CN1298466C - 一种可视化铸造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可视化铸造方法，具体地说是一种“看得见”的铸造方法。本发明首先采用数值模拟技术计算铸件的充型和凝固过程，预报并减少(或消除)铸件常规的缩孔疏松、热裂等缺陷；然后通过三维X射线实时监测系统实际观察铸件充型和凝固过程，通过透视金属液在型腔中的运动，可直接观察到气孔、夹杂等目前依赖模拟手段无法预报的铸造缺陷；最后通过模拟与观测集成，优化浇注系统设计，生产近终形的优质铸件。本发明为中国铸造业提供一种能够实现节能降耗、减少环境资源压力、提高铸件合格率和工艺出品率、减少加工余量、实现近终形的可视化铸造技术。它适用于普通砂型铸造、精密铸造等不同合金和尺寸规格的铸件的铸造过程。
Description
技术领域
本发明属于铸造领域，具体地说就是一种可视化铸造方法。它适用于普通砂型铸造、精密铸造、金属型铸造等各种合金和各种尺寸规格的铸件成形过程。
背景技术
中国制造业增加值占全国GDP的37％左右，是中国经济的中流砥柱。而铸造是装备制造业的重要环节，为机械制造业提供零部件。我国正逐渐成为世界的铸件生产基地，从2001年起成为世界上第一大铸件生产国，但我国不是铸造强国。造成这种局面主要是由于工艺技术落后，大部分铸造生产依赖经验，特别是浇注系统设计一直沿用几十年前的陈旧技术。铸件生产能耗高、原材料消耗高、废品率高、工艺出品率低。特别是大型铸件集中表现为加工余量大和“三孔一裂”(即气孔、渣孔、缩孔和裂纹)缺陷。据统计，中国制造业铸件生产过程中材料和能源投入约占产值的55％～50％。我国铸钢件工艺出品率平均为50％，比国外低20％。要解决这些问题根本出路是用信息化带动工业化的新技术，大力开展铸造技术创新，达到以人为本，提高质量，节省资源、能源，改善环境，实现可持续发展。
“睁眼造型、闭眼浇注”的铸造过程导致的浇注过程的不可视和不可控性是铸件产生缺陷的主要原因。为了使铸造过程可视化，铸造工作者首先尝试水模拟技术，用水代替金属液来观察充型过程。水模拟为浇注系统的优化设计提供了重要参考，但水不是金属，它的缺点是在充型过程中不像金属液那样有温度和粘度的变化，因此从本质上说，水模拟起到的作用是有限的。
随着数值模拟技术和现代铸造理论的发展，铸造数值模拟技术尤其是三维温度场模拟、流场模拟及弹塑性状态应力场模拟已进入实用阶段。国际上开发了很多模拟软件来预测缩孔疏松、热裂等缺陷。根据温度场的模拟结果，可以断定铸件凝固的先后顺序，补缩通道是否畅通；根据应力的模拟结果可以预测铸件在凝固过程中的热裂倾向。利用这些模拟结果进行工艺设计与优化可缩短产品试制的周期，降低废品率，进而降低成本。计算机模拟的优点是，只要拥有材料的热物性参数，就可以实现对各种复杂形状、各种尺寸规格的铸件充型和凝固过程进行模拟。但计算机模拟也明显的不足，首先模拟的正确与否取决于所建立的模型，而模型要通过实验修正。另外很多铸造缺陷目前依靠模拟还不能预报，如气孔、夹杂、氧化膜卷入金属液内部形成的裂纹缺陷。本质上说，计算机数值技术还只是模拟，而不是实际观察结果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可视化铸造方法，可视化铸造就是看得见的铸造，将计算机数值模拟技术与X射线实时监测集成，通过观察和模拟各种尺寸规格铸件的充型和凝固过程，确定优化的铸造工艺，实现铸件的近终形铸造。
本发明的技术方案是：
一种可视化铸造方法，其特征在于：
1)用计算机数值模拟技术模拟铸件的充型和凝固过程；
2)应用X射线实时监测系统直接观察铸件的充型和凝固过程；
3)通过模拟与实测集成，确定优化的铸造工艺。
本发明采用计算机模拟铸件的充型和凝固过程，预报缩孔、疏松缺陷；根据凝固过程的应力数值模拟观察铸件的应力应变场，并根据应力的模拟结果预测铸件在凝固过程中的热裂倾向；在此基础上，进一步应用X射线实时监测系统实时观察铸件充型过程中金属液在铸件型腔中的运动状态、卷气、气泡上浮和冲砂现象，将模拟与实测结果集成，将计算机模拟、X射线实时监测和工艺试验相比较，找出影响铸件质量的各种因素，确定优化的铸造工艺。
