李清清，宋憲臣，方嘉勤，彭小邦

（東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

0 引言

鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造大致分為3個(gè)過程，即金屬準(zhǔn)備、鑄型準(zhǔn)備和鑄件處理[1～2]。卷氣、夾渣、鑄造不足等鑄造缺陷易在第一階段金屬準(zhǔn)備過程中產(chǎn)生，因此良好的工藝過程是生產(chǎn)高質(zhì)量鑄件的必要保障，而鑄造拉伸試棒的使用與傳統(tǒng)的生產(chǎn)方法相比，節(jié)約了機(jī)械加工的時(shí)間，且提高了一半的效率。這樣不僅可以快速獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以節(jié)省大量材料成本。為了使鑄件測得的機(jī)械性能等相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與材料真實(shí)性能近似一致，鑄件應(yīng)該無氣孔、殘余應(yīng)力和縮松縮孔等缺陷。

近年來出現(xiàn)了一系列用計(jì)算機(jī)程序模擬液態(tài)金屬流動(dòng)和熱傳導(dǎo)現(xiàn)象的軟件，美國UES公司設(shè)計(jì)開發(fā)的鑄造模擬軟件ProCAST是比較成功的，它采用優(yōu)于FDM（有限元差分法）的FEM（有限元）算法達(dá)到對金屬液充滿型腔整個(gè)過程、凝固過程的精確模擬及缺陷的綜合求解和預(yù)測，為生產(chǎn)鑄造工程工藝設(shè)計(jì)工作人員提供了工藝設(shè)計(jì)的保障平臺和理論上的支持。市場上的計(jì)算機(jī)模擬軟件大都是通過對各種物理場（溫度、固相率等）的有限元分析計(jì)算來預(yù)測缺陷產(chǎn)生的位置。而通過對具有不同熱物理性能的材料進(jìn)行實(shí)際測量可以保證采取使用ProCAST軟件仿真和計(jì)算分析鑄件由L→S（液→固）整個(gè)過程和縮松縮孔缺陷時(shí)的可靠性[3～5]。運(yùn)用Pro/E、UG等工程軟件繪制鑄件的三維模型并轉(zhuǎn)換為Parasolid格式導(dǎo)入到鑄造軟件ProCAST中，對金屬液的充型過程和凝固過程進(jìn)行綜合計(jì)算求解，然后通過分析計(jì)算結(jié)果即通過模擬中的鑄件由L→S的時(shí)間以及固相率，得出鑄件可能產(chǎn)生缺陷的地方，根據(jù)缺陷的位置提出改進(jìn)方案并改進(jìn)工藝辦法，減少缺陷，提升鑄件生產(chǎn)可用性，滿足鑄件標(biāo)準(zhǔn)使用要求。

本文應(yīng)用ProCAST鑄造模擬軟件對鑄造拉伸試棒工藝中的充型過程、凝固過程及部分物理場進(jìn)行模擬并通過改變金屬液的充型過程——改變澆道設(shè)計(jì)，從而確定出更好的拉伸試棒鑄造工藝方案。

1 鑄件工藝方案的初步設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

1.1 ProCAST介紹及鑄件特征分析

鑄件的模型設(shè)計(jì)創(chuàng)建可以使用工程師中流行的諸如Pro/E、UG等三維建模軟件作為前處理軟件，輸出Pro-CAST協(xié)議通過的模型類別和網(wǎng)格文件，如IGES、Parasolids、STL等格式；MeshCast模塊對讀入的模型進(jìn)行幾何檢查、幾何修復(fù)等，并且根據(jù)指令做出劃分出適合的表面網(wǎng)格、體網(wǎng)格等操作；生成網(wǎng)格之后由PreCAST模塊進(jìn)行界面、邊界、初始條件、模擬參數(shù)及材料的設(shè)定；DataCAST檢查模型及前一步之前模塊中對網(wǎng)格模型及邊界條件的設(shè)定是否有錯(cuò)誤，若有錯(cuò)誤則返回修改錯(cuò)誤，若無錯(cuò)誤進(jìn)行下一步計(jì)算；ViewCAST顯示模擬結(jié)果，可以對充型、凝固過程進(jìn)行分析[6]。

