進水接管鑄件液態成型過程模擬分析

陳 勇，陸紅兵

江蘇振華泵業制造有限公司，江蘇泰州 225500

1 Procast 鑄造過程模擬理論

對于各控制方程的求解，由于解析方法復雜，且很難獲得精確解，目前均采用數值方法得到滿足實際要求的近似解。發展較為完備的數值方法有：有限差分法，有限元法，有限體積法，有限分析法及邊界元法等。這些方法的基本思路都是將待求解的時間和空間中的場變量，通過一系列的離散方法得到的離散點上的值來代替。通過一定的原則建立離散點上變量值之間關系的代數方程，求解這些代數方程以獲得所求解變量的近似值。

有限差分法是通過在求解域內建立一系列與坐標軸平行的網格線，利用網格線的交點所形成的節點來代替求解域，在每個節點上將控制方程的微商用差商代替，從而在每個節點上形成代數方程，每個代數方程包含了本節點及其周圍節點的未知值，求解這些代數方程就能得到所需的數值解。

有限體積法是將計算域劃分為一系列的控制體積，控制體積內以一個節點作代表，通過將控制方程對控制體積做積分而得到離散方程。

有限元方法是把計算域劃分成一系列的單元體，并在單元體上按一定的規律取數個點作為節點，然后對控制方程做積分來獲得離散方程。

2 進水接管鑄造工藝設計

根據鑄造工藝手冊對進水接管鑄件設計澆注系統，首先根據鑄件的質量選取直徑為20mm 的圓柱形直澆道，再根據各組元的截面比選取橫澆道（如圖1）直澆道（如圖2）

圖1 橫澆道示意圖

圖2 直澆道示意圖

再根據冒口的設計原則以及尺寸大小對鑄件設計三種不同的方案，方案一對鑄件只設置澆注系統不進行任何冒口的設計， 方案二對鑄件的兩個大圓盤設計頂冒口，方案三對鑄件的兩個大圓盤設計兩個側冒口，且冒口與澆注系統相連。

3 鑄造過程的模擬

在確定進水接管鑄件各部分尺寸后用三維造型軟件pro/e造型，造完型就要開始網格的剖分。網格剖分分為面網格和體網格，本文中面網格剖分的單位為3mm，體網格的剖分是軟件自動剖分的。網格的單位過大過小都不行，網格單位過小軟件會自行關閉，網格過大會導致模擬的結果不精確。網格剖分完在PreCAST 的各個下拉菜單項目上定制模擬參數如下：

鑄型材料：虛擬鑄型

冷卻方式：空冷（室溫20℃）

澆注溫度：1040℃

鑄件材料：Cu_Cu60-Zn40（因為ProCast 的數據庫中沒有ZCuZn16Si4 這種材料，而通過計算可以得到ZCuZn16Si4 的Zn當量為40.1%，所以可以選取Cu_Cu60-Zn40 來模擬計算

澆注速度：0.42m/s

模具溫度：200℃

模具材料：SAND_Silica

模具與鑄件鑄件之間的換熱系數h=500

鑄件必須設置為empty 澆注時金屬液可以注入

模擬終止溫度：350℃/模擬終止步數：2000

在所有模擬條件都設置完畢后分別點擊Datacast 和Procast 按鈕，運行模擬軟件。待軟件運行至2000 步時終止。

4 不同鑄造工藝的模擬結果與分析優化

圖3

圖4

方案一（如圖3）的模擬結果與分析：由于進水接管鑄件沒有補縮系統，只能有直澆道補縮而直澆道的能力又太小，所以在模擬完后鑄件的兩個大圓盤中都有比較嚴重的缺陷，尤其是在相對大一點的圓盤中已經可以觀察到比較嚴重的縮孔。

圖5

圖6

方案二（如圖4）的模擬結果與分析：在對進水鑄件鑄件設置頂冒口后，從模擬的結果中可以發現可能出現的缺陷的大小遠比方案一中的小的多，且鑄件的兩個大圓盤中都沒有明顯的縮孔。只是在離澆注系統相對遠一點的那個冒口補縮的圓盤中出現缺陷的大小比另一個圓盤中出現缺陷的大小要小一點。

圖7

圖8

方案三（如圖5）的模擬結果與分析：在對進水接管鑄件設置與澆注系統相連的側冒口后，從模擬的結果中發現可能出現缺陷的位置與方案二中可能出現缺陷的位置基本一致，但方案三中的缺陷的大小要方案二中的缺陷小一點。

通過三種方案的模擬結果的分析我們發現方案三比方案二可行性高，方案二比方案一可行性高。在這三種方案中方案一是完全不可行的，在這種銅合金進水接管生產過程中是必須要對兩側的圓盤設計冒口的，且冒口要有足夠的補縮能力。所以我們得出這樣的結論，在銅合金進水接管鑄件的成型過程中，設置冒口是必要的，且冒口要與鑄件有足夠的接觸面積增強冒口的補縮能力，冒口應盡量設置成與澆注系統相連保證冒口中金屬液的溫度提高冒口的補縮能力。

5 結論

1）應采用3.0mm 作為網格單元長度對進水接管鑄件進行網格劃分；

2）銅合金進水接管必須要設置補縮系統；

3）冒口應與鑄件有足夠大的接觸面積，且冒口應盡量設置成與澆注系統相連接。

[1]陳仲昌，謝發勤，吳向清.Pro/E曲面建模與MeshCAST網格劃分的實現[J].鑄造技術，2007，28(10)：1353-1355.

[2]杜平安.有限元網格劃分的基本原則[J].機械設計與制造，2000(1)：14-17.

[3]ProCAST，“User’s manual and technical reference，”Based on ProCAST version 3.1.0，C1-C57.