基于流場優化的熔模鑄鋼件縮孔缺陷改善

石遠進+張戰場+劉睿

摘 要：某大型熔模鑄鋼件試制過程中出現了嚴重縮孔缺陷，通過仿真分析發現金屬液充型順序不合理是導致鑄件產生縮孔缺陷的主要原因。為消除澆口根部縮孔缺陷，基于流場優化法改進了工藝方案，流場模擬結果顯示優化方案充型合理，實物驗證縮孔消除。基于這一缺陷改善經驗，對前期生產中澆口根部出現嚴重縮孔缺陷的另一產品進行了工藝優化，改善充型過程，批量驗證縮孔缺陷根除。

關鍵詞：熔模鑄鋼件；ProCAST；流場；缺陷改善

中圖分類號：U465 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0008-04

Porosity Defects Improvement of Investment Casting Based on Flow Field Optimization

SHI Yuan-jin， ZHANG Zhan-chang， LIU Rui

（ DongFeng Investment Casting Co.，LTD. Shiyan442714， China）

Abstract： Batches of serious porosity defects occur in the process of trial-produce of large-scale steel Investment Casting. Flow field and solidification process of production project were simulated by ProCAST. It is conjectured that the filling sequence could be the main reason of porosity defects according to the results of flow field.And then improvement project was put forward to optimize the flow field. Simulation analysis show that the improvement project has reasonable flow field.And physical verification show that the improvement project has no defects. Based on the successful experience，casting process of the other product was optimized to improve the filling process. Production validation results indicate the defect elimination entirely.

Key Words： steel Investment Casting； ProCAST； flow field； eliminate defects

隨著汽車輕量化程度不斷提高，零部件輕量化要求也越來越高，這導致零部件的結構設計越來越復雜。工藝減重設計增多，產品鑄造工藝性變差，鑄造工藝設計難度不斷增大。鑄件產生集中縮孔的基本原因是金屬的液態收縮和凝固收縮之和大于固態收縮[1]。由于輕量化結構設計導致鑄件含有較多的分散熱節，孤立熱節凝固過程中得不到有效補縮而產生縮孔，因此生產中鑄件產生縮孔的幾率不斷增加。

我公司鑄造工藝設計人員解決縮孔缺陷的主要方法可歸結為：1.非重要部位采用切除材料法，即通過挖槽、鑄孔等方法消除或轉移熱節[2]；2.禁止切減材料的重要部位采用加厚補縮通道法，即增加熱節的補縮通道尺寸，使其大于熱節模數，保證熱節部位凝固過程中補縮暢通，從而消除熱節處縮孔；3.切減材料和加厚補縮通道同時使用。采用這幾種手段，多數產品鑄造缺陷得到改善，但是這些方法通常會增加鑄件工藝增重率，并且澆注系統尺寸也會隨之增加，導致產品工藝出品率下降。

公司引進鑄造CAE數值模擬軟件ProCAST已逾5年，經過5年多的摸索，鑄造CAE仿真一致率已大幅提高，基于ProCAST的鑄造CAE仿真分析已經成為公司產品開發過程中必不可少的一個環節。目前主要對凝固過程進行仿真分析，預測鑄件縮孔縮松分布。由于過程復雜、計算量大導致流場計算時間長，大件一般需要2至4天，這樣導致大部分產品鑄造工藝模擬缺乏流場分析，工藝設計人員也很少通過改變流場進行鑄造缺陷改善。

鑄件流場分布顯示了金屬液的充型順序，不同的流場分布直接影響鑄件溫度場分布，對鑄件的凝固過程也產生較大影響。本文介紹了兩個生產中出現重大縮孔缺陷的鑄件，通過數值模擬軟件ProCAST對其中一個產品的生產方案進行流場和凝固過程分析，分析結果顯示金屬液通過鑄件流入冒口，冒口冷卻較快，導致鑄件產生縮孔。改進方案通過優化鑄件流場使金屬液從冒口流入鑄件，實物驗證縮孔消除。根據這一成功經驗，對前期重大縮孔缺陷未根除的某大型鑄鋼件進行了工藝改進，流場得到優化，最終消除縮孔缺陷。

