基于铸造CAE的风电轮毂的铸造工艺设计

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铸造CAE技术及其在铸造工艺设计中的应用报告人：廖敦明教授、博士生导师栾添舒，满文胜，冯海波，周建新华中科技大学材料学院华铸软件中心材料成形与模具技术国家重点实验室华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案华中科技大学简介1国家教育部直属的全国重点大学。

首批列入国家“211工程”、“985工程”重点建设的大学。

各项排名位于全国前列。

各项排名位于全国前列1953年华中工学院建校，1988年更名华中理工大学。

1953年华中工学院建校1988年更名华中理工大学000年与原同济医科大学、武汉城市建设学院合并2000年与原同济医科大学、武汉城市建设学院合并成立华中科技大学。

在校全日制本科生3.5万、硕士生万硕士生1.5万、博士生5000多。

主校区面积7000亩。

华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案CAE 铸造技术2铸造CAE技术简介概述CAE 技术又称数值模拟仿真技术技术又称数值模拟仿真技术，是对研究对象（过程）进行数值建模、分析求解、预测趋势。

铸造CAEz 针对铸造过程，建立数学模型，采用科学合的求解方式来描述铸件的科学合理的求解方式，来描述铸件的生产过程预测缺陷优化工艺生产过程，预测缺陷、优化工艺。

数值模拟的作用在实际浇注前对铸造工艺方在实际浇注前，对铸造工艺方案进行计算机模拟分析。

预测各种铸造缺陷，在较短的时间内得到最佳工艺方案从而时间内得到最佳工艺方案，从而大大减少试制成本，缩短开发周期提高产品质量期，提高产品质量。

在现代化铸造生产中铸造凝在现代化铸造生产中，铸造凝固数值模拟已成为不可或缺的关键技术和手段键技术和手段。

铸造CAE技术简介数值模拟技术已成为人们研究开发铸造技z 数值模拟技术已成为人们研究、开发铸造技术的重要工具。

z 使“睁眼造型、闭眼浇注”转变为“睁眼造型、睁眼浇注”华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案某公司铸件铸造工艺方案模拟实例铸造CAE技术简介铸造CAE技术基础数学模型三维CAD 造型网格剖分模型离散数值求解数值求解边界条件缺陷预测初始条件物性参数可视化显示铸造CAE技术基础以温度场为例铸造CAE技术基础以温度场为例t LT ∂+⎟⎟⎞∂∂+22z ∂⎠以差分代替微分，以差商代替导数铸造CAE技术基础以温度场为例L t Δ∂+Δ1tc ∂ρ铸造CAE技术基础铸件温度场显示（不同的颜色对应不同的温度值）大型风电轮毂球铁件凝固液相前沿变化凝固模拟—缩松缩孔图片(紫色为缩松，黑色为缩孔）缩松位体积³置（cm )111.771580215.803 6.91429.44528.16..........2134165华铸软件—21世纪铸造数字化解决方案铸造模拟内容及能预测的缺陷种类3铸造模拟内容充型流动过程模拟流动与传热的耦合模拟结晶凝固过程模拟应力/应变模拟微观组织模拟缺陷分析与预测(缩孔、缩松、卷气、夹杂、浇不足、冷隔、冲砂)模拟预测的铸造缺陷种类：模拟预测的铸造缺陷种类缩孔、缩松卷气夹杂卷气、夹杂浇不足冷隔浇不足、冷隔裂纹、变形组织、性能……减少浇冒口消耗，提高工艺出品率、缩短产品减少浇冒口消耗提高工艺出品率试制周期，降低生产成本、减少工艺设计对经验、对人员的依赖。

轮毂压铸模三维CAD设计及CAE成型仿真摘要：首先分析铝合金汽车轮毂压铸件的结构工艺，通过对不同的压铸工艺方案分析,以及浇注系统、充填速度、温度、压力等工艺参数计算，进行压铸模结构设计分析；通过Pro/e三维软件，对该零件进行三维造型，解决模具的结构设计，确定模具分型面。

