張武

摘要：本文基于Anycasting軟件對球墨鑄鐵汽車泵體的澆注系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，側(cè)重分析了鑄件充型、凝固過程中溫度、壓力以及速度場的變化規(guī)律。最后由模擬結(jié)果來預(yù)測該零件可能產(chǎn)生的鑄造缺陷，進(jìn)一步提出改進(jìn)方案，本文的研究可為實際鑄造生產(chǎn)中澆注系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化提供理論依據(jù)，有助于提高鑄件的鑄造質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：Anycasting;汽車泵體;數(shù)值模擬

0? 引言

基于現(xiàn)代鑄造技術(shù)的發(fā)展，鑄造工藝CAE技術(shù)的深入應(yīng)用，不僅可以高效解決實際鑄造生產(chǎn)與工程問題，還使鑄造業(yè)的發(fā)展前景日益多元化、綠色化。隨著我國倡導(dǎo)下“一帶一路”的命運(yùn)共同體在經(jīng)濟(jì)、科技等領(lǐng)域的迎來重大發(fā)展的契機(jī)，國內(nèi)多家高等院校、科研院所和生產(chǎn)企業(yè)各方面力量密切合作，對于FT-Star、華鑄CAE等國產(chǎn)鑄造CAE技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用領(lǐng)域組織產(chǎn)、學(xué)、研聯(lián)合攻關(guān)，加大推動了CAE技術(shù)輔助國內(nèi)鑄造生產(chǎn)的研發(fā)力度，不斷探索創(chuàng)新制造業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式的基礎(chǔ)工作。本文采用Anycasting軟件模擬分析球墨鑄鐵汽車泵體工藝系統(tǒng)的充型、凝固過程，以及觀察澆注過程的溫度、速度和壓力場的變化規(guī)律，從而避免通過大量的鑄造生產(chǎn)實驗來驗證設(shè)計的合理性。

1? 泵體零件及其工藝系統(tǒng)的三維造型

對零件、澆注系統(tǒng)及其補(bǔ)縮系統(tǒng)等建立三維實體造型，是對其鑄造工藝實現(xiàn)數(shù)值模擬的應(yīng)用基礎(chǔ)。本設(shè)計利用Pro/E軟件首先對該鑄件（包括鑄型、澆冒口系統(tǒng)）進(jìn)行三維建模。再將鑄造工藝裝備的各部分及系統(tǒng)作為一個整體進(jìn)行裝配約束，并以“.stl”格式文件分別輸出。

2? 工藝澆注的Anycasting分析

2.1 數(shù)值模擬前處理

本設(shè)計基于Anycasting模擬的仿真試驗可由該軟件的前處理器AnyPRE模塊對鑄件模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分工作以及模擬條件設(shè)定。具體設(shè)置如下：

將建好的“.stl”文件全部導(dǎo)入到AnyPRE中，分別定義各部分實體造型的屬性，設(shè)置鑄型并確定默認(rèn)求解域。劃分網(wǎng)格時為保證仿真鑄件不失真，選擇壁厚參數(shù)時設(shè)置為小于該鑄件的最小壁厚。采用均勻網(wǎng)格劃分法，鑄件結(jié)構(gòu)相對比較簡單，網(wǎng)格數(shù)較少。任務(wù)制定設(shè)置中，本設(shè)計為砂型鑄造，將鑄造工藝選為非金屬型鑄造，分析類型選擇“充型過程和之后的傳熱及凝固”。設(shè)置其他鑄造工藝參數(shù)與邊界條件，包括：打開AnyDBASE庫，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)選擇鑄造材料;設(shè)置初始條件和邊界條件，可對鑄件、鑄型及周圍的空氣預(yù)熱溫度達(dá)到200℃，以保持一定的干燥度，提高鑄件質(zhì)量;設(shè)置熱傳遞率與澆口條件，選擇澆注溫度為1350℃，設(shè)置澆注速度常量為0.1m/s;激活重力設(shè)置，選擇默認(rèn)參數(shù)。設(shè)置結(jié)束條件及輸出狀態(tài)，默認(rèn)充型凝固條件輸出。保存文件設(shè)置，并運(yùn)行AnySOLVER求解器，進(jìn)行計算分析，最后生成“.rlt”數(shù)據(jù)文件。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

