外壳体铸件成型数值模拟及工艺优化

外壳体铸件成形数值模拟及工艺优化
廖兴银
（贵州航天新力铸锻有限公司贵州遵义）
摘要：利用“CAE软件”计算外壳体铸件充型凝固过程模拟，对定量缩孔模拟计算进行了探讨。

应用此计算方法对外壳体不锈钢铸件进行数值模拟，优化其铸造工艺。

关键词：外壳体铸件；数值模拟；工艺优化
目前，在国内的中小型铸造企业中，都面临市场份额不足，铸件质量要求高，原辅材料不断上涨，铸件利润空间变得越来越窄的困境。

这样的前提下，企业急需解决的问题就是提高产品质量来争取更大的市场份额，同时寻求较高的利润空间来壮大企业。

要实现这两点，除了加强生产管理和企业资金运作外，还要去对铸造工艺的优化来保证铸件的质量和降低铸件在实现过程中的成本。

本论文主要研究方向是利用CAE软件来优化大型铸件（对中小企业来说）的铸造工艺，寻找一个最佳的工艺方案，在保证铸件质量的前提下来提高工艺出品率，同时已能解决该类企业由于设备能力的局限带来的钢水量不足的问题。

1、计算机辅助设计的发展史
铸造成形优良的随意性、复杂性和经济性在所有的热加工成形技术中占有很大的优势。

而计算机数字模拟技术、计算力学和传热传质学的迅速发展，可以将铸造成形过程又不可视化为可视，使铸造工艺设计由定性转向定量，由经验设计走向科学预测。

由于上述优点，从20世纪60年代到目前，美、日、英、德、法等工业发达国家的冶金铸造技术人员都开展了这方面的研究，掀起了一次次
高潮。

在1988年5月第四届铸造和焊接的计算机数值模拟的会议上，模拟比赛的结果表明三维温度场计算已经成熟，充型过程的数值模拟随之兴起。

1983-1993年，美国、西德、丹麦、加拿大、比利时等国的研究人员采用MAC、SMAC、SOLA-VOF方法，在砂铸、压铸、实型铸造中模拟了灰铸铁、铝合金、球墨铸铁的充型过程，进行二维、三维速度场和温度场的计算，获得液态金属流动模式、充型次序、速度分布、各部位充型时间，预测冷隔、气孔、氧化膜卷入等缺陷，并与高速摄影、水力模拟试验对比验证，开辟了模拟新领域。

1995年，伯明翰大学的B.Sirrell等人在第七届铸造和焊接的模拟会议上公布了其基准试验（The Benchmark Test）结果，试验合金为纯铝，树脂砂铸型，用X射线记录金属液充填形态。

有9个研究小组试验前对铸件的充型过程进行了模拟，结果表明，大部分充填状态随时间的变化与试验结果接近，可以预报卷入气孔缺陷形成。

反映出三维层速度流动场模拟已趣成熟，但模拟精度有待提高。

国内在该研究上可以跟踪世界先进水平，但是实际应用上还有较大的差距。

实际各类铸件浇注中，雷诺数多半大于湍流的临界值，因而开始用工程湍流模式模拟充型凝固过程。

自1992年起，开始了逐渐凝固微观组织形态的数值模拟，模拟晶粒大小、形貌及其分布，由宏观模拟向微观模拟发展。

为了准确预测出晶粒形核、生长粗化等过程，在现铸件凝固后微观组织形貌，相关研究经历了定性模拟、半定量模拟和定量模拟阶段。

首先模拟的数学模型是建立在确定性方法基础上的；进而用“统计学”概念，即采用Monte Carlo法处理晶粒生长问题，结晶质点可以随机的生核，从液态变为固态，并引用了“各向异
性增强因子”来处理柱状晶生长，考虑了择优取向的影响，形成了概率方法模拟；新的相场方法使研究者直接地模拟微观组织的形成。

