[01849078]阀门体铸造热应力有限元分析及振动时效工艺优化研究与应用

在生产实际中,阀门体一般是整体铸造的,在铸造过程中会产生较大的内应力,为了消除内应力对阀门性能造成的不理影响,一般采用热处理工艺和振动时效工艺,由于振动时效工艺具有生产周期短、效率高、节约能源,降低成本,无废渣、废气及辐射等污染和效果明显等特点,因此得到了广泛的应用。但是,由于对阀门体内应力分布规律认识的不足,使得振动时效工艺参数的设置存在不科学的固有缺陷,导致振动时效的效果有时不理想。 针对冶金阀门体内应力产生和消除工程中的问题,课题组利用有限元技术对阀门体内在铸造过程中产生的内应力进行了模拟计算,得出了内应力分布特点,以此为根据优化振动时效工艺参数,使得阀门体的内应力得到大幅度的下降,减少了由于内应力产生的构件变形程度,提高了冶金阀门的性能。该项技术可广泛地应用于金属构件在经过焊接、铸造、锻造、机械加工等工艺过程由于内应力导致的问题,是传统内应力消除的升级换代技术。正是由于振动时效技术的不断发展、经济效果日益明显,才使其应用范围不断扩大。 本课题的主要技术性能指标： 1、建立冶金阀门体的参数化有限元模型,为有限元分析和优化设计等研究活动搭建了技术平台。本课题运用ANSYS10.0对冶金阀门体的工作状况和载荷情况进行分析,简化其结构细节和工况载荷下的不重要因素,采用自底向上的建模方式对冶金阀门体建立有限元参数化模型,模型可控变量参数达到24个,基本覆盖了影响其内应力的主要因素。 2、对该型号阀门在铸造工况下的瞬态温度场、热应力场及综合应力场进行计算,从而预测铸件各个部位的热应力分布,使冶金阀门体的内应力值与实验测定值误差不大于10﹪,为下一步进行振动时效处理提供准确的依据。 3、根据热风阀门内应力分布规律等结果,以此为根据优化振动时效工艺参数,如激振点、支撑点、激振频率、激振力和激振时间等。将振动时效用于铸造冶金阀体的应力消除,降低阀体后处理的生产时间达50﹪,每年为企业节约了能源、工时费和设备维护费用生产成本共计60万元。 4、阀门体振动时效后残余应力的测量,为进一步验证振动时效消除残余应力的效果,对选取的测点位置、设备和测量的过程进行研究,分析测量结果与仿真结果的差异,使振动时效后的应力平均值比振动时效前的应力平均值降低70﹪以上,达到明显的降低内应力的效果。 5、由于炼钢企业对新型阀门体的使用,延长了设备使用寿命,按年产量平均600万吨一般企业计算,每年节省冶金阀门24套,全年共节约设备购置费192万元,可为冶金阀门使用企业降低大量的生产成本,有十分明显经济和社会效益。 先进性及创造性： 1.有限元分析技术能够预测铸件各个部位的热应力分布; 金属结构件在铸造、焊接、锻压和机械切削加工过程中,由于热胀冷缩和机械力造成的变形,在工件内部产生残余应力,致使工件处于不稳定状态。铸件在凝固和冷却过程中,不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力,称热应力。热应力使冷却较慢的厚壁处受拉伸,冷却较快的薄壁处或表面受压缩,铸件的壁厚差别愈大合金的线收缩率或弹性模量愈大,热应力愈大。定向凝固时,由于铸件各部分冷却速度不一致,产生的热应力较大,铸件易出现变形和裂纹。该项目采用有限元分析技术,对冶金阀门体的铸造件的生产工艺进行技术水平升级,对阀门体在铸造过程中的热应力产生的机理和残余应力的分布规律进行了计算,得出了残余应力的分布状况。 2.阀门体振动时效工艺参数的优化; 振动时效（VSR）对降低或匀化金属结构件的残余应力,提高抗动载变形能力,稳定尺寸精度和防止裂纹有非常好的效果。根据有限元分析结果,通过调整振动位置、振动频率、振动振幅和功率等工艺参数,使构件的内残余应力（峰值）降低了40﹪～75﹪,与传统的热时效（TSR）相当,工件无氧化脱碳现象,无需清理氧化皮,减少了辅助工时。