數值模擬在消除球墨鑄鐵差速器殼縮孔中的應用

錢怡君，于 浩，程兆虎

(合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽合肥 230009)

數值模擬在消除球墨鑄鐵差速器殼縮孔中的應用

錢怡君，于 浩，程兆虎

(合肥工業大學材料科學與工程學院，安徽合肥 230009)

首先對汽車差速器殼進行合理的鑄造工藝方案設計，然后利用華鑄CAE軟件對球墨鑄鐵差速器殼的充型及凝固過程進行數值模擬?；谀M結果，預測和分析在此工藝方案下鑄件產生縮孔的傾向和形成原因，進而提出冒口補縮系統的優化方案，成功消除了差速器殼鑄造過程中產生的縮孔缺陷。結果表明：利用CAE計算機模擬技術有助于為工藝方案的評估與優化提供可靠的借鑒，縮短了產品試制周期，降低廢品率，保證了鑄件質量。

差速器殼；鑄造工藝；CAE；球墨鑄鐵；數值模擬；縮孔

鑄造數值模擬技術是采用計算機及相關CAE模擬軟件對鑄件形成過程的各個方面進行數值模擬，其中主要是對鑄件的充型及凝固過程進行模擬，即對充型及凝固過程中的流場、速度場以及溫度場進行耦合計算，對計算得到的數據進行分析，以預測鑄造過程中產生的缺陷及其形成原因，從而對鑄造工藝進行改進，最終消除缺陷，獲得高質量鑄件[1]。

本文首先根據所設計的鑄造工藝方案，采用Pro/Engineer Wildfire4.0三維造型軟件對球墨鑄鐵差速器殼鑄件、鑄型及其澆注系統和補縮系統分別進行三維實體造型，然后將它們轉換成STL文件格式導入華鑄CAE模擬軟件中進行流動及凝固過程數值計算。當計算結束后，利用模擬軟件中的后置處理模塊對模擬產生的結果文件*.tem和*.dfc進行觀察，分析在此種鑄造工藝方案下的充型過程中液相的動態分布過程，及其凝固過程中液相的凝固次序，進而分析其形成縮孔縮松缺陷的傾向及原因，進而修改、優化冒口補縮系統，重新進行模擬分析，找到最優方案，最終消除鑄件中的縮孔缺陷，保證鑄件質量。

1 汽車差速器殼初始鑄造工藝

汽車差速器殼為結構較復雜且表面積較小的回轉體零件，外部和內部均由柱面和球面組成，其外輪廓尺寸為?210mm×109mm，壁厚最大為30mm，最小為9mm。材質為牌號QT450-10的鐵素體球墨鑄鐵，質量為8kg，化學成分控制在表1所示范圍。

表1 鐵素體球墨鑄鐵差速器殼的化學成分（wB%）

結合實際生產情況，汽車差速器殼采用普通濕砂重力鑄造生產。采用一箱四件鑄造方案，砂箱尺寸為800mm×600mm×200mm。在選擇鑄件的澆注位置時，利用靜壓力的作用，將鑄件的重要部分置于下部，使組織更加致密，由于球墨鑄鐵液經球化、孕育處理后，溫度下降多，流動性降低，為了縮短其澆注時間，選擇大斷面積的半封閉式澆注系統，同時保證充型時的平穩及有效擋渣，橫澆道采用雙向緩流式。由于球墨鑄鐵的液態和凝固時收縮比較大，易產生縮孔及縮松，故按順序凝固的原則放置澆注系統，并設置暗冒口進行補縮，一個冒口補縮兩個鑄件，差速器殼的鑄造工藝方案如圖1所示。根據半封閉式澆注系統，選擇澆注系統各組元截面積比為 F內∶F橫∶F直=0.8∶1.4∶1，根據水力學公式計算得：F橫=9.8cm2，F直=7cm2，澆注時間為 12s。采用實用冒口設計法對冒口進行設計，在距離直澆道154mm的兩邊各設置一個?70mm暗冒口，冒口高度為90mm，冒口頸尺寸為18mm×12mm。利用Pro/E三維造型軟件對上述鑄造工藝進行實體造型，并在同一坐標系下將其轉化為STL格式導出。

