數(shù)值模擬原理及在低壓鑄造合金龍頭中的應用

張愛輝

低壓鑄造原理介紹

低壓鑄造是一種特殊鑄造工藝，區(qū)別于傳統(tǒng)鑄造方法，其澆注方式不同,充型過程是由下至上。如圖1，壓縮空氣經(jīng)進氣管進入底部密閉坩堝，從而對坩堝內(nèi)的金屬液施加一定的壓力，金屬液通過升液管向上充型進入模具型腔完成澆注過程，并在保持一定壓力下結(jié)晶，這種加壓對鑄件的凝固具有一定的補縮效果，釋放壓力后升液管內(nèi)的金屬液回到爐體內(nèi)，完成一次充型過程。低壓鑄造具有如下特點：

(1)低壓鑄造技術(shù)可以生產(chǎn)較厚大的鑄件；

(2)低壓鑄造壓力和充型速度較低，充型過程平穩(wěn)且容易控制，不易產(chǎn)生卷氣；

(3)低壓鑄造適用合金范圍廣，低壓鑄造鑄型材料要求較低且范圍較廣；

(4)低壓力鑄造件表面質(zhì)量更高。

圖1 低壓鑄造原理

我國低壓鑄造技術(shù)研究起步較晚，但是發(fā)展迅速。廣泛應用于國內(nèi)汽車鋁合金輪轂業(yè)和銅合金水暖衛(wèi)浴行業(yè)，特別對品質(zhì)要求高的高檔水龍頭、閥門等的生產(chǎn)具有特殊優(yōu)勢。1988年中國成立了第一家鋁合金輪轂專業(yè)制造企業(yè)，戴卡輪轂有限公司。1998年路達(廈門)工業(yè)有限公司國內(nèi)首先批量引進低壓鑄造銅合金水暖產(chǎn)品,目前在國內(nèi)水暖衛(wèi)浴行業(yè)已經(jīng)得到普遍的推廣應用。

低壓鑄造技術(shù)具有鑄件成型質(zhì)量高、生產(chǎn)工藝可控性高、生產(chǎn)效率高、勞動強度低及環(huán)保等諸多優(yōu)點。雖然低壓鑄造技術(shù)已成為銅合金水龍頭本體主要的成型技術(shù)，但是不可避免的依然存在鑄造方面的各種缺陷，如鑄造常見的：縮松縮孔，渣孔，氣孔，澆不足，裂紋等，這些缺陷嚴重影響了鑄件質(zhì)量，若仍采用傳統(tǒng)的基于經(jīng)驗的反復試模修模方式進行低壓鑄造工藝設計，不可避免會造成模具調(diào)試時間長、成本高，效率低，無法快速響應市場。如何快速預測鑄造缺陷，縮短試制周期，降低試制開發(fā)成本，成為亟待解決的問題。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)的完善與漸漸成熟，越來越多的企業(yè)引入了該技術(shù)來提高水龍頭本體低壓鑄造工藝設計水平和成型質(zhì)量，降低大量實際生產(chǎn)試制的消耗。

鑄造數(shù)值模擬基本原理

目前比較流行的低壓鑄造數(shù)值模擬軟件有FLOW-3D,PROCAST,國產(chǎn)軟件有華中科技大學開發(fā)的YFCAE（云鋒CAE）。

雖然軟件不同，但各軟件應用的充型過程數(shù)學模型是相同的，充型過程的金屬液一般可視為牛頓流體，其特點為：具有連續(xù)性，受熱不膨脹、不可壓縮以及粘性力與速度的關(guān)系遵循牛頓粘性定律等。低壓鑄造數(shù)學模型的主要內(nèi)容為質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程以及能量守恒方程方程。

1.質(zhì)量守恒方程

又稱連續(xù)性方程，是流體中質(zhì)量動態(tài)守恒的數(shù)學表達形式。

質(zhì)量守恒的物理意義，在于模擬分析過程中，遵循流體在任何時刻的鑄造過程質(zhì)量都是守恒的。其方程式為：

2.動量守恒方程

Navier-Stokes動量守恒方程是牛頓第二定律在粘性流體中的表達形式：

動量方程：

連續(xù)性方程：

動量守恒的物理意義在于，模擬分析過程中，遵循任何時刻的總動量都是守恒的。

3.能量守恒方程

金屬液在流動過程中也遵循能量守恒定律，實質(zhì)是能量守恒定律在流體力學中的表達形式，即合外力對流體單元體所做的功與流體單元體吸收(放出)的熱量之和等于其總能量的改變量。當流體不可壓縮時，能量方程式為：

其中，T 為材料溫度，℃；ρ 為材料密度，kg/m3；с為材料比熱容，J/(kg…K)；t為時間，s；Q 為材料內(nèi)部的熱源密度，W/kg；k 為材料的熱導率，W/(m·K)。

