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作者：張毅    

   采用鑄造模擬軟件模擬鑄件充型、凝固過程，可以對鑄造過程進行工藝分析和質(zhì)量預測，從而完成鑄件的工藝優(yōu)化，達到優(yōu)化工藝設計、縮短產(chǎn)品試制周期、降低生產(chǎn)成本、提高鑄造生產(chǎn)的經(jīng)濟效益和產(chǎn)品競爭能力的目的。

  本課題果用華鑄CAE軟件對尺寸為Ø100 mm的低鉻鑄鐵磨球的鑄造工藝進行了溫度場的數(shù)值模擬，預測了鑄造中可能產(chǎn)生缺陷的位置，并對磨球內(nèi)部產(chǎn)生縮孔的原因進行了分析。通過增加上鐵型及砂套，縮短內(nèi)澆道尺寸等對澆冒系統(tǒng)進行修改和優(yōu)化，實現(xiàn)了磨球的順序凝固，并減少了縮孔缺陷。

1  原方案模擬與分析

1.1  原工藝及三維模型的建立

  原工藝采用砂型鑄造，鑄造工藝示意圖見圖1。采用一箱6件的中心冒口補縮鑄造工藝。鑄件材料為zoCr2（質(zhì)量分數(shù)，C為2.1%～3.6%，Si≤1.5%，M n為0.3%～1.5%，Cr為1.0%～3.0%，Mo≤1.0%，Cu≤0.8%，S≤0.1%，P≤0.1%)，鑄型材料為潮模砂（其中膨潤土為4%～5%，煤粉為4%--5%，水分為4.5%～5.5%），鑄件采用Pro/E軟件進行三維造型。見圖2。

1.2鑄造工裝設計及剖分

  利用華鑄CAE軟件進行網(wǎng)格剖分。流場計算時把網(wǎng)格設為3.5 mm，網(wǎng)格總數(shù)約為100萬（見圖3），溫度場計算時把網(wǎng)格設為2.0 mm，網(wǎng)格總數(shù)約為400萬（見圖4），從而在提高計算精度的同時節(jié)約計算時間，在溫度場計算時采用相對較密的網(wǎng)格，利于缺陷判斷。

1.3流場模擬

  (1)初始條件初始澆注溫度為1 360℃，鑄型初始溫度為25℃，澆注時間為5～6 s。

  (2)邊界條件鑄件和砂型的材料密度、比熱容和導熱系數(shù)都是隨溫度變化的。鑄件與鑄型的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為500 W／(m2．K)。鑄件整體與環(huán)境的熱交換形式采用華鑄CAE預定義的空冷。采用重力澆注進行充型，澆注速度為2m／s。

  磨球鑄件的充型時間約為6.15 s，圖5為不同時刻磨球鑄件的充型圖。由圖5可知，充型時，合金液從鑄件的底部同時進入鑄型，并最終在冒口處停止，該過程流速適中，充型也比較平穩(wěn)。在充型的過程中沒有明顯的卷氣、夾渣現(xiàn)象，說明該澆注系統(tǒng)流場性能較好，設計合理。

1.4溫度場模擬

1.4.1  初始條件與邊界條件

  液態(tài)金屬澆入鑄型后，在型腔內(nèi)的凝固過程是一個金屬鑄件向鑄型和環(huán)境放熱冷卻的過程。當液態(tài)金屬充滿型腔后，忽略鑄件凝固過程中液態(tài)金屬發(fā)生的對流傳熱，鑄件凝固過程可以看作是一個不穩(wěn)定導熱的過程，其數(shù)學模型為：

  (1)計算域中的溫度

鑄件區(qū)域

  由圖6可以看出，磨球球心偏上位置存在縮孔缺陷。這是由于液態(tài)金屬在凝固過程中存在體積收縮，而這部分收縮又得不到外來金屬液補縮的緣故。原工藝中的冒口與內(nèi)澆道直接相連，金屬液冷卻凝固過程中，由于內(nèi)澆道金屬液的冷卻速度要比磨球內(nèi)的快，并且最先在內(nèi)澆道處形成凝固層，封閉了冒口內(nèi)金屬液的補縮通道。圖7為原工藝鑄件凝固時間為32 s時的模擬結果。由圖7可以看出，鑄件凝固時間為32 s時，磨球中的金屬液已與冒口分開，而磨球金屬液將繼續(xù)收縮，在得不到金屬液補縮的條件下，最終在磨球內(nèi)部形成縮孔。