本发明计算机模拟所需要的数学模型通过X射线实时监测系统来校正。
所述X射线实时监测系统包括三维X射线系统设备和浇注装置，在三维X射线系统设备内加设一浇注装置于封闭室内，所述浇注装置包括用于放坩埚的浇包支架、滑车、吊车、砂型，浇包支架通过设置于其前端的钢丝绳与安装在滑道上的滑车相连，滑车经第一开关与电机连接，设置于浇包支架底部的钢丝绳经第二开关与安装在滑道上、由电机控制的吊车连接在一起；第三开关安装在滑道上；滑车与吊车相连接；砂型安放在载物台上，砂型位于X-射线路径上。
本发明的有益效果是：
1、本发明采用X射线技术实时监测铸件的充型过程，通过透视金属液在型腔的流动，人们首次真正看到了铸件的充型与凝固过程。在此基础上，对传统的浇注系统进行优化设计，从而避免了许多因浇注不当而引起的卷气和夹杂等缺陷。X射线的不足之处在于它所能观察到铸件尺寸和重量是有限的，对大型件却无能为力。因此，本发明将计算机模拟与X射线实时监测系统集成，克服各自不足，能够实现对所有尺寸的铸件进行工艺优化设计，生产出近终形(与产品最终形状、尺寸非常接近)的优质铸件。
2、本发明将计算机模拟与X射线相结合设计出近终形的铸造工艺，由于避免了铸造缺陷，保证铸件平稳充型，避免了夹杂和气体卷入金属液内部，因此浇冒口尺寸、铸件加工余量将大大减少，显著提高了铸件的合格率和工艺出品率，提高了铸件质量。
3、本发明铸件充型、凝固和缺陷诊断与传统“睁眼造型，闭眼浇注”的铸造方法比较，本质区别在于其可以透视和实时观察，可视化铸造思想和实施方法是铸造领域的一个重大创新。
4、本发明计算机模拟所需要的数学模型可以通过X射线实时监测系统来校正。
5、由于X射线实时监测系统所观察的铸件重量、壁厚是有限的，而计算技数值模拟技术能够模拟任意尺寸、壁厚和重量的铸件的充型和凝固过程，所以X射线的观察结果可以通过计算机模拟的方法在更大的铸件上体现出来。
6、本发明可以准确地确定铸造工艺参数，尤其是浇注温度的确定，可视化方法可以计算金属液的液相线温度，所以可以将浇注温度的偏差确定在10℃之内。
7、本发明可以准确地确定铸件外形尺寸，由于过去不能预测铸件的收缩结果，所以铸件的加工余量比较大，利用可视化方法，加工余量减小1/3。
8、本发明可以准确地确定铸件的变形方向，尤其是大型叶片等复杂形状的铸件，没有可视化方法很难确定变形方向，利用可视化方法，可以给出变形方向，在模具制造中，给出反变形，使生产出的铸件正好符合尺寸。
9、本发明利用购置的国外三维X射线系统设备，进行二次开发，研制了能作为可视化铸造实时监测用的改进的系统设备，采用本发明不但能够观察铸件充型和凝固过程，改进浇注系统设计，使传统的“睁眼造型，闭眼浇注”的铸造过程成为历史，而且能够精确诊断铸件成形后的缺陷位置和尺寸，具有高精度的无损检测功能，使铸件可视化成为可能，为铸造工艺提供了一个创新式技术路线，也是传统工艺的一个质的突破。
附图说明
图1为大型铸钢支承辊缩孔预报。
图2为大型铸钢支承辊热裂倾向预测。
图3为采用可视化铸造方法生产的近终形超级钢辙叉心轨。
图4为本发明流程图。
图5为三维X射线监测系统设备结构示意图。
图6-1为本发明浇注装置结构示意图。
图6-2为本发明浇注装置中滑车和吊车工作的电路原理图。
图7为图5中X-射线设备、载物台、成像系统结构示意图。
图8为本发明一个实施例底注叶片蜡模组合示意图。
图9为本发明一个实施例底注叶片浇注过程实时观察结果。
图10为本发明一个比较例顶注叶片蜡模组合示意图。
图11为本发明一个比较例顶注叶片浇注过程实时观察结果。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明的详细内容分述如下：
1)集成的计算机模拟技术与X射线实时监测方法