1 產品介紹及缺陷描述

某厚大熔模鑄鋼件在試制過程中（小批量）出現嚴重縮孔缺陷：澆注系統氣割落件后，澆口根部露出較大縮孔，縮孔的比例為80%，實物缺陷如圖1所示：

該產品結構相對簡單，主要結構為三個平板交叉而成，外形尺寸為560×310×210mm，最小壁厚15mm，平均壁厚21mm，重量30kg，具體產品結構如圖2所示。鑄件材質是ZGD410-700，原工藝方案如圖3所示，工藝出品率為44% 。

2 原方案鑄造CAE仿真分析

本文通過鑄造工藝數值模擬軟件ProCAST對產品原工藝方案進行了流場、凝固過程的模擬，主要模擬參數設置如表1所示：endprint

鑄件材質是ZGD410-700，此材質屬于公司開發的高強高韌鋼系列。該材質的熱物性參數是通過ProCAST自帶材料庫熱物性計算模塊計算所得[3]。流場模擬結果如圖4所示，T為澆注時間。

原方案流場模擬結果顯示：澆注過程中，金屬液從澆口杯注入，經澆口開始充填鑄件，金屬液充型過程較為平穩。當鑄件充填至冒口頸部位時，金屬液從鑄件經冒口頸流入冒口，鑄件充滿后，金屬液從鑄件經冒口頸繼續充填冒口直至充滿。充填過程中金屬液從鑄件流入冒口，這樣冒口處于充型末端，金屬液流動過程中溫度降低，而冒口頸附近部位鑄件處于“加熱”狀態，冒口頸附近鑄件溫度高于冒口溫度。

凝固過程如圖5所示：離澆口杯和冒口較遠的部位冷卻較快，最先凝固，澆注系統對這些部位補縮較好。由于金屬液從鑄件經冒口頸流入冒口，導致冒口頸附近鑄件溫度高于冒口，加之冒口頸部位鑄件厚大，冒口冷卻較快，鑄件冷卻稍慢，最終鑄件在冒口頸部位形成孤立液相區而產生縮孔。縮孔模擬結果如圖6所示：

縮孔模擬結果顯示：冒口頸部位存在較大縮孔，鑄件沿冒口根部剖開如圖6（b）所示，鑄件存在較大縮孔，與圖1對比，模擬結果預測的縮孔位置和大小與實物基本完全一致。

3 鑄造工藝優化設計

通過對原方案進行流場、凝固過程的仿真分析可以知道，鑄件產生縮孔的主要原因是：金屬液從鑄件經冒口頸流入冒口，鑄件先于冒口充填，冒口溫度低于鑄件而冷卻較快，導致冒口補縮效果降低，以致鑄件產生縮孔。因此若要消除鑄件的縮孔缺陷，應改變澆注系統，優化鑄件充填過程中的流場分布，使金屬液先充填冒口，提高冒口的補縮效果。為此設計了“門”形優化方案，具體工藝方案如圖7所示，澆口杯放置在中間，設計目的是讓金屬液從兩個澆口均勻充填。優化方案工藝出品率為43%，與原方案相當 。

應用ProCAST對優化方案進行了流場、凝固過程的模擬，模擬參數設置與原方案相同，如表1所示。流場模擬結果如圖9所示：

優化方案流場模擬結果顯示：澆注過程中，金屬液從澆口杯注入，經橫澆道分流后，分別從兩個澆口充填鑄件。金屬液充填過程較為平穩，金屬液從兩側澆口棒（冒口）經內澆口注入鑄件直至鑄件充滿。充填過程中金屬液始終從冒口流入鑄件，這樣鑄件處于充型末端，冒口處于“加熱”狀態，充填順序與原方案相反。

凝固過程模擬結果如圖10所示：鑄件呈順序凝固，凝固過程中未出現孤立液相區，鑄件先于澆注系統凝固，澆注系統對鑄件補縮良好。縮孔模擬結果如圖11所示：

優化方案縮孔模擬結果顯示：鑄件無縮孔。優化方案實物驗證結果如圖8所示：澆注系統氣割落件后，澆口根部無縮孔。批量驗證顯示原方案中澆口根部縮孔消除。由此可見通過優化流場可達到消除澆口根部縮孔缺陷的目的。