2  鑄造工藝優(yōu)化設計

2.1  工藝優(yōu)化設計

  對于C含量為3. 5%、Si含量為2.5%左右的低鉻合金鑄鐵，澆注溫度一般為1 360℃，共晶溫度為1 150℃，去除澆注系統(tǒng)內(nèi)降溫50℃，過熱度為160℃，液態(tài)收縮為3. 2%，凝固收縮為3%，總收縮量為6.2%，線收縮為2. 07%，就鑄件整體而言需要強化補縮。雖然原工藝中的Ø100 mm低鉻合金鑄鐵磨球質(zhì)量和斷面的尺寸都較大，冷卻速度較慢，需要充分利用冒口內(nèi)金屬液的補縮。

  為此，從以下3個方面對原工藝方案進行了改進。

  (1)采用砂套加半金屬型上型  采用砂套加半金屬型上型結構可以強化磨球上方激冷，使磨球優(yōu)先凝固，讓冒口中的金屬液對磨球充分補縮。由于低鉻合金鑄鐵件屬于層狀凝固，因此鑄造時應考慮順序凝固的原則。磨球金屬型鑄造采用砂套起到保溫冒口和內(nèi)澆道的作用，可明顯提高冒口與磨球凝固時間比，有利于冒口內(nèi)金屬液向磨球補縮，采用砂套還可以顯著提高金屬型的壽命。砂套的三維造型設計見圖8。

  (2)為保證良好的補縮，內(nèi)澆道要盡量短縮短內(nèi)澆道，會導致磨球難以與內(nèi)澆道分離，應綜合考慮，比如在內(nèi)澆道與磨球間增加一些小的凹槽，有助于從內(nèi)澆道上敲掉磨球。

  (3)盡量減小冒口的高度  為了達到補縮的目的，冒口的凝固時間需要比鑄件的凝固時間長，而鑄件的凝固時間又和鑄件的模數(shù)相關。采用砂套保溫冒口的設計，可在保證鑄件質(zhì)量要求的前提下，在原設計的基礎上適當減小冒口高度和體積，以節(jié)省金屬液，提高鑄件出品率。原設計中鑄件出品率為69. 6%，改進方案中的鑄件出品率為80. 7%，見圖9和圖10。

2.2優(yōu)化方案模擬及結果對比

  圖11為工藝改進后磨球凝固467 s的缺陷分布�？梢钥闯觯�改進工藝后，冒口內(nèi)的金屬液溫度高于磨球內(nèi)的溫度，內(nèi)澆道通暢。這是因為工藝改進后增加的砂套有效地提高了低鉻合金鑄鐵的凝固順序，使金屬液按照磨球、內(nèi)澆道、冒口的順序凝固，冒口內(nèi)的金屬液溫度始終高于磨球內(nèi)的金屬液溫度，便于補縮；改進工藝后內(nèi)澆道縮短，抑制了內(nèi)澆道附近金屬液隨著溫度的降低而可能發(fā)生的堵塞現(xiàn)象。可以看出最后出現(xiàn)縮孔的位置位于冒口上部分，這與采用新工藝實際生產(chǎn)出的磨球縮孔位置相符合。

3  結  論

  (1)對砂型鑄造Ø100 mm磨球模擬，結果準確地反映了縮孔缺陷產(chǎn)生的位置，并對原工藝縮孔缺陷成因進行了分析。

(2)通過采用砂套保溫冒口，縮短內(nèi)澆道，實現(xiàn)了磨球的順序凝固。采用改進后的工藝方案實際澆注，結果表明，順序凝固條件下磨球內(nèi)部沒有出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，磨球關鍵部位質(zhì)量良好。

4摘要針對尺寸為Ø100 mm的ZQCr2低鉻合金鑄鐵磨球的鑄造工藝，利用華鑄CAE軟件對磨球的凝固過程進行了流動場和溫度場的數(shù)值模擬，預測了Ø100 mm低鉻合金鑄鐵磨球在鑄造中可能產(chǎn)生的缺陷位置，并對磨球內(nèi)部產(chǎn)生縮孔、縮 松的原因進行了分析。通過增加上鐵型及砂套，縮短內(nèi)澆道尺寸等進行了修改和優(yōu)化，并對澆冒系統(tǒng)優(yōu)化前、后的鑄造方

案進行了溫度場的數(shù)值模擬對比。結果表明，優(yōu)化后的澆冒系統(tǒng)實現(xiàn)了順序凝固，縮孔缺陷從磨球內(nèi)部轉移到了冒口內(nèi)，模擬結果與實際澆注結果相符。