空心直浇道消失模铸造充型模式的数值模拟及分析
基于ANSYS铸件充型与凝固数值模拟的研究
型模拟 了一试验件 ， 在模拟 的过 程 中分 别用 ２种方 法对 流场进行 了模 拟 ， 与 实测 结果进 行 比较 ， 并 结果表 明 ， 用充型过 程 的 采
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铸 造技术
Ｒ Ｉ ＤＲＹ Ｔ日Ｃ ＨＮ０１ ＧＹ ０
Ｖ０ ． ３ ＮＯ ４ １２ ．
Ｊ １２ ０ ｕ． ０ ２
基 于 ＡＮＳ ＹＳ铸件 充型 与凝 固数值 模拟 的研究
齐 慧， 杨 屹 ，蒋玉 明
（ 四川 大学 ， 四川 成 都 ６ ０６ ） １０ ５
方 法 更 接 近 实测 值 。
关键词 ： 型过程 ； 值模 拟 ； 充 数 ＡＮＳ Ｓ；流 动 Ｙ
中图分类号 ： ２ ４ ＴＧ ４ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ００８ ６ ２ ０ ）４０ １ —３ １０ —３ ５（０ ２ ０ —２ ６０
Ｎｕ ｒ ｃ ｌＳ ｍ ｕ ａ ｉ ｎ ｕ ｄ Ｆ ｏ ａ ａ ａ ｓ ｅ ｒｎ ｏ ｄ Ｆｉｌｎ ｆＣａ ｔｎ ｍｅ ｉ ａ ｉ ｌ ｔｏ ｏｆＦｌ ｉ ｗ ｎｄ Ｈｅ ｔＴｒ ｎ ｆ ｒ Ｄｕ ｉ ｇ Ｍ ｌ ｌｉ ｏ ｓ ｉ ｌ ｇ ｇ
此 采用 这 一模 型 。 ｅ模 型 ， Ｋ－ 即用 两 个 紊 流 特 征 量 （ 紊
， ＋ ｏ ＝ ０ 、 。， 、
（） 、， Ｉ １
流动能 Ｋ 和紊流动能的耗散率 ｅ 来表示动量守恒方 ）
程 中 的紊 流粘 度 。 紊 流 动能 Ｋ 方 程 ：
冷 隔等 缺 陷 ， 而优 化铸 件 工 艺 ， 进 实现 理想 的型 腔填 充 状 态 ， 实 际 的铸 件 生产 具 有 重 要 的 指 导 意 义 。为 了 对 更精 确 地模 拟 铸 件 充 型 过 程 的 流 动 ， 时 也 为 了能 够 同
FLOW-3DV9.3铸造数值模拟技术之消失模铸造仿真
ＬＦＣ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ Ｏ ｎ ｆ ０ ｌ ｒ Ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ ＦＬＯＷ － ３Ｄ Ｖ９． ３ Ｃａ ｓ ｔ ｉ ｎｇ
摘
要： 为了实现 Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ－ ３ Ｄ Ｖ ９ ． ３消失模铸造 模拟仿真 ， 用基本消失模模型 、 重力用户模型及重 力 一排气 能力 用户
模 型对竖直板铸件分 别进行 了消失模数值模拟 ， 并 与该铸件 充型实验结 果进行 了 比较． 研 究结果 ， 重力 一 排 气能力 用户模型金属液充型流动形态和时间与实验结果具有较高 的吻合度 ． 结果表明 ， Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ－ ３ Ｄ Ｖ ９ ． ３经二次开发能较好 地模拟消失模铸造过程． 关键词 ： 数值模拟 ； Ｆ Ｌ Ｏ Ｗ一 ３ Ｄ；消失模铸造
消失模 铸 造 （ Ｌ Ｆ Ｃ ） 又 称 负 压 实 型铸 造 ， 是将 泡
沫 塑料 制成 的模样 埋 入 无 粘 结 剂 的干 砂 中造 型 ， 采 用微 震 加负压 紧 实 ， 在没 有 芯 子 甚 至 没 有 冒 口的情 况 下浇 入液 态金 属 ， 在 浇注 和凝 固过 程 中 继续 保 持
Ｘ Ｉ Ａ Ｏ Ｙ ｕ ａ ｎ － ｊ ｕ ｎ ， Ｚ Ｈ Ｏ Ｕ Ｈ ｎｇ ａ ，Ｘ Ｉ Ｅ Ｂ ｏ ， ＷＡ Ｎ Ｇ Ｂ ｉ ｎ ． ｗ ｕ （ １ ． Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ Ｙ ｕ ｎ ｎ ｅ ｉ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｃ Ｏ ． Ｌ ｔ ｄ ． ， Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ ０ １ ０ １ ， Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ ， ６ １ ０ １ ０ １ ，Ｐ ． Ｒ ．Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
铸造充型过程的数值模拟
