華鑄CAE消失模鑄造模擬軟件的開發(fā)與應用

周建新，吳　凱，殷亞軍，沈　旭（華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

·應用研究·

華鑄CAE消失模鑄造模擬軟件的開發(fā)與應用

周建新，吳凱，殷亞軍，沈旭
（華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北武漢 430074）

本文針對消失模鑄造特點，在分析已有界面推移模型的基礎上，綜合考慮金屬流動時受到模樣分解產(chǎn)生氣體壓力的阻礙作用，建立了將氣隙壓力作為流動前沿的邊界條件進行計算的界面推移模型，并利用相應的數(shù)值求解方法，模擬消失模充型凝固過程。為驗證模型的有效性，本文引入基本計算模型的模擬，并與砂型模擬結果的對比分析。同時，通過系統(tǒng)集成以及引入消失模特有的參數(shù)設置功能，開發(fā)了華鑄CAE消失模鑄造模擬軟件。本文給出了消失模鑄造CAE軟件在鑄鐵合金上的應用實例。應用表明，該軟件能夠有效地預測鑄件可能產(chǎn)生的卷氣夾渣、孔松缺陷、裂紋和變形等，并且能夠根據(jù)預測結果快速有效地提供優(yōu)化的工藝方案，直接指導實際生產(chǎn)。

鑄造CAE技術；消失模鑄造；華鑄CAE

消失模鑄造技術是一種近無余量、精確成形的新技術，被譽為一種極具發(fā)展前景的新技術。該鑄造技術有別于一般的空腔砂型鑄造，其特點是在負壓的作用下，泡沫模型在密閉的沙箱內(nèi)緊實的干砂中成型；液態(tài)金屬引入模型后，泡沫模在鐵水前沿的熱作用下逐步熱解、液化或氣化并經(jīng)由負壓系統(tǒng)排出，液態(tài)金屬取代泡沫模原有的空腔凝固而形成鑄件。由于澆注、凝固過程中泡沫模的熱解、液化、氣化以及負壓和干砂的作用，使得其充型過程和充型結束后的凝固溫度場發(fā)生了較大的變化并在一定程度上影響到金屬熔體的性質(zhì)，從而改變了鑄件的凝固進程（如圖1所示）。

圖1　消失模充型過程示意圖

為此，研究者們對金屬液充型過程流動及傳熱方面進行了大量的模擬和實驗研究，涌現(xiàn)出了氣隙壓力方程法、伯努利方程法、限制界面前沿速度法，限制內(nèi)澆口流速法和背壓修正法等方法來近似的模擬消失模充型過程狀態(tài)。本文提出了更符合消失模鑄鐵合金充型特點的數(shù)學模型，應用到數(shù)值模擬軟件中。并通過模擬結果的分析，有效地指導消失模鑄造工藝的設計。

1　消失模模擬技術與軟件開發(fā)

1.1消失模充型凝固技術（數(shù)學模型）

消失模鑄造中，模氣化分解及與金屬液間的相互作用，導致金屬液充型時的流場、溫度場、充型能力以及鑄造缺陷的產(chǎn)生等不同于普通砂型鑄造，在金屬液充型過程中包含著復雜的物理化學現(xiàn)象，包括熱量傳輸、充型流動、化學反應、冷卻凝固等.這些現(xiàn)象耦合在一起，并相互影響，使得金屬液的充型過程更加復雜，最終影響到鑄件質(zhì)量。在消失模模擬充型過程中，液體流動由如下質(zhì)量、動量及能量守恒方程控制：

1）動量傳遞方程

2）傳熱方程

3）流體控制單元的體積分數(shù)

4）高熔點金屬的泡沫分解方程

1.2消失模鑄造軟件開發(fā)

使用上述模型，開發(fā)了相應的華鑄CAE軟件消失模模塊，其特點主要體現(xiàn)在鑄造充型過程。因此，定制開發(fā)了充型過程和泡沫材料相應的參數(shù)輸入和數(shù)據(jù)庫功能。其中工藝相關的參數(shù)包括（如圖2所示）：模樣有關參數(shù)，包括“密度”、“氣化潛熱”、“導熱系數(shù)”、“發(fā)氣量”；涂層有關參數(shù)，包括“涂層透氣性”、“涂層厚度”，該兩個參數(shù)與消失模涂料的使用有關，需按照實際的工藝來設置。泡沫模樣材料相關的參數(shù)包括（如圖3所示）：“密度”、“氣化潛熱”、“導熱系數(shù)”、“發(fā)氣量”。

