鐵模覆砂鑄造工藝仿真設計應用研究★

陳學文

（1.廣東工程職業技術學院， 廣東 廣州 510520；2.廣州市金屬學會， 廣東 廣州 510520）

鑄造對社會經濟發展乃至文明建設都起著重要作用。如，鋼鐵耐磨鑄件是耐磨鑄件的主要組成部分，國內年需求量較大。然而，目前我國鑄造行業存在鑄件質量較低，鑄造工藝設計大多仍沿用傳統鑄造工藝經驗設計方法，鑄造裝備水平仍需提高等主要問題[1]。但是值得關注的是，隨著計算機技術水平的提高和汁算機大眾化，鑄造行業在“十二五”發展規劃及相關政策發布與實施下，設備在不斷升級與完善，且研發了一系列鑄造工藝仿真設計軟件。鑄造仿真軟件是利用計算機在數學模型和算法的基礎上，形成了更具有理論與科學依據的鑄造仿真工藝設計流程，不僅提高了工藝的科學依據，還在很大程度上提高了鑄造企業的綜合競爭力。

1 鐵模覆砂鑄造原理及主要特點

1.1 鑄造原理

鐵模覆砂鑄造采用金屬—鑄鐵模型以及鑄鐵型腔作為砂箱鐵型，型砂通過射砂機射入型腔內壁，并加熱固化，是結合我國國情發展起來的一種特殊的半精密鑄造技術方法。該工藝通過覆砂層厚度調整能夠改變鑄件的充型等成型條件，很大程度上削減了鑄造生產缺陷，提高了健鑄件整體質量。由于該工藝砂型是與鑄件結構直接接觸，而鐵型與鑄件結構間隔著一層型砂，故階梯式的濕度分布非常有利于鑄件的凝固和冷卻成型。但是由于金屬型傳熱效果比砂型要好得多，故覆砂層的厚度調整有一區間值。具體的，當型砂厚度過大，成型工藝可視為砂型鑄造；反之，可視為金屬型鑄造。鐵模覆砂原理及鐵模覆砂鑄造工藝流程分別如圖1、圖2 所示。

圖1 鐵模覆砂原理

圖2 鐵模覆砂鑄造工藝流程圖

1.2 鐵模覆砂鑄造主要特點

該工藝具有砂型鑄造的特點，砂型整體強度高、不變形，適應性廣泛，鑄件易脫模；同時具有覆膜砂殼型鑄造的特點，造型方便、快捷，型砂密度、鑄型表面硬度等通過設備保證，永遠一致；鐵型覆砂鑄造還具有金屬型鑄造的特點，鑄件的綜合強度較高等。

具體鐵模覆砂鑄造主要特點：

1）通常鐵模覆砂鑄造的冷卻速率比砂型鑄造快，比金屬型慢，其可以綜合二者的優勢，同時避免二者的缺陷，有效的提高鑄件的機械性能。

2）能夠避免白口組織缺陷的產生。

3）易于實現機械化和自動化批量生產，生產效率較高。

4）成本比普通砂型鑄造低20%～30%，節約砂型80%以上。

5）可明顯消除型壁膨脹，保障尺寸精度，節約金屬液。

6）覆砂層能保護鐵型，提高金屬鑄型使用壽命。

7）能夠極大地改善鑄件質量，提高使用性能。

2 鑄造仿真軟件工藝設計流程

鑄造成形過程工藝參數繁多，影響因素不確定且難控制。傳統鑄造工藝主要是通過不斷試制和調整工藝來符合要求。鑄造過程的計算機仿真技術通過使用鑄造仿真軟件，利用計算機在數學模型和算法的基礎上，形成了更具有理論與科學依據的鑄造仿真工藝設計流程，具有研發周期短、生產成本低、質量穩定等諸多優點，可以可較好地解決鑄造成形過程的諸多難點，顯著提高產品的研發效率、生產成本及鑄件質量。鑄造仿真軟件工藝設計流程如圖3所示。