2 充型及凝固過程數值模擬

2.1 網格劃分

將鑄件、澆注系統、補縮系統的STL文件導入華鑄CAE模擬軟件中，在經裝配預覽確認無誤后，開始對其進行網格剖分。考慮到剖分單元的連通性和計算效率，同時保證所得網格單元數不超過系統配置所允許的計算單元數，將充型模擬時的網格尺寸初定為4mm，凝固模擬時的網格尺寸初定為3mm，剖分完成后調用華鑄CAE前處理模塊中的網格檢查功能，判斷剖分單元是否連通[3]。最終，選擇充型時網格尺寸為4mm，總網格數為1452360，凝固時網格尺寸為3mm，總網格數為3443895。

2.2 工藝參數設置

獲得滿意的網格劃分結果后，進入華鑄CAE的計算處理模塊，計算過程中需要確定鑄件和鑄型等的物性參數和界面參數等，同時假設鑄件和鑄型的初始溫度分布是均勻的[4]。計算所用合金熱物性參數為，澆注溫度1388℃，環境溫度為20℃，液相線1209℃，固相線1086℃，熱輻射系數0.375，液相收縮率0.00004，相變收縮率0.01。計算涉及到基本物性參數和界面參數見表2和表3。

表2 基本物性參數

表 3 溫度場界面參數（×41868W·（m2·K）-1）

2.3 模擬結果及分析

圖2是差速器殼在此鑄造工藝方案下充型過程中的流動場變化模擬結果，圖2(a)和(b)分別是澆注時間為2.09s和4.01s時的金屬液流動場變化情況（亮色為金屬液，灰色為鑄型）。由此模擬結果可以得到金屬液充型到鑄件不同位置所需要的大致時間，從中可以看到，金屬液由澆口杯進入直澆道，首先將橫澆道充滿，再進入冒口，經過冒口頸的小截面最終進入型腔進行充型，此過程的充型速度非?？?，避免了鐵液溫度在充型過程中過快降低。

圖3為凝固過程不同階段的固、液相分布模擬結果（白色為固相，灰色為液相）。從圖3(a)可以看出在凝固到170.482s時刻，出現了7個孤立液相區，此時冒口頸已開始凝固，4個鑄件與冒口均不連通，金屬液無法進入型腔進行補縮，在4個鑄件中分別出現了一圈孤立液相。在凝固到210.612s時刻，出現了19個孤立液相區，其中每個鑄件中分別存在4個孤立液相區。

對應的凝固完成時的縮孔分布如圖4所示，圖4（a）當凝固到195.09s時刻，在孤立液相區靠近冒口頸部位開始產生縮孔缺陷，圖4（b）到251.62s時刻鑄件全部凝固，每個鑄件中分別有4個縮孔缺陷，最終整個鑄件包括澆冒口系統共52個縮孔，縮孔總體積為27.54cm3。這主要是由于冒口頸采用的是寬而薄的矩形，它的冷卻速度要遠大于厚壁鑄件，使得順序凝固無法獲得，造成了在鑄件最后凝固部位出現縮孔缺陷。圖4（a）中兩個暗冒口頸處已經完全凝固，只是在冒口中還有大量液相存在，但是已經無法補縮鑄件，這部分液相在后期凝固過程中產生的石墨化膨脹不足以完全消除液態金屬的凝固收縮，因而在最后凝固的部位出現了縮孔缺陷。

3 工藝方案的優化及模擬

3.1 差速器殼改進方案

根據對初始工藝下縮孔形成原理分析認為，消除差速器殼鑄件縮孔的關鍵在于克服薄壁冒口頸的阻隔作用，只要保證冒口頸不過快凝固，使冒口對型腔的補縮有機會進行，從而實現順序凝固，這樣就能防止缺陷形成。因此改進的方案是，在初始工藝的基礎上，增加冒口頸的尺寸，將其修改為28mm×14mm，以減小冒口頸的冷卻速度，使鑄件型腔中的金屬液先于冒口頸凝固以獲得順序凝固的效果，最后利用凝固時的石墨化膨脹來抵消凝固收縮，達到消除縮孔的目的。