能量守恒的物理意義在于，在模擬分析計算過程中，遵循任何時刻的能量釋放和吸收轉(zhuǎn)移都是守恒的。

因此，模擬分析計算的理論依據(jù)在于質(zhì)量守恒定律，動量守恒定律，能量守恒定律。在鑄造過程中，通過建立數(shù)學模型，進行復雜的運算，將結(jié)果顯示出來，提供給鑄造工程師判斷使用。

鑄造數(shù)值模擬技術(shù)在低壓鑄造銅合金水龍頭的應用

應用計算機技術(shù)模擬鑄造生產(chǎn)充型和凝固過程，可以使鑄造工程師能夠直觀地了解金屬液在模具型腔中的充型過程、凝固過程以及產(chǎn)品的缺陷分布，再結(jié)合工程師豐富的生產(chǎn)經(jīng)驗來進行工藝方案的優(yōu)化設計，重新模擬驗證，再優(yōu)化更改方案再模擬，如此反復的在電腦上進行模擬-修改的驗證，直到獲得滿意的效果后再開模，可以大大降低實際開模后的驗證次數(shù)。大幅度提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，大大提高企業(yè)競爭力。

下面將就一款市面上常見的龍頭產(chǎn)品進行數(shù)值模擬的過程為例，講述數(shù)值模擬在低壓鑄造中的應用。

準備工作：需要對終態(tài)產(chǎn)品（客人圖紙產(chǎn)品）進行分析，增加加工余量，拋光表面處理的余量，建立毛坯圖，并設計收縮率，進行模具3D設計，并轉(zhuǎn)換成專門的軟件格式進行網(wǎng)格處理，之后導入到模擬軟件中進行參數(shù)設置運算。

1．熱應力

應力場模擬結(jié)果用于鑄件熱裂紋缺陷的分析。觀察鑄件的高溫等效塑性應變（如圖2所示），其高溫等效塑性應變的值大,顯示為應力集中，該處容易產(chǎn)生裂紋，因此作為產(chǎn)品是否會產(chǎn)生裂紋的判據(jù)。通常應用鑄件模擬結(jié)果的定溫應力場，來判斷鑄件的裂紋區(qū)。

圖2 鑄件的應力場分布對比

圖2方案一中，A處定溫應力場應變值高，是易裂紋區(qū)，更改后方案二該處應變值降低，可以確定裂紋傾向降低，A處沒有風險。但方案二B處裂紋風險大，需重新更改設計。

2．充型

通過鑄件的流動狀態(tài)（平穩(wěn)性、倒灌、匯流等）判斷是否會發(fā)生卷氣、夾渣等缺陷。兩股金屬液匯流處，圖3所示為鑄件的流動狀態(tài)。

圖3 鑄件的流動狀態(tài)對比

圖3方案一中A處液體流動倒灌，容易產(chǎn)生氣孔，方案二解決了此問題。

粒子示蹤描述流體中的粒子的運動軌跡，可以用來判斷流體運動的平穩(wěn)性（如圖4所示）。

圖4 金屬液流動的粒子軌跡對比

圖4方案一中A處粒子軌跡明顯偏少，流動不均勻，容易產(chǎn)生鑄造缺陷。方案二解決了此問題。

3．凝固

通過觀測孤立液相的變化（如圖5所示）。判斷凝固的順序，對于低壓鑄造，孤立液相最后出現(xiàn)的位置多是縮孔縮松嚴重的位置，因而分析時應注意孤立液相的變化，以便修改冒口等從而調(diào)整縮孔位置。

圖5 鑄件孤立液相分布對比

圖5方案一A和方案二B中孤立液相存在多處，需進一步修改方案分析減少（小）孤立液相，同時結(jié)合工程師實際生產(chǎn)的經(jīng)驗判斷實際成型后該縮孔縮松是否會影響最終產(chǎn)品品質(zhì)，以便確認最終開模方案。

4．模具溫度

模具溫度用于分析流道及產(chǎn)品布局合理性，越是均勻分布的模具溫度，越有利于保證成型產(chǎn)品品質(zhì)（如圖6所示）

圖6 模具型腔溫度分布對比

圖6紅色部分顏色越深，模具溫度越高。方案一的模具溫差大，方案二中模具溫差降低，是否有更加均衡的模具溫度設計方案？需結(jié)合工程師經(jīng)驗判定可接受的局部最高模具溫度。

結(jié)論

采用鑄造數(shù)值模擬技術(shù)對低壓鑄件充型凝固過程進行模擬計算，結(jié)合工程師經(jīng)驗進行分析判斷，重復進行此一過程。通過實際應用表明，低壓鑄造數(shù)值模擬技術(shù)能有效地幫助設計人員評判低壓鑄造工藝設計的合理性，并協(xié)助設計人員對鑄造工藝進行改進。在實際生產(chǎn)中能為企業(yè)節(jié)約大量的資源，提高工藝設計效率。