在此基础上，应用ProCAST软件仿真铝合金汽车轮毂半固态压铸充填、凝固过程，优化压铸模具结构设计。

然后绘制模具装配图、零件工程图，同时校核模具关键零件的强度。

进一步利用Pro/E的数控加工模块对模具中分流锥进行数控编程和模拟加工。

最后进行毕业设计论文的撰写，验算表明该模具结构制造工艺良好、动作可靠，表明该模具结构合理，制造工艺良好，工作可靠。

关键词：半固态；轮毂；压铸模；数值模拟；浇注系统Wheel Die Casting Mold CAD/CAEAbstract：In this theise, the structure process of Aluminum alloy wheel die-casting were analyzed. The structure of pressure die-casting mould was designed through the analysis of various processplanning and the calculations of technological parameters of filling system, speed,temperature, pressure, etc. By using 3D Pro/E software, the die-casting model and the mouldstructure had been drawed when mould surface was designed. On the basis, the design ofdie-casting mould structure was optimized through the application of ProCAST simulating thesemi-solid Aluminum alloy wheel die-casting filling and solidification course. Then, themould assembly, parts were drawed and the intensity of the key parts was checked.Furthermore, the NC machining module of Pro/E mold were employed to make spreadercomponents for NC programming and simulation of processing. Finally, we write thegraduation dissertation, the checking calculations indicate that the mold structure manufacturetechnology is correct, the movement is reliable.Keywoed: Semi-solid; wheel; die-casting mould; numerical simulation; gating system.1 引言CAD(Computer Aided Design)技术是利用计算机强大的计算功能和高效率的图形处理能力，辅助知识型劳动者进行工程和产品的设计与分析，以达到预期的设计目标。

基于铸造CAE的风电轮毂的铸造工艺设计作者：于赟李小平臧金平徐贵宝摘要：本文在对1.5MW风电轮毂铸件的结构和要求进行分析的系础上，应用铸造模拟软件Magmasoft进行了凝固模拟分析，根据铸件的热节和绘松预测结果设计冷铁位置和冒口位置以及浇注系统，并进行流动模拟，优化工艺方案。

经生产验证，铸件内部无缩松，与模拟结果一致，完全满足客户要求。

随着新型能源工业的快速发展，国内风电铸件的需求持续增加。

风电铸件的质最要求很高，不仅要求低温性能，而且对铸造缺陷和外观质量都有严格规定。

采用超声波探伤和磁粉探伤，不允许存在超过标准规定的缩孔、缩松、气孔、夹杂物以及表面微裂纹等铸造缺陷，铸件不允许进行焊补，铸造缺陷超标，铸件只能报废；铸件的尺寸公差为CT11或CT12级，重量公差为MT12级。

因而风电铸件的铸造工艺开发及工装设计成为研制合格风电铸件的关键技术之一，很多企业在进行风电铸件的开发研制时，由于铸造工艺设计不合理而导致研发费用大，废品率高。

计算机模拟凝固技术为铸造工艺的合理设计提供了理论基础和实施依据，商用化的模拟凝固软件提供了对铸件温度场、凝固和缺陷预测的动态模拟，依据凝固模拟结果，优化铸造工艺。

常州精棱铸锻有限公司从2007年开始研制1.5MW风电轮毅铸件，在工艺设计时，采用Magma模拟软件对该铸件进行了不同工艺条件下的凝固和流动动态分析并预测缺陷，优化铸造工艺，成功生产了轮毂类铸件，经超声波探伤检查，铸件致密，力学性能和金相组织都符合要求，现已批量生产。

1 铸件分析和工艺设计思路1.5MW风电轮级如图1所示，铸件重约9t，最大壁厚为115mm，高度为2230mm，材料为GGG35.5，要求附铸试块-40℃低温冲击试验，附铸试块放置在铸件上壁最厚的部位。

