计算机模拟技术在铸造中的应用
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一９２一 石 油机械 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ２００６年第３４卷第９期
．．应用技术
计算机模拟技术在铸造中的应用
张 良赵旭平 （南阳二机石油装备（集团）有限公司技术中心） 摘要 铸件的凝固过程是一个复杂的高温、动态、瞬时的变化过程，在这个过程中缩孔、缩 松等铸造缺陷相继出现。通过计算机模拟技术可以在生产前发现这些缺陷的具体位置和大小，并 将这些质量安全隐患消灭在计算机模拟的反复比较优化中；利用计算机模拟技术可以有效地控制 生产成本，使铸件获得很高的性价比。 关键词 计算机模拟 铸造缩孔 缩松
铸件形成过程是极其复杂的高温、动态、瞬时 的变化过程，难以直接观察。长期以来，基础学科 的理论知识难以定量指导铸件形成过程，铸造工艺 设计只能建立在“经验”上。我国重大机电设备 研制、生产的一个难点是大件制造，大件制造的关 键是热加工。特别在冶金、矿山、石化等行业对大 件的需求非常迫切，由于大件形大体重，品种多， 批量小，生产周期长，造价高，要求“一次制造 成功”，一旦报废，损失惨重，无法挽回。由于传 统的铸造工艺设计只凭借经验，难免在复杂的铸造 工艺中有疏漏，因而重大铸件报废现象时有发生， 投入使用的重大铸件，也难以消除内部诸多铸造缺 陷，很多大件带伤运行。 近些年来，随着试验技术及计算机技术的发展 和铸件形成理论的深化，通过数值模拟和物理模 拟，计算机动态仿真可视化模拟铸件形成过程成为 现实，实现了虚拟制造。计算机模拟技术的广泛应 用，必将使铸造技术水平产生质的飞跃。建立在计 算机工艺模拟、优化基础上的铸造工艺，将“隐 患”消灭在计算机模拟的反复比较优化中，从而 确保关键件一次制造成功¨ｊ。 计算机模拟对铸造缺陷的发现
１．铸造工艺分析软件集成系统 石油钻机、修井机上使用的钩筒、钩体、绳槽 板、筒身、刹车毂等重大铸件，要求有良好的使用 性和安全性。凭经验设计的铸造工艺，铸造缺陷难 以发现，铸件在使用中失效现象时有发生，难以找 到问题的关键所在。华铸ＣＡＥ／ＩｎｔｅＣＡＳＴ铸造工艺 分析软件集成系统是分析和优化铸件铸造工艺的重 要工具，它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技 术为核心对铸件进行铸造工艺分析。实践证明，该 系统在预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化 工艺，提高产品质量，降低废品率、减少浇冒口消 耗，提高工艺出品率、缩短产品试制周期，降低生 产成本、减少工艺设计对经验对人员的依赖，保持 工艺设计水平稳定等诸多方面都有明显的效果。借 助此软件模拟分析，问题迎刃而解。 ２．ＹＧ２２５钩体的模拟 钩体是石油钻机、修井机提升系统上的关键部 件，铸件毛坯质量达１ １５０ ｋｇ，工作中，承载最大 拉力为２ ２５０ ｋＮ，主要集中在主、副钩上，因此 主、副钩部分不允许有缩孔、缩松、气孔等铸造缺 陷存在。由于钩体形状复杂，各部分厚薄不匀，且 曲面较多，仅凭设计人员按照理论计算铸件的质量 以及各部分的模数，冷铁的大小和放置的最佳位置 都极为困难。利用“华铸ＣＡＥ／ＩｎｔｅＣＡＳＴ凝固模拟 分析系统”进行多次模拟分析，最终制定出合理 的铸造工艺。 ＹＧ２２５大钩计算机模拟分析步骤如下： （１）三维实体造型 依据图纸和工艺方案进 行三维实体造型（见图１），利用软件ＡｕｔｏＤｅｓｋ Ｉｎ－ ｖｅｎｔｏｒ８建立铸件、冒口、浇注系统、冷铁三维模 型，并将ＩＰＴ格式转化为ＳＴＬ格式。 （２）选择适当的网格利用前置处理模块的 网格自动剖分功能对铸件、铸型等实体进行网格剖 分，得到计算部分所需的离散模型，如图２所示。