圖2　模樣及涂層參數(shù)設定

圖3　消失模模樣數(shù)據(jù)庫

2　數(shù)值算例與應用

2.1基本驗證計算案例與分析

為了驗證本文所開發(fā)的消失模鑄造數(shù)值模擬仿真系統(tǒng)的可靠性，本文以基本模型算例作為研究載體。圖4是該算例的實際模型，該案例的計算參數(shù)如表1所示。

圖4 計算三維模型與尺寸

表1　計算參數(shù)信息設置

3.1.1充型過程模擬仿真結果分析

圖5為不同充型時刻的流體速度分布圖，從圖5可以看到，消失模鑄造在頂注的情況下，由于受到模樣的阻礙和模樣氣化分解產(chǎn)生氣體的壓力作用，液態(tài)金屬從內(nèi)澆口位置至上而下填充，在內(nèi)澆口出以放射狀向前推移進入橫澆道。當橫澆道填充結束后，進入到長薄板處，并以逐層推進的方式向下填充。從模擬結果整體分析來看，該結果基本符合消失模鑄造的充型特性。

圖5　不同充型時刻的流體速度分布圖

2.1.2與砂型鑄造模擬仿真結果對比分析

為更好地分析消失模充型過程特征，本文采用相同的模型，進行了一般重力鑄造的模擬，并將兩種不同鑄造方式的模擬結果進行對比分析，見圖6.

從圖6分析可知，當金屬液體進入澆口時，再消失模鑄造中呈放射狀，而在普通重力鑄造中，出現(xiàn)了雨淋狀態(tài)；當金屬液進入橫澆道處時，消失模鑄造中的金屬液體會保持逐層推進，而普通重力鑄造中的金屬液體會直接填充遠端，并且出現(xiàn)較大的紊流；當橫澆道填充滿后，消失模的金屬液體依然層狀推進向下填充，而普通重力鑄造的金屬液體會以較為紊亂的狀態(tài)進入該區(qū)域，并且會呈雨淋狀態(tài)。說明本文所使用的模型能夠較好地表達出消失模鑄造的充型特點。

2.2鑄鐵合金殼體鑄件計算案例

在實際應用中，模擬仿真能夠模擬充型凝固過程，并通過所獲得的流動場和溫度場信息，對可能產(chǎn)生的缺陷進行分析。本文使用實際生產(chǎn)中的鑄件來做為應用案例：鑄件合金為HT250，澆注溫度為1 400℃，干砂造型并設置負壓為0.04 MPa.結合傳統(tǒng)的工藝設計方案原則，對該鑄件采用兩種工藝方式澆注，鑄件工藝模型如圖7和圖8所示，對該幾何模型網(wǎng)格剖分，以及相應的物性參數(shù)設置，進行模擬分析。

圖6　不同鑄造方式不同時刻流體壓力分布圖

圖7 工藝設計一

圖8工藝設計二

圖9　工藝一充型過程流體溫度

圖10　工藝二充型過程流體壓力

（1）工藝一充型凝固模擬及缺陷預測

流動場模擬分析（圖9和圖10所示）：從模擬分析觀察到，液態(tài)金屬從底部填充，受到消失模泡沫氣化后氣體的壓力，未出現(xiàn)明顯的雨淋和飛濺現(xiàn)象。同時，由于流體速度降低以及負壓氣化帶走熱量，流動前沿的的溫度降低較快。充型接近結束時，第二層澆道對鑄件頂部溫度有明顯的補充，一定程度上保證了鑄件初始凝固溫度的均勻性。

圖11　凝固某時刻孤立液相

圖12　鑄件定量縮孔縮松預測

溫度場模擬分析：在凝固過程中，在鑄件厚大部分容易形成未凝固的孤立液相，該區(qū)域得不到補縮，容易形成縮孔縮松缺陷，在工藝方案一的凝固過程中，在結合部形成了較大的孤立液相區(qū)（如圖11所示），該區(qū)域在進一步的凝固過程中，會繼續(xù)收縮，同時由于鐵合金石墨析出的作用會產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象?；趯ι鲜鰞煞N作用的考慮，最終該區(qū)域形成了一些分散的縮松（如圖12所示），縮松體積為：21.5 cm3；考慮到實際應用探傷級別，判斷該工藝是否需要工藝改進。

