鑄造模擬軟件在生產中的應用實例

周運洪，趙海斌，宋虎，涂遠洋

圓柱錠的鑄造工藝如圖1所示，生產中常發現有鑄造缺陷。隨著計算機軟硬件技術的快速 發展，使用計算機模擬仿真技術來改造傳統鑄造產業已成為當前鑄造學科的一個重要發展方向。將計算機數值模擬技術應用于鑄件的生產，分析缺陷產生的原因，可以降低試制費用，優化現有產品的工藝，減少廢品率，縮短產品的研制和生產周期。本文總結了合格爐次各個工藝環節中的共性，同時結合數值模擬技術分析了缺陷產生的原因，進而對操作和工藝參數進行改進和調整，從而提高產品合格率，提高生產能力，減少材料損失。

1. 數值模擬技術的應用

由于使用的材料易氧化，所以需要在真空條件下，將金屬液澆注于具有一定溫度梯度的石墨鑄型內，使鑄件自下而上順序凝固。鑄造模擬過程包括三維實體建模，網格劃分，設定材料屬性，設定初始條件和邊界條件，數值計算和模擬結果顯示等步驟。本文以鈦合金圓柱錠鑄件（①②③段鑄后鋸切）作為研究對象，采用ProCAST鑄造模擬軟件模擬鑄件的凝固過程。圖2為鑄件網格剖分結果，圖3和圖4分別為凝固時間4094s時鑄件溫度場以及固相分數的模擬結果。可以看出，最后的凝固位置在中間部位，由于不易補縮，所以在該位置會產生縮孔、縮松及夾雜等缺陷，該種工藝未能很好地實現從下到上的順序凝固。產生這種結果的原因可能是因為鑄型的初始溫度較低，金屬液與鑄型的換熱較為劇烈，造成澆注后冷卻過程中鑄件上下兩端同時凝固。

圖1 圓柱錠鑄造示意

2. 鑄件合格率影響因素

（1）坩堝升溫速率對鑄件合格率的影響 坩堝升溫較快，在高溫停留的時間較長，坩堝內的金屬液溫度更均勻，金屬液中夾雜物和氣體聚集長大快，上浮時間長，除氣、除渣更充分。

（2）鑄型溫度對鑄件合格率的影響 鑄型上部在高溫停留時間較長和澆注時保持較高溫度，確保鑄型同一水平面溫度差異較小，保證金屬液的流動性和充型能力。

（3）鑄型溫度梯度對鑄件合格率的影響 鑄型上部較高的溫度梯度有助于鑄件順序凝固。鑄型下部保持較小的溫度梯度有助于鑄件的同時凝固。澆注后較高的溫度梯度變化幅度較大的鑄件容易產生缺陷，這反映鑄件靠近模具的凝固速度較快，從而阻礙上部金屬液對下部凝固收縮的補縮，易形成縮孔。

3. 工藝改進措施

為了實現順序凝固，使最后凝固的位置在冒口位置，生產中根據模擬結果對鑄造工藝進行改進，降低了材料損失，提高了生產效率。

4. 結語

分析了影響鑄件合格率的因素，結合數值模擬技術分析了缺陷產生的可能原因，進而對操作和工藝參數進行改進和調整，從而提高產品合格率，提高生產能力，減少材料損失。