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副钩
主钩
图１ ＹＧ２２５钩体三维图
图２铸造工艺方案网格剖分图 （３）耦合计算 利用计算处理模块进行流动 场与温度场的耦合计算，耦合计算后得到铸件铸型 各部分的初始温度继续进行凝固过程的温度场计 算。从这些计算中得到的流动场、温度场数据，再 通过后处理功能将其可制作为各种可视的图形图 像、曲线和过程动画，以揭示充型过程和凝固过程 的行为细节，为工艺设计人员进行工艺决策和工艺 优化提供可靠的定性定量的依据。 （４）做可视动画 根据后置处理做出可视动 画，判断各种铸造缺陷的具体位置和数量。图３是 铸件的充型压力分布状况，可以看出，在充型过程 中，主钩根部有负压危险区，也就是气孔容易出现 的区域。通过其缩孔、缩松分布状况可以看出，在 主钩和筒状区缩松相当严重，且有少量的缩孔，影 响铸件的使用性能，因此，必须寻找新的工艺方案 加以消除或将这些缺陷驱赶到受力小的部位。 （５）缺陷分析筒状区圆筒外径为 ８０ ｍｍ， 内径为￣３６５ ｌｌｌｍ，圆筒壁厚为５７．５ ｍｍ，直径大， 壁较厚，在壁厚的中部，易出现缩松。又由于筒状 部分离冒口较远，凝固过程中在副钩与筒状交界处 钢水被副钩上部的冷铁隔离，造成筒状区过早出现 了孤立液相区，最终在筒状区中部形成缩松。主钩 区的缩松为对称分布，虽然在冒口的正下部，但主 钩根部较薄，两侧又放有冷铁，冷却快，造成在此 处将钢水隔离，在主钩头上形成孤立液相区，最终 形成对称大小一样的缩松区域。由于负压危险区出 现在冒１３的正下部，只要将冒口顶部挖出适当大小 的孔洞，作为排气通道即可解决气孔问题。
浇挂持 图３ 铸件的充型压力分布 （６）新工艺方案 由于铸造缺陷只集中在２ 个区域，其它地方几乎没有缺陷，因此浇注系统和 冒口的大小及位置，保持不变。去除副钩上部的冷 铁，畅通补缩通道，在圆筒端部下面放置随形冷 铁，加快末梢凝固速度；去除主钩根部冷铁，在主 钩头外侧放置冷铁，加强钩头的凝固，最终在冒口 的两侧即筒状区和主钩区分别形成顺序凝固，补缩 通道畅通，效果良好。扩大保温冒口顶部的出气 孔，加强排气。经过再次模拟计算，缩孔、缩松显 示临界为１％，孔松分界为０．５时缩松分布如图４ 所示。
图４新工艺缩松分布图 可以看出，主钩部分缩松面积极小，从而保证 了铸件关键受力部位组织致密。筒状区虽然有一定 数量的缩松存在，但与旧工艺相比，数量已大大减 少，且分布松散，体积较小，能够满足使用要求。 经过对上述两区域磁粉探伤，均能达到ＧＢ９４４４ ６ ～
～田 维普资讯 http://www.cqvip.com ．－——９４．－—— 石油机械 ２００６年第３４卷第９期
８７的一级要求。 计算机模拟对生产成本的控制