（2）工藝二充型凝固模擬及缺陷預測

流體形態(tài)分析如圖13和圖14所示：從模擬分析觀察到，液態(tài)金屬從底部一個較大的內(nèi)澆口填充進入型腔，受到消失模泡沫氣化后氣體的壓力，速度有所減慢，并逐層向上填充；填充流體前沿溫度損失較為嚴重。在充型過程末期，遠離澆注入口端的溫度下降較大，尤其是遠端薄壁處，需要注意該區(qū)域的鑄件組織狀況是否滿足要求。

溫度場模擬分析：在工藝方案二的凝固過程中，在結合部形成了較小的孤立液相區(qū)（如圖15所示），同樣考慮金屬凝固收縮和鐵合金石墨析出的作用會產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象。成了一些分散的縮松（如圖16所示），縮松體積為：12.12 cm3；該工藝縮孔縮松缺陷傾向小于工藝方案一。

圖13　工藝二充型過程流體溫度（側(cè)注式）

圖14　工藝二充型過程流體壓力（側(cè)注式）

圖15　凝固某時刻孤立液相

圖16　鑄件定量孔松預測

4　結論

本文結合消失模鑄造特有的物理過程，建立了界面推移模型。通過基本模型的驗證與對比，該模型能夠反映出消失模鑄造充型過程金屬液體的流動規(guī)律，在負壓環(huán)境下受到泡沫摸樣的氣化壓力下，金屬液流的速度下降，前沿溫度有明顯的下降。同時，通過對實際鑄件兩種不同工藝的模擬案例中，對該模型能夠充型凝固過程進行模擬及缺陷預測。兩種工藝方案均能保證液流的平穩(wěn)流動，工藝一能夠保證鑄件上下部分的溫度平衡性，工藝二能夠有效防止凝固過程中縮孔縮松缺陷的形成。因此，本文所使用的模型能夠幫助工藝人員評估工藝的有效性，對其進行相應的改進措施，最終能夠減少實驗次數(shù)以及提高工藝設計水平。

［1］陳堯劍，黃天佑，康進武，等.消失模鑄造制模設備國內(nèi)外現(xiàn)狀及展望［J］.中國鑄造裝備與技術，2002（04）：1-4.

［2］王新節(jié).消失模鑄造生產(chǎn)技術第二講：汽車發(fā)動機缸體缸蓋消失模鑄造技術的研究與應用［J］.中國鑄造裝備與技術，2007 （02）：64-71.

［3］樊自田，蔣文明.消失模鑄造技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.鑄造，2012（06）：583-591.

［4］陳亞娟.消失模鑄造充型過程數(shù)值模擬研究［D］.武漢：華中科技大學，2005.

［5］周建新等編著.鑄造CAD/CAE［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2009.

［6］劉瑞祥，林漢同，閔光國，等.鑄造凝固模擬技術研究（Ⅰ）-華鑄文集第1卷［M］.武漢：華中科技大學出版社，2015.12.

［7］陳立亮，主編.鑄造凝固模擬技術研究（Ⅱ）-華鑄文集第2卷［M］.武漢：華中科技大學出版社，2015.12.

Development and Application of InteCAST Lost-Foam Casting Simulation Software

ZHOU Jian-xin，WU Kai，YIN Ya-jun，SHEN Xu
（State Key Laboratory of Materials Processing and Die&Mould Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan Hubei 430074，China）

According to characteristics of Lost Foam Casting（LFC）process and considering the gas pressure impediment to the metal flow caused by pattern decomposition，interface moving model is established and the gap pressure is as boundary condation of melt flow front.Corresponding numerical solution method is applied to simulate filling and solidification process of LFC.To verify the validity of the model，computing of basic test model is introduced and compares the simulation results between LFC and general gravity sand casting.By integrating the specific process parameter setting and corresponding functional system interface for LFC，InteCAST-Lost Foam simulation software is developed.The practical casting design of grey iron in LFC is given.The application shows that the proposed models could effectively predict the possible defect，and provide useful guidance for designer to optimize casting process solutions to directly improve the actual production.

simulation technology，lost foam casting，InteCAST

TG245，P319

A

1674-6694（2016）02-0037-05

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2016.02.012

2015-12-29 作者簡介：周建新（1975-），男，教授，博士生導師，華鑄軟件中心主任，研究方向：鑄造CAE技術及鑄造企業(yè)數(shù)字化管理技術。 基金項目：國家數(shù)控重大專項（2012ZX04012-011）；材料成形與模具技術國家重點實驗室自主課題的資助。