X射线实时监测技术是计算机模拟的基础，基于X射线的实时观察，能有效地验证计算机模拟结果。通过修改流场和温度场的数学模型和数值计算方法，错误的数值计算结果可以避免，实现模拟结果和实验结果一一对应。通过X射线实时监测系统可以确定不同合金和不同形状铸件的浇注系统设计基本原则，能够观察到模拟方法无法预报的气孔、夹杂等缺陷。但是它能观察到的铸件的尺寸和重量是有限的，主要适用于小型件和等比例模拟件。而计算机模拟可以对各种复杂形状和尺寸规格的铸件进行模拟计算，不受重量和尺寸的限制。图1是50吨的大型铸钢支承辊的缩孔模拟结果，可以清楚地预报缩孔的尺寸和位置。图2是热裂预报结果，在辊身和上辊径结合处易出现裂纹缺陷。通过优化工艺设计，获得合格的轧辊铸件。而这样大的铸件是无法进行X射线实时观察的，但是通过计算机模拟，可以很好地设计轧辊的工艺，获得满意的结果。只有将计算机模拟与X射线相结合才能设计出好的浇注系统，覆盖所有铸件的充型和凝固过程。
2)近终形的铸造工艺设计
在X射线实时观察、计算机模拟和大量浇注试验的基础上，通过采用随流浇注系统(或者称之为自然浇注系统，Naturally pressurized filling system)有利于系统充满，保持稳定流动状态，速度可控。浇注系统的设计包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道和冒口五部分。浇口杯的设计基于稳定充型，有利浮渣的思想。直浇道的设计应满足金属液处于充满状态。横浇道应降低金属液流动速度，保持充满状态。内浇道决定金属液的最终充型速度，内浇道也应保持充满状态。由于避免了夹杂、气孔、缩孔疏松、热裂等缺陷，浇冒口设计得到优化，浇注系统尺寸设计可以达到最小，铸件加工余量也减少到最小。这样的工艺设计提高了铸件的合格率和工艺出品率，实现了铸件的近终形铸造，有利于节能降耗，有利于减少铸件加工余量，有利于提高铸件的质量。图3是采用可视化铸造方法生产的超级钢铁路辙叉心轨，由于铸件的内在质量好，在线服役后通过3亿吨总重，使用寿命是传统整铸辙叉的3倍。与锻造合金钢心轨组合辙叉相比，在使用寿命相同的情况下，通过可视化铸造优化工艺设计，成本降低了1倍，工艺出品率可以达到75％，而且使用更安全。
本发明采用可视化铸造技术，通过计算机模拟、X射线观察和工艺试验相比较，找出影响铸件变形的各种因素。采用新的浇注系统设计方法，模拟与实验反复比较，确定铸件的最佳铸造工艺，设计合理的工艺参数，生产优质铸件。具体方案和路线如图4所示。
本发明浇注系统采用中国专利申请(申请号为200310105217.0，申请日2003年11月28日)提到的浇注系统设计方法进行设计，根据流量相等的原则设计无气隙平稳充型浇注系统使浇道保持充满状态，这样的设计保证了金属液在浇注系统中时刻处于充满状态，充型过程中平稳，防止气体和氧化膜卷入金属液中，造成裂纹和疏松缺陷。
目前，德国艾克发公司生产一种三维X射线系统设备(如：DP435型)，这套设备可用于固态铸件的缺陷检测，精度高。但是，这样的设备不能用来监测铸造动态过程。
如图5-7所示，为了实现铸造可视化实时监测，本发明实时监测系统以DP435型三维X射线系统设备(RadioScopic Inspection System)为基础，加设一浇注装置于封闭室内，该三维X射线系统设备主要包括控制柜1、X-射线设备2、控制模块4、UXGA监视器5、X-射线监视器6，总控制台7、双手控制台8、载物台20、成像系统22，(参见图5、6-1、7)，为完全起见，以上所述X-射线设备2、载物台20、成像系统22均封闭在一个由铅板制成带有滑动门9的封闭室内，X-射线设备2与载物台20上的物品对应设置，成像系统22将接收器19接收的信号通过控制模块4处理后送至UXGA监视器5、X-射线监视器6，总控制台7或双手控制台8控制载物台20运动；所述浇注装置包括：用于放浇包的浇包支架12、滑车13、吊车14(本实施例采用250公斤小型吊车)、砂型、钢丝绳，浇包支架12通过设置于其