本文所研究的拉伸試棒材料為A356合金，鑄型材料為H13鋼，圖1所示為試棒的二維尺寸圖，A356鋁合金成分如表1所示。

圖1 試棒二維尺寸

表1 鑄件化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，wt%）

1.2 初始鑄造工藝方案

經(jīng)查閱資料決定采用內(nèi)澆道在底部的設(shè)計(jì)——底注式澆注系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)辦法充型平穩(wěn)，降低對型芯的沖擊力，還可以保護(hù)金屬液不會(huì)被快速氧化使充型平穩(wěn)，這樣缺陷形成率就較低，而且使用硬模鑄造方法得到的鑄件表面質(zhì)量相對較高，且鑄件的質(zhì)量和尺寸精度相對穩(wěn)定[7～8]。首先使用UG三維繪圖軟件繪制鑄件模型，本次研究的金屬型腔設(shè)計(jì)成4件一型，其中包括兩個(gè)拉伸試棒，兩個(gè)金相試樣棒，鑄件三維模型如圖2所示。將繪制好的鑄件三維模型轉(zhuǎn)換格式導(dǎo)入Visual-mesh中，對鑄件依次進(jìn)網(wǎng)格劃分、檢查網(wǎng)格、繪制體網(wǎng)格、檢查體網(wǎng)格、選擇澆注位置與方向和設(shè)定邊界條件等步驟。網(wǎng)格劃分必須依據(jù)鑄件特點(diǎn)分類劃分，以提高整個(gè)鑄件的劃分精度和模型的計(jì)算效率，因此網(wǎng)格大小必須采用分級劃分，型殼網(wǎng)格大小選取10 mm，澆道網(wǎng)格劃分6 mm，鑄件網(wǎng)格大小劃分4 mm，面網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)26416個(gè)，體網(wǎng)格數(shù)量280436個(gè)，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖2 鑄件三維模型

圖3 網(wǎng)格模型

1.3 選擇邊界條件

傳熱系數(shù)由數(shù)據(jù)庫獲得，鑄型即金屬型殼和鑄件之間的傳熱系數(shù)選擇2000 W/(m2·K)；金屬型殼與大氣之間傳熱是熱對流、熱輻射綜合作用的結(jié)果，軟件模擬中應(yīng)只考慮對流對其傳熱系數(shù)為20 W/(m2·K)，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃[9]；金屬液開始澆注溫度設(shè)為680℃；由于該鑄件整體體積較小，須預(yù)熱模具至200℃以防止在金屬液冷卻過快導(dǎo)致的充型不完整；在模擬過程中可設(shè)置澆口面積和充型時(shí)間，就可以得出充型速度；澆注時(shí)間為5 s，冷卻方式在數(shù)據(jù)庫中選擇空冷[10]；澆注方式選擇重力澆鑄，最大充型率設(shè)置為1，模擬過程終止溫度設(shè)置為50℃，模擬總過程調(diào)整3000步最大運(yùn)行步數(shù)，1300步終止模擬步數(shù)，設(shè)置完畢開始進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 鑄造過程分析

2.1 充型過程模擬及分析

將金屬液注入型腔內(nèi)部直至完全充滿需6.68 s，圖4所示為鑄造過程中幾個(gè)時(shí)間段的充型模擬結(jié)果：圖4（a）為充型率達(dá)到20.8%時(shí)的情況，充型時(shí)間約為1.28 s，溶體金屬液緩緩進(jìn)入型腔內(nèi)部；圖4（b）為充型41.7%時(shí)的情況，可以看出溶液緩緩上升，由下朝上運(yùn)動(dòng)逐漸充滿整個(gè)型腔，此時(shí)溶液相對穩(wěn)定；圖4（c）為充型達(dá)到75.1%時(shí)的情況，大概用時(shí)4.9 s；圖4（d）則表示整個(gè)鑄件已經(jīng)全部充滿。

圖4 不同充型時(shí)間云圖

模擬鑄造過程中整個(gè)溶液充型過程都較為平緩穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)冷隔和澆不足的缺陷，也未出現(xiàn)飛濺、噴射等狀態(tài)。因而，澆注系統(tǒng)與參數(shù)的初始工藝方案能夠滿足鑄件的充型要求[11～12]。

