探究圆盘类铸钢件数值的模拟与多目标的优化设计

【摘要】铸钢件成形过程是一个复杂的过程，影响的因素很多，为了选择最佳的试验参数，同时获取较为充分的数据，模拟试验采用正交试验法，通过分析试验结果，选择优化的工艺参数。本文我们将选择正交试验法，结合极差和方差分析，对多因素多个目标值进行分析。最后运用模糊数学中的综合评判法，根据各目标值对产品质量的影响程度，进行加权综合评分，根据极差及方差分析结果，以寻求最优的工艺参数组合。

【关键词】铸钢件；冒口；工艺优化；模拟

【分类号】：TG260

在铸钢件成形的时候，冒口是避免出现缩松、缩孔等问题的关键渠道，因此对冒口进行合理科学的设计是整个铸造过程的重要环节。本文结合极差和方差分析，对多因素多个目标值进行分析。运用模糊数学中的综合评判法，根据各目标值对产品质量的影响程度，进行加权综合评分。模拟试验在华铸CAE软件上进行。模拟不同工艺条件下的成形过程，得到工艺出品率，缩孔数量、体积、位置与大小等信息，同时可以观察铸件的充型过程、凝固动态、热量传输及分布状况。

一、铸造工艺优化

1、铸钢件工艺优化设计存在的问题

对于大型铸钢件，缩孔、缩松等是难以消除的缺陷。通过设置冒口来尽量减少缺陷数量与减小缺陷体积，同时引导缺陷产生在非重要或次重要位置。实际生产过程中，为了保证铸件的产品质量，冒口常常设计得较为保守，导致工艺出品率较低。以工艺出品率、缩松、缩孔数量、缩孔体积大小为目标值，对3个目标值进行了数据分析，讨论了最优铸造工艺参数组合。

2、铸造工艺优化试验方案的设计

采用正交试验法安排模拟试验，具体过程为：

①确定模拟试验目标：工艺出品率A1、缩松、缩孔数量A2，缩松、缩孔体积A3；

②确定影响因素以及因素的水平；

③选择因素水平表及正交试验表，选择5因素4水平表，采用L16（45）正交试验表；

④软件平台模拟试验，搜集试验数据；

⑤采用方差分析法分析数据，总结最优参数组合，提出最优工艺方案；

⑥在软件平台进行模拟验证最优的工艺方案。

二、铸钢件铸造工艺优化设计案例

1、试验模型

根据大齿轮模型，在Pro/E中构建附带工艺的三维图，并分别导出铸件STL文件冒口STL文件浇注系统STL文件。将其导入模拟软件平台华铸CAE中模拟分析，观察成形情况，获取缩松、缩孔信息。

2、试验目的

通过对铸件成形过程中温度场的分析，预测缩松、缩孔的位置信息、数量及体积大小。分析目标为工艺出品率A1（%）、缩松、缩孔数量A2（个）、缩松、缩孔体积A3（mm3）。

3、试验过程影响铸件成形的冒口工艺因素有很多，选取成形过程中影响较大的5个因素，每个因素安排4个水平，见表1。因素1为圆柱形明冒口形状；因素2为圆柱形明冒口高度h，mm；因素3为腰圆明冒口形状；因素4为腰圆明冒口宽度A，mm；因素5为冒口数量，个。

4、数据的处理

假设用正交试验表安排N个因素的正交试验，试验总次数为n，试验结果分别为x1，x2，...，xn。假定每个因素取m个水平，每个水平做p次试验，则n=mp。

所有试验次数的平均值计算如下：

因素的平方差和=因素差方和/因素自由度=Q因/f因 （8）

试验误差的平均差方和=试验误差方和/试验误差自由度=Qe/fe （9）

将各因素的平均差方和与误差的平均差方和相比，得出F比值。这个比值的大小反映了各因素对试验结果影响程度的大小。

F比=因素的平均差和/试验误差的平均差方和 （10）

5、结果分析

通过方差分析法，可以看出因素1圆柱形明冒口形状的F比较大，是较为关键的因素。在模拟试验中，所选3个目标的量纲不一致，而且对冒口工艺的重要程度也有所不同，无法直接将3个数据叠加评价。鉴于此，根据目标值在综合评价体制中的重要程度，运用100分制加权评分。根据铸件冒口的设计要求和各指标的影响的重要性，A1、A2、A3的权重分值A1=30%，A2=35%，A3=35%。计算时，加权系数做适当调整。计算系数为a=1，b=0.01，c=0.54。由于工艺出品率越大越好，而缩孔数量、缩孔体积越小越好，故评分公式如下：

F比=aCj1-bCj2-cCj3 （11）

统计分析得出分值证实因素1圆柱形明冒口形状对综合评分影响较大，即对铸件质量影响较大，形状为D时，质量最好。通过计算分析因素对工艺出品率、缩孔数量和缩孔体积的影响可以看出，标准圆柱形明冒口高度h越高，工艺出品率越低。圆柱形明冒口形状为D时，缩孔数量最少。综合来看，因素1对各指标影响较大。

因素的重要程度依次是，因素1，因素5，因素2，因素3，因素4。通过试验验证，经过华铸CAE分析，模拟结果为：工艺出品率A1=74.02%，缩松、缩孔数量A2=153，缩松、缩孔体积A3=62.38mm3，得分为38.78。方案13得分为46.63，为最优方案。

三、结论

1、标准圆柱冒口形状对各指标影响较大，选择合适的圆柱冒口形状，可以显著提高工艺出品率，减少缩孔数量和缩孔体积。优化冒口形状，工艺改善效果明显。冒口形状为圆柱形明冒口时，工艺出品率较高，缩孔体积较小，数量较少。

2、圆柱冒口数量对工艺出品率和缩孔体积有一定影响。冒口数量（非冒口体积大小）越多，工艺出品率越低。冒口数量为5时，缩孔体积较小。标准腰圆形冒口参数对缩孔数量有影响，取325mm时，缩孔数量较少。

参考文献：

[1]肖海涛. 消失模铸钢件数值模拟研究[D].兰州理工大学，2009.

[2]李建强. 大型铸钢件凝固过程数值模拟参数值优化[D].哈尔滨工业大学，2011.

[3]卢顺，周杰，李梦瑶，余盈燕，丁永峰. 基于数值模拟的铸钢基体表面堆焊模具组织与性能研究[J]. 热加工工艺，2013，19：19-20+25.