铸造工艺的数值模拟优化

摘 要： 为了研究和预测铸造工艺对铸件质量的影响， 设置合理的军用汽车转向臂的铸造浇冒口系统和工艺参数。应用铸
造模拟软件对转向臂的三种不同工艺方案进行凝固模拟， 根据凝固模拟结果显示的缺陷及内部缩松情况， 提出改进工艺
方案并对其进行凝固模拟， 选择最佳方案应用于生产。研究表明， ３＃是最合理的浇冒口布置方式， 最优的浇注温度８２５ ℃，
传导过程计算是数值模拟的主要内容。处理热传导问
题采用傅里叶定律（ 式１） ， 式２是根据能量守恒定律推
导的方程［５－ ８］ 。
ｑ＝－ λ!ｔ
（ １）
!ｎ
ρｃ !ｔ ＝ !τ
! !ｘ
（
λ!ｔ !ｘ
）
＋
! !ｙ
（
λ!ｔ !ｙ
）
＋
! !ｚ
（
λ!ｔ !ｚ
Baidu Nhomakorabea
）
＋ｑｖ
（ ２）
其中ｑ为热流密度， λ为导热系数， ｔ为温度（ 函数） ，
行速度场、压力场的反复迭代， 计算量大而且迭代容易
发散， 致使其难度很大。通过不断完善数值计算方法，
如有限差分法和ＳＯＬＡ－ ＶＯＦ 体积函数法， 开发出一些
实用软件。该产品的凝固模拟就是采用ＭＡＧＭＡ软件。
作为整个模拟的核心部分， ＣＡＥ的数值模拟效果最终
将影响模拟的真实与否。在液态金属浇注过程中， 热
为了消除缩松， ３＃浇注系统采用顶注 式 浇 注 系 统 （ 图５） ， 直浇道在铸件最厚处的中心， 并且在容易产生分 散式缩松的位置增加２个冒口。图６是流场和温度场的模 拟状况， 原来发生集中缩孔缺陷的部位是铝液的最后流 经的部位， 但现在是最后凝固的部位， 因此得以补缩。冒 口距离直浇道短， 铝液温度降低不大， 因而补缩效果将 得到极大地提高， 缩松严重程度得到较好的改善。在实 际生产中， 还可以借助保温涂料的作用， 在冒口和铸件 顶部涂上保温涂料， 从而进一步提高冒口的补缩效果， 因而实际采用顶注式是最好的浇注系统。主要铸造工
度 ； ｔ为 时 间 ； Ｐ为 金 属 液 体 内 压 力 ； μ为 金 属 液 动 力 粘
度； ｇｘ、ｇｙ、ｇｚ为ｘ、ｙ、ｚ方向重力加速度。 铸造充型模拟计算的过程实质上是求解式２、式３的
过程， 模拟计算可分为以下几个步骤。几何数据文件读
入， 利用ＭＡＧＭＡ软件中的预处理模块， 将有ＵＧ制作的三
维造型的几何数据文件读入， 生成用于ＭＡＧＭＡ软件计算
用砂型铸造工艺热处理后进行机加工。
２ 充型模拟与结果分析
转向臂是军用汽车上重要部件， 材料是Ａ３５４铝合 金， 由于该铸件壁较厚， 且壁厚差很大， 对铸件内在质量 要求极高， 如果铸造工艺不合理往往会在厚大部位产生 集中缩孔和分散缩松。因此对于壁很厚且壁厚差大的铸 件， 同时又是承受载荷的关键部件， 如何避免壁厚部位 的内部缩孔， 就成了制定铸造工艺的关键。下面对转向 臂的三种不同浇注系统工艺方案进行凝固模拟， 根据 凝固模拟结果显示的缺陷及内部缩松情况， 为了表述 方便将三种浇注系统分别命名为１＃、２＃、３＃工艺模型。
第 ２９ 卷 第 ６ 期 ２００６年 １１ 月
兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ
Ｖｏｌ．２９ Ｎｏ．６ Ｎｏｖ．， ２００６
铸造工艺的数值模拟优化!
