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浇注条件对精密铸件质量的影响SESSION#SessiondescriptionSessiondescription陈冰北京航空航天大学2006年11月13日序论¾精密铸造是生产近净成形金属零件的重要方法之一，在制造业中有着广泛的应用。目前国内大多数生产厂都是采用“经验+试验”的方法确定新产品的铸造工艺，这在增加产品开发成本的同时延长了开发周期。计算机模拟技术的发展及其在铸造领域的应用为解决此类问题提供了有效的工具。¾精密铸件大多属于小型件，往往采用一模多件同时浇注，数量从几个到几十个不等。不同的浇注速度将产生不同的充型、凝固方式，进一步导致铸件质量的较大差异。由于铸造过程完全不可见，所以很难观察金属液在型壳中的流动情况，这在一定程度上导致了工艺设计的盲目性。而计算机模拟技术的应用使铸造工程师有机会看到完整的铸造过程，尤其是充型和凝固过程。精密铸造数值模拟的特殊性熔模精密铸造在充型-凝固过程数值模拟时，必须解决以下特殊问题：¾几何造型方面，能够方便快捷的在模组外生成一定厚度型壳的三维几何模型；¾凝固过程中型壳与周围环境的热交换方式主要是辐射和对流；¾熔模精密铸件以薄壁小件居多，不能忽略充型过程中合金液的热量损失和温度场的改变。ProCAST在精密铸造方面的优势•ProCAST是一个完全工业化的铸造模拟分析系统，该系统以有限元为核心，提供强大的分析能力，实现真正的多场（热-流动-应力）耦合分析，可应用于所有的铸造过程以及合金材料，是世界上唯一提供冶金学性能分析的系统。对于缺陷的预测，该软件采用温度场确定热节位置、凝固率预测孤立液相区、直接计算缩松分布、NYAMA准则、RGL准则等多种方法，保证了计算结果的准确性。特别值得一提的是ProCAST特有的辐射分析模块具有强大的热辐射计算能力，这对于经常需要精确处理热辐射问题的熔模铸造而言显得特别重要。该模块计算时充分考虑了辐射角及遮挡物的影响，模拟对象一旦因相互运动导致辐射角改变或产生遮挡，该软件将重新自动进行计算，这一功能特别适用于定向凝固和单晶铸造。不同浇注条件下的数值模拟分析¾铸件CAD模型¾材料及工艺参数¾有限元建模¾模拟结果对比分析铸件CAD模型¾该产品三维实体如图1所示，其轮廓尺寸为：71×34×33.5mm；最小壁厚：2mm；最大壁厚：4.92mm。图1铸件三维图基本组树模型¾一般多件精密铸造大多采用垂直组树方式。¾该铸件组树方式如图2所示，三棱柱型直浇道每面垂直装6件，共18件。图2铸造工艺图材料及工艺参数•该铸件的材料及工艺参数如下：•铸件材料为8620，属于镍铬钼钢组。•模壳采用硅溶胶制壳工艺，面层锆砂，背层莫来砂，壳厚6-8mm。•浇注温度：1650℃；模壳预热温度：1100-1150℃•冷却条件：浇注后加蜡削扣箱保护冷却有限元建模•ProCAST兼容性良好的几何造型模块十分方便地导入由其它CAD软件建立的模组三维几何模型(图2),同时，在模组外围迅速自动生成具有一定厚度(7mm)的型壳三维有限元模型(图5)，由图不难看出，较之于有限差分的立方体网格，四面体的有限元网格具有更好的随形性，这对形状复杂的薄壁熔模铸件特别有利。剖分产生网格单元总数570789，节点总数134735个，足以满足本次铸造模拟的精度需求。图3铸件有限元模型图4模壳有限元模型有限元建模_组树模型•剖分产生网格单元总数570789，节点总数134735个，足以满足本次铸造模拟的精度需求。模拟结果对比分析¾不同浇注速度的模拟结果对比¾不同浇注系统类型的模拟结果对比不同浇注速度的模拟结果对比•根据一般经验，为了防止冷隔、浇不足等充型过程中产生的缺陷，往往采用较大的浇注速度（较短的浇注时间）。