总之，微观组织模拟，重视物理形态的模拟，更重视计算机数值模拟，弄清结晶现象本质，解决存在的质量问题。

此外，日本、韩国、瑞典、比利时、印度、中国的研究人员模拟了铝合金、高温合金、球铁的微观组织。

由于数值计算三维流速场、温度场的成熟，为电脑试生产、铸件质量预测和铸造工艺优化奠定了基础，也为微观组织模拟所需的宏观热场、流场参数提供了可靠的依据。

2、 数学模型的建立
目前工程湍流计算中采用的主要方法是雷诺（Reynolds ）时均方程法。

将非稳态的控制方程对时间作平均，得出包含了脉动量乘积的时均值等物理量，本研究中选用了近年来在工程界应用较广的K-ε双方程模型。

考虑湍流之后，铸件充型过程可看作带有自由表面的湍流流动与传热过程，用时均连续性方程、时均动量方程、体积函数方程、时均能量方程、湍动能及其耗散率方程组成的方程组如下：
()0/=∂∂j j x u ρ （1）
()()()
()i
j i j e i j j i e j j i i g x x u x p x x u x u u t u ρμμρρ+∂∂∂∂+∂∂-∂∂∂∂=∂∂+∂∂/////// （2） ()0//=∂∂+∂∂j j x Fu t F （3）
()()()νμρρq x x T x T u t T j j T j j +∂∂∂∂=∂∂+∂∂//// （4）
()()()ρεαμρρ-+∂∂=∂∂+∂∂G x K x K u t K j K j j /// （5）
()()()()K
C f G C f x x x u t j j j /////2211ρεεεμερρεε-+∂∂∂∂=∂∂+∂∂ （6） 上述方程组中：
t e μμμ+= （7）
T
t r T P σμμμ//+= （8） K t K σμμμ/+= （9）
εεεσμμμ/+= （10）
ερμμμ/2K C f t = （11）
()()
j i j i i j t x u x u x u G ∂∂∂∂+∂∂=////μ （12） ()
[]250/1/4.3exp et R f +-=μ （13） νε/2K R et = （14）
()22exp 31et
R f -= （15） 式（1）-（15）中：Ret 为湍流脉动雷诺数；ρ为液体金属密度，Kg/m 3；i x 、j x 为网格单元几何步长，m ；i u 、j
u 为时均速度分量，m/s ；μ为分子动力粘度， Pa ·s ；ν为分子运动粘度，m 2/s ；t μ为湍流粘度，Pa ·s ；e μ、T μ、K μ、εμ为广义扩散系数，Pa ·s ；t 为时间，s ；i g 为重力加速度，m/s 2；T 为温
度，K ；p 为压力，N/m 2；F 为体积分数，0≤F ≤1；v q 为热源项，W/m 3；K
为湍动能，m 2/s 2；r P 为普朗特数；ε为湍动能耗散率，m 2/s 3；G 为湍动能产
生项，Pa/s ；常数项9.0=T
σ～0.1，0.1=K σ，3.1=εσ，44.11=C ，92.12=C ，09.0=μC ，0.11=f 。

在实体造型、部分和单元标识的基础上，根据初始条件或上一时刻的计算值确定各量的分布，然后逐一求解体积函数F 、速度i μ、压力p 、温度T 、湍动能K 及其耗散率ε，在获得K 、ε的新值后，根据式（11）确定t μ值。

具体步骤如下：（1）计算域网格划分和单元标识；（2）设置初始条件、边界条件和物性参数；（3）求解体积函数方程得到新的流体计算域；（4）用分步法迭代求解新时刻流体速度场和压力场；（5）求解能力方程得到计
算域内温度场；（6）迭代求解K方程、ε方程、
μ方程，得到新时刻的湍动
t
能、湍动能耗散率和湍流粘度；（7）增加一个时间步长；（8）重复（3）-（7）步，至充型完毕；（9）将充型完毕时铸件铸型温度场作为初始条件，并将计算域内流体速度置零，求解能量方程。

直至金属液体凝固冷却完毕。

对于层流计算充型过程流速场和温度场，其算法比湍流简单，类同。

3、三维速度场、温度场、计算和显示程序的编制
3.1 铸件充型凝固过程前后处理技术
对计算域内铸件三维网格自动剖分以及几何实体和模拟计算结果可视化的快速处理是数值模拟技术用于实践的关键之一，目前已开发出新的前处理程序，由于计算法上的改进，剖分速度提高13倍，5s可剖分193万网格，对三维实体和三维剖分结果的显示技术也已完成。

