[发明专利]一种基于反变形控制铸件尺寸的方法

说明书

本发明公开了一种基于反变形控制铸件尺寸的方法，通过综合考虑铸件凝固，冷却，打箱，切除浇注系统和热处理影响建立有限元热应力模型，准确预测铸件在整个热加工工序中的变形。然后，根据铸件结构特征和不同区域拘束度的不同，设置不同的反变形松弛系数，对原始模型进行反变形处理。反变形松弛系数由计算节点处的应力水平决定，应力值越大松弛系数越小。针对添加反变形的模型，进行整个热加工过程的数值模拟计算和迭代，最终确定合理的铸件模型尺寸，生产出加工余量合适均匀的铸件。

技术领域

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种基于反变形控制铸件尺寸的方法。

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。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于反变形控制铸件尺寸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，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。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于反变形控制铸件尺寸的方法，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铸件在各个工序的热应力和变形的情况，得到机加工前铸件的最终几何形状；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，根据铸件结构特征和不同区域的拘束度，设置反变形松弛系数，对铸件模型坐标增加反变形量； (3)对添加反变形量的铸件模型，再进行铸造、打箱、切割冒口和热处理过程的全流程数值模拟，得到机加工前铸件变形量分布；比较变形后模型和最终产品设计模型，如果铸件加工余量均匀且处于合理范围内，则根据反变形模型设计铸件模型；否则继续根据反变形模型、变形量和反变形松弛系数，进行下一循环反变形设计与计算模拟，直到铸件的最终几何形状满足加工余量的要求，生产出加工余量合适均匀的铸件。

优选的，所述铸件模型反变形量由反变形松弛系数与负的变形矢量乘积确定。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明能准确预测铸件在整个热加工过程的流场、温度场和应力场，对提高铸件合格率、出品率等具有重要意义；本发明设计的变形预测和反变形措施，可以有效解决铸件加工余量不足、不均匀等现象，极大提高生产效率，降低随后的机加工难度，提高产品性能。

具体实施方式

本实施例为通过本发明的技术，设计一套大型水轮机叶片铸件模型。本叶片轮廓尺寸为：3400×3400×1100mm，用于700MW级大型水轮机转轮。由于叶片在转轮运转过程中受水流作用而推动转轮运转，所以其型线设计非常复杂，扭曲严重。复杂的曲面造型使叶片在铸造、热处理等热加工工序中极易变形，且凭经验很难预测叶片变形趋势和变形量，原有技术只能通过增加铸件加工余量的方式来保证最终不出现“缺肉”的现象，大大增加制造成本和后续机械加工难度。本实施例按照叶片最终各部分加工余量均为20mm为设计目标，进行叶片的模具设计。具体实施如下：

1.使用三维造型软件将净叶片模型造型，并在净叶片的基础上添加均匀的20mm加工余量；根据铸造补缩理论和实际生产经验，设计叶片铸造工艺及浇冒口系统，并使用有限元网格剖分软件剖分有限元网格；