2.2 凝固過程模擬結(jié)果與分析

圖5（a）所示為鑄件各個(gè)位置凝固過程的模擬仿真圖示。當(dāng)t=7 s時(shí)，靠近澆道的兩個(gè)試樣的端部開始凝固，隨時(shí)間的步步增加，鑄件其他位置也開始凝固，最后鑄件凝固完成，整個(gè)凝固過程耗時(shí)大概21.87 s。從整個(gè)凝固過程分析，靠近澆道底部溶體堆積較多的部分及澆道中間較厚部位凝固時(shí)間長些，具體原因是這些部位溶體堆積較多、散熱相對薄處較緩慢，四周溶體較少堆積部分已經(jīng)凝固而溶液堆積處部分還沒有完全凝固。圖5（b）為固相分?jǐn)?shù)分布圖，固相體積分?jǐn)?shù)由左側(cè)標(biāo)尺可以看出是從0到1，表示金屬液從L→S（液→固）的流程。打開Procast中Viewcast模塊的Cut/off Control面板，將Cut/off Values調(diào)成0.7，之后點(diǎn)擊Run觀察固相分?jǐn)?shù)變化。圖中灰色位置處容易生成缺陷，因?yàn)檫@些部位凝固慢又得不到周圍金屬液的補(bǔ)縮從而形成孤立的液相區(qū)，最終形成收縮缺陷[13]。對整個(gè)凝固過程的分析可以預(yù)先分析出縮松縮孔出現(xiàn)的可能部位，并以此為據(jù)提出解決此類問題的措施，因?yàn)殍T造過程中出現(xiàn)的缺陷基本都是縮松縮孔，而縮松縮孔是發(fā)生在溶液由L→S（液→固）過程中的。

圖5 凝固過程分析

圖6 所示為鑄件縮松縮孔等缺陷的分布圖，圖中清晰地表達(dá)了缺陷產(chǎn)生的部位，缺陷的位置很均勻說明工藝方案并不是很好，且拉伸試樣和金相試樣接近中間部位的鑄造缺陷明顯突出，大概14%的孔隙率，剩下部分如圖澆道內(nèi)部和底部也存在著數(shù)量相當(dāng)多的縮松瑕疵但是澆注系統(tǒng)內(nèi)存在的較大缺陷，但與拉伸試棒的性能并無關(guān)聯(lián)，故這些缺陷可以忽略。因?yàn)橹挥需T件上具有極少的縮松縮孔即極低的孔隙率才能鑄造出力學(xué)性能接近于真實(shí)值的鑄件，所以該方案應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化，本次模擬主要通過改變澆道進(jìn)行工藝改善，減少并盡可能完全去除鑄件的收縮問題，使鑄件符合相應(yīng)使用要求。

圖6 鑄件缺陷分布

3 鑄造工藝方案的優(yōu)化及模擬分析

如圖7所示，在原始方案的基礎(chǔ)上將中間直澆道改為“S”形澆道。由于澆道的變化，網(wǎng)格的劃分也要根據(jù)模型的變化劃分，還是要分級劃分，溶液堆積多的轉(zhuǎn)彎處網(wǎng)格要?jiǎng)澐旨?xì)致。從工藝的模擬結(jié)果來看，在原始工藝的基礎(chǔ)上澆道改為“S”形，這樣可以減緩金屬液的充型速度從而降低卷氣的可能，而橫澆道的兩頭各延長一段間距可用來存放澆注時(shí)合金液之前的雜質(zhì)溶液，在金屬型頂部同樣開有15 mm的間距，該間距既可用作排氣，也可存放金屬雜質(zhì)溶液。圖8所示為改變澆道后模擬的鑄件缺陷圖，可以看出與初始方案澆注時(shí)相比缺陷減少很多，通過分析優(yōu)化后的工藝方案得知，與原有方案相比，明顯提升了鑄件的品質(zhì)，縮松縮孔明顯減少，縮松縮孔的減少代表孔隙率的降低，孔隙率的降低表明優(yōu)化方案是符合設(shè)計(jì)預(yù)期的，優(yōu)化方案雖未能完全消除缺陷，但也達(dá)到了較理想的效果，后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化。

圖7 S形澆道網(wǎng)格

圖8 缺陷分布

4 結(jié)束語

（1）通過對整個(gè)金屬液充型過程中的模擬分析表明，“S”形澆道能夠使金屬充型速度降低，使金屬液不會(huì)飛濺，充型平緩穩(wěn)定，避免卷氣。

（2）通過對優(yōu)化方案的金屬溶液由L→S（液體→固體）的過程分析表明，鑄件中的縮松縮孔是明顯減少的，縮松縮孔的減少代表孔隙率的降低，孔隙率的降低表明該設(shè)計(jì)可以解決此類問題。

（3）結(jié)果表明，ProCAST數(shù)值計(jì)算仿真技術(shù)可以通過可視化的充型、凝固過程分析鑄造過程，預(yù)測缺陷發(fā)生的位置并確定諸如縮松等缺陷的原因。這便于有效地設(shè)計(jì)部件，它有助于排除現(xiàn)有鑄件的故障，該技術(shù)明顯降低了成本和時(shí)間，節(jié)約了資源。