铸造充型过程数值模拟的研究进展（****：**学院：材料科学与工程专业：材料工程学号：20131800103二○一四年二月摘要铸造过程计算机数值模拟技术是当今材料科学的重要前沿领域。
本文从铸件充型数值模拟的发展过程、软件的开发状况、计算方法及验证方法等四个方面介绍了国内外铸件充型过程计算机数值模拟的概况。
关键词: 数值模拟; 充型过程; 铸件; 模拟软件AbstractThe technology of computernumerical simulation on casting process is an importangt frontal field of material science and technolgy.The present foreign and domestic research on compter digital simulation of casting process is summarized in the paper from four respects of evolution of numerical simulation of filling processes of castings,development state of software ,method to calculate and method to prove.Key words:numerical simulation ;filling process;castings;simulation software目录摘要 (1)Abstract (2)一前言 (1)二数值模拟的国内外发展概况 (1)三充型过程数值模拟技术新进展 (3)四铸造模拟软件的开发状况 (3)五充型过程数值模拟的计算方法 (4)4.1充型过程液体流动的数值模拟 (4)4.2 充型过程卷入缺陷的数值模拟 (5)六充型过程实验研究 (6)七结论与展望 (7)参考文献 (8)1 前言铸件充型过程数值模拟是随着电子计算机技术的飞速发展而发展起来的一种现代铸造工艺研究方法。
基于PROCAST消失模铸造过程数值模拟分析的前处理
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ Ｔ ｅ ｘ ｔ ｉ ｌ ｅ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ
第 ３０卷 第 ４期 （总第 １ １ ０期 ） ２ ０１ ３年 １ ０月
文章编号： １ ０ ０ ８—５ ５ ８ ０ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ４—０ ０ ６— ０ ４
图 １ 衬 板零 件 图
１ ． ２ 有 限元 网格 的划分
网格 划分是计 算机 数值模 拟不可缺少 的前处
析模块 和后处 理模块 。功 能模块包 括流 动分析模 块、 应 力分析 模 块 和辐 射 分析 模块 。高级 模 块包 括 晶粒 结构分 析模块 、 微观组 织分析 模块 、 电磁 分 析 模块 和射 芯流动分 析模块 。工具模 块包 括 网格 生 成模 块 、 反 向求解模 块 。Ｐ Ｒ Ｏ Ｃ Ａ ｓ Ｔ铸 造 充型 过 程模 拟流程 如 图 ２所 示 。 本 文 以矿 山设 备 上 的 耐磨 件板 锤 为 例 ， 详 细
９
模样 占据 型腔 ， 消 失 模 的 充 型过 程 实 际 上是 高温 金 属液 体取代 泡沫 模样 的过 程 。而这 一过程 中极 为重要 的几个 参数 有 ： 真空度、 泡 沫模样 与金 属液
体 之 间的换热 系数 、 气 隙的大 小 、 泡沫模 样 的气化
率。
５ ； 气化 率 为 Ｇ Ａ Ｓ Ｆ Ｒ Ａ Ｃ， 默认 为 ０ ． １ 。其 中 ， 单 位
消失 模铸 造是一 种新型 的铸造方 式 。我国是 铸 造大 国 ， 许 多生产厂 家尤其是 冶金 、 矿山、 煤炭 、 建材等行业， 采 用 消 失模 铸 造 群 铸 生 产 磨球 、 衬 板、 锤 头等 耐 磨件 ， 在一 个 砂箱 内串 、 并联 很 多相 同或不 同 的消 失模 模 型 而进 行 一次 浇 注 成形 ， 其 生 产效 率和经 济效益 比传统砂 型铸造 高 。 近 年来 ， 随着计 算 机技 术 和有 限元 技术 的飞 速 发展 ， 基 于知 识 的成 形 铸造 工 艺模 拟 仿 真发 展 越来 越 成熟 。模 拟 仿 真 可保 证零 部 件 的 品质 、 优 化 过程设 计 、 缩 短研制 周期 ， 从而给铸 造工业 带来 效 益 。柳 百成 指 出采 用铸造过 程计算 机模 拟仿真
