■周桂云

隨著計算機硬件和軟件的快速發(fā)展，對傳統(tǒng)鑄造業(yè)的影響也是更加明顯。鑄造工藝CAD/CAE技術(shù)的運用，使鑄件充型、凝固過程變?yōu)榭梢暬?，有效協(xié)助工藝技術(shù)人員在完成鑄件的工藝優(yōu)化，提高鑄造產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，以及增強市場競爭力等方面發(fā)揮了重要作用。本文以薄壁減震筒為例，使用三維CAD軟件UG對其進(jìn)行三維建模，再運用CAE軟件ANSYS對鑄件充型凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模擬的結(jié)果，從而對工藝進(jìn)行改進(jìn)。

1. 鑄件的CAD模型與工藝方案確定

減震筒為細(xì)長薄壁圓筒狀，內(nèi)部沿軸線方向有一細(xì)長的不通孔（見圖1）。毛坯材料采用ZL107合金。目前薄壁減震筒成形的特種鑄造有金屬型鑄造、離心鑄造、壓力鑄造和低壓鑄造等幾種方法。因金屬型鑄造工藝方便，生產(chǎn)成本低，所以模擬中采用金屬型鑄造，金屬型、型芯均采用45鋼。利用UG完成金屬型、型芯及澆注系統(tǒng)的建模。

在合金成分、鑄型材質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)等方面均確定后，一般通過改變其工藝因素來改變其充型凝固狀態(tài)。金屬型重力澆注過程需要控制的工藝因素有澆注溫度、金屬型(芯)工作溫度、澆注速度。因此，需要考慮在不同的澆注溫度、金屬型預(yù)熱溫度、澆注速度下成形過程中鑄件及鑄型（芯）速度場、溫度場隨時間變化的特點，從而揭示出澆注溫度、鑄型預(yù)熱溫度、澆注速度對鑄件及鑄型速度場、溫度場的不同影響，為優(yōu)化薄壁減震筒成形工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ)。

本文采用三因素、三水平進(jìn)行試驗，利用正交設(shè)計試驗，所選因素及其水平見附表。

根據(jù)正交表，可得到9個試驗方案。利用ANSYS分別對9種不同方案進(jìn)行模擬。

圖1 薄壁減震筒結(jié)構(gòu)

2. 鑄件的CAE模擬與分析

（1）充型過程流場模擬結(jié)果與分析 對鑄件充型過程流場分析采用不可壓縮黏性流體的Navier-St okes方程，用標(biāo)準(zhǔn)K-ε紊流模型，并加載相應(yīng)的初始條件和邊界條件等。選取的單元類型為FLUI D141，在計算的過程中打開了慣性松弛系數(shù)以保持求解的穩(wěn)定性。計算時薄壁減震筒的網(wǎng)格單元為10 350，鑄型、型芯的網(wǎng)格單元為17521。

通過對9種不同工藝分別進(jìn)行模擬，結(jié)果有很大不同，從增強金屬液充型能力，以及減少鑄件的冷隔、澆不足缺陷等綜合考慮可知，試驗條件為試驗號4時充型凝固效果最好，即其澆注溫度700℃，鑄型（芯）預(yù)熱溫度250℃，澆注速度0.25m/s。

從充型開始到結(jié)束，即從0～4s速度分布云圖（見圖2、圖3）中可以看出，最初進(jìn)入型腔的鋁合金液從上到下進(jìn)入到型腔底部時，經(jīng)歷了流速的改變，飛濺、渦流等，最后到底部停止下來，這部分鋁合金液較易產(chǎn)生卷氣造成小氣孔，易產(chǎn)生冷隔等鑄造缺陷。與生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果是吻合的。

（2）凝固過程溫度場模擬結(jié)果與分析 對薄壁減震筒凝固過程溫度場模擬采用含有相變問題瞬態(tài)熱分析模塊，計算是將充型過程所得節(jié)點溫度結(jié)果數(shù)據(jù)作為載荷應(yīng)用到有限元模型中進(jìn)行熱分析。這樣打破了“瞬時充型”的假設(shè)，將充型過程和凝固過程作為一個整體進(jìn)行流-熱耦合模擬計算，使得凝固溫度場模擬精度更接近于生產(chǎn)實際。計算中選取的單元類型為PLANE55，計算時薄壁減震筒的網(wǎng)格單元為11187，鑄型、型芯的網(wǎng)格單元為17 587。

5s、50s時薄壁減震筒溫度分布云圖如圖4、圖5所示。

試驗中各因素與水平

圖2 充型0.5s時減震筒速度分布云圖

圖3 充型4s時減震筒速度分布云圖

圖4 5s時薄壁減震筒溫度分布云圖

圖5 50s時薄壁減震筒溫度分布云圖

從圖4、圖5溫度分布云圖可以看出，整個凝固過程總的溫度分布規(guī)律為薄壁減震筒筒身中間部位的溫度最低，而底部開口部位的溫度相對要高一些，而溫度最高的部位在不通孔端部，即內(nèi)澆口以下部位。從重力鑄造凝固及補縮原則來看這是不合理的，應(yīng)該使底部開口處最先凝固，或至少應(yīng)與筒身部位同時凝固，這樣才可避免底端開口的熱節(jié)部位在凝固后出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷?？稍诮饘傩偷撞块_設(shè)冷卻水道，以加快該部位的冷卻能力。另外，從不通孔端頭部看，其最后凝固，但其上為內(nèi)澆口，未設(shè)置冒口，內(nèi)澆口也較窄小，因此該部位的凝固無法得到補縮。最好的解決辦法就是加大內(nèi)澆口，使內(nèi)澆口及以上部位兼具澆道及冒口，以防止該部位產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷。

5s、50s時鑄造系統(tǒng)溫度溫度分布云圖如圖6、圖7所示。

從圖6、圖7鑄造系統(tǒng)溫度分布云圖可以看出，薄壁減震筒筒身部位及鑄型和型芯徑向的溫度梯度很大，而沿軸向其溫度梯度很小，因此薄壁減震筒筒身部位基本上可以認(rèn)為是同時凝固的；從鑄造系統(tǒng)的上部及下部，即不通孔端部及開口部位來看，其徑向的溫度梯度也是很大的，而此兩部位軸向的溫度梯度不大。底部開口部位鑄造系統(tǒng)沿軸向還應(yīng)加大冷卻能力，使其與筒身部位的溫度梯度加大。此結(jié)論與從鑄件溫度分布圖分析得出的結(jié)果是一致的，可以相互印證。

圖6 5s時鑄造系統(tǒng)溫度分布云圖

圖7 50s時鑄造系統(tǒng)溫度分布云圖

3. 結(jié)語

本文以薄壁減震筒作為研究對象，在采用重力鑄造成形條件下，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行了充型、凝固過程數(shù)值模擬，模擬過程中采用了流-熱耦合，改進(jìn)了“瞬時充型”的不足。通過正交試驗，選定了澆注溫度為700℃左右，鑄型預(yù)熱溫度為250℃左右，澆注速度為0.25m/s為較優(yōu)工藝參數(shù)。分析還發(fā)現(xiàn)在用金屬型結(jié)構(gòu)不太合理，建議在金屬型底部開設(shè)冷卻水道進(jìn)行水冷。

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