汪火良 丁恒敏 羅 文 王永振 武智猛

(昆明理工大學，云南650093)

盤體主要用于水泥等粉體的碾磨，其上下平面及內(nèi)腔均需承受高壓，因此要求該鑄件組織致密，盡量減少縮孔、縮松、氣孔、夾渣等鑄造缺陷。在實現(xiàn)鑄件質(zhì)量控制方面，縮松和縮孔又是最為重要的內(nèi)容[1]。然而對于盤體這類復雜的鑄件，傳統(tǒng)的工藝制定模式主要還是依靠工程技術(shù)人員的經(jīng)驗，通過反復修改鑄件的結(jié)構(gòu)和鑄造工藝方案以滿足最終的質(zhì)量要求。這種傳統(tǒng)的“經(jīng)驗+實驗”工藝方法，使鑄件研制周期長、成本高，已不能適應現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求[2]。隨著鑄造理論和計算機技術(shù)的發(fā)展，利用計算機對鑄件缺陷的位置及其程度進行預測已經(jīng)成為了鑄造行業(yè)的前沿課題。利用CAE技術(shù)對鑄造過程中流場、溫度場以及應力場進行模擬，可得到不同時刻金屬流態(tài)、溫度分布以及應力分布等重要的物理參數(shù)，并以此預測縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生，實現(xiàn)鑄造工藝的優(yōu)化設計。在此背景下，本文以商用鑄造模擬軟件ProCAST為工具，對某廠盤體鑄件的充型和凝固過程進行了數(shù)值模擬，并預測其可能存在的縮孔和縮松缺陷。針對上述缺陷，對該廠的工藝方案進行了相應的改進，直到模擬結(jié)果符合工藝要求。其流程如圖1所示。

1 數(shù)值模擬前處理

1.1 物理模型的建立

盤體鑄件屬于大型回轉(zhuǎn)體鑄件，某廠生產(chǎn)的盤體鑄件最大直徑為4 152 mm，高度為1 902 mm，最小壁厚為60 mm。鑄件重49 t，材質(zhì)為ZG35Mn，屬于低合金鋼。

盤體鑄件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 網(wǎng)格劃分

將經(jīng)過幾何修整后的物理模型導入MeshCAST，在幾何檢查無誤后進行網(wǎng)格的剖分。剖分網(wǎng)格時，應首先采用三角形網(wǎng)格對三維實體的表面進行剖分，要求面網(wǎng)格剖分完成后不存在壞單元和交叉網(wǎng)格。在面網(wǎng)格剖分完成的基礎上對三維實體進行體網(wǎng)格的剖分，選用默認的四面體剖分方案，要求體網(wǎng)格剖分完成后不存在壞單元和負的雅各比單元[3]。為了在提高計算精度的同時能夠節(jié)約計算時間，在鑄件和澆注系統(tǒng)處采用相對較密的網(wǎng)格，而砂箱處的網(wǎng)格則較為稀疏，如圖3所示。

圖1 ProCAST的應用流程Figure 1 ProCAST applying flow diagram

圖2 盤體鑄件圖Figure 2 The schematic diagram for disk body casting

圖3 盤體鑄件的有限元模型Figure 3 The finite element model for disk body casting

1.3 初始條件ZG35Mn合金液的初始澆注溫度定為1 550℃，鑄型的初始溫度為25℃。

1.4 邊界條件

鑄件材料為ZG35Mn，鑄型選用普通的石英砂，物理參數(shù)如表1所示，其中鑄件和砂型的材料密度、比熱和熱導率都是隨溫度變化的[4]。鑄件與鑄型的界面換熱系數(shù)為500 W/(m2·K)，鑄件整體與環(huán)境的熱交換形式采用ProCAST預定義的空冷。采用重力填充的方式進行充型，澆注速度為2 m/s。

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 原工藝方案的模擬結(jié)果

原廠的工藝方案采用環(huán)形階梯澆注系統(tǒng)，內(nèi)澆道為十二條并均勻分布。考慮到鑄件的熱節(jié)主要集中在大端平面附近，因此在鑄件的大端平面放置易于切割的環(huán)形圓柱冒口，該方案中沒有放置冷鐵，如圖4所示。

