铸造缺陷判断与工艺优化

铸造缺陷判断与工艺优化

凝固模拟最终目的是预测铸造缺陷,优化铸造工艺。如何使用模拟系统来优化工艺是广大用户最为关心的问题。本章主要讨论如何进行缺陷预测，如何更有效地使用模拟分析系统。

8.1 缩孔、缩松

8.1.1 缩孔缩松计算时注意的问题

缩孔缩松是常见的铸造凝固过程产生的缺陷，欲预测缩孔、缩松缺陷需要注意以下问题：

1、进行纯凝固传热计算[第1种计算]（参见本书5.3.1 纯凝固传热计算）或基于耦合的凝固计算[第4种计算]（参见本书5.3.4基于耦合的凝固计算）。选择第1种计算还是第4种计算要看具体情况，第1种计算计算速度非常快；第4种计算最慢但最准

确。华铸CAE系统建议对于新产品可

以先采用第1种计算比较几个铸造工

艺方案选出最优方案，然后再用第4

种计算进行分析。

2、注意设置如图8-1所示的“液

相线”、“固相线”、“临界固相

率”、“相变收缩”、“液态收缩

率”，参见本书5.3.1 纯凝固传热计

算中的“合金属性浏览/设置”。图8-1合金的物性参数特别是“相变收缩”和“液态收缩率”将影响缩孔缩松的大小和严重程度。对于铸钢、铸铝而言“相变收缩”可以取值在0.02-0.04之间, “液态收缩率”可设为0.0001；就铸铁而言“相变收缩”可以取值在0.0001-0.01之间, “液态收缩率”可设为0.00003-0.00008；

3、对于一般的重力铸造，最好选择“重力补缩”功能，系统可以计算出

缩孔、缩松缺陷。

8.1.2 缩孔缩松缺陷的分析步骤

计算完毕后，系统会产生大量的数据。注意涉及到缩孔、缩松的原始数据种类主要是 *.TEM 和 *.DFC两类文件。其中前者是温度文件，后者是重力补缩缺陷文件（如果了选择“重力补缩”功能的话）。

全面合理的缩孔缩松缺陷的分析步骤为：

液相分布—>缩孔形成—>Nyma缩松。

第一步：液相分布

主要是观察铸件凝固期间液态分布情况，尤其是补缩通道的畅通情况，孤立液态区的状况等，以此来判断铸造的凝固收缩缺陷可能发生的部位。操作步骤如下：

1）在后处理菜单的“数值画面”中选择“液相分布”；

2）在“液相分布”的对话框中选择凝固计算的第一个TEM文件，如凝固200000.TEM。确定后系统会显示该凝固时刻的液相分布图。

3）在后处理的工具栏上选择“Gr”按钮进入新型图形显示系统。利用如图8-2所示的工具条中的各种显示功能显示铸件的凝固进程。系统建议采用“—>”按钮（后一个文件）一步一步地显示。找到某一部位刚刚产生液态孤立区的时刻。在屏幕的左下角会有该时刻的具体时间显示。此时选择菜单“判断”中的“判断连通性”。系统会显

示如图8-3的孤立液相区图，并为每

一个液相孤立区编上一个号。进一步

选择菜单“判断”中的“查看孤立区

信息”即可得到每个孤立区的体积

（网格数），如图8-4所示。图8-2 新型图形显示系统的工具条

图8-3 孤立液相区图图8-4 孤立区的体积

孤立液相区会进一步冷却凝固，最后有可能产生缩孔缩松缺陷。因此比较同一铸件的不同铸造工艺，如果从孤立液相分布来判断工艺的优劣，应遵循以下三条原则：

1）对于同一部位出现的孤立区而言，出现的时间晚比早好。晚意味着补缩通道断开的迟，补缩效果较好。

2）对于同一部位出现的孤立区而言，孤立区体积小比大好。

3）对于同一部位出现的孤立区而言，孤立区分散比集中好。

注意：凝固过程中液相孤立区的变化是动态的，一定要找到某一孤立区刚刚形成的关键时刻，依据上述三条原则比较工艺方案。

第二步：缩孔形成

主要是利用重力补缩原理来预测缩孔/缩松的形成。重力补缩原理如图8-5所示，一液态区域开始时全部为液体，随着温度降低，部分液体变为固体，同时体积会收缩。因为在重力的作用下，该区域的上端会产生孔隙，从而形成缩孔、缩松。

图8-5 重力补缩原理图

对于一般的重力铸造，在规划计算时如选择了“重力补缩”功能，系统可以计算出缩孔、缩松缺陷。显示缺陷的步骤是：

1）在后处理菜单的“数值画面”中选择“缩孔形成”，弹出如图8-6所示的对话框：

2）在对话框上端选择DFC文件，因为缺陷在记录时是累加的，因此可以选择最后一个DFC文件，当然也可以选择第一个，然后逐一向下显示。注意，如果没有DFC文件，说明您在计算时没有选择“重力补缩”功能。

3）设置好显示临界（默认为4%，即0.04）以及孔松临界（默认为9%，即0.09）。所谓显示临界就是当某一缺陷的孔隙率小于该临界值时不予显示，认为问题不严重，可以忽略不计。因此显示临界可以看作是一个质量要求的尺度（或是探伤级别），此值越小，对质量的要求越高。所谓孔松临界是指判断某一缺陷是孔还是松的一个标尺。当一缺陷的孔隙率大于该临界值时就认为是缩

孔，否则为缩松。显而易见，同一计算结果，此临界值越小，缩孔越多，反之缩松越多。建议值为50%。从某种意义上来讲，只有设为100%才反映出缩孔的

图8-6 缩孔形成及分布对话框

情况，小于100%都夸大了缩孔缺陷。对于铸铁请注意阅读后续的相关章节。

4）按确认后，系统就会

显示如图8-7所示的铸造缺陷。

用户也可按“Gr”进入新型图

形显示区，动态显示缺陷形成

过程。

本图形画面用黑色表现缩

孔，紫色表现缩松，黄色表现

液相。

图8-7 缩孔形成及分布

第三步：Nyma缩松

根据著名的Niyama教授提出的判据来判断缩松，对于铸钢件来说非常有效。操作步骤如

下：

1）在后处理

菜单的“数值画

面”中选择“凝固

排序”，弹出如图

8-8所示的对话

框。选择所有的

TEM文件，进行

“序化”，得到

NYM文件。

2）在后处理

菜单的“数值画

面”中选择“Nyma

缩松”，弹出如图

8-9所示的对话框。图8-8 凝固排序

输入合适的判

据值，默认为400

（最大值为

1000）。一般说来

判据值越大，显示

的缩松缺陷越多。

按确认即可显

示缩松区域。

用户也可按

“Gr”进入新型图

形显示区，动态显

示缺陷形成过程。

图8-9 Nyma缩松

实践中，使用效果也存在差异，有效果非常显著的，也有效果不甚显著的。建议用户在进行预测和决策时，将本功能与上述的“缩孔形成”功能互相参考，避免单一地迷信Niyama 判据。