基于ProCAST的鑄造拉伸試棒的工藝模擬及優化*

李清清，宋憲臣，方嘉勤，彭小邦

（東華理工大學機械與電子工程學院，江西 南昌 330013）

0 引言

鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經冷卻凝固、清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。鑄造大致分為3個過程，即金屬準備、鑄型準備和鑄件處理[1～2]。卷氣、夾渣、鑄造不足等鑄造缺陷易在第一階段金屬準備過程中產生，因此良好的工藝過程是生產高質量鑄件的必要保障，而鑄造拉伸試棒的使用與傳統的生產方法相比，節約了機械加工的時間，且提高了一半的效率。這樣不僅可以快速獲得實驗數據，還可以節省大量材料成本。為了使鑄件測得的機械性能等相關實驗數據與材料真實性能近似一致，鑄件應該無氣孔、殘余應力和縮松縮孔等缺陷。

近年來出現了一系列用計算機程序模擬液態金屬流動和熱傳導現象的軟件，美國UES公司設計開發的鑄造模擬軟件ProCAST是比較成功的，它采用優于FDM（有限元差分法）的FEM（有限元）算法達到對金屬液充滿型腔整個過程、凝固過程的精確模擬及缺陷的綜合求解和預測，為生產鑄造工程工藝設計工作人員提供了工藝設計的保障平臺和理論上的支持。市場上的計算機模擬軟件大都是通過對各種物理場（溫度、固相率等）的有限元分析計算來預測缺陷產生的位置。而通過對具有不同熱物理性能的材料進行實際測量可以保證采取使用ProCAST軟件仿真和計算分析鑄件由L→S（液→固）整個過程和縮松縮孔缺陷時的可靠性[3～5]。運用Pro/E、UG等工程軟件繪制鑄件的三維模型并轉換為Parasolid格式導入到鑄造軟件ProCAST中，對金屬液的充型過程和凝固過程進行綜合計算求解，然后通過分析計算結果即通過模擬中的鑄件由L→S的時間以及固相率，得出鑄件可能產生缺陷的地方，根據缺陷的位置提出改進方案并改進工藝辦法，減少缺陷，提升鑄件生產可用性，滿足鑄件標準使用要求。

本文應用ProCAST鑄造模擬軟件對鑄造拉伸試棒工藝中的充型過程、凝固過程及部分物理場進行模擬并通過改變金屬液的充型過程——改變澆道設計，從而確定出更好的拉伸試棒鑄造工藝方案。

1 鑄件工藝方案的初步設計與數值模擬

1.1 ProCAST介紹及鑄件特征分析

鑄件的模型設計創建可以使用工程師中流行的諸如Pro/E、UG等三維建模軟件作為前處理軟件，輸出Pro-CAST協議通過的模型類別和網格文件，如IGES、Parasolids、STL等格式；MeshCast模塊對讀入的模型進行幾何檢查、幾何修復等，并且根據指令做出劃分出適合的表面網格、體網格等操作；生成網格之后由PreCAST模塊進行界面、邊界、初始條件、模擬參數及材料的設定；DataCAST檢查模型及前一步之前模塊中對網格模型及邊界條件的設定是否有錯誤，若有錯誤則返回修改錯誤，若無錯誤進行下一步計算；ViewCAST顯示模擬結果，可以對充型、凝固過程進行分析[6]。

本文所研究的拉伸試棒材料為A356合金，鑄型材料為H13鋼，圖1所示為試棒的二維尺寸圖，A356鋁合金成分如表1所示。

圖1 試棒二維尺寸

表1 鑄件化學成分（質量分數，wt%）

1.2 初始鑄造工藝方案

經查閱資料決定采用內澆道在底部的設計——底注式澆注系統。該設計辦法充型平穩，降低對型芯的沖擊力，還可以保護金屬液不會被快速氧化使充型平穩，這樣缺陷形成率就較低，而且使用硬模鑄造方法得到的鑄件表面質量相對較高，且鑄件的質量和尺寸精度相對穩定[7～8]。首先使用UG三維繪圖軟件繪制鑄件模型，本次研究的金屬型腔設計成4件一型，其中包括兩個拉伸試棒，兩個金相試樣棒，鑄件三維模型如圖2所示。將繪制好的鑄件三維模型轉換格式導入Visual-mesh中，對鑄件依次進網格劃分、檢查網格、繪制體網格、檢查體網格、選擇澆注位置與方向和設定邊界條件等步驟。網格劃分必須依據鑄件特點分類劃分，以提高整個鑄件的劃分精度和模型的計算效率，因此網格大小必須采用分級劃分，型殼網格大小選取10 mm，澆道網格劃分6 mm，鑄件網格大小劃分4 mm，面網格數量共計26416個，體網格數量280436個，網格模型如圖3所示。

圖2 鑄件三維模型

圖3 網格模型

1.3 選擇邊界條件

傳熱系數由數據庫獲得，鑄型即金屬型殼和鑄件之間的傳熱系數選擇2000 W/(m2·K)；金屬型殼與大氣之間傳熱是熱對流、熱輻射綜合作用的結果，軟件模擬中應只考慮對流對其傳熱系數為20 W/(m2·K)，環境溫度設置為20℃[9]；金屬液開始澆注溫度設為680℃；由于該鑄件整體體積較小，須預熱模具至200℃以防止在金屬液冷卻過快導致的充型不完整；在模擬過程中可設置澆口面積和充型時間，就可以得出充型速度；澆注時間為5 s，冷卻方式在數據庫中選擇空冷[10]；澆注方式選擇重力澆鑄，最大充型率設置為1，模擬過程終止溫度設置為50℃，模擬總過程調整3000步最大運行步數，1300步終止模擬步數，設置完畢開始進行模擬計算。