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。
最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。
关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件The Application of Numerical Simulation in Mold Fillingand Solidification ProcessAbstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly.Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software1 前言铸造过程就是将高温的液态金属浇注到封闭的型腔中，通过充型和凝固过程最终获得所需形状铸件的热成形过程。
消失模铸造浇注系统设计说明
消失模铸造浇注系统设计浇注系统和浇注是获得高质量铸件的重要工序，浇注系统很关键，要经过反复试验，浇注系统可以用泡沫塑料板材来制造，但浇注系统最好是发泡成型，如果可能与模型成为一体，只有这样才能减少飞边，因为薄而复杂的浇注系统在操作过程中很容易损坏，所以使浇注系统简化很重要。
浇注系统和浇注操作的目的是减少浇注时产生紊流的倾向，减轻金属液的氧化，防止产生冷隔、皱皮等缺陷，应用成功的浇口设计有很多类型，如顶注、底注、雨淋式浇注，压边浇口、牛浇口等。
金属液的充型速度必频与模型热解的速度一样，浇注速度慢或出现断流的现象，都会引起严重的塌箱，金属液量一定要充分，以保持一定的金属静压头防止金属液前沿与熔融模型之间的空隙处发生他乡。
铁或铝和氧的亲和性、铁或铝的吸气性以与模型结构对控制浇注的成功至关重要。
浇注时泡沫塑料模型要发生一些列的变化，包括熔融、解聚、热解、聚合物裂解等，模型的热解产物会引起很多铸造缺陷，如铝合金中的气孔、缩松，铸件中的碳缺陷，以与铸钢件中的增碳等。
金属液充型过程中，模型在约75℃时开场软化，164℃时溶熔，316℃时开场解聚，在580℃时开场分解，设计浇注系统和浇注过程中，要防止气体、干砂、模型的热解残留物卷入金属液中，减少模型热解残留物取决于浇注系统的设计、浇注速度、模型的几何形状〔尤其是模型的外表和体积之比〕、涂料、砂箱的排气、真空的使用、模型的密度与种类等。
浇注系统的主要作用是用金属液充填型腔，同时必须不对铸型和金属两者产生部可承受的损坏，浇注系统能够在型建立温度梯度、提供补给金属，以促进健全的铸件，浇注过程中，浇注系统的金属流不仅要支撑铸型，还要通过浇注系统排除模型的热解产物，在涂料和干砂的充填、紧实的过程中，浇注系统还可用以支撑和搬运，浇注系统还要有一定的强度，便于操作并使模型某些部位可能加固，防止变形。
浇注出铸件后，必须去掉浇注系统。
浇注系统应该与铸件部重要的部位相连并且面积应尽量减小，一般情况下，面积越小，可增加浇注系统装配模型数量。
基于人工神经网络的消失模铸造充型过程数值模拟
】 ａ ｍｎｅｔ ｏ ｌ ｏ Ⅱ ． ｙｉ ｝ ｈ ｎ 数值 模拟
人工 神经 网络
１ 前言
充型过程的计算机模拟 ， 对于优 化铸造工艺设
２ 消失模充型过程分析
（） １基于消失模铸造实质就是液态金属取代泡 沫塑料模样的过程 ， 将金属液 体充填过程 中界面的 推移过程看成模样消失的过程 。同时假设液态金属 的充填与气隙的向前推移同步 ， 即可以用气 隙的推 移代表液态金属的前移 ， 两者统一， 在计算 中不考虑 气隙对充型过程的动态影响过程 。这样 ， 在研究界 面推移过程时 ， 可以模样为研究对象来研究界面 就 推移的过程。 （） ２假设模样的 消失过程主要受液态金属热作 用影响， 呈放射状向前推移 ， 并假设这种界面推移过 程 只受真空度 、 模样密度 、 浇注温度和金属压头的影 响。这一假设主要基于正交试验 的测试结果 ， 在计
信号进行多级小波分解 ， 根据分解后被放大的异 常 响应信号所在的频段 和时段 ， 结合实际情况进行具
１ 张洪欣 ， ． 等 汽车 行驶平 顺 性计 算机 预 测 ． 汽车 工程 ，
１８ ９６
２ 王仲范 ． 车辆随机输人及其模拟 ． 武汉工学院学报 ， ８ １１ ９ ３ 冉启文 ． 小渡分析方法及应用 ． 哈尔滨工业大学
本文 建 立 了一 种铸件 消失模 铸 造充型过 程数值模 拟 的人 工神 经 网络模 型 。并利 用此模
型进 行铸件 的 消失模铸 造 充型过 程计 算机数 值模拟 ， 其模 拟 充型 过 程 结果 与 相应 的 实剥值 基 本 一