同时与TSR相比提高了工件抗载荷变形能力,VSR工艺的应用使工件抗静载变形能力提高30﹪以上,抗动载变形能力提高1～3倍。VSR还适用于二次时效（一般在半精加工后）,是唯一不受场地、环境、工序和工件形状限制的处理方法,同时根据有限元分析结果对构件的结构和铸造工艺参数进行优化,改善了阀门体铸造热应力的分布特点,降低了内残余应力（峰值）。 本课题的关键技术; 1.建立了参数化驱动有限元模型：该方案利用大型有限元软件ANSYS的自下而上的建模技术,建立了冶金阀门体的参数化有限元模型,可为有限元分析和优化设计等研究活动搭建了平台,是开展项目研究的基础性工作。 2.对阀门体在铸造过程中进行了收缩应力和热应力的形成因素的分析;收缩应力和热应力受到的因素非常复杂,传统方法对收缩应力和热应力的形成机理只能进行定性的分析,无法从定量上进行分析和预测,基于有限元技术对阀门体在铸造过程中的冷却温度、浇注温度和构件结构等方面因素进行了灵敏度分析,分析结果为优化振动时效的工艺参数提供了理论依据和技术指导,开服了工艺参数设计中的盲目性。 3.优化振动时效的工艺参数优化：振动时效的工艺参数包括激振点、支撑点、激振频率、激振力和激振时间,这些参数的选取应依据工件的固有振动特性来确定。当激振频率处于工件的固有频率附近时,用较小的激振力可以激起足够大的动应力,只有用工件固有频率进行激振,才能最经济、最简便、最迅速地降低工件的残余应力。但是在实践中发现,由于采用激振力大小、激振力频率和激振点的位置不合理,有时会出现达不到消除残余应力的效果,工件只是局部的消除了残余应力;有时甚至将工件振裂。因此有必要对振动时效工艺参数进行优化设计。根据有限元分析结果对包括激振点、支撑点、激振频率、激振力和激振时间等振动时效的工艺参数进行优化,极大地降低了内应力的峰值。 作用及意义 1.本课题研究对象是该公司系列产品中的一种型号,该技术在此产品上的成功应用,可以广泛地在不同规格和型号产品中内应力的产生及消除,具有广泛的适应性。 2.由于振动时效是一种高效、节能、环保及低成本的时效方法,与传统的热时效和自然时效相比,振动时效具有生产周期短,场地简单灵活方便,生产费用低,无环境污染等优点。由于振动时效的无比的优越性,又适应现代工业对能源和环保的要求,应用振动时效是企业改进传统工艺提高市场竞争力的最佳选择,目前在某些方面已取代了传统的热时效和自然时效。 3.计算机仿真技术的发展为铸造成形研究提供了有力的辅助工具,各种有限元计算方法在铸造、焊接和机械加工研究中也得到了广泛应用,并已在产品的设计和优化方面被证明是有效的。在冶金阀门的设计和生产系统研究中,将有限元模拟与实验结合起来对内应力中的诸多现象进行比较分析,对成形过程进行科学预测,并对工艺加以优化,已成为人们关注的问题。这些问题的研究解决对于阀门的推广应用以及提高该产品的质量起到了积极作用。该产品生产一年来深得用户的好评,相信这项技术的应用将为我建筑行业中发挥巨大的经济效益及社会效益。 应用范围、条件、前景及存在问题： 随着计算机仿真技术的应用技术水平及生产能力的不断提高,冶金阀门体的设计和生产技术也在不断完善发展,随着设计结构和工艺参数的不断优化,内应力也不断降低,其性能和可靠性得到提高,应用前景十分广阔。 经济效益分析： 经粗略统计,目前全国机械制造行业采用热时效方法消除应力的工艺环节,年耗能800～1000 万tce,费用在100 亿元以上。该项技术已在成功地运用到生产实践中上,通过炼钢企业的生产应用表明：通过对不同批次的阀体进的过使用,完全能够满足炼铁企业的生产需要。因此,振动时效在消除冶金阀门阀体残余应力是可行的。