采用中频感应炉熔炼，材料全部采用优质低硫废钢和优质增碳剂，保证了铸件性能满足GGG35.5要求。

此外，设计了全套工装，使得工装的刚性满足无冒口浇注的工艺要求。

轮毂成形工艺CAE解决方案目录1 轮毂概述 (1)1.1 轮毂简介 (1)1.2 轮毂结构特点 (1)1.3 轮毂材料选择 (2)2 轮毂制造工艺及工艺仿真需求分析 (4)2.1 轮毂制造工艺分析 (4)2.2 轮毂工艺仿真需求分析 (5)3 轮毂制造工艺CAE解决方案 (6)3.1 轮毂铸造工艺分析 (7)3.2 轮毂锻造工艺分析 (8)3.3 轮毂旋压工艺分析 (10)3.4 轮毂冲压工艺分析 (11)3.5 轮毂热处理工艺分析 (13)1轮毂概述1.1轮毂简介轮毂是汽车上最重要的安全零件之一，轮毂承受着复杂的载荷，包括汽车和载物质量作用的压力，车辆在启动、制动时动态扭矩的作用以及汽车在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面障碍物冲击等来自不同方向动态载荷产生的不规则交变受力。

而轮毂的质量和可靠性不但关系到车辆和物资的安全性，还影响到车辆在行驶中的平稳性、操纵性、舒适性等性能，这就要求轮毂动平衡好、疲劳强度高、有好的刚度和弹性、尺寸和形状精度高、质量轻等。

因此，也给轮毂的制造工艺提出了巨大的挑战。

1.2轮毂结构特点轮毂主要是由轮辐和轮辋两大部分构成。

轮辐是介于轮胎与车轴之间的起支撑作用的重要部件。

轮毂按轮辐的构造可分为辐条式轮毂和辐板式轮毂两种。

辐条式轮毂的轮辐是由许多钢丝辐条组成的，这种钢丝辐条能起到很好通风散热的作用，但要求数量多、价格贵，且不便于安装及维修，仅适用于高级轿车和高档赛车上。

辐板式轮毂通常由辐板、轮辋、挡圈及气门嘴孔组成，其中辐板就是用以连接轮辋和安装凸台的支架或圆盘，也称轮辐，其数量和形式多种多样，常见的有五辐，六辐，七辐等。

轮辋是在轮毂上安装和支撑轮胎的部件，轮辋的外部是轮缘，与轮胎相配合。

轮缘的外沿部分易遭受外力载荷的冲击，且在冲击后常产生变形，甚至形成裂纹导致汽车轮胎胎压的泄漏。

轮辋常见结构形式主要有深槽式，对开式，平底式，深槽宽式，半深槽式，全斜底式，平底宽式，整体式，可拆卸式等。

铸造CAE在铸件工艺改进上的应用马娅玲,姚红汝，张龙江，刘利平(共享装备股份有限公司，宁夏银川750021)摘要:介绍了小型挡圈铸件的结构及技术要求0详细阐述了原铸造工艺设计方案,通过对铸件的充型、凝固及缩松情况模拟分析,发现铸件的凝固过程不理想，冒口颈过早凝固,存在缩松风险。

