铸造CAE技术在铸钢件中的应用研究

铸造CAE技术在铸钢件中的应用研究

仲涛  ,陈军利 

  中车大连机车车辆有限公司铸锻分公司

摘要：铸造工艺数值模拟技术逐渐成熟，成功应用于铸造生产，有效地改进和改造了传统铸造制造方法和工艺的设计。在本文中介绍了华铸CAE/InteCAST-Steel7.0的应用实例和基本情况，以及铸造过程模拟CAE的相关技术。该应用表明，当前的铸造过程的数值模拟技术软件可以准确预测凝固和充型过程中潜在的铸钢缺陷，这使技术人员能够指导铸钢的实际生产并优化工艺。铸造过程的数值模拟技术可以更准确地预测铸造中可能出现的缩孔、气孔、应力分布等缺陷。

关键词：铸造CAE技术；应用研究；铸钢件

铸造数值模拟技术（CAE）在伴随计算机技术的开展过程中，取得了长足的进步。众多成功应用表明，利用计算机技术对传统铸造技术进行改进和改造是铸造过程的数值模拟技术，在提高铸造企业竞争力、降低产品制造成本等方面发挥着不可替代的作用，它的应用和推广必将为铸造行业带来巨大的社会效益和经济效益。国内外很多常用的商品软件都可以有效预测铸件缩孔缺陷，充填过程数值模拟的理论和算法也日趋完善，其准确性基本达到了定量水平。当前的铸造过程的数值模拟技术软件，通常可以模拟凝固过程、应力应变、微观结构和性能、铸造填充过程和热处理过程。可以有效、定性地预测充填过程中的保温、注入不足、夹渣等缺陷，组织的模拟和应力场也取得了可喜的进展。本文分析了铸造数值模拟技术的体系结构，介绍了流场数值模拟和温度场的数学模型，介绍了在铸钢中华铸CAE/InteCAST-Steel7.0的一些基本情况，以及应用示例。

一、铸造CAE体系结构

铸造数值模拟技术通常包括后置处理模块、计算分析模块、前置处理模块。后置处理模块可以直观有效地表达图像、图形、曲线和动画等计算结果；计算分析模块解决铸件/模具的物理领域；前置处理模块包括模具、砂芯、铸件等的网格划分和3D建模。如今，铸造数值模拟技术通常使用流行的3D建模软件进行3D建模，例如SolidWorks、UG、CATIA、 Pro/E，并且通常通过STL文件格式的文件接口进行连接，然后将ST文件导入铸造数值模拟技术中，相应的铸造工艺参数进行设置并进行仿真，以达到在计算机虚拟环境中改善工艺的目的。铸件充型和凝固过程中，通过铸造数值模拟技术模拟和分析流场和温度场，达到优化工艺的目的。适用于铸铝合金、铸铁、铸铜、锌合金、镁合金、铸钢等各种合金材料，以及型铸造、压铸、铁型砂型铸造、砂型铸造、低压等各种铸造方法，有效支持铸造和熔模铸造的模块。

二、华铸CAE/InteCAST-Steel7.0

（一）铸钢充型过程的前压圈模拟

在充型过程中某工厂制造的前压圈铸钢，几个不同时间的充型色温，在充型过程中温度分布和充型顺序都有所增加，技术人员通过对充型过程的模拟，可以帮助预测充型过程中的潜在缺陷，例如夹渣、浇不足、冷隔等缺陷。在本次仿真分析中，需要适当提高浇注温度，因为充型过程比较大。

（二）凝固过程数值模拟

物体的热量总依据热力学定律，是由热变冷得进行传热，传热与铸造工艺密切相关。铸造过程首先需要将热金属注入型腔，这应该包括热能传递，主要是对热传导换热和流传热，这是因为传热过程降低了温度并铸件开始固化。在此过程中，通过模具金属将热量散发到外部并传导，液态金属与外界环境、模具与铸件在连续冷却过程中，发生对流和辐射传热。根据某工厂生产的铸钢凝固过程的模拟结果，对该过程凝固过程的分析表明，孤立液相区在。铸钢凝固过程中出现，当60%为气孔边界点，1%为临界气孔率时，0立方厘米为数值模拟画面上铸件的缩孔，296.26立方厘米为缩孔率。仿真结果表明，缩孔和多孔缺陷在实际生产中出现的部位很可能会形成，针对这些部位需要采取具体的技术措施。

