基于華鑄CAE模擬優化4寸承接口鑄造工藝

華友兵

摘要：采用華鑄CAE軟件對4寸承接口在砂型鑄造過程中的流場和凝固場進行數值模擬并進行試驗驗證，成功地消除了4寸承接口鑄件生產過程的縮孔縮松缺陷。模擬結果與實際生產中的情況吻合較好 。結果表明，CAE技術能為工藝方案的評價和改進提供科學的依據，能優化鑄造工藝方案，為企業帶來顯著的經濟效益。

關鍵詞：CAE;工藝優化;鑄造

0 前言

鑄造生產的本質是將金屬材料融化成液態金屬，再將液態金屬澆注進模具型腔內，在模具型腔內凝固成型的一種熱加工技術。液態金屬進入型腔內進行充型是鑄造的第一個階段。由于金屬充型的溫度和鑄造工藝設計的問題，在這個階段會產生冷隔、夾雜、氣泡等缺陷，而這些缺陷對于產品來說都是致命的。所以，認清楚充型過程原理是獲得優良鑄件的重要條件。而要明白充型過程并不簡單，之前人們對金屬充型過程的認知都是建立在長期的實驗總結上，對實踐經驗依賴性很大。隨著電子計算機技術的飛速發展，人們的數值模擬液態成型技術越來越重視，自八十年代以來，人們在金屬液態成型領域進行了大量的學習研究和探索，在算法的實現、數學模型的建立、計算效率的提高以及工程實用化方面均取得了重大突破[1]。現在金屬液態成型技術已經發展到工程應用階段。使用液態成型技術，鑄造生產技術即將從經驗生產到計算機模擬論證的自動化生產發展。通過液態成型模擬，人們可以提前預知產品質量，同時降低生產成本，保證鑄造產品質量，優化鑄造工藝參數，縮短產品試驗周期。

使用傳統工藝方法生產四寸承接口，材料為QT500-7鑄件，該鑄件采用砂型鑄造，無砂芯，自動化砂型鑄造生產線生產，采用一模6件的金屬模具生產。在幾輪試模后發現，仍然有大量的冷隔產生。無法滿足市場對產品的需求，不僅產品質量沒有穩定的保證，而且生產成本很高，無法獲取足夠的利潤。

針對以上出現的情況，先采用華鑄CAE軟件對該承接口按照原工藝進行數值模擬，找出原工藝的鑄造工藝缺陷。在針對原工藝的問題進行工藝模擬優化。華鑄CAE工藝模擬結果得出沒有問題后，再進行試模。使用這種方法，不僅可以大量縮短模具生產周期，而且可以節省大量試模的材料成本。

1 研究方法

1.1 原鑄件鑄造工藝分析

4寸承接口（形狀如圖一）采用一模6件的砂型鑄造方式，采用開放式澆注系統，澆注溫度問1460℃。單個鑄件質量42.6kg，壁厚薄處為6mm。

原工藝直澆道最小截面大小的直徑D=40mm，故直澆道截面A=20*20*3.14=1256mm2。橫澆道截面積S=（28+35）*40/2=1260 mm2。內澆道截面積L=40*4.5=180*12=2160 mm2。

原工藝截面積比例：直：橫：內=1256：1260：2160=1：1：1.9，內澆口截面積過大，導致充型時，有些內澆口鐵水充滿，而有些內澆口鐵水不足，甚至沒有鐵水進入，影響充型速度。使得鐵水降溫過快。

1.2華鑄CAE軟件分析介紹

使用原來的鑄造工藝，對原工藝進行充型的流場和凝固時的溫度場進行模擬分析。分析結果如圖4和圖5。從圖4結果可以明顯看出由于4寸承接口屬于薄壁件，使用原工藝充滿型腔后，由于局部鐵水的溫度已經降低到凝固點以下，失去流動性，當兩股冷鐵水匯合后，不能完全融合，會產生冷隔。對比圖5，模擬結果和實際生產后產品所產生的缺陷位置和類型完全一樣。所以，對于華鑄CAE軟件的分析結果是有很高的參考價值。

