摘要：利用北京北方恒利科技發(fā)展有限公司開發(fā)的鑄造模擬軟件CAStsoft/CAE對鋁合金鑄件的凝固過程和充型過程進行模擬。通過對凝固過程的溫度場和鑄造缺陷的分析，依據(jù)分析結果對工藝進行改進,最后設計出合理的鑄造工藝。鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實驗，能夠有效地避免可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產(chǎn)品的試制周期。

關鍵詞：鑄造模擬 凝固過程 溫度場 鋁合金前罩鑄件

傳統(tǒng)的鑄造工藝設計方法往往依賴于直覺經(jīng)驗，在鑄件結構較為簡單和鑄造類似鑄件時，經(jīng)驗可能起到一定的作用；在澆鑄大型、復雜鑄件且無相關經(jīng)驗時，只能通過反復工藝實驗來確定工藝；當工藝存在重大失誤時，可能使得工藝方案被徹底推翻。通過工藝反復實驗來確定工藝的方法，可能導致先前制作的模具報廢，對于大型鑄件來說模具費用會相當高，這會造成重大經(jīng)濟損失，同時嚴重影響新產(chǎn)品的試制，延長新產(chǎn)品的試制周期。近年來鑄造過程計算機模擬技術得到飛速發(fā)展，使得通過鑄造模擬來確定鑄造工藝成為可能，鑄造過程計算機模擬可以減少或取消新產(chǎn)品的工藝實驗，能夠有效地避免可能出現(xiàn)的鑄造缺陷，保證工藝的可靠性，縮短新產(chǎn)品的試制周期。本次分析采用的軟件是北京北方恒利科技發(fā)展有限公司的CASTSOFT/CAE軟件。通過模擬分析發(fā)現(xiàn)工藝存在的問題，采取工藝改進措施后再次進行模擬，直到鑄造工藝趨向合理。

1. 鑄造工藝方案設計

1．1鑄造工藝方法的選擇：

由于前罩（材料：ALSi10Mg）屬于中大型薄壁鋁合金鑄件，結構雖然比較簡單，但厚薄不均，熱節(jié)位置較多，鑄件最薄的地方為4mm,最厚大的地方為80×110×120，外輪廓尺寸為618×346×618，此零件表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量要求比較高。用砂型重力鑄造難以保證順利充滿和厚大部位不產(chǎn)生疏松，特別是法蘭處的質(zhì)量，同時可能形成氣孔和渣孔，表面質(zhì)量較差，難以通過壓力測試和質(zhì)量要求；考慮前罩質(zhì)量、批量的要求和低壓鑄造工藝具有金屬液充型平穩(wěn)、鑄件在壓力下結晶，生產(chǎn)的鑄件縮松、氣孔、夾雜少的優(yōu)點，結合我廠鑄造現(xiàn)場生產(chǎn)能力，最后選用金屬型低壓鑄造的工藝方案。模具選用：QT60-2，型芯選用：45#鋼，模具溫度：300℃，型芯溫度：300℃，澆注溫度：720℃。

1．2澆注系統(tǒng)位置的選擇：

前罩（材料：ALSi10Mg）前罩法蘭較小一端徑向和法向都比較厚和方便開模，且整體組織要求高，不允許有縮松、氣孔等鑄造缺陷，為了使得鑄件實現(xiàn)順序凝固且保證法蘭處的力學性能，在法蘭較小一端開設入流內(nèi)澆口和橫澆口，在法蘭處共開設6道內(nèi)澆口，保證快速入澆不冷隔和充型平穩(wěn)，通過厚大內(nèi)澆口在壓力下對其進行補縮。

2. 三維建模

2．1鑄件的三維建模：

采用Pro-E軟件對鑄件進行三維建模，并在鑄件的基礎上加澆注系統(tǒng)，保溫棉，模具，型芯,且保溫棉，模具，型芯為裝配體。

2．2保溫棉、模具、型芯的三維建模：

由于在工藝模擬時，保溫棉、模具、型芯屬于工藝裝配體部件且各部件材料及屬性都不一樣，三維建模保證建模工藝部件與實際生產(chǎn)工藝部件的位置、大小一致，要求保溫棉、模具、型芯與鑄件間面貼合。由于鑄件的一些地方是不規(guī)則的曲面所以保溫棉、模具、型芯的形狀也為不規(guī)則曲面形狀即為隨形保溫棉、模具、型芯，同時由于保溫棉、模具、型芯不連續(xù)相互間孤立、分散，所以在建模時也應分散分布，相互間不相連，而在工藝模擬時要求同種材料工藝部件組合成一個整體，生成一個STL文件。加澆注系統(tǒng)鑄件三維模型如圖1所視；加澆注系統(tǒng)、保溫棉、模具、型芯的工藝三維模型如圖2所視：

3. 工藝模擬及工藝優(yōu)化的工作流程圖（圖3）[nextpage]

3．1前處理：

本次模擬時，鑄件、鑄型及冷鐵網(wǎng)格剖分的網(wǎng)格尺寸為4mm×4mm×4mm，共剖分網(wǎng)格3,427,710個。

3．2鑄造模型構建及模擬計算：

按工藝要求添加低壓鑄造相應的工藝參數(shù)。參數(shù)設置如下：①鑄件材料為ALSi10Mg。②模具材料為QT60-2。③型芯的材料為45#鋼。④澆注溫度為720℃。⑤低壓工藝曲線按表所示執(zhí)行。

