皮带轮浇铸模拟分析及优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及皮带轮生产技术领域，特别是皮带轮浇铸模拟分析及优化设计方法。
【背景技术】
[0002] 皮带轮是传动结构的重要零件之一，常见皮带轮采用灰铸铁铸造成型，其价格低 廉，性能可基本满足使用要求。但是，按照传统化学成分生产的皮带轮铸件，其强度、塑韧性 和切削加工性能已不能满足现代工业对皮带轮提出的高性能和长寿命要求，强度低、塑性 差、耐磨性一般、使用寿命短是目前皮带轮铸件亟需解决和突破的一个重要瓶颈和关键技 术。皮带轮的传统铸造方法是：皮带轮轮槽部位先整体铸造浇注成型，后参照皮带轮产品轮 槽的尺寸进行机械切削加工。该传统技术不仅浪费大量原材料，而且增加切削加工量，大幅 提高了生产成本。更为重要的是，在铸造成型过程中由于加厚了皮带轮轮辐厚度，大大增加 了高温铁液冷却凝固过程中在轮辐处形成缩孔缩松的倾向，会造成铸件工艺出品率的显著 降低。
[0003] 现有的皮带轮铸件大多使用的材质为HT200,即灰铸铁材质。灰铸铁的铸造性能、 切削性、耐磨性都优于其它各类铸铁。由于灰铸铁的凝固方式为顺序凝固，其石墨化膨胀常 不能完全抵消凝固过程的体积收缩，在凝固过程中常需要外界来进行补缩。
[0004] 现有浇注系统中内浇道的设计都是采用长方形或圆柱形形状设计，此种设计不能 够形成热压力及温度梯度，还易造成内浇道散热更快、铁液更先凝固，从而阻挡后续铁液的 流动与补充；此外，皮带轮传统设计中都采用了冒口，加大了铁液的用量，易引入外界杂质 与气体，形成内部夹杂物与气孔缺陷。皮带轮传统的生产过程中都使用了冒口的浇注系统。 一般地，冒口设计主要依赖于铸件的形状与工人师傅的经验，意在补充铁液，减少孔洞缺 陷。但在实际生产操作中，很容易从冒口处引入外界杂质与气体，在铸件内部形成夹杂物及 孔隙缺陷。
[0005] 目前国内对皮带轮浇铸工艺的优化还停留在较低水平，即通过现场浇铸，根据相 关设备分别对浇铸过程中的时间、压力、温度、液相分数以及孔隙率等变量进行测量，同时 根据有丰富经验的工人师傅对各个变量进行调整，以便得到最佳浇铸方案，采用这种方式 对皮带轮浇铸工艺进行优化，不但花费了大量的人力物力，而且其不易得到最佳方案。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种皮带轮浇铸模拟分析及优化设 计方法，通过三维软件建模并通过软件进行模拟浇铸分析，可准确的得出最佳浇铸方案，且 成本低。
[0007] 本发明的目的通过以下技术方案来实现：皮带轮浇铸模拟分析及优化设计方法， 包括以下步骤：
[0008] Sl、采用ProE三维建模软件建立皮带轮浇铸模具的三维模型；
[0009] S2、将皮带轮浇铸模具的三维模型以STL格式导出，并进行位置调整，再导入 MAGMASOFT软件中进行数据定义和网格划分，网格计算、网格生成结束后在后处理的网格显 示中查看划分结果是否合理，确保没有造成失真；
[0010] S3、输入相应的铸造工艺参数和模拟条件对其进行充型模拟：设置浇注温度，采用 顶注式浇铸的方法将金属液缓慢充型，控制充型速度，随着充型时间的延长，铸件的充型过 程是从铸件下层逐渐过渡到铸件上层，直至充型结束，充型过程中，记录充型过程中无乱浇 现象的充型时间和充型压力，得到该充型过程时间模拟图和充型压力模拟图，得出充型过 程的最佳充型方案；
