[发明专利]一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法

说明书

技术领域

本发明涉及铸件模型设计领域，特别是一种基于数值模拟定量设置反变形量 的铸件模型设计方法。

背景技术

铸件在热加工过程中存在热应力和相变应力，由于铸件壁厚不均匀，形状复 杂，受力不均，必将产生变形，影响铸件尺寸精度。近年来，铸造过程中铸件的 热应力及变形越来越受到人们的关注，尤其是复杂结构件。开展了很多热应力和 变形的理论和数值模拟的研究，但由于铸件生产过程中的各个工序：凝固、冷却、 打箱、切除浇注系统和热处理都影响着铸件的最终形状，使得准确预测机加工之 前铸件的残余应力及加工余量成为一个难题。为保证机加工时铸件有足够的加工 余量，多数生产厂家在生产复杂铸件时，往往在设计时靠增加加工余量的方法来 保证铸件最终不出现“缺肉”的现象。然而增加加工余量给生产带来能耗增加，出 品率低，后续机加工耗时长等问题，不仅使企业生产成本大幅提高，也不符合国 家节能降耗要求。

目前，绝大部分热应力模型只针对凝固和冷却两个阶段进行模拟，忽略了后 续的打箱、切除浇注系统和热处理这几个工序对热应力和变形的影响，不能准确 地预测铸件在进行机加工之前的尺寸变化和剩余加工余量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法， 能够成功预测复杂铸件铸造之后的残余应力与变形，在此基础上，根据铸件的结 构特征给出铸件各部位的反变形量，从而很好的设计铸件结构，使得铸件最终加 工余量较小且分布均匀，降低生产成本。

本发明的技术方案是：

一种基于定量设置反变形量的设计铸件模型的方法，包括如下步骤：

(1)建立凝固-冷却-打箱-切除浇注系统-热处理的整合热应力模型，利用此 模型可视化地再现复杂铸件在各个工序的热应力和变形的情况，并且得到机加工 前铸件的最终几何形状。

铸件在各个热工序中经历的物理冶金过程不同，铸造过程中主要包含了流动、 凝固、固态相变过程；打箱过程涉及到应力释放和打箱后冷却时的固态相变过程； 切除浇冒口系统涉及局部相变和应力重新分配过程；热处理过程主要包含了固态 相变过程，因此在整合的热应力模型中根据各阶段不同的特征采用不同的计算模 型对其进行计算。

本发明基于Procast铸造软件，在凝固过程中使用粘-弹-塑性模型处理铸件 材料，合理设置铸造过程的边界条件，模拟铸件在铸造过程中的应力和应变情况， 材料的固态相变过程通过将材料的热物性参数设置成温度和冷速的函数来实现； 当铸件冷却到打箱温度时，修改铸件的温度边界条件和约束边界条件，提取铸造 模拟结束时各节点的温度、应力、应变值作为初始条件，通过修改边界条件模拟 铸件打箱过程。其中的应力释放过程通过更改约束后，模型内各点应力重新调整 平衡各点处的应力应变过程来实现。打箱后的冷却过程材料模型和铸造过程相同； 切除浇冒口系统过程的模拟，首先提取打箱冷却后各节点的温度、应力、应变数 值，通过设置浇冒口区域节点的热循环来实现模拟打箱过程；热处理过程的初始 条件来自于切除浇冒口系统后铸件各节点处的温度、应力、应变值，采用弹-塑 性模型处理材料，通过设置界面换热的方式来模拟热处理炉内加热和冷却过程， 界面换热系数通过实际温度测量逆运算得到。

上述模拟的平台为Procast有限元软件，本发明中铸件的三维模型使用ProE 或UG等通用三维造型软件造型。

同时，对铸件关键点进行实际测量，证明模拟结果的准确性。

(2)在铸件变形模拟结果的基础上，根据铸件各部分的应力水平确定不同区 域的拘束度，进而对不同区域设置不同的反变形松弛系数。拘束度越大的区域应 力水平越高，反变形松弛系数越小，而自由变形区域反变形松弛系数为1。根据 反变形松弛系数和变形量(负的变形矢量)的乘积定量地给出不同区域的反变形 量，将反变形量叠加到原始铸件模型上，形成新的铸件模型。

本发明中，采用归一法评价任一节点处的拘束度，具体计算方法为设定所有 节点中应力绝对值最大的节点处的拘束度为1，其余节点处通过该处沿某一坐标 轴的正应力值与该方向上最大应力值之比为该点的拘束度。而反变形系数则由1 减去拘束度确定，因此本发明中，每个网格节点处的反变形松弛系数n下式确定：