新程序可接受商品化造型软件产生的STL文件，并在有限差分网格剖分过程中，自动修复STL 文件中的缺陷；显示计算域内三维实体造型，在三维剖分结果显示过程中解决网格线显示的缝补现象；充型过程计算的入流边界单元可以有鼠标设定和修改；后处理过程可以显示三维充型状态、三维充型速度变化和三维温度场分布情况，并可显示断面结果；操作起来方便快捷。

3.2 流体流动和传热计算
引入规正变量定义，在非均匀网格内采用无点格式的高分辨率有界的MINMOD格式离散动量守衡方程和能量守衡方程，用改进的VOF法处理流体自由表面变化，采用SOLA技术计算流体流动过程。

在充型和凝固过程传热计算中最多可以采用19种不同物理属性的实体，使数值模拟计算更具有实用性。

图一为采用上述算法的一个铝合金试样的充型过程算例。

采用高分辨率有界的离散格式，可减少低精度格式带来的假扩散以及数值解在物理
上不真实的现象，提高了模拟计算精度。

4、提高模拟计算效率的探讨
由于充型过程模拟计算占用了大部分计算时间，因此在提高模拟计算效率方面做了较多的研究。

采用新的预估-二步校正来计算充型过程，该算法在速度、压力和温度场计算时采用全隐式计算，可采用较大的时间步长，而在流体自由表面处理时采用小步长多循环的算法。

对基准试验的模拟计算表明，在采用大的网格数时，可以变化模拟出更接近实际的充填过程，耗费的时间会更多。

根据公司的设备情况, 按书本的理论和经验作的工艺，在设备临界容量是可能就会出现不必要的浪费。

考虑到冶炼炉的装炉情况，特别是在每个冶炼炉最大容量的时候控制工艺出品率尤为重要，像我公司设备为1T、1.5T、2T、3T的中频炉，在考虑工艺时就可以兼顾中频炉的最大容量来设置工艺总量，这样就可以实现从工艺的角度来降低成本。

在市场竞争激烈的今天，特别是我公司面对交货期紧的情况，基本上没有做实验的时间，讲究的是一次成功率。

此时就要求工艺设计的时间更短，为了给生产让出更多的时间，借助CAE软件来模拟设计就更显得重要。

这又要考虑到设计时不能耗费太多的时间，这就要求时间人员摸索模拟是的理想参数。

经过近3年来的总结。

在做大件铸件模拟时只做纯凝固计算的模拟，不做充型、耦合和耦合+凝固计算。

只做纯凝固计算的模拟时我认为网格数选在100万左右较为合适，此时模拟计算耗费时间约为30分钟左右（如选纯充型耗时7小时左右，耦合+凝固耗时在30小时左右）。

5、外壳体铸件成形的模拟及工艺优化
5.1、外壳体铸件工艺方案
本次模拟的外壳体铸件是重庆水泵厂泵用铸件，它是在图1所示的基础上改进的，之前我公司成功开发了图1形状的外壳体，并经过重庆水泵厂使用获得了很好的效果，已给重庆水泵厂该的升级和转型打下了基础。

图2是本论文研究的外壳体，它是在图1的基础上将2个法兰和4个脚板与外壳体整体铸出，之前是将2个法兰和4个脚板与外壳体焊接在一起。

这就给铸造工艺带来了很大的困难，特比是补缩方面存在一定的困难。

本论文借用CAE软件来研究外壳体的缩松和缩孔情况来确定铸造工艺。

图1 整合前的外壳体图2 整合后的外壳体根据整合后的铸件特点形成下列3种铸造工艺方案，方案一和方案二都
图3 工艺方案一模拟结果模型图4 工艺方案二模拟结果模型
是采用明冒口5个浇注系统相同，而不同点是在解决中间法兰下一周的补缩时方案二（图4）是在中间法兰两侧增加了补缩块作为补贴，以此来增加中间法兰的补缩。

方案一（图3）就只考法兰壁厚作通道进行补缩。

方案三（图5）是通过和重水泵厂沟通，对方同意中间法兰孔加工出来，于是方案三在
前面两个方案的基础上采用将中间φ170的孔不做出，以此作为补缩通道，并在中间法兰处采用一个圆冒口进行补缩，又考虑到铸件出品率，将两端的明冒口改为暗冒口。

