1 模擬軟件的介紹

　　“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件是分析和優(yōu)化鑄造工藝的重要工具，是華中科技大學(xué)經(jīng)20多年研究開發(fā)，并在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中不斷改進(jìn)、完善起來的集成軟件系統(tǒng)。它以鑄件充型、凝同過程數(shù)值模擬技術(shù)為核心對鑄件的成型過程進(jìn)行工藝分析和質(zhì)量預(yù)測，從而協(xié)助工藝人員完成鑄件的工藝優(yōu)化工作。多年來在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低廢品、減少消耗、縮短試制周期、贏得外商訂單等方面為眾多的廠家創(chuàng)造了顯著的經(jīng)濟(jì)效益，在行業(yè)內(nèi)享有廣泛的聲譽(yù)。

　　華鑄CAE分析軟件使用范圍廣，適用于鑄鋼類、球鐵類、灰鐵類、鋁合金類、銅合金類等鑄造材質(zhì);適用于砂型、金屬型、殼型、鐵模覆砂、熔模、低壓、壓力等鑄造方法。華鑄CAE分析軟件可以進(jìn)行流動(dòng)充型過程、冷卻凝固過程、充型換熱耦合過程的分析，能預(yù)測夾渣、卷氣、冷隔、澆不足、縮孔、縮松等缺陷。華鑄CAE分析軟件是國內(nèi)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的鑄造工藝分析軟件之一。

　　2 數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型

　　液態(tài)金屬的充型凝固過程可以看作是不可壓縮粘性液體的流動(dòng)。它使用傳輸原理里的動(dòng)量方程(1)～(3)、連續(xù)性方程(4)、能量方程(5)來描述，通過這些方程建立起數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)模型。

　　動(dòng)量方程(三維Navier-Stokes方程)

　　連續(xù)性方程

　　能量方程

　　體積函數(shù)

　　式中，u，v，w分別為網(wǎng)格點(diǎn)(x，y，z)流速在3個(gè)坐標(biāo)軸方向上的速度分量，m/s;　　

　　 　　;P為壓力(不包括表面張力的作用)，N;ρ為液體的密度，

　　 　　;t為時(shí)間，S;Υ為液體的運(yùn)動(dòng)粘度，

　　 　　;F為體積函數(shù);

　　 　　為比熱，J/kg·K;T為溫度，K;λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K;Q為熱源。

　　華鑄CAE軟件系統(tǒng)采用的數(shù)值計(jì)算法是有限差分法，其流動(dòng)場數(shù)值分析是基于SOLA—VOF方法，該CAE軟件系統(tǒng)是用體積函數(shù)即方程(6)來跟蹤自由邊表面的位置，另外該系統(tǒng)采用慣性原理和連續(xù)性原理相結(jié)合的方法比較合理地處理了自由表面的速度邊界條件。

　　3 熔模鑄造的熱交換特點(diǎn)

　　熔模鑄造與普通的砂型鑄造相比，具有以下特點(diǎn)：(1)鑄型多為薄殼，其本身的蓄熱能力有限;(2)在澆注金屬液之前，型殼需要經(jīng)過高溫焙燒和預(yù)熱，并在熱殼狀態(tài)下進(jìn)行澆注;(3)熔模鑄造主要適合于中、小型尺寸的鑄件生產(chǎn)。

　　以上三個(gè)特點(diǎn)使得在熔模鑄造的傳熱過程中，整個(gè)鑄型及其外表面處于較高的溫度，鑄件的凝固散熱速度主要取決于鑄型外表面與環(huán)境間的換熱速度，兩者之間的換熱方式以自然對流和熱輻射為主。

　　在普通的砂型鑄造數(shù)值模擬中，為了簡化計(jì)算，往往會(huì)忽略冒口/環(huán)境界面之間的熱交換作用，認(rèn)為鑄件(包括冒口)完全被鑄型包裹，等于僅有鑄型和環(huán)境相接觸。而事實(shí)上，在任何鑄造過程中，冒口對鑄件的凝固起著重要的作用，尤其是熔模鑄造，冒口不僅影響著整個(gè)換熱體系的熱交換過程，而且對鑄件起著重要的補(bǔ)縮作用。因此，要使熔模鑄造鑄件凝固過程溫度場的數(shù)值模擬切合鑄造實(shí)際，必須考慮冒口/環(huán)境界面換熱。由于冒口內(nèi)金屬液面直接和大氣接觸，因此，在鑄件凝固的整個(gè)過程中，冒口和環(huán)境之間亦同時(shí)以自然對流和熱輻射進(jìn)行熱交換。根據(jù)以上特點(diǎn)，在選擇熔模鑄造物性參數(shù)和界面參數(shù)時(shí)，必須考慮熔模鑄造工藝傳熱特點(diǎn)及鑄型/環(huán)境、冒口/環(huán)境界面的熱交換特點(diǎn)。

