基于ProCAST的鋁合金件鑄造工藝仿真優化研究

蔡承宇

【摘 要】利用ProCAST軟件對鋁合金件的鑄造工藝進行了仿真研究，并且在此基礎上對其工藝進行了優化，利用添加冷鐵的方法，有效解決了澆不足的問題，研究說明ProCAST軟件在鋁合金鑄造工藝中有一定的實用價值。

【關鍵詞】鋁合金；鑄造；仿真

隨著計算機技術的迅猛發展，鑄造工藝優化方面的數值模擬軟件愈發成熟，相對傳統的以工程師經驗為指導的鑄造工藝，利用ProCAST等鑄造仿真軟件對鋁合金鑄件的鑄造過程進行仿真，可以有效提高鑄件的生產效率，通過仿真模擬可以對形狀復雜且質量要求較高的零件進行鑄造生產前的工藝優化，篩選出最優工藝方案，大大縮短了鑄造工藝的研發周期，節約了優化工藝的前期成本，并提高了鑄件的質量。

本文用美國 UES公司的鑄造模擬軟件ProCAST對常用于汽車零部件制造的A356鋁合金鑄造過程進行了仿真研究，通過對鑄件充型過程以及凝固過程的模擬，為鑄件的設計改進提供了依據。

1 鑄造缺陷類型分析

在鋁合金的鑄造過程中，常見的鑄造缺陷與問題有五種，分為縮孔、裹氣、裂紋、沖砂、冷隔及澆不足，具體特征及解決方法如下。

1.1 縮孔

縮孔是鑄造過程中較為常見的缺陷，往往是由于鑄件在澆注過程中無法及時得到補縮而形成的，利用ProCAST可以通過模擬封閉的金屬液空穴而精確的預測縮孔的位置，并可以通過調整澆注系統和冒口的位置及尺寸，有效避免或減少縮孔現象的發生。

1.2 裹氣

裹氣是由于在填充過程中，金屬液體受阻而產生氣泡，利用ProCAST軟件可以對這些氣泡位置進行追蹤，確定氣泡最終的位置，并可預測缺陷的形狀，通過安排合理的排氣孔等手段，可有效解決裹氣問題。

1.3 裂紋

鑄件在逐漸冷卻的過程中由于熱應力的存在容易產生裂紋，利用ProCAST的熱應力分析模塊，可以很好的模擬凝固過程、冷卻過程，在投入生產應用前，通過對模具型腔以及鑄件系統的優化，有效避免裂紋的產生，節約試制成本。

1.4 澆不足

澆不足的情況往往是由于工藝參數設置不當引起的，比如型腔沒有充分預熱，金屬液的溫度較低，澆注的速度過慢等均會導致澆不足的現象，利用ProCAST對澆注過程進行熱分析、澆注速度分析、壓力分析以及ProCAST特有的粒子追蹤功能，可以確定最優的工藝參數，避免澆不足的發生。

2 鑄件模型建立

汽車用鋁合金部件對鑄造材料以及表面質量、強度等有較高的要求，按照現有標準，鑄件內部要求組織致密度高，不應有縮孔，表面不允許有冷隔，澆不足等缺陷，為了便于數值模擬，在本文中對零件的結構進行了簡化處理，采取砂型重力鑄造的形式對其充型過程及凝固過程進行仿真研究。

3 仿真過程

采用ProCAST軟件對充型過程及凝固過程進行評價，本次模擬對象的鑄件材料為A356 鋁合金，其熱物性參數來自ProCAST數據庫，冷鐵材料為steel_H13-STRESS， 上下模為室溫20℃，鑄件澆注溫度為700℃，冷卻方式為空冷，重力參數為9.8。

在CAD軟件如Pro/E、UG等中建好模型，并導入MeshCAST進行網格劃分，首先對模型進行表面網格劃分，之后進行了體網格劃分，共計47521個單元。導入ProCAST進行各種參數的設置，設置界面交換系數，邊界條件等，然后用ProCAST模塊進行數值模擬計算，具體模擬流程如圖1所示。

4 模擬結果分析

通過對模擬結果進行分析發現在澆注的過程中存在著澆不足問題，不能滿足該鑄件的使用要求，因此在此基礎上對鑄件系統進行了調整，在拐彎處兩側增加了冷鐵如圖2所示，在其他參數不變的情況下，再次進行模擬計算，結果表明，改善后的結構使鑄件的質量明顯提高，解決了澆不足的問題。

5 結論

1）通過利用ProCAST對澆注過程模擬，發現現有的砂型結構由于存在著明顯的拐角，會產生澆不足的現象，通過增加冷鐵，加速該部分金屬液的冷卻速度可以有效改善鑄件的質量。

2）對澆注過程中缺陷問題的仿真模擬，說明了ProCAST軟件在鋁合金件鑄造工藝優化仿真的實用性，利用ProCAST軟件能夠有效的預判生產中可能會出現的問題，大大縮短產品的研發周期。

6 致謝

本研究得到浙江省教育廳科研項目（ZC200803100）的支持。

【參考文獻】

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[2]邱彬，等.基于ProCAST的拉伸試棒的金屬型鑄造工藝分析[J].特種鑄造及有色合金，2010，9，30（9）：807-809.

[責任編輯：朱麗娜]