河南科技大學畢業設計(論文)I掛舵臂鑄造成形過程的計算機模擬摘要介紹了鑄造過程數值模擬技術的一些基本的原理和應用。采用華鑄CAE軟件對大型鑄鋼件掛舵臂的鑄造成形過程溫度場進行模擬。選用了Solidworks三維造型軟件生成鑄件以及冒口、澆注系統、冒口套、冷鐵等工藝參數的三維實體模型，并導出STL格式文件作為接口文件，然后用華鑄軟件進行模擬計算處理。模擬結果作為改良掛舵臂鑄造工藝的依據，在掛舵臂肋板熱節處設置冷鐵來提高凝固速度，在冒口上加設保溫冒口套來提高冒口的金屬液補縮能力。通過對凝固過程溫度場的模擬分析，優化了原始工藝。利用計算機模擬技術，判斷鑄造工藝的合理性，輔助完成工藝優化的方法，能夠徹底克服傳統工藝設計方法的缺點，提高設計質量，縮短試制周期，降低生產成本。將模擬優化后的工藝用于中信重機公司鑄鍛廠的實際生產中，結果表明：通過合理設置冒口、冷鐵的位置和大小，合理選擇澆注系統及分型面，可以控制冶煉和熱處理工藝，保證鑄件符合順序凝固的原則，生產出組織致密、性能優良、各項指標達到用戶要求的優質掛舵臂鑄件。關鍵字：掛舵臂，華鑄CAE，縮孔，工藝優化河南科技大學畢業設計(論文)IIComputerSimulationforCastingProcessofRudderArmABSTRACTThisarticlehasintroducedtheprinciplesandapplicationsofnumericalsimulationofcastingprocess.HUAZHUCAEbeenusedtoimitatethetemperaturefieldinthecastingprocessofthelargerudderarm.Inthisexperiment,Solidworks,athree-dimensionalmodelingsoftware,hasbeenusedtocreatethethree-dimensionalentitymodelofcastingandriser,poursystem,riserset,coldiron,etcandleadoutfileswhoseformsareSTLastheinterfacefiles.AndthenIntecasthasbeenusedtoimitatethecomputing.Thesimulationresultisusedasthebasicofimprovingthecastingtechnologyoftherudderhorn.Inordertoenhancethespeedofsolidification,coldironsaresetupintheribhotspotofrudderarm.Andtoimprovethecontractioncompensationcapacityofmoltenmetaloftheriserhead,theinsulatingrisersleevehasbeensetup.Throughthesimulationanalysistheoriginaltechnologyhasbeenoptimized.Utilizingthecomputermodelingtechniquetojudgetherationalityofcastingtechnologyandtoassisttheoptimizationofcastingtechnologycanovercometheshortcomingofthetraditionalmethodoncraftdesigncompletely.Thatcanimprovedesignqualityandshortenproductioncycleaswellasreducetheproductioncost.CITICheavymachineryCO.adoptedtheoptimizedtechnologyintheactualproduction.Theresultsshowsthatcastofrudderarmwithcompacttexture,highqualityandsatisfyingparameterscanbeproducedbyproperlysettingthepositionandsizeofriserandcoldiron,properlychoosingperfusionsystemandpartingplane，controlingsmeltingandheattreatmentprocessandensuringthatthecastaccordtotheprincipleofsequentialsolidification.KEYWORDS：rudderarm,HUAZHUCAE,shrinkage,processoptimization河南科技大學畢業設計(論文)III目錄第一章緒論.11.1造船業的發展與掛舵臂鑄件的介紹.11.2掛舵臂的傳統鑄造工藝.31.2.1掛舵臂成型特點.41.2.2傳統鑄造工藝.4第二章掛舵臂縮孔、縮松等缺陷的研究.72.1縮孔、縮松產生的原因和過程.72.2掛舵臂生產中縮孔、縮松等缺陷的產生.82.3掛舵臂生產中縮孔、縮松缺陷的防止.92.3.1掛舵臂鑄件中縮孔位置的確定.92.3.2掛舵臂鑄件生產中縮孔的防止.11第三章掛舵臂成形過程溫度場數值模擬及工藝優化.133.1計算機技術在鑄造生產中的應用.133.2華鑄CAE的概述.143.3華鑄CAE對掛舵臂鑄造過程溫度場的模擬.163.3.1STL文件的前置處理.163.3.2溫度場的計算分析.173.3.3模擬結果顯示與分析.193.4掛舵臂鑄造工藝優化.20第四章掛舵臂鑄鋼件的實際生產.23結論.27參考文獻.28致謝.