图5 工艺方案三模拟结果模型图6 工艺方案三三维实体模型
5.3、针对双相不锈钢外壳体铸件进行了数值模拟计算。

对铸造工艺设计的3种工艺方案实施了实体造型和模拟计算，考虑到时间紧的要求，在纯凝固计算、纯充型计算和耦合+凝固计算时选择了纯凝固计算，每次计算耗时在在30分钟左右(而3个新铸造工艺试验需要一个月左右，且需要较多的原材料和能源消耗)。

模拟计算条件如下：铸件材质为双相不锈钢；铸件净重3 300kg,工艺总重为5 500 kg（方案一为6100kg,方案二为6600kg）；铸型树脂砂；浇注温度为1 540±10℃；铸型温度为25±10℃；入流速度为150 cm／s。

图6为方案三铸件实体造型。

图3为方案一模拟结果模型图，图4为方案二模拟结果模型图，图5为方案三模拟结果模型图。

从模拟结果可以看出，从图3铸件凝固过程结果显示中间法兰下一圈只靠中间法兰壁厚为补缩通道是不够，因此相应部位势必产生缩孔缩松缺陷，实现不了整个壳体主体部位高强度和无缺陷要求，否定了方案一。

从图4铸件凝固过程结果显示中间法兰下一圈无缩松和缩孔，并且整个外壳体主体的
显示是致密的，从这一点看方案二是可行的，但方案二的工艺总重为6600kg,也超过车间6500kg的最大钢水容量，方案二不可取。

从图5铸件凝固过程结果显示中间法兰下一圈无缩松和缩孔，并且整个外壳体主体的显示是致密的，又加上工艺总重只有5 500 kg，工艺出品率为60%，并且车间设备完全能满足要求，故选择方案三。

通过首件浇注出来的检查结果完全符合厂家的要求。

6、结论
（1）建立了时均连续性方程、时均动量方程、体积函数方程、时均能量方程、湍动能及其耗散率方程，用于充型过程中层流和湍流的
三维速度场、温度场和凝固过程中三维温度场的计算。

（2）新开发的数值模拟程序可以接受商品化造型软件产生的STL文件，可以进行三维快速自动有限差分网格剖分，显示计算域内三
维实体造型和网格剖分结果、三维充型状态、三维充型速度变化
和三维温度场分布情况。

（3）对双相不锈钢外壳体铸件进行了数值模拟试验，方案三增加补缩通道，加强了对外壳体主体部位的补缩，采用暗冒口的方式，解
决了车间设备能力受限制的状况。

合理的设置浇、冒口系统和冷
铁的布置位置，使充型过程平稳，凝固过程满足工艺上顺序凝固
的要求，不产生缩孔缩松缺陷。

优化了铸造工艺，获得了合格铸
件。

（4）成功的使用CAE软件系统来模拟铸件的冲型和凝固过程，并摸索出较合理的网格参数。

借助CAE软件系统，对大型铸件的铸造工
艺进行模拟，并优化其铸造工艺。

这对缩短新产品开发的时间和
降低新产品试制过程的成本起到了积极地作用。

（5）借助CAE软件系统成功的经验，对公司现有的大件和工艺出品率低的铸件进行铸造工艺优化，在获得合格铸件的前提下降低生产
成本。

7、参考文献
[1]、《铸钢手册》编写组编著铸钢手册，机械工业出版社，1981，
[2]、航空铸造工艺手册，国营红都机械厂，1980，
[3]、中国机械工程学会铸造专业学会编铸造手册（第5卷）铸造工艺
机械工业出版社，1994，
[4]、李弘英编著铸钢件的凝固和致密度的控制，机械工业出版社，1985，
[5]、王振东主编最新砂型铸造新工艺技术与砂型铸件质量缺陷分析防治
及设备、模具设计制造使用手册北方工业出版社，
[6]、陈立亮，刘瑞祥主编华铸CAE使用手册华中科技大学2005，
[7]、陈立亮我国铸造行业计算机应用的回顾与展望铸造2002（2）
[8]、杨秀萍工作台铸件温度场数值模拟及缺陷预测铸造 2004（10）
[9]、关洋铸件充型凝固过程数值模拟前后处理技术的研究铸造 2004
[10]、柳百成铸造工艺CAD凝固过程数值模拟分析研究清华大学出版社 1992。