ｒｓｌ ｆｈ ｅｔｓ ，ｔ ｔ ｃ ｅ面 山＆ ｎ ｉ ｔ ｈｔｈ ｃｌ ｔ 南ｎｉ ｃ ｅ ａ ｔ ｄ ａ ｄｔ ｅ ｕ 如 瑚 出 ｄ衄ｎ 口
模拟对比分析消失模铸造与普通铸造充型过程
热量损失较普通空腔铸造热量损失大得多。同时发现 ， 在消失模铸件表面容易因残余泡沫而造成表面渣气孔 ，
实际铸件的表面质量也证明了这一点。针对消失模 的这些特点提供了改进工艺的实例。 关键词 ： 数值模拟 ， 消失模铸造 ， 充型过程
中图分类号 ：Ｇ ４ ； Ｔ ２ ４ 文献标识码 ： 文章编号 ：０ ６ ９ ５ （ ０ ６）６ ３ Ａ； １０ — ６ ８ ２０ Ｏ —
Ｅ Ｃ ｎ ｈ ｏ Ｐ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｍｍｏ ａ ｔ ｇ ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｒ４ ｋｎ ｓ ｏ ａ ｔ ｇ ａ ｅ ｂ ｅ ｎ ｌｚ ｄ ａ ｄ ｃ ｍｐ ｒ ｄ．ｈ ｎ ｃ ｓ ｉ ｅ ｈ ｏｏ ｙｆ ｉｄ ｆ ｓｉ ｓ ｈ ｖ ｅ ｎ ａ ａｙ ｅ ｎ ｏ ｎ ｏ ｃ ｎ ａｅ ｔｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗｅ ｈ ｔｉ Ｃ ｌ ｔ ｅ ｌ ｕｄ ｆｌ ｇ ｏ ｄｅ ａ ｒ ａ ｉｅ ｅ ｃ ｒ ｍ ｈ ｔｉ ｏ ｅ ｕｔ ｓ ｏ ｄ ｔ ａ ＥＰ ｍｏｄ．ｈ ｉ ｉ ｉｉ ｒ ｒｈ ｓ ｇ ｅ ｔｄｆ ｒ ｎ ｅ ｆ ｓ ｎ ｑ ｌｎ Ｏ ｔ ａ ｃ ｍｍｏ ｌ Ｉ ｎ ｎ ｍｏｄ． ｎ ｔ ｅ ｍｅ ｎ ｉ ｔ ｅｈ ａ ｓ ｈ ｏ ｇ ｈ ｌｎ ｙｉ Ｐ ｗａ ｌｏ ｇｒａ ｅ ａ ｈ ｔｎｃ ｍｍｏ ｌ Ｉ ｄ— ｈ ａ ｔ ｍｅ，ｈ ｅ ｔｏ ｔ ｒ ｕ ｈｔ ｅｆｌ ｇｗａ Ｅ Ｃ ｓａｓ ｅ ｔ ｒ ｈ ｎｔ ａ ｏ ｌ ｔ ｉｉ ｎ ｔ ｉ ｎ ｍｏｄ．ｎ ａ
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材料工艺 Ｍ ＴＲ Ｌ Ｅ Ｈ Ｏ Ｏ Ｙ Ａ Ｅ Ｉ ＆ＴＣ Ｎ Ｌ Ｇ Ａ
模拟对比分析消失模铸造与普通铸造充型过程
Ｔｈ ａｙ ｉ ｎ ｍｐ ｒｓ ｎ ｏ ｅＦ ｌ ｎ ｒ Ｐ ｏ ｅ ｓ ｔ ｌ ｏ ＥＰＣ ａ ｄ Ｓ ｍｐ ｅＣａ ｉ ｏ ｎ ｒ ｎ ｉ ｌ ｖｔ Ｆ ｕ ｄ ｙ ｙ
铸造过程的数值模拟
铸造过程的数值模拟1零件分析本次铸造过程的数值模拟所用的零件为方向盘，该零件结构复杂，并且在实际使用过程中，需要承受较大的扭转力，因此选用镁合金并采用压铸工艺。
此项工作需要在方向盘上建立合适的浇注系统和溢流槽，进行充型模拟，得到合理的压铸方案。
在建立浇注系统之前，需要合理选择分型面，然后选择浇注系统的内浇口位置，待浇注系统建立好之后，进行一次预模拟，从而确定溢流槽的数量和位置。
2工艺设计2.1浇注系统该铸件的分型面为铸件的最大截面，选定的浇注系统在铸件上的位置如下图所示。
已知数据有：压室直径60mm ，压室速度0.1m/s-3m/s ，铸件材料AM50A ，方向盘质量595g ，压射温度685℃。
查表取值 ：AM50A 镁合金密度 1.75g/cm3；充填时间t= 0.05s ；内浇口厚度b=2.5mm ；取充填速度v1=50m/s 。
铸件的体积3m595v===340000mm 1.75ρ； 根据经验，可以取溢流槽的体积为铸件体积的10%，则溢流槽的体积3134000mm v =。
计算内浇口面积2+34034149.6500.05V S mmvt +===⨯铸件溢流槽（V ）内浇口宽度 冲头速度横浇道 选用等宽横浇道厚度 bh=10mm ，斜度10°，宽度B=（1.25-3）An/bh ；圆角半径 r=2mm ，横浇道宽度为30mm 。
增压时间k=1.5s ， ， 。
直浇道的设计因为压室直径为60mm ，因此可以将直浇道与压室相连处的直径设计为60mm ，直浇道的高度为40mm ，拔模斜度为5°。
2.2排溢系统根据前面所述，溢流槽的总体积设计为铸件总体积的10%，则3134000mm v =。
并且设计三个溢流槽，分布在方向盘的圆周上，具体位置根据铸件最后充型位置确定。
根据经验和查表，溢流槽的桥部的尺寸与内浇道的尺寸的差距不宜过大，因此选取溢流槽的尺寸为A=30mm ，B=35mm ，H=12mm ，a=9mm ，b=22mm ，c=1mm ，溢流槽桥部厚度为h=1.3mm 。
铸件充型凝固过程数值模拟