[0011] S4、凝固过程中残余液相和缺陷分析：通过MAGMASOFT软件记录不同时间点的温 度场变化模拟图、液相分数模拟图和孔隙率模拟图，根据公式F = 1-P，其中，F为补缩率，P 为孔隙率，得出补缩率，根据补缩效果，得出凝固过程的最佳方案。
[0012] 所述的皮带轮浇铸模具为开放式环形浇铸系统。
[0013] 本发明具有以下优点：
[0014] 1、针对皮带轮铸件的特点提出了顺序凝固的工艺思想，通过对皮带轮铸件优化工 艺的充型过程和凝固过程进行数值模拟分析可见，当铸件的浇注温度为1380°C、浇注时间 为7s时，铸件的充型平稳，可充分利用石墨化膨胀进行铸件的自身补缩从而实现顺序凝 固，冷却凝固后的铸件无缩孔、缩松等缺陷。
[0015] 2、采用较为厚大的内浇道浇注系统时，其内浇道不仅能起到促进铁液充满型腔的 作用，还可利用内浇道厚大的特点起到冒口补缩的作用，在浇注近结束时，可利用重力的作 用对铸件进行补缩，铸件的充型平稳，避免了冒口的使用，整个操作过程简单，工艺要求较 低，生产效率较高，且节约了金属用量。
[0016] 3、避免了一般铸造工艺中所需要使用的冷铁，减少了气孔类缺陷产生的机率，有 效减少了后期工装的众多工序，显著提升了生产效率和经济效益，大大提高了皮带轮铸件 的工艺出品率。
【具体实施方式】
[0017] 下面对本发明做进一步的描述，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
[0018] 皮带轮浇铸模拟分析及优化设计方法，包括以下步骤：
[0019] Sl、采用ProE三维建模软件建立皮带轮浇铸模具的三维模型皮带轮浇铸模具为 开放式环形浇铸系统，具体参数如下：
[0021] 各浇道横截面积比为：内浇道：横浇道：直浇道=2. 6 :2. 1 :1。
[0022] S2、将皮带轮浇铸模具的三维模型以STL格式导出，并进行位置调整，再导入 MAGMASOFT软件中进行数据定义和网格划分，采用自动划分格式的形式，网格计算、网格生 成结束后在后处理的网格显示中查看划分结果是否合理，确保没有造成失真；
[0023] S3、输入相应的铸造工艺参数和模拟条件对其进行充型模拟：根据铸件的实际情 况以及现场操作的实际情况，设置浇注温度为1380Γ，采用顶注式浇铸的方法将金属液缓 慢充型，控制充型速度，金属液从直浇道流入至横浇道，从横浇道分散开，从两个方向进入 横浇道，液体从横浇道进入内浇口，随着充型时间的延长，铸件的充型过程是从铸件下层逐 渐过渡到铸件上层，直至充型结束，充型过程中，铸件下层未完全充满时并没有分散液体涌 动至铸件上层，整个充型过程中液体的流动平稳，没有出现一般铸造工艺中的"乱浇"现象， 得到该充型过程时间模拟图，充型时间7s即可充满型腔，同时根据得到的充型压力模拟图 进行分析，铸件最开始的压力集中于横浇道，两侧压力值基本相同，随着充型的进行，从整 体来看，充型过程中铸件都处于恒压状态，这样铸件不会存在局部充气的现象，保证了整个 铸件的均匀性，得出充型过程的最佳充型方案；
[0024] S4、凝固过程中残余液相和缺陷分析：通过MAGMAS0FT软件记录不同时间点的温 度场变化模拟图、液相分数模拟图和孔隙率模拟图，模拟凝固过程温度变化的结果来看，内 浇口壁薄与砂型直接接触热交换量大，先凝固，但温度降到一定程度后又有稍微上升的趋 势。此时，该两部分作为热源为内浇口提供热量，导致其温度稍有升高，但从整个铸件的凝 固温度来看是均匀分布的，没有出现很大的温度差，根据MAGMAS0FT使用软件中颜色与液 相分数的对照关系得知，随着标尺颜色从上到下的依次变化，液相分数依次降低。铸件壁厚 的部位残余液相多，而壁薄的部位残余液相少，但在其中心部位仍有少量液体，说明铸件的 凝固是壁薄的部位先凝固，然后才是壁厚的部位凝固，皮带轮上下两个轮辐以及横浇道末 端先凝固，根据公式F = 1-P，其中，F为补缩率，P为孔隙率，得出补缩率，根据补缩效果，得 出凝固过程的最佳方案。
