铸件缺陷形成的PROCAST数值模拟

实验四 铸件缺陷形成的PROCAST 数值模拟
一、实验目的
1）利用ProCAST 软件，对照模拟同一铸件的不同铸造方案，了解铸件在铸造过程中可能出现的缺陷；
2）分析缩松缩孔、裂纹等缺陷可能出现的原因，并尝试更改铸造工艺，以减少缺陷，改善铸件质量。

二、实验原理
ProCAST 可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发，并且具有可重复性。

而在实际模拟过程中，常见的铸造缺陷有缩松缩孔、裂纹和气孔等。

1. 缩松缩孔
金属铸件在凝固过程中，由于合金的体积收缩，往往会在铸件最后凝固部位出现孔洞。

容积大而集中的孔洞被称为集中缩孔；细小而分散的孔洞被称为缩松。

一般认为，金属凝固时，液固相线之间的体积收缩是形成缩孔及缩松的主要原因；当然，溶解在金属液中的气体对缩孔及缩松形成的影响有时也不能忽略。

当金属液补缩通道畅通、枝晶没有形成骨架时，体积收缩表现为集中缩孔且多位于铸件上部；而当枝晶形成骨架或者一些局部小区域被众多晶粒分割包围时，金属液补缩受阻，于是体积收缩表现为缩松。

图4-1 缩孔形成过程示意图
ProCAST 可以确认封闭液体的位置。

使用特殊的判据，例如宏观缩孔或NiYama 判据1来确定缩孔缩松是否会在这些敏感区域内发生。

同时ProCAST 可以计算与缩孔缩松有关的补缩长度。

在砂型铸造中，可以优化冒口的位置、大小和绝热保温套的使用。

在压铸中，ProCAST 可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小，以及溢流口的位置。

2. 裂纹
金属液接近凝固温度时，收缩量较大，塑性较差，铸件自由收缩受阻而造成热裂以至在随后的冷却过程中产生裂纹，一般位于铸件最后凝固的部位。

热裂形成的过程如图4-2所示，图中c p 为空隙压
1
即为新山英辅判据，NiYam a C R G /， G —判别区域的局部温度梯度，R —冷却速度，NiYama C —有量刚
量。

研究表明，NiYama C 值随铸件大小变化，大件取1.1
，小件取0.8。

图4-2 热裂形成示意图
力，m p 为金属静压力。

糊状区的应力计算公式为：
m e c sh a p p gh p p ∆-∆-+=ρ （4-1）
式中，a p ——大气压力；
gh ρ——金属静力压；
sh p ∆，mec p ∆——流动过程中凝固收缩和变形的压力降。

稳态条件下，这两者由以下公式得出：
])1([1802
G
B A v G p p T mec sh ε
ββλμ ++=
∆+∆ （4-2） 其中
⎰
-=mf
cg
T T s s f T f A 22)
1(d ，⎰-⋅=mf cg T T s s s T f T F f B d )1()(3，⎰
=mf
cg
T T s s T f T F d )(
式中，G ——温度梯度；
μ——液体粘度；
λ——等轴晶或二次枝晶的平均尺寸； ε ——糊状区的机械变形率； T v ——凝固速率；
β——收缩率；
cg T ——晶粒形成形成时枝晶臂凝聚时的温度； mf T ——整体进料温度；
s f ——固相体积分数；
A ，
B ——取决于合金的性质和凝固路径，可以通过f s 和T 的关系得出。

由公式（4-1）和（4-2）得到的p ∆如果小于空隙压力（用c p ∆表示），就会产生热裂，即：
c m ec sh a p gh p p p p p ∆<-∆+∆=-=∆ρ （4-3）
其中，空隙压力通过c a c p p p -=∆给出。

基于以上的公式，利用热应力分析结果，ProCAST 可以模拟凝固和随后冷却过程中可能产生的裂纹缺陷。

在真正的生产之前，这些模拟结果可以用来确定和检验为防止缺陷产生而尝试进行的各种设计。

三、实验步骤
1. 缩松缩孔缺陷
1）选择文件。

将FTP中“Casting Defect”下“Shrinkage”中的“Riser1.igs”和“Riser2.igs”分别下载到D盘“学号_Casting Defect”下“Shrinkage”的“1”和“2”中。

选择ProCAST对“Riser1.igs”和“Riser2.igs”(参见图4-3)分别进行温度场的模拟（网格大小设置为10mm）。

模拟过程除了PreCAST外均与应力模拟实验相同。

图4-3 几何形状对比：左—Riser1，右—Riser2
2）PreCAST设置。

先检查几何体，然后设置铸件和铸型的材料属性（Materials/Assign）。

铸件材料设置为Steel-H13-Stress，铸型材料设置为SAND_Silica。

创建并设置各部件之间的界面【Interface】。

设置边界条件（Boundary Condition/Assign Surface)，将Heat设置为Air_cooling。

设置重力（Process/Gravity），X轴的正方向为重力方向。

设置初始条件（Initial Condition/Constant），铸件为1570℃，铸型为20℃。

设置运行参数（Run Parameters），在【General】—【Standard】中终止条件设定最终温度TSTOP为1400℃，最大时间步长DTMAX为10，设定【Thermal】中TFREQ为5。