计算机模拟技术在铸造中不仅可以预测缩孔、 缩松等缺陷的倾向，而且对改进工艺措施，提高产 品质量，降低废品率，缩短产品试制周期，减少工 艺设计人员对经验的依赖，保持工艺设计水平稳定 等诸多方面均有明显的效果。此外，在减少浇冒口 消耗，提高工艺出品率，降本增效方面效果也比较 显著。 目前，由于原材料价格上涨幅度较大，铸件的 利润空间随之变得非常狭小，大多厂家为了保证生 产的顺利进行，在外部条件难以改变的情况下，要 获得一定的利润，“降本增效”成为大多数厂家的 首选。铸造行业降本体现在多方面，但最重要的一 点是严格控制工艺出品率，减少钢水的浪费。尤其 是合金钢件，合金原材料价格昂贵，钢水的浇注温 度高且流动性不好，容易出现铸造缺陷，设计人员 往往靠增加钢水来降低缩孔、缩松等缺陷出现的几 率。这种传统的做法，虽然在一定程度上起到了作 用，但造成相当严重的浪费。利用“华铸ＣＡＥ／Ｉｎ． ｔｅＣＡＳＴ凝固模拟分析系统”对铸件进行纯凝固传 热计算，计算结束控制按凝固比例１００％结束，即 可算出冒口中钢水的利用率，冒口中钢水剩余高度 １５ ｍｍ即可，如果剩余钢水高度大于１５ ｍｍ，可以 降低冒口高度再次模拟，但不要低于１５ ｍｍ，以防 出现浇注条件的变化造成意外。一个好的铸件，并 不是一个没有缺陷的铸件，而是一个恰能达到其设 计寿命且在其间内运行良好的铸件。通过模拟，可 以判断出缺陷是否影响铸件的使用，如果不影响使 用，没必要另增加成本投入采取工艺措施消除这些 缺陷；把关键部位的铸造缺陷驱赶到不重要部位， 这些措施都将大大降低铸件的生产成本。实践证 明：利用模拟结果指导生产，不仅保证了铸件质 量，而且将大大降低生产成本，因此只要相信并大 胆利用新技术，成本的控制相当可观。 结 论
（１）应用计算机模拟技术能够预测并准确发 现铸件内部的多种铸造缺陷，通过工艺优化，还可 以找到最佳的铸造工艺方案；在提高产品质量，降 低废品率，缩短新产品试制周期等方面效果也比较 显著。 （２）通过计算机模拟，可以减少浇冒口消耗， 提高工艺出品率，降本增效，为企业的发展带来勃 勃生机。 参考文献 １ 张毅．铸件凝固数值模拟及铸造工艺ＣＡＤ现代进展 铸造，１９８７，（６）：８—１２
第一作者简介：张良，工程师，生于１９７９年，２００４ 年毕业于河南科技大学材料成型及控制工程专业，主要从 事材料加工工艺设计工作。地址：（４７３００６）河南省南阳 市。电话：（０３７７）６３５７７５１２。 收稿日期：２００６—０７一ＩＩ （本文编辑赵连禄）
●信息广角 用于下套管和油管作业的机械化系统 美国１３Ｊ Ｔｕｂｕｌａｒ Ｓｅｒｖｉｃｅ公司开发出一种用于油田下套管和油管作业的全机械化系统。据称，这种下套管和油管作业的 全机械化系统可用于下 ｌ７７．８—９１４．４ ｍｍ（７—３６英寸）的套管和 Ｉ１４．３—１７７．８ ｍｍ（４．５—７英寸）的油管以及割缝衬 管，可大大提高作业安全性和作业效率。 全套机械化系统包括垫板、循环装置、Ｌｅａｄ—ｈａｎｄ ＭＫⅡ型液压动力大钳操纵系统、 ３５５．６ ｍｍ（１４英寸）液压套管 钳和背钳以及顶驱套管定位装置。利用这种顶驱套管定位装置在实施下套管（或油管）作业时，毋须在对扣台上进行危险 的人工对扣作业，只需１名技术人员通过遥控将套管（或油管）从天车台上托起，然后使之定位，并以传统的方式进行上 扣连接。在整个下套管（或油管）作业过程中不需要对扣接管工，套管或油管可直接在钻台上被上扣连接。Ｌｅａｄ ｈａｎｄ ＭＫ Ⅱ型液压动力大钳操纵系统的作用则是在下套管（或油管）作业中操纵液压动力大钳往返井口中心就位或脱位。 据悉，这种用于下套管和油管作业的机械化系统，目前已由美国壳牌石油公司巴西有限分公司应用于巴西Ｃａｍｐｏｓ海 湾近海油田的下套管和油管作业中。 （江先雄）
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