铸件充型凝固过程数值模拟2.1 概述欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。
数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。
铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件力学性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。
数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。
目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验方法。
2.2 数学模型熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。
该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。
质量守恒方程∂ u/∂ x+∂ v/∂ y+∂ w/∂ z= 0 (2-1) 动量守恒方程∂（ρ u）/∂t +u ∂（ρ u）/∂ x +v ∂（ρ u）/∂ y +w ∂（ρ u）/∂z= -∂ p/∂ x +μ(∂2u/∂ x2 +∂2v/∂y2 +∂ 2w/∂ z2)+ ρ g x (2-2a) ∂（ρ v）/∂ t +u∂（ρ v）/∂ x +v∂（ρ v）/∂ y +w∂（ρ v）/∂z= -∂ p/∂y+μ (∂2u/∂x2+∂2v/∂y2+∂ 2w/∂ z2)+ρ g y (2-2b) ∂（ρ w）/∂ t +u∂（ρ w）/∂x +v∂（ρ w）/∂ y +w∂（ρ w）/∂ z = -∂ p/∂z+μ (∂2u/∂ x2+∂2v/∂ y2+∂ 2w/∂z2)+ρ g z (2-2c)体积函数方程∂F/∂ t+∂（Fu）/∂ x+∂（Fv）/∂y +∂（Fw）/∂z= 0 (2-3)能量守恒方程∂（ρc p T）/∂t+∂（ρ c p u T）/∂x+∂（ρ c p v T）/∂ y +∂（ρ c p w T）/∂ z= ∂（λT/∂x）/∂x+∂（λT/∂ y）/∂ y +∂（λT/∂ z）/∂ z +q v(2-4)式中u,v,w —— x, y, z 方向速度分量(m/s)；ρ——金属液密度(kg/m3)；t ——时间(s)；p ——金属液体内压力(Pa)；μ——金属液分子动力粘度（Pa.s）；g x, g y, g z —— x, y, z 方向重力加速度(m/s2)；F ——体积函数，0≤F≤1；c p ——金属液比热容[J/(kg.K)]；T ——金属液温度(K)；λ——金属液热导率[W/(m.K)]；q——热源项[J/(m3.s)]。
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展资料
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。
最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。
关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件The Application of Numerical Simulation in Mold Fillingand Solidification ProcessAbstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly.Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software1 前言铸造过程就是将高温的液态金属浇注到封闭的型腔中，通过充型和凝固过程最终获得所需形状铸件的热成形过程。
铸造过程数值模拟综合实验说明书
铸造过程数值模拟综合实验前言一、铸造过程数值模拟的来源、内容和意义为了生产出合格的铸件，就要对影响其形成的因素进行有效的控制。
铸件的形成主要经历了充型和凝固两个阶段，宏观上主要涉及到液态金属充型流动、金属凝固和冷却收缩、高温金属冷却和收缩3种物理现象。
在充型过程中，流场、温度场和浓度场同时变化，凝固时伴随着温度场的变化的同时存在着枝晶间对流和收缩现象；收缩则导致应力场的变化。
与流动相关的主要缺陷有：浇不足、冷隔、气孔、夹渣；充型中形成的温度场分布直接关系到后续的凝固冷却过程；充型中形成的浓度场分布与后续的冷却凝固形成的偏析和组织不均匀有关。
