基于CAD／CAE的鑄件成形過程優化

■周桂云

隨著計算機硬件和軟件的快速發展，對傳統鑄造業的影響也是更加明顯。鑄造工藝CAD/CAE技術的運用，使鑄件充型、凝固過程變為可視化，有效協助工藝技術人員在完成鑄件的工藝優化，提高鑄造產品質量，縮短生產周期，降低生產成本，以及增強市場競爭力等方面發揮了重要作用。本文以薄壁減震筒為例，使用三維CAD軟件UG對其進行三維建模，再運用CAE軟件ANSYS對鑄件充型凝固過程進行數值模擬，分析模擬的結果，從而對工藝進行改進。

1. 鑄件的CAD模型與工藝方案確定

減震筒為細長薄壁圓筒狀，內部沿軸線方向有一細長的不通孔（見圖1）。毛坯材料采用ZL107合金。目前薄壁減震筒成形的特種鑄造有金屬型鑄造、離心鑄造、壓力鑄造和低壓鑄造等幾種方法。因金屬型鑄造工藝方便，生產成本低，所以模擬中采用金屬型鑄造，金屬型、型芯均采用45鋼。利用UG完成金屬型、型芯及澆注系統的建模。

在合金成分、鑄型材質、鑄件結構等方面均確定后，一般通過改變其工藝因素來改變其充型凝固狀態。金屬型重力澆注過程需要控制的工藝因素有澆注溫度、金屬型(芯)工作溫度、澆注速度。因此，需要考慮在不同的澆注溫度、金屬型預熱溫度、澆注速度下成形過程中鑄件及鑄型（芯）速度場、溫度場隨時間變化的特點，從而揭示出澆注溫度、鑄型預熱溫度、澆注速度對鑄件及鑄型速度場、溫度場的不同影響，為優化薄壁減震筒成形工藝參數奠定基礎。

本文采用三因素、三水平進行試驗，利用正交設計試驗，所選因素及其水平見附表。

根據正交表，可得到9個試驗方案。利用ANSYS分別對9種不同方案進行模擬。

圖1 薄壁減震筒結構

2. 鑄件的CAE模擬與分析

（1）充型過程流場模擬結果與分析 對鑄件充型過程流場分析采用不可壓縮黏性流體的Navier-St okes方程，用標準K-ε紊流模型，并加載相應的初始條件和邊界條件等。選取的單元類型為FLUI D141，在計算的過程中打開了慣性松弛系數以保持求解的穩定性。計算時薄壁減震筒的網格單元為10 350，鑄型、型芯的網格單元為17521。

通過對9種不同工藝分別進行模擬，結果有很大不同，從增強金屬液充型能力，以及減少鑄件的冷隔、澆不足缺陷等綜合考慮可知，試驗條件為試驗號4時充型凝固效果最好，即其澆注溫度700℃，鑄型（芯）預熱溫度250℃，澆注速度0.25m/s。

從充型開始到結束，即從0～4s速度分布云圖（見圖2、圖3）中可以看出，最初進入型腔的鋁合金液從上到下進入到型腔底部時，經歷了流速的改變，飛濺、渦流等，最后到底部停止下來，這部分鋁合金液較易產生卷氣造成小氣孔，易產生冷隔等鑄造缺陷。與生產現場調查結果是吻合的。

（2）凝固過程溫度場模擬結果與分析 對薄壁減震筒凝固過程溫度場模擬采用含有相變問題瞬態熱分析模塊，計算是將充型過程所得節點溫度結果數據作為載荷應用到有限元模型中進行熱分析。這樣打破了“瞬時充型”的假設，將充型過程和凝固過程作為一個整體進行流-熱耦合模擬計算，使得凝固溫度場模擬精度更接近于生產實際。計算中選取的單元類型為PLANE55，計算時薄壁減震筒的網格單元為11187，鑄型、型芯的網格單元為17 587。

5s、50s時薄壁減震筒溫度分布云圖如圖4、圖5所示。

試驗中各因素與水平

圖2 充型0.5s時減震筒速度分布云圖

圖3 充型4s時減震筒速度分布云圖

圖4 5s時薄壁減震筒溫度分布云圖

圖5 50s時薄壁減震筒溫度分布云圖

從圖4、圖5溫度分布云圖可以看出，整個凝固過程總的溫度分布規律為薄壁減震筒筒身中間部位的溫度最低，而底部開口部位的溫度相對要高一些，而溫度最高的部位在不通孔端部，即內澆口以下部位。從重力鑄造凝固及補縮原則來看這是不合理的，應該使底部開口處最先凝固，或至少應與筒身部位同時凝固，這樣才可避免底端開口的熱節部位在凝固后出現縮孔、縮松缺陷。可在金屬型底部開設冷卻水道，以加快該部位的冷卻能力。另外，從不通孔端頭部看，其最后凝固，但其上為內澆口，未設置冒口，內澆口也較窄小，因此該部位的凝固無法得到補縮。最好的解決辦法就是加大內澆口，使內澆口及以上部位兼具澆道及冒口，以防止該部位產生縮孔、縮松缺陷。

5s、50s時鑄造系統溫度溫度分布云圖如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7鑄造系統溫度分布云圖可以看出，薄壁減震筒筒身部位及鑄型和型芯徑向的溫度梯度很大，而沿軸向其溫度梯度很小，因此薄壁減震筒筒身部位基本上可以認為是同時凝固的；從鑄造系統的上部及下部，即不通孔端部及開口部位來看，其徑向的溫度梯度也是很大的，而此兩部位軸向的溫度梯度不大。底部開口部位鑄造系統沿軸向還應加大冷卻能力，使其與筒身部位的溫度梯度加大。此結論與從鑄件溫度分布圖分析得出的結果是一致的，可以相互印證。

圖6 5s時鑄造系統溫度分布云圖

圖7 50s時鑄造系統溫度分布云圖

3. 結語

本文以薄壁減震筒作為研究對象，在采用重力鑄造成形條件下，應用大型有限元分析軟件ANSYS進行了充型、凝固過程數值模擬，模擬過程中采用了流-熱耦合，改進了“瞬時充型”的不足。通過正交試驗，選定了澆注溫度為700℃左右，鑄型預熱溫度為250℃左右，澆注速度為0.25m/s為較優工藝參數。分析還發現在用金屬型結構不太合理，建議在金屬型底部開設冷卻水道進行水冷。

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