作為AnyCasting的后處理器，AnyPOST具有強(qiáng)大的圖像與數(shù)據(jù)分析功能。將AnySOLVER求解生成的“.rlt”文件導(dǎo)入AnyPOST中進(jìn)行模擬分析，通過讀取經(jīng)AnyPOST處理輸出的圖表結(jié)果，可以使得模擬結(jié)果變得更為直觀簡潔[1]。

本設(shè)計回轉(zhuǎn)體鑄件整體體積較大，鑄件需要的充型時間大約為173s，在底注式的澆注系統(tǒng)下，澆注溫度為1350℃的液態(tài)金屬經(jīng)過垂直澆口窩、水平橫澆道的阻渣及過渡作用，再流經(jīng)內(nèi)澆道，以分散進(jìn)火方式平穩(wěn)澆進(jìn)型腔里，鑄型在自下而上的充型過程中，澆注溫度逐漸降低，充型速度逐漸減緩，最后充型完全時鑄件整體溫度相差不大，其邊冒口溫度略低于鑄件溫度，比較符合充型順序規(guī)律。

該回轉(zhuǎn)體鑄件從充型結(jié)束到完全凝固的時間較長，多達(dá)7430s左右，凝固過程總體趨勢呈現(xiàn)由鑄件兩端邊緣向中心逐漸發(fā)展。由于兩個壓邊冒口的補(bǔ)縮距離有限，鑄件偏下的法蘭盤部分凝固速度不均，尤其是以鑄件法蘭“L”型接頭過渡處凝固過程最慢，存在不同程度的孤立熱節(jié)中心，表面難以形成堅硬的外殼，也不利于自補(bǔ)縮的進(jìn)行，預(yù)測可能會產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷，且對動平衡不利[2]。

為了更加容易觀察和發(fā)現(xiàn)規(guī)律，現(xiàn)對鑄件對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖分，根據(jù)各點(diǎn)傳感器在空間位置的數(shù)據(jù)采集，由此得到鑄件在鑄造過程中隨時間變化的溫度場以及在充型過程中壓力、速度場的情況，分析可知：

①從溫度場曲線進(jìn)行分析，在鑄件充型過程中，1350℃的液態(tài)金屬從外澆口注入后，使接觸到的鑄型部分溫度瞬間升至1300℃左右，隨后進(jìn)入一個漫長的凝固過程。而與其他點(diǎn)相比，位于鑄型頂部的測量點(diǎn)在溫度緩慢升高到1030℃左右便開始凝固，這是由于鑄型頂部的壁厚最薄，冷卻速度較快，無明顯的充型與凝固的過渡過程，容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。隨著時間的推移，鑄件金屬液與周圍空氣的熱交換慢慢達(dá)到平衡，溫度下降梯度變緩，直至冷卻結(jié)束。

②從壓力場曲線進(jìn)行分析，隨著充型率的增大，接觸到金屬液的鑄型部分所受的壓力值呈指數(shù)式上升，并在充型完全后達(dá)到峰值。其中鑄型底部測量點(diǎn)的壓力峰值最大，說明該處容易形成致密的金相組織，鑄件鑄造質(zhì)量較好。

③從速度場曲線進(jìn)行分析，在充型過程中自下而上的各測量點(diǎn)的充型速度變化規(guī)律總體一致，由最初的波動后逐漸趨于穩(wěn)定，這是由于金屬液從澆注口剛進(jìn)入鑄型時前期充型速度較大，對鑄件底部型腔造成沖砂、紊流現(xiàn)象而引起的。隨著型腔的金屬液面升高，壓力增大，使得澆注后期速率逐漸放緩，充型過程相對平穩(wěn)。但在澆注至鑄件頂部時由于壁厚差較大，而又引起一定的速度波動幅度。