凝固过程的温度场变化及收缩是导致缩孔缩松的主要原因，枝晶间对流和枝晶收缩是微观缩松的直接原因，热裂冷裂的形成归因于应力场的变化。
可见，客观地反映不同阶段的场的变化，并加以有效的控制，是获得合格铸件的充要条件。
传统的铸件生产因其不同于冷加工的特殊性，只能对铸件的形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的控制，形成的控制系统——铸造工艺的局限性表现在：1）只是定性分析；2）要反复试制才能确定工艺。
铸造过程数值模拟的目的就是要对铸件形成过程各个阶段的场的变化进行数值解析以获得合理的铸件形成的控制参数，其内容主要包括温度场、流场、浓度场、应力场等的计算模拟。
二、铸造过程数值模拟原理铸造过程数值模拟技术的实质是对铸件成型系统（包括铸件—型芯—铸型等）进行几何上的有限离散，在物理模型的支持下，通过数值计算来分析铸造过程有关物理场的变化特点，并结合铸造缺陷的形成判据来预测铸件质量。
数值解法的一般步骤是：1）汇集给定问题的单值性条件，即研究对象的几何条件、物理条件、初始条件和边界条件等。
2）将物理过程所涉及的区域在空间上和时间上进行离散化处理。
3）建立内部节点（或单元）和边界节点（或单元）的数值方程。
4）选用适当的计算方法求解线性代数方程组。
5）编程计算。
其中，核心部分是数值方程的建立。
消失模与砂型铸造浇注系统的异同点
消失模与砂型铸造浇注系统的异同点
消失模与砂型铸造浇注系统的异同点
郑州⽟升铸造有限公司是专业⽣产破碎机耐磨配件的企业，消失模和砂型铸造都是常⽤的铸造⽅法，那么消失模和砂型铸造有哪些异同点呢？
消失模实型铸造与砂型（空腔）铸造浇注的充型过程及状态有所不同，故两者在浇注系统尺⼨⼤⼩的选择上有所不同。
消失模实型浇注过程，型内及浇注系统中的泡沫热解⽓化是吸收热量的过程，从⽽使钢铁液的温度有所降低，其型内的泡沫燃烧⽓化时，钢铁液的前沿与尚未燃烧⽓化的泡沫间形成⼀个⾼压⽓隙，从⽽导致钢铁液充型的速度减慢，流量受到⼀定影响，并产⽣紊流和反喷现象。
故消失模实型铸造的浇注系统各单元的截⾯尺⼨需在砂型铸造浇注系统尺⼨的基础上扩⼤15%~20%左右。
如果是采⽤放弃爱去速率⼤的所谓共聚料制作模样，其浇注系统的尺⼨扩⼤值应取15%~20%的上限。
⼲砂负压消失模铸造的重要特点之⼀就是“快速浇注”，所以。
鉴于以上因素，只有把浇注系统的尺⼨在砂型铸造浇注系统的基础上扩⼤
15%~20%才有可能实现“快速浇注”。
很显然，消失模先烧空后浇注（空壳铸造）的浇注系统则另当别论，因为消失模空壳铸造与砂型（空腔）铸造的浇注充型原理与状态⼏乎相同。
因此，消失模空壳铸造的浇注系统基本上可以仿砂型铸造浇注系统设计，也可在0~10%的范围内适当扩⼤。
消失模浇注过程存在问题
消失模铸造在浇注时，为了排出气体和模样气化残渣，直浇道要有足够的高度以使金属液有足够的压头以推动金属液流稳定快速充型，确保铸件表面完整清晰。
在实践中有些企业采用原有砂型铸造用的浇口杯，由于尺寸较小，易出现液流不平稳导致工件报废的现象。
为保证有足够的流量使浇注过程不断流，并很快建立起动压头，可改用较大的浇口杯；直浇道做成中空来减少发气反喷，增大开始浇注时的压头。
消失模铸造采用负压干砂振动造型，采用此种方法造型时铸型强度远大于湿型砂强度。
采用抽负压方法可提高铸型的稳定性，及时抽走模样气化时产生的热解气化产物。
但在生产过程中，有些工厂只注意观察浇注前的表负压，但浇注过程中往往忽视负压变化，从而造成铸件缺陷。
通过采取根据铸件大小和热解产物的多少，在浇注过程中对负压进行调节的方法，可很好地解决此问题。
消失模铸造工艺由于其设备投资少、成本低等特点，近几年得到了快速发展。
许多原有的中小铸造企业也越来越多地采用该项技术。
但是，有些企业对模型、涂料、振动方法、浇注过程中的一些操作细节问题未能加以重视，使得在生产过程中出现了铸件质量不稳定的现象。
消失模铸造技术作为一种铸件近静形成形方法，近年来得到了快速发展。
在国外由于机械化、自动化消失模铸造生产线的陆续建成投产及所产生的显著的经济和社会效益，使消失模铸造技术显现出强大的生命力。
前一段时间我国的消失模铸造技术应用虽然进展缓慢，但在近几年得到了快速发展。
特别是由于消失模铸造设备投资少、工艺路线短，许多原有的中小铸造企业也越来越多地采用该项技术。
但是，有些企业对一些操作问题未能加以重视，使得在生产过程中出现了一些问题，对铸件的质量产生了很大影响。
铸造充型过程数值模拟的研究进展及应用