圖3 鑄造仿真軟件工藝設計流程

3 鐵模覆砂鑄造工藝仿真設計應用

3.1 鑄造工藝仿真設計的前處理

鑄造工藝仿真設計的前處理決定了后續模擬的精確性，且影響了模擬速度的快慢，因此其是鑄造工藝仿真設計的第一步及重要的一步。前處理主要包括幾何建模和網格劃分。幾何建模主要通過其他的三維制圖軟件建模后再運用。網格劃分主要包括網格形狀和大小的選擇，其結果將直接影響后期模擬計算的速度和精度。具體的，三角形單元劃分靈活，可適應復雜的幾何形狀，精度高；四邊形單元則要求鑄件結構比較規則；確定網格大小要遵循零件最薄壁厚要大于網格單元長度，對于同一鑄件的網格劃分，網格越小，精度越高，但模擬速度慢。如，Pro－CAST 是基于有限元法的鑄造仿真軟件，能進行細致的網格劃分，精度高，活塞尾在ProCAST 中的網格劃分中，因結構復雜程度適中，拐角處較多，故選擇三角形網格；其他大多數鑄造仿真軟件則是基于有限差分法，網格劃分簡單、速度快及硬件配置要求低，其與有限元法的鑄造仿真軟件不同，網格形狀一般采用四邊形。

3.2 鑄造工藝仿真設計的過程處理

鑄造工藝仿真設計的過程處理主要有材料數據的獲取、存儲等，是前處理之后緊接著要進行的過程，是模擬運算的核心，直接決定了仿真的真實性和可靠性。

3.2.1 獲取材料數據的方法

較常用方法為試驗法和計算法。

1）試驗法指通過數學計算和實測來獲取材料相關參數的方法，主要方法與步驟包括獲取材料化學成分、力學性能參數、熱物性參數、鑄造工藝參數等。試驗法簡單、原始，對于新開發的材料、非標準鋼號及己知材料的部分性能參數，為了更好地獲取材料數據，常用此法。

2）計算法是指通過軟件自帶的材料性能計算功能，如借助其提供的計算模型，同時根據相關指令，來進行材料各種性能參數的計算和添加的方法。

此外，獲取材料數據的方法還有反求法和攝取法。反求法是相對于正向求解來說的，通過實際測試的溫度數據確定相應的邊界條件和材料熱物性。攝取法指通過其他軟件與鑄造仿真軟件之間建立數據接口，以攝取所需要的相關的材料數據信息，從而補充和完善數據庫。

3.2.2 材料數據的存儲和調用

針對鑄造仿真軟件的材料數據存儲難的問題，經過多年的研究與試驗，可以通過利用其他軟件提供給的開發平臺，將獲得的材料相關參數數據存儲到鑄造仿真軟件內。由于鑄造仿真軟件是不同國家研發的，數據標準不相同，與此同時，也需要將其他途徑獲得的數據在仿真軟件間相互調用，以實現相關參數數據通用。

3.2.3 參數設置

參數設置對鑄造工藝仿真設計較為重要。目前國內外較為常用的不同國家研發的鑄造仿真軟件有ProCAST、MAGMAsoft、華鑄 CEA、Anycasting、HOW-3D、SolidCAST、清華鑄造之星等[2]。然而，由于不同鑄造仿真軟件開發的原理、工程模型等不相同，數據標準及其他相關方面也不相同，因此參數設置內容會有所不同。如，華鑄CEA 具體設置方法和步驟為，進入物性參數設置界面，根據提示進行相關選擇，選擇預設置的材料，填寫物性參數值；清華鑄造之星具體設置方法簡單概括為充型和凝固等。值得注意的是，對于鐵模覆砂這類新型鑄造工藝，參數設置比較復雜。