后通过将平板状冒口颈改为扁球状结构，半径为50/m,实现了球墨铸铁件凝的理想方，有了缩松缺陷的，结：在铸造工艺设计中,采用铸造CAE技术对铸件进流的充型及凝模拟，铸件的凝及缩松结有缩发、,关键词:球墨铸铁;挡圈;铸造工艺;缩松中图分类号:TG255文献标志码：B文章编号：1003-8345(2021)01-0004-05DOI:10.3969/j.issn.1003-8345.2021.01.002Application of Casting CAE in Casting Method ImprovementMA Ya-ling,YAO Hong-ru,ZHANG Long-jiang,LIU Li-ping(Kocel Machinery Co.,LtR.,Yinchuan750021,China)Abstract:Structure and technical requirements of small stop ring were introduced.The original casting method design scheme was described in detail.Through mold filling,solidification and shrinkage porosities simulation and analyse,it was found that the solidification process of castings was not ideal,and the riser neck was solidified prematurely,so there was a risk of shrinkage porosities.After that,by changing flat plate-shaped riser neck into flat globular-shaped neck with radius of50 mm,the ideal directional solidification mode of nodular iron was realized and the shrinkage porosities defect was effectively avoided.The following conclusions were obtained:using casting CAE technique to simulate mold filling process and solidification process in the casting method design could directly reflect the solidification sequence and shrinkage porosities of castings, and thereby effectively shorten product development and trial production cycle time and improve productivity.Key words:nodular iron;stop ring;casting method;shrinkage porosities铸造CAE技术铸造理铸件凝过程中的为，用流、有限分析理，对铸造过程的充型、凝、、分进的分析，铸造过程、方便工艺技术的改进对铸造工艺中方、新工艺的用，有不的用［1叫铸造行业的要求对铸件进行收稿日期：2020-08-17修订日期：2021-01-25作者简介：马娅玲（1990.5—东人，毕业于华中科技大学材料成型及控制工程专业，主要从事铸造工艺设计及CAE模拟仿真技术的研发工作。

cae在风电铸件铸造工艺设计优化中的应用CAE（计算机辅助工程）技术在风电铸件铸造工艺设计优化中的应用越来越广泛。

通过CAE辅助仿真分析，可以准确地预测铸造过程中的问题，降低了实验测试成本，提高了生产效率和产品质量。

以下是CAE在风电铸件铸造工艺设计中的具体应用。

1. 铸型设计优化CAE技术通过数值模拟方法，可以对铸造模具进行设计优化, 避免出现铸型填充不足或者金属液迸溅等质量缺陷，从而实现更高的成型率和更好的外观质量。

同时，CAE技术还可以用来确定铸型中最佳的浇口、流道设计，确保熔体顺畅进入铸型。

2. 安全预警分析铸造加工是一个高温高压且危险性较大的过程，如果出现事故后果不堪设想。

通过CAE技术进行安全分析，可以预测和避免各种潜在的事故，避免对工人以及现场设备的损伤。

3. 材料流场分析风电铸件的质量要求非常高，材料流场对铸件质量有着非常大的影响。

而CAE技术可以对铸造过程中的材料流场进行分析，并找到最优的铸造配方和加工参数，提高铸件质量，并降低下游加工成本。

4. 缺陷分析CAE可以模拟各种铸造过程缺陷，通过形成模拟实验数据，并根据模拟数据进行分析，找到并消除铸造过程中存在的缺陷。

通过这种方法，不仅可以降低不合格品率，还可以为精密铸造提供数据支持。

5. 确定最优参数CAE技术可以实现多参数优化计算，即在一定铸造过程范围内，有几个因素需要同时优化，通过模拟计算，可以找到各项参数的最优值，确保生产出高质量的铸件，同时节省铸造生产成本。

综上所述，CAE在风电铸件铸造工艺设计优化中有着广泛的应用，在铸造过程设计中发挥着非常重要的作用，为铸造业提供了重要的技术支持。

摘要工程中的许多零件的生产都离不开铸造，采用铸造的方式可以生产许多大型的、复杂的零件。

采用铸造方法进行生产的关键是进行模具设计，模具中的浇注系统和铸造工艺参数等因素直接影响铸件最终的质量，若工艺不当，则会在铸件中产生缺陷，极大地影响了铸件的性能。

传统的铸造工艺的确定采用经验确定，若在试制件中产生缺陷时，往往通过经验不断的修模，更改工艺参数，直至产生比较满意的结果。

显然，这样的方法极大的降低了工作效率，增加了成本，且产生的结果未必能达到满意的效果。

随着计算机硬件性能的不断提高，软件的不断开发、扩展，CAE技术不断应用到铸造生产中去。

应用CAE技术彻底的改变了传统的修正方法，仅仅借助于商业化的CAE 软件就可以分析、模拟出铸件在成型过程中的真实情况，尽管未必能百分之百的反映整个成型过程，但是由于数值算法的不断改进，尤其是大量性能强大的商业化的专业软件的不断涌现，模拟情况越来越接近真实水平，同时，通过将模拟分析的改进运用到工程当中确实起到了很好的效果。