3.2 差速器殼改進工藝的模擬

差速器殼改進工藝的固、液相分布結果如圖5所示。圖5（a）當凝固到211.198s時刻，鑄件中出現3個孤立液相區，靠近冒口部分金屬液仍與冒口頸連通，能得到冒口的補縮。圖5（b）當凝固到244.30s時刻，鑄件已經基本凝固，而冒口中還有大量液體存在，說明冒口能夠有效的補縮鑄件，實現從鑄件到冒口的順序凝固。

對應凝固過程中定量縮孔的檢測如圖6所示。圖6（a）當凝固到211.20時刻，鑄件中有少量未凝固的液相，但這部分金屬液仍與冒口連通故沒有成為孤立液相，能得到冒口的補縮作用，因而沒有出現縮孔。圖6（b）在隨后凝固到290.00s時，鑄件完全凝固，在孤立液相區部位沒有產生縮孔，最終縮孔全部出現在澆冒口系統中，總共40個縮孔，總體積為23.09cm3。這與之前的初始工藝相比，不僅消除了差速器殼鑄件中的縮孔缺陷，使縮孔都轉移到澆注系統和冒口系統中，也將整個鑄件的縮孔缺陷降低了，使產品的質量得到提高。

4 結論

（1）在Pro/E三維實體造型的基礎上，利用華鑄CAE軟件對球墨鑄鐵差速器殼的充型及凝固過程進行模擬分析，比較準確地預測出了鑄件中可能產生的缺陷大小和部位，為研究鑄造工藝的優化方案提供了有力的依據。

（2）結合模擬軟件中的可視化技術對凝固過程產生的缺陷成因進行分析，在保證鑄件的順序凝固及冒口的有效補縮前提下，優化冒口頸的補縮通道，很好的解決了鑄件縮孔缺陷的問題，同時較大程度地減少縮孔的總體積，減少了產品的試制周期和試驗成本，生產出了符合技術要求的優質球墨鑄鐵差速器殼。

[1]溫廣敏，姚俊邦，于志斌，等.用數值模擬優化大型蠕鐵鋼錠模工藝設計[J]. 現代鑄鐵，2009（4）：93-96.

[2]李平，蔡啟舟，魏伯康，等.華鑄CAE軟件在殼型鑄造激冷鑄鐵凸輪軸工藝優化中的應用[J].鑄造，2004，53（7）：551-555.

[3]張光明，王澤忠，李海榮.CAE技術在輪形鑄鋼件鑄造工藝優化中的應用[J].鑄造技術，2009，30（1）：19-22.

[4]張慧敏，謝敬佩，王愛琴，等.大型遠洋貨輪掛舵臂鑄造工藝計算機模擬[J].機械工程材料，2006，30（11）：81-84.

[5]周建新，劉瑞祥，陳立亮，等.華鑄CAE軟件在金屬型鑄造中的應用[J].鑄造，2003，52（8）：616-619.

[6]張可鋒，謝敬佩，楊滌心，等.華鑄CAE軟件在大型掛舵臂鑄鋼件生產中的應用[J].特種鑄造及有色合金，2008，28（9）：683-686

Application of Numerical Simulation on Eliminating Shrinkage Cavity of Ductile Iron Differential Case

QIAN YiJun，YU Hao，CHENG ZhaoHu
（School of Material Science and Engineering Hefei University of Technology,Hefei 230009，Anhui China）

A casting process of car differential case has been designed before InteCAST software was used for numerical simulation of the mould filling process and solidification process of ductile iron differential case.Based on simulation results,the tendency and cause of formation of shrinkage cavity in castings under this program have been forecasted and analyzed then the optimization program of riser feeding system was made,which was successful in eliminating the shrinkage defects which were generated during the casting process of differential case.The results indicated that the use of CAE computer simulation technology was helpful to providing appraisement and optimization of process program with dependable reference,shortening trial production cycle,reducing rejection rate hence ensuring the casting quality.

Differential case；Foundry technology；CAE；Ductile iron；Numerical simulation；Shrinkage cavity

TP391.99;

A；

1006－9658（2011）06－4

2011－08－12

2011－117

錢怡君（1986-），女，江蘇無錫人，合肥工業大學在讀研究生，研究方向：鑄造工藝設計及鑄造過程CAE數值模擬分析