　　4 運(yùn)用華鑄CAE軟件進(jìn)行工藝方案分析

　　4.1鑄件技術(shù)要求

　　零件是導(dǎo)向輪輪鐓，為一回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，最大直徑φl80mm，最大高度94.5mm，內(nèi)孔全部加工，其零件結(jié)構(gòu)見圖1。鑄件材料為ZG270-500，10000件，大批量生產(chǎn)。按GB/T1800.3-1998要求，毛坯件尺寸公差要求達(dá)到IT12級。鑄件需進(jìn)行去應(yīng)力退火，鑄件毛坯表面噴砂處理。鑄件不允許有氣孔、縮松、裂紋、夾雜等影響強(qiáng)度的缺陷存在。

　　圖1 導(dǎo)向輪輪鐓零件圖

　　4.2模擬軟件參數(shù)的選取

　　根據(jù)熔模鑄造熱交換的特點(diǎn)，需要確定計(jì)算所需的物性參數(shù)和界面參數(shù)，如圖2所示。

　　圖2 物性參數(shù)和界面參數(shù)的選取

　　4.3 四種工藝方案的凝固過程模擬及分析

　　根據(jù)鑄件技術(shù)要求，考慮生產(chǎn)加工工藝的簡單化、易操作性、降低生產(chǎn)成本，并且易于保證產(chǎn)品質(zhì)量，選取了四種工藝方案進(jìn)行凝固過程模擬。工藝方案及其凝固過程模擬結(jié)果如圖3所示。

　　圖3 四種工藝方案及其凝固過程模擬結(jié)果

　　從圖3可以看出，方案一在法蘭的交叉厚壁處產(chǎn)生大量的縮孔、縮松缺陷，工藝出品率67%;方案二的縮孔、縮松集中在鑄件中心部分，且縮松、縮孔部分的范圍小于零件的軸孔，屬于以后要加工掉的區(qū)域，故此方案可行，工藝成品率為70%;方案三在方案二的基礎(chǔ)上，縮短了直澆道的高度，加大了澆口杯的直徑并改變了其形狀，改善了澆口杯及其直澆道對鑄件的補(bǔ)縮效果，縮孔、縮松的體積都比方案二小，更能確保獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件，并且方案三的工藝成品率提高到了74%;方案四采用側(cè)注式澆注系統(tǒng)，金屬液充型平穩(wěn)，不容易產(chǎn)生夾渣、卷氣等缺陷，但是不利于順序凝固，鑄件法蘭交叉處有大量縮孔、縮松出現(xiàn)，工藝成品率為72%。綜合以上的分析可以看出，方案三是最優(yōu)方案，可以保證在凝固過程中鑄件內(nèi)部不會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，并且工藝出品率在四種工藝方案中最高。

　　4.4最優(yōu)工藝方案的充型過程模擬及分析

　　凝固過程的模擬可以確定鑄件是否會(huì)帶來縮孔、縮松缺陷，充型過程的模擬可以對澆不足、冷隔、卷氣、夾渣等缺陷進(jìn)行預(yù)報(bào)。對以上確定的最優(yōu)工藝方案進(jìn)行充型過程的模擬，其模擬過程如圖4所示。

　　圖4 最優(yōu)工藝方案的充型過程模擬

　　從圖4所示的充型過程可以看出，最先開始充型部位是澆1：3杯和直澆道，然后為鑄件中心部位的回轉(zhuǎn)體，當(dāng)達(dá)到53%充型量時(shí)，金屬液開始從法蘭的內(nèi)部向外部進(jìn)行充型，這樣的充型順序能夠保證充型平穩(wěn)，無金屬液的飛濺，無氣體和夾渣的卷入，避免充型缺陷的產(chǎn)生。

　　5 結(jié)論

　　(1)使用華鑄CAE工藝分析軟件能夠準(zhǔn)確、形象地描述金屬液的充型過程和鑄件凝固過程，預(yù)測充型缺陷和凝固缺陷，從而為確定最優(yōu)工藝方案提供科學(xué)的依據(jù)，達(dá)到縮短工藝設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本，提高鑄造行業(yè)競爭力的目的。

　　(2)根據(jù)熔模鑄造熱交換的特點(diǎn)，正確選擇熔模鑄造過程中的物性參數(shù)和界面參數(shù)是保證模擬結(jié)果可靠的關(guān)鍵。

　　(3)導(dǎo)向輪輪鐓的凝固過程和充型過程模擬為華鑄CAE軟件在熔模鑄造中的應(yīng)用提供了一次成功實(shí)踐。