数值模拟技术为铸造过程中的工艺优化起到了很好的指导作用。

本文通过在CAD软件中建立产品的三维模型及铸造工艺图，将其导入到CAE软基金暗中进行仿真模拟。

重点分析了所选择的铸件浇注系统的设计过程，并利用铸造专业软件华铸CAE分析了其充型和凝固过程，通过软件的后置处理程序分析了缺陷产生的位置，根据理论分析采取相应的工艺进行改进，改进后确实减少和消除了缺陷的产生，最终形成了一套合理的工艺。

可见，CAE技术对铸造工艺的设计和优化有着极大的作用。

关键词：铸造；数值模拟；优化；CAE第一章绪论1.1 课题背景及意义任何机械产品毛坯的产生都离不开铸造，铸造使生产机械产品毛坯的主要方法，它在国民经济中扮演着极其重要的作用。

各行各业都离不开铸件，如大到航空航天中的运载火箭，航海中的船舶，陆上交通运输中的火车、汽车等，小到人们日常生活中的五金、小家电等都需要铸件[1]。

铸造即是指将熔融的金属液注入事先准备好的型腔中使之冷却、凝固成型的方法[2]。

第5=卷第6期中国铸造装备与技术Vol.54No.6CHINA FOUNDRY MACHINERY&TECHNOLOGY Nov.2019大型风电轮毂铸造工艺设计田超，彭倩（陕西柴油机重工有限公司，陕西兴平713100）摘要:为了提高大型铸件试制成功率，确保首件鉴定一次合格，在分析风电2.0MW轮毂结构特点和技术要求的基础上，结合制约大型铸件表面质量、材质性能的因素，严格依据铸造工艺设计流程,探究并完成大型风电轮毂的铸造工艺设计，确保铸件质量稳定、可靠，验证其可行性。

最后固化工艺方案，从而进行大批量生产。

关键词：铸造工艺设计;风电轮毂;首件鉴定中图分类号:TG24文献标识码:BDOI：10.3969/j.issn.l006-9658.2019.06.004文章编号：1006-9658（2019）06-0021-03目前，随着社会生产力的高速发展及经济效益的不断追求,全球能源消耗过大,不可再生资源已趋近枯竭o在这种形势下,发展风能、水能、太阳能等洁净能源已成为时代潮流，尤其风力发电已达到了空前的普及，较好的缓解了能源危机,带来了客观的经济效益。

风力发电设备是将风的动能转变为旋转机械能，从而带动发电机发电。

风轮由3个叶片和1个轮毂组成，轮毂是风电设备关键的部件，连接叶片与主轴,其作用是承受风力在叶片上的推力、扭矩、弯矩及陀螺力矩，然后将风轮的力矩传递到机构中去。

可见轮毂是风轮至发电设备的重要零件，其结构特殊、形状复杂、体积大、加工难度大，加工质量风险特别高。

轮毂一般为球墨铸铁件，材质QT400-18AL，在力学性能、金相、成求，经过波、磁粉探伤，不允许存在缩松、裂纹、气孔、夹渣类缺陷。

本文针对3.0MW轮毂，按照传统铸造工艺设计流程，结合产品图纸及球墨铸铁件技术条件,先进行了工艺性分析，评估了实际生产过程原材料、设备、工装、人员操作技能等环境要素，完善收稿日期:2019-06-07；修订日期:2019-08-11作者简介：田超（1990-）,1,工程4,工艺6,主要从事铸造工艺设计工作＞Email:tianchao083@ 铸造工艺设计方案,并试制成功，实现了满足各项技术要求的铸件批生产。