本例首先采用原工艺参数3.5s，对充型过程进行了模拟，其结果如图6所示。浇注时间为3.5s时的模拟结果图6充型时间为3.5s时的充型过程0.99s1.61s1.95s2.45s2.62s3.50s小结•由以上模拟结果可以看出，由于浇注速度很快，最上端的型腔在充型初期就开始有金属液流入。在下部各型腔依次充型过程中，上部金属液同时也在缓慢流入，且温度降低很快。当上部型腔真正开始充型时，早期流入的金属液温度已降到液相线以下，很容易产生严重冷隔缺陷，使该件成为废品。•由图中可以看出虽然整体充型时间很短，但对于单个铸件来说，充型时间却差异很大。对于下部5个铸件的充型时间约为1s，而顶部铸件的充型时间实际为3.5s，由于充型时间过长而产生冷隔缺陷。浇注时间为7s时的模拟结果图6充型时间为7s时的充型过程2.36s3.14s3.58s5.31s6.20s7.02s保持其他参数不变，降低浇注速度（延长浇注时间），采用7s充型时间对该工艺再次进行模拟，其结果如图7所示。收缩缺陷对比•通过ProCAST软件的缺陷自动预测功能，得到充型时间分别为3.5s和7s的缩孔缩松分布图，如图8所示。•可以看出降低浇注速度使缩孔缩松量有一定减少，在一定程度上提高了铸件质量。图8收缩缺陷对比a)3.5s收缩缺陷分布b)7s收缩缺陷分布小结•由以上模拟结果可以看出，在降低浇注速度后，所有铸件都按正常的顺序依次进行充型。虽然当充型完成时，下部铸件温度已降到液相线以下，但上部的金属液温度还很高，能够保证所有铸件都充满，并未产生浇不足缺陷。且铸件由下向上依次冷却，补缩效果较好。图8收缩缺陷对比a)3.5s收缩缺陷分布b)7s收缩缺陷分布•由图中可以看出，虽然整体的充型时间较长，但对每个铸件来说，充型时间相差不大，都在1.5s左右。不同组树方式的模拟分析¾为分析不同浇注系统类型（开放、封闭）对充型的影响，改变原有组树方式，设计了如下两种类型，并分别进行了模拟分析。¾单个铸件内浇口面积：115.10mm2¾直浇道横截面积：415.13mm2–每侧3件充型模拟结果（封闭式浇注系统）–每侧4件充型模拟结果（开放式浇注系统）每侧3件充型模拟结果封闭式浇注系统，其充型方式为“同时充型”，各个铸件的充型时间都在1.5s左右。浇注时间2s的充型过程每侧3件充型模拟结果充型时间为4.5s封闭式浇注系统，浇注速度较慢，各铸件同时充型，但充型速度相差较大。小结•通过以上模拟分析，可以看出：–对于封闭式浇注系统，充型方式为“同时充型”–对于封闭式浇注系统，高的浇注速度能获得较好的充型过程，缩短所有铸件的充型时间，避免冷隔、浇不足等缺陷。每侧4件充型模拟结果充型时间为2s开放式浇注系统，各铸件同时充型，在较高的速度下，由于充型压力不同，速度由下向上一次降低。每侧4件充型模拟结果充型时间为4.5s开放式浇注系统，各铸件同时充型，在较低的速度下，最上部的铸件充型缓慢。小结•通过以上模拟可以看出：–对于4件的浇注工艺，由于直浇道的横截面积大于3个铸件的内浇口面积和，小于4个铸件的内浇口面积和，所以各件也是“同时充型”。–在浇注速度较慢的情况下，最上面的铸件很容易出现冷隔、浇不足缺陷。结论•通过一系列的模拟分析可以得出一下结论：–对于封闭式浇注系统，各铸件为“同时充型”，增大浇注速度可以减少每个铸件的充型时间。–对于开放式浇注系统，金属液会按照等效于直浇道面积的内浇口数进行充型。–对于直浇道横截面积与内浇口面积和相当的浇注系统易采用较快的浇注速度。–对于直浇横截面积远大于内浇口面积和的浇注系统，浇注速度应合理选择，不易过快。谢谢！陈冰北京航空航天大学2006年11月13日