錯誤!未定義書簽。河南科技大學畢業設計(論文)1第一章緒論1.1造船業的發展與掛舵臂鑄件的介紹中國造船業經過幾代人的努力，取得了令世人矚目的成就。2006年中國造船產量達到1400萬載重噸，占世界造船總產量的20%份額，造船總量位居世界第三1。中國船舶工業應以加入WTO為契機，抓住新的機遇，放眼世界，充分利用國內和國外兩個資源、兩個市場，努力創新，“做大、做強”中國船舶工業。從世界造船競爭格局的演變看，進入新世紀，世界造船業結構調整和產業轉移步伐加快，中國造船業正在迅速崛起，在世界造船業中的地位日益突出。中國船舶工業已經進入實施跨越式發展的新時期，呈現強勁的增長勢頭和巨大的發展潛力，中國船舶工業所具有的綜合比較優勢，使中國最有希望成為下一個造船王國。按照船舶系統“十一五”規劃，加強船舶自主設計能力、船用裝備配套能力和大型造船設施建設，優化散貨船、油輪、集裝箱船三大主力船型，如圖1-1所示，重點發展高技術、高附加值的新型船舶和海洋工程裝備。這不僅僅是中國船舶制造工業的發展，無疑也對中國整體高技術制造生產、高質量鑄件生產提出更高要求。據計算，每百萬噸載重船需要船廠外協的鑄鍛件1萬2萬噸。所以船用鑄件，尤其是大型船用鑄件的生產技術對造船業的發展有著極大的影響。散貨船20萬噸油輪河南科技大學畢業設計(論文)2集裝箱船圖1-1三大主力船型眾所周知，船舶的航行除了前進的動力，還需要方向的確定和轉變，而舵就是船舶轉變方向的設備，所以舵系是船舶航行最主要的設備之一，直接關系到船舶航行的安全性能。舵系的設計是一項比較復雜的工作，在外裝區域設計中占有重要的地位，其質量的好壞直接影響到整艘船舶下水節點和建造質量2。作為本研究對象的掛舵臂為船舶上重要部件之一(如圖1-2)，其用途是來承受舵轉動時所使與的拉應力與壓應力。掛舵臂與艉軸管安裝位置示意如圖1-3所示，從而掛舵臂結構復雜、形狀特殊、尺寸精度要求高。另外，掛舵臂幾乎所有面均設計為曲面，以使船舶在航行中所受阻力小。圖1-2掛舵臂河南科技大學畢業設計(論文)3圖1-3掛舵臂與艉軸管安裝位置示意圖以上種種的使用要求和設計思想無不體現對高技術制造業尤其對鑄造業的迫切需求。掛舵臂鑄鋼件大都為小批量生產，鑄件重量大（單件重量80157t）耗用鋼水材料多，進行反復試澆顯然是不合理的，而傳統的鑄造工藝往往只是憑借鑄造工藝人員的實際經驗進行，常常需要反復試澆，進行超聲波探傷和磁粉探傷等鑒定和分析之后，才能得到一個合理、優化的鑄造工藝方案。本文正是探討利用先進的計算機模擬技術（CAE）對大型鑄鋼件掛舵臂鑄造成形過程的溫度場進行模擬，預測縮孔、縮松缺陷，進而對鑄造工藝進行優化，改變傳統的“試制”模式，以計算機技術提高鑄造業鑄造技術水平，并為中國船舶工業的發展作出貢獻。1.2掛舵臂的傳統鑄造工藝大型掛舵臂鑄鋼件是支撐、吊掛舵結構的關鍵件，掛舵臂的性能和質量在船舶航運中起著非常重要的作用。生產中不但要保證鑄件的形體尺寸完美地符合圖紙規定的流線型外表，以減小輪船在大海中行駛的阻力。還要控制內部質量，保證掛舵臂在惡劣的工作環境下滿足使用要求，確保整個船只的安全航行。本設計掛舵臂鑄件材質為KSC49,化學成分見表1-1，其中殘余元素Cr、Ni、Mo、Cu總含量1%，外型輪廓尺寸為762918605639mm,重量為82t，結構形狀復雜，鑄件尺寸公差要求較嚴格，鑄造難度大，澆冒口處、圓角處、機加工表面和特殊表面均要求超聲探傷和著色探傷。為此應該對該鑄件進行了仔細的分析，制訂合理可行的鑄造工藝，以生產出合格的鑄件。河南科技大學畢業設計(論文)4表1-1KSC49的化學成分（Wt%）材質CSiMnPS殘余元素（總量不大于1）CrNiMoCuKSC400.600.890.920.0250.010.200.500.200.301.2.1掛舵臂成型特點掛舵臂鑄件的成形過程具有如下特點：1.由表1-1可看出，碳量在Fe-C相圖中位于包晶區，凝固特性決定鑄件易形成顯微縮松，磁粉探傷后出現超標磁痕顯示，特別是加工后不易進行返修、焊補和回火處理3。2.結構復雜、形狀特殊，幾乎所有面均為曲面，形狀均為流線型，每個斷面尺寸均不相同，其特殊的結構特點為工藝編制、造型、清理等工序均帶來不便。3.掛舵臂質量要求高，形位公差要求極其嚴格，且要求磁粉探傷和超聲波探傷。而中間型腔芯子易漂浮，使鑄件壁厚不均勻。4.鑄件尺寸大、重量大，最大重量達150t，鋼液總量200t以上，需要三包鋼液合澆，給生產組織和質量管理增加了難度。各船級社船都要求在船用鑄鋼件重要部位進行超聲波探傷和磁粉探傷，所以鑄造工藝設計中必須采用針對性的技術措施有效地預防各種鑄造缺陷。1.2.2傳統鑄造工藝掛舵臂鑄鋼件是船舶的必備部件，隨著船舶工業的發展，各工礦企業在掛舵臂