胡红军， 杨明波， 龚喜兵， 李国瑞
（ 重庆工学院 材料科学与工程学院， 重庆 ４０００５０）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ａｎｄ ｐｒｅｄｉｃｔ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｑｕａｌｉｔｙ， ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌ ｐｏｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｐｒｏ ｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｒｅ ｓｅｔ． Ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｐｐｌｉｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｈｅｌｐ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ． Ｒｅ－ ｓｕｌｔｓ ａｎｄ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ａｎｄ ｉｎｎｅｒ ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｐｏｒｏｓｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｉｎ ｔｒｉａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｂａｓｅｄ ｕｐｏｎ ｔｏ ｂｒｉｎｇ ｆｏｒ－ ｗａｒｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔ ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｕｓｅｄ ｉｎ ｂａｔｃｈ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｎｏ．３ ｃａｓｔｉｎｇｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ， ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ８２５ ℃， ｐｏｕｒｉｎｇ ｔｉｍｅ ｉｓ １５ ｓ． Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｃａｎ ｈｅｌｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｙ ｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇ ｃａｓｔｉｎｇ ｄｅｆｅｃｔｓ ｄｕｒｉｎｇ ｍｏｌｄ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｓｏｌｉｄｉ－ ｆｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ａｎｄ ｉｎｓｔｒｕｃｔ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｓｔｅｅｒｉｎｇ ａｒｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｕｓｅｄ ｉｎ ｈｅａｖｙ ｍｉｌｉｔａｒｙ ｔｒｕｃｋ； ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ｐｏｕｒ－ ｉｎｇ ａｎｄ ｒｉｓｅｒ ｓｙｓｔｅｍ； ｓｈｒｉｎｋａｇｅ； ｃａｓｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ
ｎ为温度传递方向上的距离， Τ为温度， ρ为密度， ｃ为质
! 收稿日期： ２００６－ ０１－ １６； 修回日期： ２００６－ ０７－ １９ 作者简介： 胡红军（ １９７６－ ） ， 男， 重庆工学院讲师， 主要研究铸造ＣＡＤ／ＣＡＥ软件研究和开发。Ｅ－ ｍａｉｌ： ｈｈｊ＠ｃｑｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。
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浇注时间１５ ｓ， 采用水平分型 。应用表明， 铸造模拟软件能够准确地预测充型凝固过程中可能产生的缺陷， 从而辅助 工艺
人员进行工艺优化。
关键词： 凝固模拟； 军用汽车转向臂； 铸造工艺优化； 浇冒口系统； 缩孔； 铸造模拟软件
中图分类号： ＴＧ２５０．６
文献标识码： Ａ
文章编号： １００４－ ２４４Ｘ（ ２００６） ０６－ ００５１－ ０３
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｓｔｉｎｇ ｐｒ ｏｃｅｓｓｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒ ｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ＨＵ Ｈｏｎｇ－ ｊｕｎ， ＹＡＮＧ Ｍｉｎｇ－ ｂｏ， ＧＯＮＧ Ｘｉ－ ｂｉｎｇ， ＬＩ Ｇｕｏ－ ｒｕｉ
（ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００５０， Ｃｈｉｎａ）
１ 铸造过程充型数值模拟方法