程 中液 态金属 处 于层 流流 动 ，尚不 能指导 实 际工作 ．充型过 程数 值模 拟 的蓬勃 发 展 开始 于 ２ ０世 纪 ８ ０ 年 代末 期 ．１ ８ ９ ８年 ，Ｓｏ ｈ Ａ． ｔｅ ｒ Ｒ． 等人在 流体 计算 中引入 了能量 守恒 方 程 ，开 展 了流 场 、温 度 场 的耦 合 模拟 ，在 开发 出 的充型 过程流 动计 算模 型 中考虑 了传热 问题 ．在这 一 时期 ，国 内外也 有许 多 学者 对
Ｏ 引 言
随着计算 机 技术 的飞 速发 展 ，铸 造工 艺研 究进 入 了计算 机 时代 。利用 高性 能计 算机 ，铸 造工 作 者
可 以对 铸造 全过 程进 行模 拟仿 真 ，在实 际生 产之前 验 证或优 化所 采用 的铸 造工 艺参 数 ，克 服 了铸 造 业
长期存 在 的试制 周期 长 、铸件成 本 高 、质 量难 以控 制 等缺点 ，对 铸造 结果 和缺 陷基 本可 以做 到 “ 未铸
砂 眼等 都是在 充 型不利 的情况 下 产 生 的＿ ．然 而 由于本 身 的复 杂 性 ，与 凝 固过 程 相 比 ，充 型 过 程 计 ２ Ｊ
算 机数 值模 拟技术 的起 步较 晚 ．长 期 以来 人们 对 充型 过程 的把握 和控 制 主要是 建立 在大 量 的试验 基础 上 的经 验准 则 Ｊ ．从 ２ ０世纪 ８ ０年 代开 始 ，在此领 域进 行 了大量 的研 究 ，在数 学模 型 的建立 、算 法 的 实 现 、计算效 率 的提 高以及 工程 实 用化方 面 均取得 了重 大 突破 ｌ ． ４ ｊ
先知 ”和 “ 防患 于未 然 ” ．因此 可 以大 大缩 短工 艺试 验 周期 、确 保 铸 件质 量 、提 高工 艺 出 品率 、降低
消失模铸造案例分析
消失模铸造案例分析很多铸造朋友问，怎样才能快速学会消失模铸造技术呢？老陆要说的是：学技术的道路上没有捷径。
尤其是像消失模铸造这样变化极大的生产形式。
技术人员只有通过不断学习，不断试验，不断的从别的案例中吸取教训，才能少在生产中犯错误，才能做出更优质的铸件。
铸造是项前后工序相互联接的生产形式。
表现在铸件上的一个缺陷，根源却发生在好几个生产工序中。
比如用消失模生产出一铸件出现气孔，造成这种缺陷的原因常在两个以上。
如果技术人员没有仔细的做生产质量跟踪记录，没有对各个工序进行认真的排查，他是很难找到真正的缺陷原因的。
缺陷原因找不到，怎样解决问题呢？所以，学习消失模铸造技术，就要多看案例，然后从中学习生产经验，以便在日后的生产中，活用活用，达到消除铸件缺陷，提高铸件质量的目的。
今天，为大家奉上的案例是制造机床卡盘的生产案例。
希望大家认真阅读本文，并且，做一下阅读笔记，整理一些阅读心得！机床制造行业把卡盘作为机床的附件，卡盘（即通常称三爪卡盘，见图1，或四爪卡盘）是所有机床构造中使用频率最多零部件，卡盘的结构强度和整体刚度要能够满足机床整机的组装精度要求，关键性能必须要满足机床正常变速运转时其夹紧度与夹持力的稳定性。
外观形状看似不太复杂的卡盘，实际上铸造起来却有相当难度，因为卡盘属于高速旋转件，一定要保证足够的刚度和强度，符合技术要求的强度取决于铸件本身的致密度，这就是说铸件不能存在任何的气孔、砂眼、夹渣和裂纹等缺陷。
加之卡盘的所有内外圆、端面、孔和槽都要进行机械加工，任何存在于铸件表面及内在的缺陷都是不能存在的。
过去通常是由铸造车间以传统砂型铸造来完成铸件的毛坯制作。
虽然后来人们采用树脂砂和覆膜砂热芯盒来制作型芯，较普通砂型铸造有长足的进步，也取得很好的效果。
但是，这些铸造原材料往往是不可再生或者再生砂的利用率较低，加之对铸造操作技能要求高，卡盘其内腔的形成必须要下砂芯，为了保证外端面的表面质量，而且许多工厂都采用吊芯，即把内腔成形的砂芯几乎完全要悬空固定在分型面的上箱。
消失模铸造中阶梯浇注系统的适用性分析
摘 要 ：砂型铸 造 中广泛使 用的 阶梯 浇注系统 常常被运用 于消失模 铸造 ，实践 证明这样 的技术移植 并不总是 成功 的。
为 了探索 阶梯 浇注系统在消失模 铸造 中的适 用性 ，数值 模拟 了消失模铸造 中两种 阶梯 浇注 系统对板类 和套类铸 件的 充型过程 。研究 发现 ，空心 阶梯 浇注 系统 的所有 内浇 口几乎 同时开始充 型 ，而实 心阶梯浇 注系统 的各 内浇 口开 始充 型的先后顺 序与浇 口杯 至内浇 口的流 线长度相 关 ，流线短 的先开始 充型 。结果表 明 ，实心带 辅助直浇 道的 阶梯 浇注 系统在 消失模铸 造 中可 以实现 阶梯 浇注系统 的功 能 ，有 较好的适用性 ，并且 实心 比空心效果好 。
