最終不出現(xiàn)"缺肉"的現(xiàn)象，大大增加制造成本和后續(xù)機械加工難度。本實施例按照葉片最終各部分加工余量均為20mm為設計目標，進行葉片的模具設計。具體實施如下 1.使用三維造型軟件按圖紙將凈葉片模型造型，并在凈葉片的基礎(chǔ)上添加均勻的20mm加工余量，如圖1所示；根據(jù)鑄造補縮理論和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，設計葉片鑄造工藝及澆冒口系統(tǒng)，并使用有限元網(wǎng)格剖分軟件剖分有限元網(wǎng)格； 2.由于葉片在機加工之前，其變形受到凝固、冷卻、打箱、切除澆注系統(tǒng)和熱處理等工序的影響，所以必須首先建立葉片變形模擬的整合模型。凝固和冷卻階段的變形模擬考慮相變的作用。打箱和切除澆注系統(tǒng)工序的模擬，以邊界條件的形式解除鑄型對鑄件、澆注系統(tǒng)對鑄件本體的限制作用。熱處理工序的模擬主要考慮輻射的作用。模擬計算時，每一階段結(jié)束前保存鑄件所有節(jié)點的溫度和位移，作為下一階段計算的初始條件。采用鑄造及熱處理過程數(shù)值模擬軟件對葉片制造過程各個階段的變形進行模擬，結(jié)果示于圖2 圖5。葉片在砂箱中冷卻至15(TC時，從X方向上的變形主要是扭曲變形，葉片由彎曲向平直方向變形，其中與下環(huán)相連接的一側(cè)變形比上冠側(cè)4變形大，出水邊3變形比進水邊1變形大。葉片在Y、Z方向上的變形主要是收縮變形，但此變形可以通過增加鑄造縮尺來彌補。葉片打箱后，冷卻至室溫時，葉片的變形趨勢和葉片在砂箱中冷至15(TC時的變形趨勢相同，仍然是由彎曲向平板方向變形，但變形量和變形區(qū)域有所增加。切除澆冒口系統(tǒng)后，葉片內(nèi)部應力重新分配平衡，葉片整體變形趨勢和未切除澆冒口系統(tǒng)前相同，但下環(huán)側(cè)2變形量有所減小，上冠側(cè)4變形量有所增加，整體變化不大。熱處理完成后，葉片的變形云圖如圖5所示，熱處理過程中葉片中鑄造應力在加熱和保溫過程中逐漸減小，但在熱處理過程中也會重新引入由于葉片各部分加熱和冷卻速度不同而導致的熱處理應力，從而引起變形。熱處理后葉片的變形和切除澆冒口系統(tǒng)后葉片的變形相比，下環(huán)側(cè)2沿X方向變形趨勢有所減小，但上冠側(cè)4沿X方向的變形趨勢有所增加；同時，由于熱處理過程和鑄造過程葉片的約束方式有所不同，所以其在Y、 Z方向上的變形有較大改變。 3.根據(jù)計算結(jié)果和葉片具體結(jié)構(gòu)，對不同的區(qū)域設置反變形量。具體每個網(wǎng)格節(jié)點處的反變形松弛系數(shù)n由式1和式2確定。
<formula>formula see original document page 7</formula>
cr
",max
式117 =式中，
式2
&為任意節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的松弛系數(shù)；o 為任意節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的正應力；o 為所有節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的最大正應力；L'為添加在節(jié)點處的反變形矢量；L為節(jié)點處在整個熱加工過程中的變形矢量。
將反變形量和葉片原網(wǎng)格節(jié)點坐標進行疊加，而后使用逆向工程軟件將網(wǎng)格節(jié)點的坐標文件轉(zhuǎn)化成幾何模型文件，如圖6所示。 4.重新對添加反變形量后的幾何模型進行整個熱加工工序的模擬，模擬初始條件和邊界條件與前次模擬完全相同。變形后的葉片模型和凈葉片終形對比如圖7所示，可以看出，葉片各部分的加工余量基本均勻(加工余量范圍在15 25mm之間)，滿足生產(chǎn)要求，可以按此模型對葉片進行造型生產(chǎn)。
權(quán)利要求
一種基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法，其特征在于(1)建立凝固-冷卻-打箱-切除澆注系統(tǒng)-熱處理的整合熱應力模型，利用此模型可視化地再現(xiàn)鑄件在各個工序的熱應力和變形的情況，得到機加工前鑄件的最終幾何形狀；同時，對鑄件關(guān)鍵點進行實際測量，證明模擬結(jié)果的準確性；(2)在鑄件變形模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特征和不同區(qū)域的拘束度，設置反變形松弛系數(shù)，對鑄件模型坐標增加反變形量；(3)對添加反變形量的鑄件模型，再進行鑄造、打箱、切割冒口和熱處理過程的全流程數(shù)值模擬，得到機加工前鑄件變形量分布；比較變形后模型和最終產(chǎn)品設計模型，如果鑄件加工余量均勻且處于合理范圍內(nèi)，則根據(jù)反變形模型設計鑄件模型；否則繼續(xù)根據(jù)反變形模型、變形量和反變形松弛系數(shù)，進行下一循環(huán)反變形設計與計算模擬，直到鑄件的最終幾何形狀滿足加工余量的要求，生產(chǎn)出加工余量合適均勻的鑄件。
2. 按照權(quán)利要求1所述的基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法，其特征在 于所述鑄件模型反變形量由反變形松弛系數(shù)與負的變形矢量乘積確定。
3. 按照權(quán)利要求1所述的基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法，其特征在 于反變形松弛系數(shù)為一個小于1的數(shù)值，其大小由節(jié)點處的應力值計算得出；節(jié)點處應力 值越高，反變形松弛系數(shù)越小，反之反變形松弛系數(shù)越大，每個節(jié)點處的反變形松弛系數(shù)n 由下式確定W; =1 —(J",max式中，&為任意節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的松弛系數(shù)； o 為任意節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的正應力； o n ,為所有節(jié)點處沿i (i取x， y， z)方向上的最大正應力,
全文摘要
本發(fā)明涉及基于定量設置反變形量的設計鑄件模型的方法，特別是一種基于有限元熱力耦合計算定量化反變形量的大型鑄件模型設計方法。首先，通過綜合考慮鑄件凝固，冷卻，打箱，切除澆注系統(tǒng)和熱處理影響建立有限元熱應力模型，準確預測鑄件在整個熱加工工序中的變形。然后，根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)特征和不同區(qū)域拘束度的不同，設置不同的反變形松弛系數(shù)，對原始模型進行反變形處理。反變形松弛系數(shù)由計算節(jié)點處的應力水平?jīng)Q定，應力值越大松弛系數(shù)越小。針對添加反變形的模型，進行整個熱加工過程的數(shù)值模擬計算和迭代，最終確定合理的鑄件模型尺寸，生產(chǎn)出加工余量合適均勻的鑄件。
文檔編號B22C7/00GK101767185SQ20091024878
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月25日
發(fā)明者劉恒, 張瑞雪, 張立文, 彭凡, 李依依, 李殿中, 王培 , 肖納敏, 馬進 申請人:中國科學院金屬研究所;寧夏共享鑄鋼有限公司