許多鑄造缺陷，如澆不足、冷隔、卷氣、氧化夾渣乃至縮孔、縮松等都與充型過程密切相關(guān)。盤體鑄件的充型時間約為5 s，圖5為不同時刻盤體鑄件的充型圖。由圖可知，充型時，合金液從鑄件的頂部和底部同時進入鑄型，并最終在冒口處停止，該過程流速適中，充型也比較平穩(wěn)。由于在充型的過程中沒有明顯的卷氣、夾渣現(xiàn)象，說明該澆注系統(tǒng)的流場性能較好，設計較為合理。

表1 材料物性參數(shù)表Table 1 The physical characteristics parameters of the material

圖4 原盤體鑄件造型圖Figure 4 The original foundry technique diagram for disk body casting

鑄件的缺陷主要是縮孔和縮松，而這些缺陷大都是在鑄件的凝固過程中形成的[5]。某一時刻盤體鑄件的固相分數(shù)如圖6所示，可知盤體鑄件的最后凝固部位是在其頂部、中部和底部。隨著凝固過程的進行，鑄件頂部能夠從冒口處得到有效補縮，而鑄件中部和底部卻不能從澆注系統(tǒng)和冒口處得到有效的補縮，因此縮孔和縮松缺陷主要是集中在鑄件的中部和底部區(qū)域。利用ProCAST自帶的縮孔、縮松判據(jù)，可以直觀地看到盤體鑄件縮孔、縮松缺陷產(chǎn)生的大概位置及其程度，如圖7所示。

t=2 s

t=4 s圖5 不同時刻盤體鑄件充型圖Figure 5 The filling schematic diagram of disk body in different time

圖6 某一時刻盤體鑄件固相分數(shù)圖Figure 6 The solid phase fraction schematic diagram of disk body casting in a certain time

圖7 盤體鑄件收縮孔洞位置圖Figure 7 The shrinkage cavity position schematic diagram of disk body casting

2.2 放置冷鐵后盤體鑄件的模擬結(jié)果

根據(jù)無冷鐵時縮孔、縮松缺陷的分布情況，對原廠的工藝方案進行了相應的改進。原方案中合金液流速適中，充型比較平穩(wěn)，說明澆注系統(tǒng)設計較為合理。因此改進后的鑄造工藝方案只是在原工藝方案的基礎上，為了使鑄件能夠得到有效補縮，而在鑄件的中部凸出部位以及底部的壁厚較大處放置了冷鐵，如圖8所示。

由于在鑄件的中部和底部壁厚較大處放置了冷鐵，因此該區(qū)域能夠先于鑄件的其他部位凝固，從而獲得一定的補縮效果。由圖9可以看出，改進后的工藝方案在盤體鑄件的中部和底部區(qū)域仍然存在一定的縮孔和縮松缺陷，但是相對于原工藝方案而言，缺陷已經(jīng)有了明顯的改善。因此改進后的工藝方案是能夠達到預期效果的，是合理的。

圖8 改進后的盤體鑄件造型圖Figure 8 The improved foundry technique diagram for disk body casting

圖9 改進工藝后盤體鑄件收縮孔洞位置圖Figure 9 The shrinkage cavity position schematic diagram of disk body casting after improved foundry technique

3 結(jié)語

(1)采用ProCAST可直觀地顯示出鑄件充型和凝固階段的合金液流動行為、溫度場分布以及預測鑄件中可能存在的縮孔、縮松缺陷。針對數(shù)值模擬的結(jié)果，修改鑄造工藝方案，可提高鑄件的質(zhì)量和工藝出品率，降低成本。

(2)應用CAE技術(shù)以實現(xiàn)鑄造工藝由“經(jīng)驗設計”向“科學指導”的發(fā)展，是國內(nèi)外鑄造行業(yè)發(fā)展的共同趨勢，具有廣闊的發(fā)展前景。

[1] 荊濤.凝固過程數(shù)值模擬[M].北京：電子工業(yè)出版社，2002：91-96.

[2] 胡紅軍，楊明波，等.ProCAST軟件在鑄造凝固模擬中的應用[J].材料科學與工藝，2006，14(3)：292-295.

[3] ProCAST User Manual Version 2008.0 ESI.Group.

[4] 張佳秋.鑄造生產(chǎn)中熱物性能參數(shù)的變化[J].鑄造，1998，(8)：45-48.

[5] 馬敏團，郝偉.CAE分析技術(shù)在鑄造生產(chǎn)中的應用[C].2005全國計算機輔助工程(CAE)技術(shù)與應用高級研討會，北京，2005年8月：28-32.