（三）热应力过程数值模拟

铸件的温度在铸件的凝固过程中，伴随时间的推移不断下降，在此期间铸件的体积在不断变化，合金液逐渐由液态变为固态。出于某种原因，经常会遇到一些障碍使铸件产生内应力，铸造应力经常导致铸件裂纹和变形。如果铸造应力过高，就会产生塑性应力，超过铸件的屈服极限，导致铸件塑性断裂，出现铸造开裂。所以，铸造过程中产生的应力在铸造过程中应尽量减少。华铸铸造数值模拟技术采用热应力场数值模拟技术，这提供了对铸件凝固过程中变形动态变化和应力过程的有效理解，并预测了可能的变形程度、裂纹区域和残余应力的分布，用于控制应变和应力。由此对铸造工艺的优化、产生的缺陷和铸造质量的提高提供了证据。应力集中和裂纹缺陷的风险，应通过分析工艺应力分布的模拟结果，模拟结果分析中的潜在缺陷必须采取相应的工艺措施来避免。

（四）不锈钢阀体凝固过程模拟

某工厂生产的不锈钢阀体的原工艺模拟，毛坯重量为40吨，得到了缩孔分布和缩松率分布。此前，该工艺注入的铸件在阀体厚部发现阀体中心有较大的缩孔，仿真结果与注入结果非常一致，模拟结果与铸造结果吻合较好。

（五）改进的 II型体铸钢件工艺

改进工艺原工艺及工厂化II型铸钢原工艺是将两个冒口对称放置在铸件上。在原工艺基础上改进工艺加冷铁，在吊耳下添加冷铁。这两个过程的模拟结果表明，原始过程的吊耳具有较严重的收缩孔隙度，而吊耳中的缺陷在两种添加冷铁改进工艺的方法中可以消除，一种是在吊耳下方添加冷铁的解决方案，另一种是添加侧冷铁引线的解决方案。但是，加冷铁的解决方案会导致铸件其他部位的缺陷，而在吊耳下加冷铁的解决方案是消除吊耳的缺陷而不引起其他缺陷的增加。实际浇注结果也证明增加了冷铁工艺方案计划在吊耳下取得成功。

（六）充型过程数值模拟

铸件充型过程非常复杂，常涉及金属凝固现象和温度传递过程，以及气泡、氧化夹渣、冲击等物理现象。以前的模拟研究只关注凝固阶段模拟研究，忽略了填充模拟。对充型过程进行数值模拟可以预测冷隔、浇注不足等铸造缺陷，可以得到温度、金属流速、压力变化过程阶段，为研究铸件凝固过程中的温度场提供初始条件。充型过程中常用的数值方法包括SOLA-VOA、MAC、SMAC、FAN方法、 SIMPIE。在铸件充型过程中华铸铸造数值模拟技术，采用半拉格朗日-VOF混合算法，快速获得有效的模拟结果，某铸造厂铸钢充模仿真过程的结果表明，在充型流动过程中金属液没有飞溅或湍流阶段，整个过程稳定，几乎没有浇不足或卷气夹杂缺陷的可能性。

结束语

铸造数值模拟技术为企业竞争力和传统铸造行业提高产品质量提供了强大的工具，随着世界经济一体化和我国加入WTO，铸造数值模拟技术将变得越来越重要。本文通过应用案例介绍了铸造数值模拟技术，重点介绍了铸造过程的数值模拟技术，可以更准确地预测可能的缺陷，例如应力分布、收缩孔隙率，这些可帮助技术人员快速有效地指导实际生产，并优化流程规划。近年来，华铸造数值模拟技术软件的应用，对凝固过程和铸件充型进行数值模拟，提高铸件质量，越来越多的国内铸造企业采用铸造数值模拟技术，越来越受到重视。同时，加速了铸造数值模拟技术的完善和发展，为铸造行业带来更大的社会效益和经济效益。

参考文献：

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