冶金液态成型过程模拟

冶金液态成型过程数值模拟

液态成型是将液态金属注入一定的型腔(铸型)中使之凝固、冷却而形成具有一定形状和尺寸的金属制品．这种成型方法又可称为铸造成型。这种制造金属制品的生产过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的金属制品称为铸件；大部分铸件一般均用作毛坯，需经机械加工后才能成为各种机器零件；在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。少数铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度时，可直接作为零件或产品使用。凝固过程数值模拟可以实现下述目的：

（1）预知凝固时间以便预测生产率。

（2）预知开箱时间。

（3）预测缩孔和缩松。

（4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。

（5）控制凝固条件。

（6）为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。

1.技术背景

铸造是国民经济重要的基础工业之一，是机械制造和其它工业部门的主要坯料基地。但是，铸造又是产品质量不易保证，废品率较高的产业。其中绝大部分废品源于铸造工艺设计不合理。在铸造生产的充型过程中液态金属的流动和传热是密不可分的，这两个因素对凝固进程都有重要的影响，并最终影响铸件凝固进程。由于目前对流动过程数值模拟的研究还不完善，造成目前的凝固过程数值模拟多数情况下不计充型过程金属液流动对凝固进程的影响，即认为充型完成之后，型腔内具有与浇注温度相同的均衡的温度场，从而导致了模拟结果与实际存在较大偏差。

随着计算机技术的飞速发展，计算机辅助设计在铸造领域得到了广泛应用,特别是铸件凝固过程的模拟，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学的多个学科。而充型过程流场温度场的模拟又是铸造过程模拟的难点，也是计算流体力学，数值传热学的研究热门。它对于提高缩松缩孔的预测精度，避免卷气、夹渣、气孔、浇不足等铸造缺陷有重要意义。

2.研究进展

铸件凝固过程数值模拟开始于60年代，丹麦FORSUND把有限差分法第一次用于铸件凝固过程的传热计算。之后美国HENZEL和KEUERIAN应用瞬态传热通用程序对汽轮机内缸体铸件进行数值计算，得出了温度场，计算结果与实测结果相当接近。这些尝试的成功，使研究者认识到用计算数值模拟技术研究铸件的凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。于是世界上许多国家都相继开展了铸件凝固过程数据模拟以及与之相关的研究工作。

通常根据铸型的特点或液态合金注入铸型方式及在铸型中凝固成型过程的特点，把铸造分为几种不同的类型．如砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、低压铸造、压力铸造、离心铸造、连续铸造、实型铸造、真空铸造等。

铸造工艺是为了方便造型，使液态合金顺利充型或保证铸件的内外质量而采

取的各种方法和手段的总和．如浇注温度、分型面、加工余量、拔模斜度、浇冒口等。铸造过程数值模拟仿真是利用数值分析技术、数据库技术和可视化技术，并结合热传导、流动及金属凝固理论对铸件成形过程进行仿真，以模拟出铸件充型、凝固及冷却过程中的各种物理场，并据此对铸件进行质量评价的方法。通过铸造成型过程数值模拟，可以在制造铸造工艺装备及浇注铸件之前，对各种工艺方案与铸件质量的关系进行判断，掌握主要铸造缺陷的形成机理，优化铸造工艺参数，确保铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本。铸造过程仿真被称为今后10年对铸件业影响最大的三大重要技术之一。铸造过程仿真的实质是对铸件成形系统(包括铸件和铸型)进行几何上的离散化，然后利用能量方程、连续性方程、动量方程等物理模型，通过数值计算方法得出满足初始条件和给定边界条件的铸造过程相关物理场参数，并根据物理场的变化规律预报铸造质量。

3.凝固模拟过程

3.1 数学模型的建立和程序设计

液态金属浇入铸型，它在型腔内的冷却凝固过程是一个通过铸型向环境散热的过程。在这个过程中，铸件和铸型内部温度分布要随时间变化。从传热方式看，这一散热过程是按导热，对流及辐射三种方式综合进行的。显然，对流和辐射的热流主要发生在边界上。当液态金属充满型腔后，如果不考虑铸件凝固过程中液态金属中发生的对流现象，铸件凝固过程基本上看成是一个不稳定导热过程。因此铸件凝固过程的数学模型正是根据不稳定导热偏微分方程建立的。但还必须考虑铸件凝固过程中的潜热释放。

基于分析和计算模型开发相应的程序，即可实现铸造凝固过程温度场的计算。温度场的数值模拟

在热模拟中,温度场的数值模拟是最基本的，以三维温度场为主要内容的铸件凝固过程模拟技术已进入实用阶段,日本许多铸造厂采用此项技术。英国的Solstar系统由三维造型,网格自动剖分,有限差分传热计算,缩孔缩松预测,热物性数据库及图形处理等模块组成。

3.2 铸件充型过程的数值模拟

铸件充型过程的数值模拟是通过计算金属液充型过程中的流体流动得出的。充型过程的数值模拟可以分析在给定工艺条件下，金属液在浇注系统中以及在型内的流动情况。包括:流量的分布、流速的分布以及由此导致的铸件温度场分布。充型过程数值模拟一方面分析金属液在浇冒口系统和型腔中的流动状态,优化浇冒口设计并仿真浇道中的吸气,以消除流股分离和避免氧化,减轻金属液对铸型的侵蚀和冲击;另一方面,分析充型过程中金属液及铸型温度变化,预测冷隔和浇不足等铸造缺陷。

充型过程数值模拟技术由于所涉及的控制方程多而复杂,计算量大而且迭代结果易发散，加上自由表面边界问题的特殊处理要求使其难度更大，国内外学者经过多年研究已开发出了MAGMA软件,Pro CAST等。MAGMA软件可对中等复杂铸件进行三维流场分析，获得比较符合实际情况的初始温度场分布。

3.3 应力场的数值模拟

铸件热应力的数值模拟是通过对铸件凝固过程中热应力场的计算、冷却过程中残余热应力的计算来预测热裂纹敏感区和热裂纹的。应力场分析可预测铸件热裂及变形等缺陷。

由于三维应力场模拟涉及弹性-塑性-蠕变理论及高温下的力学性能和热物性参数等,研究的难度大。现在研究多着重于建立专门用于铸造过程的三维应力