保存并退出PreCAST。

3）运行DataCAST和ProCAST。

4）在ViewCAST中对比观察结果。

温度场：对比两个铸件的温度场变化，找出热节位置，预测可能出现的缺陷。

输出要求：将温度场对比结果分别输出不少于10张图片，参考图4-4和4-5。

保存路径：“D:\学号_Casting Defect\Shrinkage\Output”。

同时各选择4-6张图片粘贴到《实验报告》的实验结果部分。

0 s 15 s
110 s 232 s
图4-4 Riser1（小冒口）温度场变化
0 s 19 s
265 s 691 s
图4-5 Riser2（大冒口）温度场变化
利用Niyama判据，在ViewCAST中观察缩松缩孔缺陷：
点击【Action】—【R，G，L】，出现Niyama参数设置对话框，具体设置如下：
L Upper Temp = 1475
L Lower Temp = 1355
R,G Temp= 1367
Mapping constants保持默认设置，Units设为Millimeters，然后点击【Calculate】。

点击【Contour】—【Thermal】—【Mapping Factors】，将标尺设为0~1.1（点击标尺数字弹出对话框设置即可），显示值小于1.1的区域可能出现缩松缩孔缺陷，参考图4-6和4-7。

对比两个方案，清楚冒口的作用，分析冒口的大小对铸件缺陷的影响。

输出要求：将结果以图片格式输出，保存路径：“D:\学号_Casting Defect\Shrinkage \Output”。

同时将图片粘贴到《实验报告》的实验结果部分。

图4-6 Riser1（小冒口）对应的缩松缩孔缺陷
图4-7 Riser2（大冒口）对应的缩松缩孔缺陷
2. 裂纹
1）选择文件。

将FTP中“Casting Defect”下“Crackle”中的“Stress1.igs”和“Stress2.out”分别下载到D盘“学号_Casting Defect”下“Crackle”中的“1”和“2”中。

选择ProCAST对“Stress1.igs”和“Stress2.out”文件分别进行温度场的模拟，如图4-8所示为两个三维模型的几何形状对比示意图。

铸型
铸件
铸型
冷铁
铸件
图4-8 两模型几何形状对比示意图
2）PreCAST设置。

“Stress1.igs”文件为第11章铸造应力的模拟计算实验的实例“Stress.igs”，按照其选做实验一设置进行模拟即可；“Stress2.out”为增加冷铁的方案，直接用PreCAST打开，参数设置如下：
将单位设置为“mm”后先检查几何体，然后设置铸件、冷铁和铸型的材料属性（Materials/Assign）。

铸件材料设置为Steel-H13-Stress，冷铁材料为Fe_GG_20（31），【Type】为Mold，铸型材料设置为SAND_Silica；单击【Materials】—【Stress】设置铸件为Steel-H13-Stress，冷铁和铸型为Rigid。

注：输入的材料保存在计算机后无需重复设置，直接调用即可。

创建并设置各部件之间的界面【Interface】。

H铸件冷铁=2000W/m2K，H铸件铸型=500 W/m2K，H冷铁铸型=500 W/m2K。

铸件应显示为红色。

设置边界条件（Boundary Condition/Assign Surface)，将Heat设置为Air_cooling。

设置重力（Process/Gravity），Y轴的负方向为重力方向。

设置初始条件（Initial Condition/Constant），铸件为1570℃，冷铁和铸型为20℃。

设置运行参数（Run Parameters），在【General】—【Standard】中终止条件设定最终温度TSTOP为400℃，最大时间步长DTMAX为600，设定【Thermal】中TFREQ为5。

设定【Stress】为1，SFREQ为5，点击【Apply】，完成设置。

保存并退出PreCAST。

3）运行DataCAST 和ProCAST 。

4）在ViewCAST 中对比观察结果。

温度场：对比两个铸件的温度场变化，找出热节位置，预测可能出现的缺陷。

输出要求：将温度场对比结果分别输出不少于10张图片，参照图4-9和4-10。

保存路径：“D:\学号_Casting Defect\Crackle\Output ”。

同时各选择4-6张图片粘贴到《实验报告》的实验结果部分。

图4-9 Stress1（无冷铁）温度场变化
583 s
5 s
186 s
0 s
图4-10 Stress2（有冷铁）温度场变化
0 s
6 s
67 457
热裂是铸件生产中最常见的铸造缺陷之一，而通过ProCAST中【Hot Tearing Indicator】模块可以有效地预测有热裂倾向的位置，如图4-11所示，该铸件的A处容易应力集中，在实际生产中在此处也容易产生热裂。

热裂倾向：点击【Hot Tearing Indicator】对比查看A处加冷铁前后的热裂倾向。

结合图4-9和4-10的温度场变化，分析热裂出现的原因。

输出要求：将热裂对比结果以图片格式输出，保存路径：“D:\学号_Casting Defect\Crackle\Output”。

同时将图片粘贴到《实验报告》的实验结果部分。

A A
图4-11 A处热裂倾向对比：左—无冷铁，右—有冷铁
四、思考题
1. 为了减少缩松缩孔类铸造缺陷，进行铸造工艺设计时应如何考虑冒口的位置和大小？
2. 裂纹缺陷通常会发生在铸件的什么部位？在铸造工艺设计时，应采用怎样的工艺措施减少和避免热裂缺陷的产生？。