前端的钢丝绳与安装在滑道上的滑车13相连，滑车13经第一开关K1与电机连接，由电机(双向型)控制，用于控制滑车13的前行或后退；滑车13与安装在滑道上的吊车14通过钢丝绳相连，滑车13带动吊车14在滑道上作横向运动；浇包支架12底部的钢丝绳连接在吊车14上，第二开关K2控制吊车电机，使钢丝绳拉动浇包支架做上下运动以控制浇注过程；第三开关K3安装在滑道上，用于滑车13的限位；砂型18安放在载物台20上，浇注完成之后形成铸件11；砂型18位于X-射线10路径上；来自X-射线设备2的X-射线10经砂型18后，由接收器19接收信息，用来观测。
如图6-2所示，第一、二开关K1、K2为双位开关，第一开关K1的接线端a、b分别接至滑车上的滑车前行端A，滑车13后退端B，第二开关K2接线端c、d分别与吊车14上的吊车提升端C，吊车下降端D电连接，第三开关K3为行程开关，其开合由滑车13位置控制。其工作原理：当第一开关K1置接线端a位置，滑车13前行；当第一开关K1置接线端b位置时滑车13后退。第二开关K2置接线端c位置，吊车14提起钢丝绳，翻转浇包；第二开关K2置接线端d位置时，吊车14放下钢丝绳，浇包复位。第三开关K3为常闭行程开关，当滑车13撞到第三开关K3时，第三开关K3打开，滑车13自动断电，当滑车13返回时，带动第三开关K3复位，使第三开关K3自动回到常闭状态。
封闭室有双层拉动式滑动门9，工作时进行封闭，浇注后打开。浇注所需的金属液由感应炉冶炼后，倒入浇包，送进封闭室，进行浇注，浇注到砂型18内。浇注过程如图6-1所示。浇注的同时打开本发明设备中X-射线设备2、UXGA监视器5、X-射线监视器6、成像系统22，通过控制柜1、控制模块4、控制台进行实时记录，也可以在显示屏上进行观察。金属液在直浇道、横浇道、内浇道的流动状态、气体和夹杂物的产生和上浮过程都可以清楚地观察到。
采用本发明可以实现可视化铸造，举例如下：
1)实时观察和记录铸件充型和凝固过程
具体工作过程为：
第一步造砂型，熔炼金属液。
第二步打开滑动门9，将砂型18安放在载物台20上；关上滑动门9，打开X-射线设备2，调整载物台20位置，观察砂型18的型腔，直到型腔进入X-射线设备2的视野为止。关闭X-射线设备2，打开滑动门9。
第二步在浇包支架12上放上一个空坩埚作为浇包，打开滑车13起动键，开动滑车13，滑车13带动浇包向密封室中运行，浇包运行到砂型18上方后，起动吊车14，钢丝绳拉动浇包翻转，将浇包出口与砂型18直浇道入口对准；位置确定后，依据这个位置设定行程开关。
第三步将浇包支架12和滑车13复位，取下浇包支架12上空坩埚。
第四步从熔炼炉上取下装有金属液的坩埚，将装有金属液的坩埚放在浇包支架12上，开动滑车13，滑车13遇到行程开关后，自动停止。
第五步关上滑动门9，开起X-射线设备2，进行实时记录。开动吊车14，翻转装有金属液的浇包，将金属液浇入砂型18，逐步完成浇注过程，形成铸件11。浇注过程中，金属液的流动过程经接收器19和成像系统22成像，然后在UXGA监视器5、X-射线监视器6的显示屏上进行实时观察。同时也记录下了所有的观察结果。
2)根据观察结果，设计新的浇注系统，使铸件平稳充型，充满型。
通过观察可以发现金属液能否平稳充满浇注系统，是否存在湍流现象；记录金属液的流动速度，到达不同位置的时间等。据此可以判断浇注系统的尺寸设计是否合理。如果不合理，可以直接找出设计的不合理之处，以便及时修改。如：根据观察结果和实际件的浇注发现，当金属液平稳充满浇注系统，进入砂型18时的速度小于0.5m/s时，铸件的内在质量最佳。金属液平稳充型至关重要，它可以避免卷气缺陷，冲刷型壁带来的夹杂卷入缺陷，也避免了由于剧烈湍流导致的表层氧化膜卷入金属液内部形成夹杂和疏松等缺陷。
3)可以对成形后的铸件缺陷进行无损检测，精确判断微小缺陷的三维空间位置和尺寸。