2 鑄造過程分析

2.1 充型過程模擬及分析

將金屬液注入型腔內部直至完全充滿需6.68 s，圖4所示為鑄造過程中幾個時間段的充型模擬結果：圖4（a）為充型率達到20.8%時的情況，充型時間約為1.28 s，溶體金屬液緩緩進入型腔內部；圖4（b）為充型41.7%時的情況，可以看出溶液緩緩上升，由下朝上運動逐漸充滿整個型腔，此時溶液相對穩定；圖4（c）為充型達到75.1%時的情況，大概用時4.9 s；圖4（d）則表示整個鑄件已經全部充滿。

圖4 不同充型時間云圖

模擬鑄造過程中整個溶液充型過程都較為平緩穩定，沒有出現冷隔和澆不足的缺陷，也未出現飛濺、噴射等狀態。因而，澆注系統與參數的初始工藝方案能夠滿足鑄件的充型要求[11～12]。

2.2 凝固過程模擬結果與分析

圖5（a）所示為鑄件各個位置凝固過程的模擬仿真圖示。當t=7 s時，靠近澆道的兩個試樣的端部開始凝固，隨時間的步步增加，鑄件其他位置也開始凝固，最后鑄件凝固完成，整個凝固過程耗時大概21.87 s。從整個凝固過程分析，靠近澆道底部溶體堆積較多的部分及澆道中間較厚部位凝固時間長些，具體原因是這些部位溶體堆積較多、散熱相對薄處較緩慢，四周溶體較少堆積部分已經凝固而溶液堆積處部分還沒有完全凝固。圖5（b）為固相分數分布圖，固相體積分數由左側標尺可以看出是從0到1，表示金屬液從L→S（液→固）的流程。打開Procast中Viewcast模塊的Cut/off Control面板，將Cut/off Values調成0.7，之后點擊Run觀察固相分數變化。圖中灰色位置處容易生成缺陷，因為這些部位凝固慢又得不到周圍金屬液的補縮從而形成孤立的液相區，最終形成收縮缺陷[13]。對整個凝固過程的分析可以預先分析出縮松縮孔出現的可能部位，并以此為據提出解決此類問題的措施，因為鑄造過程中出現的缺陷基本都是縮松縮孔，而縮松縮孔是發生在溶液由L→S（液→固）過程中的。

圖5 凝固過程分析

圖6 所示為鑄件縮松縮孔等缺陷的分布圖，圖中清晰地表達了缺陷產生的部位，缺陷的位置很均勻說明工藝方案并不是很好，且拉伸試樣和金相試樣接近中間部位的鑄造缺陷明顯突出，大概14%的孔隙率，剩下部分如圖澆道內部和底部也存在著數量相當多的縮松瑕疵但是澆注系統內存在的較大缺陷，但與拉伸試棒的性能并無關聯，故這些缺陷可以忽略。因為只有鑄件上具有極少的縮松縮孔即極低的孔隙率才能鑄造出力學性能接近于真實值的鑄件，所以該方案應該進一步優化，本次模擬主要通過改變澆道進行工藝改善，減少并盡可能完全去除鑄件的收縮問題，使鑄件符合相應使用要求。

圖6 鑄件缺陷分布

3 鑄造工藝方案的優化及模擬分析

如圖7所示，在原始方案的基礎上將中間直澆道改為“S”形澆道。由于澆道的變化，網格的劃分也要根據模型的變化劃分，還是要分級劃分，溶液堆積多的轉彎處網格要劃分細致。從工藝的模擬結果來看，在原始工藝的基礎上澆道改為“S”形，這樣可以減緩金屬液的充型速度從而降低卷氣的可能，而橫澆道的兩頭各延長一段間距可用來存放澆注時合金液之前的雜質溶液，在金屬型頂部同樣開有15 mm的間距，該間距既可用作排氣，也可存放金屬雜質溶液。圖8所示為改變澆道后模擬的鑄件缺陷圖，可以看出與初始方案澆注時相比缺陷減少很多，通過分析優化后的工藝方案得知，與原有方案相比，明顯提升了鑄件的品質，縮松縮孔明顯減少，縮松縮孔的減少代表孔隙率的降低，孔隙率的降低表明優化方案是符合設計預期的，優化方案雖未能完全消除缺陷，但也達到了較理想的效果，后續可進一步優化。

圖7 S形澆道網格

圖8 缺陷分布

4 結束語

（1）通過對整個金屬液充型過程中的模擬分析表明，“S”形澆道能夠使金屬充型速度降低，使金屬液不會飛濺，充型平緩穩定，避免卷氣。

（2）通過對優化方案的金屬溶液由L→S（液體→固體）的過程分析表明，鑄件中的縮松縮孔是明顯減少的，縮松縮孔的減少代表孔隙率的降低，孔隙率的降低表明該設計可以解決此類問題。

（3）結果表明，ProCAST數值計算仿真技術可以通過可視化的充型、凝固過程分析鑄造過程，預測缺陷發生的位置并確定諸如縮松等缺陷的原因。這便于有效地設計部件，它有助于排除現有鑄件的故障，該技術明顯降低了成本和時間，節約了資源。