3.3 鑄造工藝仿真設計的后處理

后處理內容主要為充型過程、凝固過程、應力應變等。后處理技術是從針對性內容直觀的展示相關模擬結果，以達到直觀展示及有針對性和選擇性展示。

3.3.1 充型過程

指金屬液開始充填型腔到充填結束的過程。所涉及的參數主要有：

1）充型速度。動態鑄型各部位金屬液的流動速度，速度變化的激烈程度反映了充填是否平穩，通過顏色判斷速度值，速度的方向可通過“矢量”功能鍵進行觀察。

2）溫度分布。動態鑄型各部位金屬液的溫度值。觀察內部鑄件的溫度分布，可使用“剖切”，觀察其他部位溫度，可使用“旋轉”；充型溫度的結果顯示可選擇只顯示鑄件，而非所有結構的。

3）壓力分布。動態鑄型各部位金屬液的壓力值。流動場中的充型速度，在一定程度上決定著壓力分布。在無激冷條件下充型過程的溫度分布決定鑄件的凝固順序。

4）充型固相。充型過程中合金達到固相溫度以下的百分數。

5）充型時間。各部位充型開始到充型結束的時間。充型時間的長短直接決定鑄件質量好壞，基本是呈正比。充型時間可反映鑄型內連續區域的充型是否平穩，且顏色變化越集中于某一連續的區域，出現缺陷的概率越大。

6）材料老化程度。材料老化程度通過時間單位來衡量，是金屬液流動長度和純凈度的綜合體現。

7）流動長度。金屬液由澆口流至各部位的距離，mm。流動長度主要影響因素是溫度，流動場中的充型速度反映了充型是否平穩，決定著壓力分布。

3.3.2 凝固過程

凝固過程指充型結束后合金凝固的過程，包括的后處理內容主要有溫度梯度、固相率時間等。

1）溫度梯度。指各部位達到“標準溫度2”時的溫度梯度，℃/mm。

2）凝固時間。指鑄型從開始凝固到低于固相溫度所需的時間。

3）凝固溫度分布。凝固過程中達到不同固相率時的溫度分布。

4）鑄件固相率。鑄件某一固相率達到某數值所需的時間，s。

5）尼亞瑪準則。其值是在鑄件完全凝固前達到“標準溫度1”時的溫度梯度比上冷卻速度的平方根。一般情況下，其值越小越易出現軸線縮孔縮松，值介于0.2～1.3 屬于危險區。

6）縮孔形成。主要是預測由于固相收縮引起的縮孔縮松缺陷。

3.4 鑄造工藝仿真設計的工藝改進

要獲得合格工藝、優化工藝和生產條件下最佳工藝，還需要對工藝進行不斷改進，得到適用于實際生產過程的優質工藝。具體的，鑄造工藝改進包括工藝優化和生產調優，是得到適用于實際生產工藝設計的依據和方法，是最終獲得化質鑄件的保證。

3.4.1 工藝優化

為消除設計內容以及各類參數之間的沖突，在得到合格的工藝后，需對結構設計和后處理中顯示的缺陷與不足之處進行優化。工藝優化一般有均勻試驗法和正交試驗法。均勻試驗法單獨對各因素進行組合試驗，以確定最佳值；正交試驗法兩兩因素進行組合試驗，以確定各因素最佳值。均勻試驗法和正交試驗法皆有缺陷，均勻試驗法工作量大且沒有考慮各試驗因素之間的影響，正交試驗法水平值在選擇數量上有限制，一般不多于4 個。

3.4.2 生產調優設計

主要指在生產條件下進行工藝改進，以獲得更好的鑄件質量。調優設計前要確定生產中的主要影響因素和調優方案。調優設計主要考慮的因素有鑄造工藝參數、合金熔煉工藝以及砂型的緊實率、濕強度及韌性等。生產調優設計是通過周相遷移原理來進行的，生產調優方法與步驟如圖4 所示。

圖4 調優設計流程圖

4 結語

鑄造工藝仿真是科學的應用技術，進行鐵模覆砂鑄造工藝仿真設計應用，并進行工藝優化和生產調優，有助于縮短新產品的研制周期，降低產品的生產成本，同時有助于消除熱裂、夾渣與縮松等缺陷，已成為未來鑄造巧業的一個重要的發展方向。