4 流場優化法的推廣驗證

生產過程中另一極端件（支架）澆口根部長期存在嚴重縮孔缺陷，多次更改工藝設計仍未明顯改善縮孔缺陷。鑄件材質為ZGD410-700，重量29kg，出品率50%，產品結構、工藝方案分別如圖12和圖13所示：

原方案開模并批量生產后，圖12所示部位1、部位2（內澆口所在部位）凸臺加工后露出嚴重縮孔缺陷，具體如圖15所示。其中部位2縮孔比例為50%，部位1為30%，嚴重影響了產品質量并增加了生產成本。應用ProCAST對原方案進行了流場、凝固過程的模擬，模擬時型殼擺放方法與澆注現場一致，澆注時間25秒，其它模擬參數設置如表1所示。流場模擬結果如圖16所示：

原方案流場模擬結果顯示：澆注過程中，金屬液從澆口杯注入，首先從中間直澆道的最下端澆口填充鑄件（圖16（a）（b）所示），金屬液從鑄件流入部位2處的冒口直至將其充滿；部位1處的冒口與同高度鑄件部位同時充滿（圖4.3（c）所示）。這樣的充填順序與本文第二節所述案例相同，冒口的補縮效果降低以致鑄件產生縮孔缺陷。根據本文前述流場優化法成功改善縮孔缺陷的經驗，通過流場優化法對此產品進行了工藝改進，工藝方案如圖14所示，工藝出品率為50%，與原方案相同。優化方案與原方案相比，主要對中間部分直澆道做了縮頸處理，目的是讓金屬液先從右側分澆道（圖14所示）注入鑄件。

應用ProCAST對優化方案進行了流場、凝固過程的模擬，模擬時型殼擺放方法與澆注現場一致，模擬參數與原方案相同。流場模擬結果如圖17所示：

優化方案流場模擬結果顯示：澆注過程中，金屬液從澆口杯注入，首先從右側分澆道（圖14所示）的最下端澆口充填鑄件（圖17（a）所示），金屬液從部位2處的冒口流入鑄件，當鑄件中金屬液充填到一定高度時（圖17（b）所示），金屬液通過部位1處的冒口繼續充填鑄件。這樣的充填順序與預期流場分布一致，部位1、2處冒口的補縮效果提高。

開模后批量實物澆注結果如圖18（a）（b）所示，實物機加工結果如圖18（c）所示：

優化方案開模后批量驗證結果顯示：鑄件落件后澆口斷面無縮孔，如圖18（b）圓圈標記所示；機加工后如圖18（c）所示，部位1、部位2處無外漏縮孔。多次大批量驗證結果顯示原方案中部位1、部位2處嚴重外漏縮孔消除。流場優化消除澆口根部縮孔缺陷的方法再一次得到成功應用。

5 結束語

針對生產中澆口根部出現嚴重縮孔的產品，通過仿真分析發現金屬液充型順序不合理是導致鑄件產生縮孔缺陷的主要原因。在基本不降低工藝出品率的基礎上，改進工藝方案，流場模擬結果顯示優化方案充型合理，實物驗證縮孔消除。借鑒這一缺陷改善的成功經驗，對生產中澆口根部長期存在嚴重縮孔缺陷的另一產品進行了工藝改進，仿真模擬結果顯示優化方案充型合理，實物驗證縮孔消除，批量生產驗證顯示優化方案工藝穩定，鑄件縮孔缺陷根除。鑄件內在質量大幅提高，鑄件返修率大幅降低，生產效率明顯提高，生產成本明顯降低，同時為消除澆口根部縮孔缺陷提供了較好的參考。

參考文獻：

[1]吳樹森，柳玉起.材料成型原理[M].機械工業出版社，2008：108-109.

[2]許云祥.設計合理的澆注方案以保證充填和補縮——熔模鑄件鑄造方案設計系列講座之一[J]. 特種鑄造及有色合金. 2003（04）：50-54.

[3]李建強.大型鑄鋼件凝固過程數值模擬參數值優化[D].哈爾濱工業大學，2011.endprint