该系统有7个自由度，可以进行平移和旋转，示意图见图7。本发明设备具有很高的精度，可以诊断铸件中很小的缺陷，因此特别适合航空、航天等精密铸件的无损检测。由于观察过程中可以平移和旋转，因此可以准确判断缺陷的空间位置和大小。缺陷定位后，可以直接显示在屏幕上并记录。
图8所示，下面以底注精密铸造高温合金叶片为例(图中标号表示：25为横浇道，31为泡沫陶瓷过滤片)：浇注金属液重量10kg，浇注时间5秒，浇注温度1430℃，壳型温度950℃。(1)在直浇道27旁边放置一个侧直浇道34，将浇口杯33与直浇道27连接处用陶瓷片32封住，金属液只能从侧直浇道34流入，底注进入叶片型腔；(2)浇口杯33与侧直浇道34连接处距离浇口杯33底部50mm，这样金属液进入浇口杯33后可以起到很好的稳流作用；(3)壳型采用硅酸乙酯壳，为防止降温，在壳型外表面缠保温棉；(4)金属液浇入后，底注进入叶片，充型非常平稳，无湍流现象，铸件中没有发现夹杂、疏松等缺陷，叶片合格率高，质量完好。底注充型过程见图9(其中：37为叶片，38为直浇道27中的金属液)。
比较例
图10所示，本实施例以顶注精密铸造高温合金叶片为例：用常压铸造方法代替真空浇注考察底注和顶注对铸件充型过程的影响。浇注金属液重量10kg，浇注时间5秒，浇注温度1430℃，壳型温度950℃。
(1)采用传统工艺，锥形的浇口杯33；(2)应用一个直浇道27、两个横浇道25组合，上、下设置的横浇道25两侧各挂7个叶片37；(3)壳型采用硅酸乙酯壳，为防止降温，在壳型外表面缠保温棉；(4)金属液从顶端浇入后，剧烈湍流，充型不平稳，而且浇注系统处于没有充满状态，铸件中发现夹杂、疏松等缺陷，叶片废品率很高。顶注充型过程见图11。其中29为直浇道中的空隙，38为直浇道中的金属液。
利用本发明进行叶片可视化铸造实时观察，发现叶片顶注和底注过程有显著区别，顶注容易造成金属液湍流，导致明显的夹杂和疏松缺陷；而采用本发明设备，使用底注平稳充型浇注系统后，在浇注过程中金属液充型平稳，无卷气和夹杂缺陷，铸件质量良好。表明：将三维X射线监测系统设备进行改造后，应用在铸造实时监测上，为可视化铸造开了一个先河。
图9和图11所示分别为高温合金叶片精密铸造底注和顶注的X射线实时监测结果。观察发现，顶注叶片充型过程液流紊乱，容易引起夹杂缺陷。而底注叶片充型平稳，无夹杂、疏松等缺陷。
本发明为中国铸造业提供一种能够实现节能降耗、减少环境资源压力、提高铸件合格率和工艺出品率、减少加工余量、实现近终形的可视化铸造技术。它适用于普通砂型铸造、精密铸造等不同合金和尺寸规格的铸件的铸造过程。
Claims (1)
1、一种可视化铸造方法，1)用计算机数值模拟技术模拟铸件的充型和凝固过程，采用计算机模拟铸件的充型和凝固过程，预报缩孔、疏松缺陷；根据凝固过程的应力数值模拟观察铸件的应力应变场，并根据应力的模拟结果预测铸件在凝固过程中的热裂倾向；2)应用X射线实时监测系统直接观察铸件的充型和凝固过程，进一步应用X射线实时监测系统实时观察铸件充型过程中金属液在铸件型腔中的运动状态、卷气、气泡上浮和冲砂现象；3)通过模拟与实测集成，将计算机模拟、X射线实时监测和工艺试验相比较，计算机模拟所需要的数学模型通过X射线实时监测系统来校正，将模拟与实测结果集成，找出影响铸件质量的各种因素，确定优化的铸造工艺；其特征在于：
所述X射线实时监测系统包括三维X射线系统设备和浇注装置，在三维X射线系统设备内加设一浇注装置于封闭室内，所述浇注装置包括用于放坩埚的浇包支架(12)、滑车(13)、吊车(14)、砂型(18)，浇包支架(12)通过设置于其前端的钢丝绳与安装在滑道上的滑车(13)相连，滑车(13)经第一开关(K1)与电机连接，设置于浇包支架(12)底部的钢丝绳经第二开关(K2)与安装在滑道上、由电机控制的吊车(14)连接在一起；第三开关(K3)安装在滑道上；滑车(13)与吊车(14)相连接；砂型(18)安放在载物台(20)上，砂型(18)位于X-射线(10)路径上。
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