3．3鑄造工藝結果顯示及工藝合理評定：

通過凝固過程、溫度場及縮孔、縮松的判定可以看到鑄件有多處存在縮孔，其中在上端法蘭各熱節(jié)處存在嚴重縮孔缺陷。從溫度場、凝固過程及冷卻速度的分析可以清晰看到熱節(jié)周圍的溫度遠低于熱節(jié)區(qū)的溫度，早于熱節(jié)凝固，使得熱節(jié)最后凝固形成縮孔。通過此次模擬可以看出先前制定的工藝存在問題。

圖中所示位置形成金屬液孤立熔池壓力無法進行補縮，只能依靠自身補縮，圖中幾處可能形成集中收縮缺陷縮孔或縮松情況。

4. 實際生產(chǎn)和現(xiàn)場加工

通過調(diào)整模具溫度，壓力曲線和留工藝飛邊等方法，目前前罩工藝已優(yōu)化固定，并進行批量生產(chǎn)，生產(chǎn)情況如圖所示。[nextpage]

5. 結果與分析：

使用CASTSOFT軟件可以有效地預測出工藝設計中存在的問題，能夠預測出鑄件可能存在的鑄造缺陷，并根據(jù)此模擬結果改進、優(yōu)化鑄造工藝。利用三維建模軟件可以很方便地進行澆注系統(tǒng)、模具、型芯、保溫棉等改進，同時利用CASTSOFT軟件可以對鑄造工藝參數(shù)如：澆注溫度、充型時間、保壓壓力、保壓時間等的改進，改進后再次進行模擬，經(jīng)過多次改進直到消除鑄造缺陷。這對于大型復雜鑄件有很重要的意義，它可以減少工藝試驗的次數(shù)，甚至可以取消工藝試驗，保證鑄件一次試制成功。從而大大縮短新產(chǎn)品的試制周期，提高企業(yè)的競爭力。依據(jù)此次模擬結果制定的工藝用于生產(chǎn)后，效果良好，前后共鑄造100套前罩，鑄件在機械加工后沒有發(fā)現(xiàn)鑄造缺陷，加工后的高壓油道在進行2.5MPa的高壓試驗時未發(fā)生滲漏現(xiàn)象。能夠滿足設計要求，從而也驗證工藝模擬的有效性。

6．結語：

通過此次模擬可以總結出以下幾點經(jīng)驗①低壓鑄造很適合中大型復雜薄壁鑄件的鑄造，它不但可以保證薄壁處的順利充型，也可以通過內(nèi)澆口在壓力下對鑄件厚大部位進行補縮。同時鑄件是至下而上充型，所以充型平穩(wěn)，不會產(chǎn)生二次造渣現(xiàn)象②使用金屬型，型芯也為金屬芯的工藝提高了生產(chǎn)效率，保證鑄件表面質(zhì)量，有效消除鋁合金鑄件的縮松現(xiàn)象，同時可以大大提高厚大部位處的力學性能。③對于特別厚大的地方，由于條件所限不能通過澆注系統(tǒng)補縮，采用模具中通入循環(huán)冷卻液的方法或采用暗冒口的方法徹底消除鑄造缺陷（因低壓鑄造所用的冒口為暗冒口，所以冒口的尺寸要適當加大），④在采用循環(huán)冷卻液的方法或采用暗冒口的方法不方便時，也可采用在熱節(jié)位置留飛邊來加大散熱面積，達到調(diào)整凝固順序的目的。

作者：

1、馮艷云：女1960.1出生，1984年2月沈陽職工大學機械制造專業(yè)畢業(yè)，新東北電氣（沈陽）高壓開關有限公司鑄造研究所從事鑄造工藝設計與研究，近幾年主要從事中大型鋁合金鑄件的低壓鑄造工藝設計與研究．如前罩＼十字罐＼艙體等鋁合金鑄件的低壓鑄造工藝設計。

2、單愛峰:男,1976年生,遼寧省沈陽人,1998年畢業(yè)于內(nèi)蒙古工業(yè)大學,并獲工學學士學位,同年7月分配到新東北電氣集團沈陽高壓開關有限公司從事鑄造工藝設計與研究，近幾年主要從事中大型鋁合金鑄件的低壓鑄造工藝設計與研究．如前罩＼十字罐＼艙體等鋁合金鑄件的低壓鑄造工藝設計。

3、黑玉龍（1968-），男，黑龍江龍江縣人，高級工程師，主要從事鑄鋼、鑄鋁、鑄銅工藝及熔煉工作。

4、宋彬：北京北方恒利科技發(fā)展有限公司工作，從事鑄造數(shù)值化模擬技術相關工作。電話：010-88820223-8009，E-mail:hlbj@hlzz.com。

參考文獻

[1] 李慶春 鑄件形成理論基礎 機械工業(yè)出版社 1982年1月

[2] 李魁盛 鑄造工藝及原理 機械工業(yè)出版社 1988年

[3] 范英俊 鑄造手冊之特種鑄造 機械工業(yè)出版社 2003年2月

[4] 王智平 底杯鑄件鑄造工藝模擬 鑄造 2006（2）149-151

[5] 胡漢起 金屬凝固原理 機械工業(yè)出版社 1997年8月

[6]靳玉春，侯華，趙宇宏等 材料成型過程數(shù)值模擬 兵器工業(yè)出版社 1997年8月

[7]柳百成 等 鑄造工程的模擬仿真 與質(zhì)量控制 機械工業(yè)出版社， 2001年6月

[8]徐宏 鑄造工藝設計及模擬技術 教育出版社

本文由北京北方恒利科技發(fā)展有限公司（100089） 宋 彬提供，轉(zhuǎn)載請注明出處