1.3研究步驟

使用華鑄CAE對4寸承接口進行數值模擬的時候，要分三個步驟來進行：首先是數值模型的建立，使用三維軟件對產品工藝進行造型，造型完畢要對三維模型進行處理，將其轉化為STL格式，使用華鑄CAE軟件對STL格式的數值模型進行網格剖分 ;其次是模型計算階段，這個階段是我們要輸入產品的鑄造參數進入華鑄CAE ，其中包括產品材料，澆注溫度，等等一系列熱物性參數。計算模擬產品的溫度場和流動場。最后一步是后處理階段通過對我們計算出的溫度場和流場的結果，華鑄CAE會以圖片和動畫的形式直觀展示金屬充型的過程和成型以后的凝固過程，同時在結果中，可以清晰找出產品成型后的缺陷，包括冷隔、氣泡已經縮松縮孔的位置尺寸。為最終制定優良的鑄造工藝提供參考。

1.4 承接口工藝改進方案

橫澆道從澆口位置分成兩股鐵水，一股鐵水澆兩個件，另一股鐵水要澆4個件。所以橫澆道截面積不能保持完全一致。故要將如圖6橫澆道分為3部分截面積比例為：1號：2號：3號=1：2：1.5。修改2號橫澆道截面積加大一倍，3號澆道加大0.5倍，修改后2好橫澆道截面積=（38+29）*45/2=1508 mm2，1號橫澆道截面積不變=（28+22）*30/2=750 mm2。3號澆道不影響澆注系統比例。故橫澆道截面積=750+1508=2258 mm2。內澆口截面積大小不變為：2160 mm2。修改后澆注系統截面積比例為：直：橫：內=2205：2201：2160=1：1：1.05。

2 結果與分析

充型過程中金屬流動與傳熱的模擬與分析是計算機輔助鑄造工藝設計與分析（AD/CAE）的重要組成部分。首先，對液態金屬在澆注冒口系統和鑄造模具中的流動狀態進行了模擬分析。通過優化澆注冒口系統的設計，防止澆道內液態金屬的吸入，消除流股分離，避免鑄件氧化，減少湍流，減少空氣進入液態金屬的可能性，利用澆注系統擋渣實現多澆道和內澆道內金屬。液流的均勻分布可以減輕液態金屬對模具的侵蝕和沖擊。另一方面，通過模擬分析充型過程中液態金屬和模具的溫度變化，可以預測冷隔和澆注不足等缺陷，為后續的凝固過程模擬分析提供初始溫度場條件。這種模擬計算過程對薄壁鑄件的模擬分析更為重要：由于充型過程計算中涉及的控制方程多而復雜，需要求解連續性方程、動量方程和能量方程，并對速度場和壓力場進行迭代。極大地計算量大，迭代結果容易發散，加上自由面邊界問題的特殊處理，模擬結果困難。實驗驗證等一系列問題使得填充過程的數值模擬十分困難。

通過對前兩個模塊的處理，得到了不同時間的鑄造流場和溫度場的大量數據。基于空時四維空間的場用后處理模塊的三維彩色圖形表示，并進一步合成成動畫。通過充型過程的模擬，可以預測引氣和夾雜的數據，充型與傳熱的耦合計算可以預測澆注和冷隔的不足。通過對凝固過程的模擬，可以判斷縮孔、縮松的位置、尺寸和形狀，并可以觀察到各部位在不同時間的溫度變化。使用改進后的澆注系統對優化的工藝進行模擬，其結果如圖7，從圖中可以看出，當澆注系統優化后，整個鑄件都能夠順利充滿型腔，并且溫度都在凝固點以上，故難以產生冷隔缺陷。

3.結論

利用華鑄CAE對鑄件凝固過程進行模擬分析，根據圖紙和工藝方案進行三維實體造型，生成若干STL格式文件。然后，利用預處理模塊的自動網格生成功能，得到鑄件、鑄件等實體的離散模型。然后由計算處理模塊進行流場與溫度場的耦合計算。通過耦合計算，得到了結晶器各部位的初始溫度，并計算了凝固過程的溫度場。通過后處理功能，將計算得到的流場和溫度場數據可視化為各種可視化圖形、曲線和工藝動畫，揭示充型和凝固過程的行為細節，為工藝決策和工藝控制提供可靠的定性和定量依據。

有結果可知，通過軟件模擬計算，可以極大地提高鑄造工藝開發進程，提高工作效率，節約產品生產成本。

參考文獻：

[1]柳百成，鑄件凝固過程的宏觀及微觀模擬仿真研究進展 [J]. 中國工程科學 ，2000，2（9）：29-37.

[2]姚真裔 ，曾健 ，顧寶峰.模具 CAD/CAM/CAE集成制造在鑄造中的應用[J].鑄造技術 ，2003，24（4）：280-281.

基金項目：模具設計與制造實訓中心（項目編號：2016sxzx050）。