[0025] 皮带轮铸件优化工艺的充型过程和凝固过程进行数值模拟分析可见，当铸件的浇 注温度为1380°C、浇注时间为7s时，铸件的充型平稳，可充分利用石墨化膨胀进行铸件的 自身补缩从而实现顺序凝固，冷却凝固后的铸件中无缩孔、缩松等缺陷。整个铁液充型过程 中没有出现紊乱等现象，铸件的充型平稳。运用均衡凝固理论得知，该件中心壁厚处容易出 现缩孔缩松，利用内部自身补缩可使其厚壁处避免缩松和缩孔缺陷的出现。本工艺设计避 免了冒口的使用，操作过程简单，工艺要求较低，生产效率提高，且节约了金属用量，避免了 一般铸造工艺中所需要使用的冷铁，不仅可有效减少后期工装的众多工序，显著提升生产 效率和经济效益，而且大大提高了皮带轮铸件的工艺出品率，使得该铸件的工艺出品率达 到了 77%。
【主权项】
1. 皮带轮浇铸模拟分析及优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤： 51、 采用ProE三维建模软件建立皮带轮浇铸模具的三维模型； 52、 将皮带轮浇铸模具的三维模型以STL格式导出，并进行位置调整，再导入 MAGMASOFT软件中进行数据定义和网格划分，网格计算、网格生成结束后在后处理的网格显 示中查看划分结果是否合理，确保没有造成失真； 53、 输入相应的铸造工艺参数和模拟条件对其进行充型模拟：设置浇注温度，采用顶注 式浇铸的方法将金属液缓慢充型，控制充型速度，随着充型时间的延长，铸件的充型过程是 从铸件下层逐渐过渡到铸件上层，直至充型结束，充型过程中，记录充型过程中无乱浇现象 的充型时间和充型压力，得到该充型过程时间模拟图和充型压力模拟图，得出充型过程的 最佳充型方案； 54、 凝固过程中残余液相和缺陷分析：通过MAGMASOFT软件记录不同时间点的温度场 变化模拟图、液相分数模拟图和孔隙率模拟图，根据公式F=l-P，其中，F为补缩率，P为孔隙 率，得出补缩率，根据补缩效果，得出凝固过程的最佳方案。2. 根据权利要求1所述的皮带轮浇铸模拟分析及优化设计方法，其特征在于：所述的 皮带轮浇铸模具为开放式环形浇铸系统。
【专利摘要】本发明涉及皮带轮浇铸模拟分析及优化设计方法，包括以下步骤：S1、采用ProE三维建模软件建立皮带轮浇铸模具的三维模型；S2、将皮带轮浇铸模具的三维模型导入MAGMASOFT软件中进行数据定义和网格划分；S3、输入相应的铸造工艺参数和模拟条件对其进行充型模拟，得出充型过程的最佳充型方案；S4、凝固过程中残余液相和缺陷分析，得出凝固过程的最佳方案。本发明的优点在于：通过三维软件建模并通过软件进行模拟浇铸分析，可准确的得出最佳浇铸方案，且成本低，得到的浇铸工艺，使得铸件的充型平稳，避免冒口的使用，整个操作过程简单，节约金属用量；避免了传统铸造工艺中所需要使用的冷铁，减少了气孔类缺陷产生的机率，大大提高了皮带轮铸件的工艺出品率。
【IPC分类】B22C9/08, B22D37/00, B22C9/28
【公开号】CN105033191
【申请号】CN201510379517
【发明人】雷永志
【申请人】四川德恩精工科技股份有限公司
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年6月30日