綜上所述，基于Anycasting模擬過程分析，根據(jù)缺陷預(yù)測判據(jù)分析缺陷分布，以及對于隨機(jī)設(shè)置測量點(diǎn)進(jìn)行宏觀觀察，結(jié)果表明：本鑄件在充型過程的主要缺陷出現(xiàn)在澆注系統(tǒng)上的概率高;而在凝固過程中，鑄件的主要缺陷均有存在于澆注系統(tǒng)上和鑄件頂部上表面的可能，可認(rèn)為本設(shè)計的澆注系統(tǒng)基本符合生產(chǎn)要求[3]。

3? 工藝改進(jìn)與優(yōu)化

基于上述結(jié)論，為進(jìn)一步降低本鑄件局部結(jié)構(gòu)存在的質(zhì)量缺陷傾向，可在原鑄造工藝基礎(chǔ)作出如下方案優(yōu)化：

新工藝現(xiàn)采用在鑄件底部法蘭邊緣處合理設(shè)置較大暗邊冒口方式，在熱節(jié)外側(cè)放置冷鐵，并在鑄件中上部凸緣處設(shè)置出氣孔，同時增加內(nèi)澆道的長度。將新工藝的鑄造澆冒口系統(tǒng)三維建模模型導(dǎo)進(jìn)AnyPRE，其數(shù)值模擬過程與原工藝過程的設(shè)置原理基本相似，通過設(shè)置實體造型類型，材料選擇，合理劃分有限元網(wǎng)格，設(shè)置相同的澆注條件和工藝參數(shù)，進(jìn)行后處理計算與仿真。

觀察上述鑄件充凝狀態(tài)下的溫度變化和所用時間，結(jié)果表明：與原鑄造工藝設(shè)計相比，新工藝的澆冒口系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和布局更為完善，通過確定合理的澆注速度，使得充型過渡平穩(wěn)，大大減少了發(fā)生在充型前期的金屬液激濺和紊流現(xiàn)象;根據(jù)凝固模擬結(jié)果可知，新工藝設(shè)計的邊冒口所用的凝固時間大于鑄件凝固時間，說明其冒口設(shè)置合理，能夠極大地縮短了鑄件的凝固時間，避免了局部熱節(jié)的產(chǎn)生。觀察鑄件充型時間概率缺陷圖可以得出，充型過程中缺陷發(fā)生在澆注系統(tǒng)上的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于發(fā)生在鑄件上的概率，整體鑄件鑄造質(zhì)量良好;而凝固時間發(fā)生的概率缺陷主要集中于鑄件頂部表面存在的質(zhì)量缺陷與原工藝方案對比也有了明顯的改善，鑄造時可通過留出足夠的毛坯余量加以補(bǔ)償。綜上分析，說明新工藝的澆冒口系統(tǒng)設(shè)計合理，基本上能夠消除原工藝中鑄件上表面存在的渣孔缺陷。

4? 結(jié)語

①本汽車泵體鑄件屬于中大型厚壁類球墨鑄鐵件，宜采用開放式底注式澆冒口系統(tǒng)設(shè)計，確定合適的澆道、砂芯的結(jié)構(gòu)尺寸及布局，且在鑄件主要熱節(jié)處設(shè)置冒口、冷鐵等工藝，有助于充分保證產(chǎn)品鑄造質(zhì)量。

②基于Anycasting軟件模擬仿真鑄造工藝的澆注實驗，通過設(shè)定工藝參數(shù)，進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分，模擬分析原澆冒口系統(tǒng)的充型凝固過程，觀察其中溫度、壓力和速度場的變化規(guī)律，分析原鑄造工藝的存在缺陷，從而對原鑄造工藝的合理性進(jìn)行科學(xué)性求證，并高效地總結(jié)出一套較為合理的澆注系統(tǒng)優(yōu)化方案，消除鑄件可能產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷，降低試鑄成本，提升企業(yè)發(fā)展實力。

參考文獻(xiàn)：

[1]M Flemings.et al. Advanced Casting Technologies in Japan and EuropeEB/OL[J]. AmericanFoundrymen's Society，Inc. I937-03/1998-05-28.8-11.

[2]金勝燦，王晗，王建東.球鐵飛輪澆冒口系統(tǒng)的優(yōu)化[J].汽車工藝與材料，2005（6）：10-13.

[3]王喜玉.基于ViewCast的砂型鑄造工藝設(shè)計及優(yōu)化[D].蘭州理工大學(xué)，2013.