军 用 汽 车 转 向 臂 的 几 何 实 体 造 型 采 用 ＵＧ软 件 建 立， 在得到三维几何数据后， 利用ＵＧ软件的反向出模模 块， 通过设定铝合金收缩率、铸件起模斜度、浇注系统的 位置和分型面等， 作为凝固模拟的几何模型。由于金属 液充型过程数值模拟技术所涉及的控制方程多而复 杂， 需要根据连续性方程、动量方程及能量方程， 并进
铸造数值模拟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。为技术人员设计较合理 的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依 据， 从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制 定的盲目性， 节约试制成本［１－４］。
直浇道在铸件最 厚部位的中心
两端的冒口
图５ ３＃浇注系统模型 Ｆｉｇ．５ Ｎｏ．３ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｏｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
图６ ３＃浇注系统缩孔缺陷预测 Ｆｉｇ．６ Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｈｏｌｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏ．３
艺 参 数 ： 浇 注 温 度 为８２５ ℃， 浇 注 时 间 为１５ ｓ， 水 平 分 型。
上的动量守恒方程［９－ １０］ 。
!（ ρｕ） ＋ｕ !（ ρｕ） ＋ｖ !（ ρｕ） ＋ｗ !（ ρｕ） ＝
!ｔ
!ｘ
!ｙ
!ｚ
－
!Ｐ ＋μ（ !２ｕ ＋ !２ｕ ＋ !２ｕ !ｘ !ｘ２ !ｙ２ !ｚ２
） ＋ρｇｘ
!（ ρｖ） ＋ｕ !（ ρｖ） ＋ｖ !（ ρｖ） ＋ｗ !（ ρｖ） ＝
!ｔ
!ｘ
!ｙ
图４ ２＃浇注系统缩孔缺陷预测 Ｆｉｇ．４ Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｈｏｌｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏ．２
第５期
胡红军等： 铸造工艺的数值模拟优化
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为了消除集中式缩孔， ２＃浇注系统在１＃浇注系统的 基础上增加了冒口（ 见图３） ， 其中冒口的模数是铸件模 数的１．１倍。目的是将集中式缩孔引到冒口， 凝固后切 除而得到合格铸件。图４是底注式工艺的流场和温度 场的模拟状况， 从流场分布来看主要发生的缺陷部位 是冒口部位， 发生缺陷的部位凝固较晚。从图４温度场 分布图来看， 在远离冒口的位置， 由于经过流程较长， 温度下降较快， 先于铸件缺陷部位凝固， 补缩失效， 而 且由于金属液流程较长， 温度降低过多， 补缩效果不 佳， 最终导致热节部位的缩松。
经过数值模拟显示， 在凝固后期１＃浇注系统有宏观 缩孔出现， ２＃和３＃ 浇注系统纠正了宏观收缩， ３＃浇注系 统进一步改善了铸件端部质量， 并且不需要横浇道。２＃ 浇 注 系 统 工 艺 出 品 率 大 约７１％， ３＃浇 注 系 统 工 艺 出 品 率大约７７％， 因此， ３＃浇注系统是比较经济的设计方法。
的几何图形。然后加上ＩＮＬＥＴ（ ＭＡＧＭＡ软件计算的入口
点） ， 调整各部分的材质， 调整相对顺序， 将全部数据保
存在１个文件中。进行网格剖分， 选择ＥＮＭＥＳＨＭＥＮＴ，
进入网格剖分。确定模拟边界参数， 该类参数主要根
据工厂实际生产同类工艺的参数来初步确定。材料选
择， 汽车转向臂要求没有气孔， 材料为铝合金Ａ３５４， 使
!ｚ
（ ３）
－
!Ｐ !ｙ
＋μ（
!２ｖ !ｘ２
＋
!２ｖ !ｙ２
＋
!２ｖ !ｚ２
）
＋ρｇｙ
!（ ρｗ） ＋ｕ !（ ρｗ） ＋ｖ !（ ρｗ） ＋ｗ !（ ρｗ） ＝
!ｔ
!ｘ
!ｙ
!ｚ
－
!Ｐ !ｙ
＋μ（
!２ｗ !ｘ２
＋
!２ｗ !ｙ２
＋
!２ｗ !ｚ２
）
＋ρｇｚ
式中， ｕ、ｖ、ｗ分别为ｘ、ｙ、ｚ方向速度分 量 ； ρ为 金 属 液 密
兵器材料科学与工程
第 ２９ 卷
量热容， ｑｖ为内热源项。 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， 式（ ３） 是三维方向
直浇道 横浇道
图１ １＃浇注系统模型 Ｆｉｇ．１ Ｎｏ．１ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｏｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
图２ １＃浇注系统缩孔缺陷预测 Ｆｉｇ．２ Ｓｈｒｉｎｋａｇｅ ｈｏｌｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏ．１
加冒口
图３ ２＃浇注系统模型 Ｆｉｇ．３ Ｎｏ．２ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｏｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ
根据国内外的生产经验， １＃浇注系统 采 用 底 注 式
（ 如图１所示） ， 水平分型， 一般认为这样将避免卷气且 充型平稳， 有利于杂质上浮， 从而减少内部缺陷。传统 的观点认为， 这种方案会导致充型紊流， 甚至卷气且不 利于氧化皮等杂质的上浮， 有可能增加其他部位的缺 陷 。 在 此 模 型 的 基 础 上 利 用 ＭＡＧＭＡ软 件 进 行 模 拟 仿 真， 判定该方案的优劣， 模拟计算结果如图２所示。从图 ２中可以直观地看出产生缩孔的位置， 红颜色表示在铸 件凝固后期， 由于热节部位无法得到足够补缩， 导致产 品存在较严重的缩孔缺陷倾向， 而且缩孔处于转向臂 承受载荷的厚大部位， 很容易在交变载荷作用下断裂。