ｃ ａ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ （ Ｌ Ｆ Ｃ ）ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ， ａ ｎ ｄ ｐ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｃ ｅ ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ｒ ｍｓ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ￣ ａ ｎ ｓ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｄ ｏ ｅ ｓ ｎ ｏ ｔ ａ ｌ ｗ ａ ｙ ｓ ｓ ｕ ｃ ｃ ｅ ｅ ｄ ． Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｔ ｏ
阶梯 浇注 系统 常用 于 高大铸 件 的生产 ，其 主要 目 的是实 现 自下 而 上 的分层 充 型及 形 成 由下 往 上逐 渐升
在为消失 模铸造工 艺设计提供 有效指导 。
高 的金 属液 温度 梯度 。一段 时 间 以来 ，由于 消失模 铸
造 工艺 设计 规范 的缺 乏 ，阶梯 浇注 系统 也常 常被移 植 到消失模铸造 工艺设计 中［ １ 】 。然而 ，由于消失模 铸造 中 金 属液 充 型受 到泡 沫模样 气 化产物 的强 烈 阻碍 ，金属
（ ４ ）
消失模浇铸
一、浇铸过程：
消失模负压干砂铸造的浇注过程，就是钢液充型、同时泡塑模具气化消失的过程。
二、浇注工艺：：
一般铸件应该控制钢液底浇，有利于平稳充型，此时不会形成很大的空腔。
由于负压真空的吸力和重力作用，钢液充型速度很快，浇道横截面积不宜过大。
消失模工艺的钢液浇铸与传统砂型工艺的钢液浇铸有所不同：传统砂型工艺采用敞口式，而消失模工艺采用负压封闭式，而且必须是在浇口杯以下封闭。
钢液进入泡塑模具，其开始液化燃烧，并气化消失，钢液前端短距离形成暂时的空腔。
为防止钢液高温辐射熔化其它铸件模型，而形成的空腔（导致塌砂），所以设计钢液充型的速度和泡塑模型消失的速度大致相同。
浇道的位置选择整箱铸件最低位置，为防止铸件与浇道的距离过近，铸件模型高温下变形和熔化，浇道适当离开铸件模型。
浇注时根据铸件调节和控制负压真空度，浇注完毕后保持在一定负压状态下一段时间，负压停止，待钢液冷凝后出箱。
三、浇铸时的注意事项：
浇注开始，就要大口浇注，要稳、准、快，溢不出浇口杯为止，快速连续浇注不得断流。
始终保持浇口杯成充满状态。
如果同整箱铸件的钢液断流，会吸进空气，有可能造成塌砂现象或者铸件增多气孔的问题，以至铸件报废。
由于负压真空的吸力作用，砂箱内钢液热量会散失一部分，泡塑模型气化时也需要热量消耗，所以钢液温度比传统砂型铸造的温度要略高。
消失模铸造充型过程数值模拟
消失模铸造充型过程数值模拟
袁子洲;仇珊;匡毅
【期刊名称】《特种铸造及有色合金》
【年(卷),期】2005(25)2
【摘要】运用PROCAST软件对板形铸钢件的消失模充型过程进行了数值模拟。
考察了阶梯式浇注系统的充型顺序以及底注式浇注系统的充型形态 ,另外研究了底注式浇注系统的浇注速度对缺陷形成的影响。
模拟结果表明 ,消失模铸造中 ,金属液优先从阶梯式浇注系统的上层内浇道充型 ,充型前沿流动紊乱 ,铸件容易出现气孔或夹渣 ;对于底注式浇注系统 ,充型前沿的流动相对平稳。
【总页数】2页(P113-114)
【关键词】消失模铸造;充型;数值模拟;缺陷
【作者】袁子洲;仇珊;匡毅
【作者单位】兰州理工大学
【正文语种】中文
【中图分类】TG249.6;TP39
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1.消失模铸造充型过程的数值模拟分析 [J], 彭静;郭玲宏
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3.消失模铸造与普通铸造充型过程特点的数值模拟对比分析 [J], 俱英翠;李日;刘宏伟;马军贤;刘军利;付宏江;郑晋宝
4.消失模铸造充型过程的计算机数值模拟 [J], 禹建丽;韩平;王磊
5.数学模型与数值模拟在铸造充型过程的应用研究——评《铸造充型凝固过程数值模拟系统及应用》 [J], 陈志伟;董萍萍;刘涛
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