一种基于反变形控制铸件尺寸的方法

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；

2.由于叶片在机加工之前，其变形受到凝固、冷却、打箱、切除浇注系统和热处理等工序的影响，所以必须首先建立叶片变形模拟的整合模型。凝固和冷却阶段的变形模拟考虑相变的作用。打箱和切除浇注系统工序的模拟，以边界条件的形式解除铸型对铸件、浇注系统对铸件本体的限制作用。热处理工序的模拟主要考虑辐射的作用。模拟计算时，每一阶段结束前保存铸件所有节点的温度和位移，作为下一阶段计算的初始条件。采用铸造及热处理过程数值模拟软件对叶片制造过程各个阶段的变形进行模拟。叶片在砂箱中冷却至150℃时，从X方向上的变形主要是扭曲变形，叶片由弯曲向平直方向变形，其中与下环相连接的一侧变形比上冠侧4变形大，出水边3变形比进水边1变形大。叶片在Y、Z方向上的变形主要是收缩变形，但此变形可以通过增加铸造缩尺来弥补。叶片打箱后，冷却至室温时，叶片的变形趋势和叶片在砂箱中冷至150℃时的变形趋势相同，仍然是由弯曲向平板方向变形，但变形量和变形区域有所增加。切除浇冒口系统后，叶片内部应力重新分配平衡，叶片整体变形趋势和未切除浇冒口系统前相同，但下环侧2变形量有所减小，上冠侧4变形量有所增加，整体变化不大。热处理完成后，热处理过程中叶片中铸造应力在加热和保温过程中逐渐减小，但在热处理过程中也会重新引入由于叶片各部分加热和冷却速度不同而导致的热处理应力，从而引起变形。热处理后叶片的变形和切除浇冒口系统后叶片的变形相比，下环侧2沿X方向变形趋势有所减小，但上冠侧4沿X方向的变形趋势有所增加；同时，由于热处理过程和铸造过程叶片的约束方式有所不同，所以其在Y、Z方向上的变形有较大改变。

3.根据计算结果和叶片具体结构，对不同的区域设置反变形量。

4、重新对添加反变形量后的几何模型进行整个热加工工序的模拟，模拟初始条件和边界条件与前次模拟完全相同。变形后的叶片模型和净叶片终形对比，可以看出，叶片各部分的加工余量基本均匀(加工余量范围在15～25mm之间)，满足生产要求，可以按此模型对叶片进行造型生产。

以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的几种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。