鑄造模擬軟件在生產(chǎn)中的應(yīng)用實例

周運洪，趙海斌，宋虎，涂遠洋

圓柱錠的鑄造工藝如圖1所示，生產(chǎn)中常發(fā)現(xiàn)有鑄造缺陷。隨著計算機軟硬件技術(shù)的快速 發(fā)展，使用計算機模擬仿真技術(shù)來改造傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)已成為當前鑄造學科的一個重要發(fā)展方向。將計算機數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用于鑄件的生產(chǎn)，分析缺陷產(chǎn)生的原因，可以降低試制費用，優(yōu)化現(xiàn)有產(chǎn)品的工藝，減少廢品率，縮短產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)周期。本文總結(jié)了合格爐次各個工藝環(huán)節(jié)中的共性，同時結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)分析了缺陷產(chǎn)生的原因，進而對操作和工藝參數(shù)進行改進和調(diào)整，從而提高產(chǎn)品合格率，提高生產(chǎn)能力，減少材料損失。

1. 數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用

由于使用的材料易氧化，所以需要在真空條件下，將金屬液澆注于具有一定溫度梯度的石墨鑄型內(nèi)，使鑄件自下而上順序凝固。鑄造模擬過程包括三維實體建模，網(wǎng)格劃分，設(shè)定材料屬性，設(shè)定初始條件和邊界條件，數(shù)值計算和模擬結(jié)果顯示等步驟。本文以鈦合金圓柱錠鑄件（①②③段鑄后鋸切）作為研究對象，采用ProCAST鑄造模擬軟件模擬鑄件的凝固過程。圖2為鑄件網(wǎng)格剖分結(jié)果，圖3和圖4分別為凝固時間4094s時鑄件溫度場以及固相分數(shù)的模擬結(jié)果?？梢钥闯?，最后的凝固位置在中間部位，由于不易補縮，所以在該位置會產(chǎn)生縮孔、縮松及夾雜等缺陷，該種工藝未能很好地實現(xiàn)從下到上的順序凝固。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是因為鑄型的初始溫度較低，金屬液與鑄型的換熱較為劇烈，造成澆注后冷卻過程中鑄件上下兩端同時凝固。

圖1 圓柱錠鑄造示意

2. 鑄件合格率影響因素

（1）坩堝升溫速率對鑄件合格率的影響 坩堝升溫較快，在高溫停留的時間較長，坩堝內(nèi)的金屬液溫度更均勻，金屬液中夾雜物和氣體聚集長大快，上浮時間長，除氣、除渣更充分。

（2）鑄型溫度對鑄件合格率的影響 鑄型上部在高溫停留時間較長和澆注時保持較高溫度，確保鑄型同一水平面溫度差異較小，保證金屬液的流動性和充型能力。

（3）鑄型溫度梯度對鑄件合格率的影響 鑄型上部較高的溫度梯度有助于鑄件順序凝固。鑄型下部保持較小的溫度梯度有助于鑄件的同時凝固。澆注后較高的溫度梯度變化幅度較大的鑄件容易產(chǎn)生缺陷，這反映鑄件靠近模具的凝固速度較快，從而阻礙上部金屬液對下部凝固收縮的補縮，易形成縮孔。

3. 工藝改進措施

為了實現(xiàn)順序凝固，使最后凝固的位置在冒口位置，生產(chǎn)中根據(jù)模擬結(jié)果對鑄造工藝進行改進，降低了材料損失，提高了生產(chǎn)效率。

4. 結(jié)語

分析了影響鑄件合格率的因素，結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)分析了缺陷產(chǎn)生的可能原因，進而對操作和工藝參數(shù)進行改進和調(diào)整，從而提高產(chǎn)品合格率，提高生產(chǎn)能力，減少材料損失。