基于ProCAST的制動鑄件精確成形數值模擬與工藝提升

張云平

基于ProCAST的制動鑄件精確成形數值模擬與工藝提升

張云平

（常熟天地煤機裝備有限公司，江蘇 常熟 215500）

針對排氣制動閥鑄造工藝控制不當會產生缺陷這一問題，結合模擬分析，提出合理的鑄造工藝方案，以減少鑄件缺陷。基于ProCAST軟件對蝶閥閥體鑄造工藝進行模擬，研究閥體鑄件在充型、凝固過程中的速度場、溫度場、固相率分布和缺陷分布，并根據模擬結果對工藝進行優化。添加側冒口和冷鐵后，閥體的縮松縮孔缺陷得到了有效控制，缺陷體積減少了95%以上，獲得了完整鑄件。通過鑄造模擬有效指導了排氣制動用蝶閥的生產實踐，優化了生產工藝，節約了生產成本。

ProCAST；排氣制動閥；球墨鑄鐵；數值模擬；鑄造缺陷

煤礦機械和工程機械常通過控制尾氣的排放來實現輔助制動，即排氣制動，實現這一功能的關鍵部件稱為排氣制動閥。排氣制動可以防止煤礦機械和工程機械在制動過程中的側滑，并具有可以延長輪胎使用壽命、節省燃料、保護行車制動器等優點。排氣制動閥作為一種性價比較高的輔助制動裝置，在煤礦機械和工程機械中得到了廣泛應用[1-3]。排氣制動閥總成主要有操縱缸分總成、聯接部分、蝶閥分總成3部分組成，其中蝶閥是排氣制動閥中的重要部分，對整個排氣制動閥的性能有重要影響。

排氣制動用蝶閥在機械中應用廣泛、需求量大，主要的生產方式是鑄造，若在鑄造過程中因工藝控制不當產生內部缺陷，會帶來較大的經濟損失。排氣制動用蝶閥在鑄造過程中常見的缺陷主要有縮孔、裂紋、氣孔、渣孔、夾砂、冷隔等，其中最常見的是縮孔和裂紋，這些缺陷往往會導致鑄件報廢。因此，如何低成本地鑄造高質量的排氣制動用蝶閥對減少生產成本至關重要[4-5]。鑄造模擬仿真技術可以實現對鑄造過程中金屬液充型和凝固的直觀觀察以及缺陷大小、分布的精準預測，從而優化鑄造工藝，有效減少產品的研發周期和生產成本[6-12]。文中以排氣制動用核心鑄件–蝶閥為研究對象，擬通過ProCAST軟件對蝶閥閥體鑄造工藝進行有限元模擬，確定鑄件在澆注、充型、凝固過程中的溫度場、固相率分布和缺陷分布等關鍵影響因素，并根據鑄件實際工藝缺陷情況進一步優化模擬結果，以指導蝶閥類鑄件的工藝設計[13-15]。

1 數值模型的建立

1.1 鑄件的三維模型設計與網格劃分

圖1為采用UG建模得到的蝶閥鑄件和澆注系統的三維模型。該鑄件采用頂部澆注，澆口在鑄件尾部法蘭的上方。由于鑄件尺寸較小，為了提高鑄件生產效率，采用一模四箱的生產工藝，鑄件尾端靠近澆道法蘭上下處各有一個凸臺，在此處的金屬液更傾向于最后凝固。鑄件主體為中空的圓柱狀，其壁厚為17 mm，內部為導熱性良好的砂芯，上方的細長圓柱體為鑄件的出氣孔[16-17]。

將三維模型導入到MeshCAST中進行網格劃分和修復，為了保證計算精度，鑄件網格劃分尺寸較小。QTR Si4Mo1鑄件面網格示意圖如圖2所示，劃分完成后共有面網格71 834個，體網格約131萬個。

圖1 QTR Si4Mo1鑄件及澆注系統的三維圖

圖2 QTR Si4Mo1鑄件面網格示意圖

1.2 材料熱物性參數與模擬參數設置

鑄件材質為QTR Si4Mo1球墨鑄鐵，鑄型材料為Resin Bonded Sand，鑄件與鑄型之間的接觸面換熱類型為COINC，換熱系數設置為500 W/(m2·K)，采用砂型重力鑄造，澆注時間為25 s，澆注溫度選擇1 480 ℃，鑄型的初始溫度為20 ℃，冷卻方式選擇空冷，計算結束條件為鑄件溫度達到800 ℃[18-20]。使用ProCAST軟件內置數據庫計算的材料熱物性參數如圖3所示。

2 初步模擬結果及分析

2.1 充型過程分析

圖4為鑄件澆注的充型速度場。在澆注初期，金屬液的流動速度較大，當澆注至40%時，從圖4b圈出部分可以看到金屬液流速突增，該過程是金屬液從鑄件上部沿著型芯流至鑄件底部的過程，這個過程易發生卷氣夾渣。在充型末期，金屬液從下到上充滿整個型腔，速度較為緩慢。

充型過程中溫度場的變化情況可以反映出金屬液流動過程中的溫度差異。QTR Si4Mo1鑄件充型過程溫度場如圖5所示。圖5c中箭頭所指位置的溫度低于周圍區域溫度，說明此處先于周圍區域凝固。鑄件充型完成后，圖5d中箭頭所指的法蘭盤處由于遠離內澆道并且型壁較厚，也出現了先凝固區域，這會導致周圍的金屬液難以補縮進而影響澆注質量[21-22]。

2.2 凝固過程分析

2.2.1 凝固過程溫度場

凝固過程的溫度場變化情況可以作為判斷鑄件內部縮松縮孔情況的一個重要參考，可以用于預測鑄件的凝固順序以反映出鑄件熱節的部位。鑄件凝固過程中的固相率分布情況和凝固時間如圖6所示。由圖6d中圈出部位可知，當整體凝固80%時，鑄件法蘭盤仍存在金屬液，這是明顯的液相隔離現象，有很大概率出現縮松縮孔缺陷。

圖3 合金熱物性參數

圖4 鑄件澆注的充型速度場

2.2.2 順序凝固過程

通過觀察和分析鑄件的凝固順序可以確定因金屬液最后凝固而孤立無補縮的區域，這種區域有極大概率產生缺陷。在鑄件順序凝固過程中固相率小于60%的區域如圖7所示。從圖7f可以看出，鑄件的最后凝固區域為法蘭盤處，該處是最易產生缺陷的位置。

圖5 QTR Si4Mo1鑄件充型過程溫度場

2.3 缺陷分析

ProCAST鑄造模擬軟件可以預測出最可能存在縮松縮孔的區域。鑄件在凝固后的缺陷分布情況如圖8所示，鑄件內部的顆粒就是缺陷所在位置。根據ProCAST軟件統計結果可知，平均孔隙體積為1.656 5 cm2。

從圖8可以看出，顆粒集中的區域在法蘭盤處，這意味著縮松縮孔等缺陷主要出現在此處，與凝固過程分析結果一致，這主要是因為法蘭盤遠離內澆道并且型壁厚度較大。由圖7f可知，當鑄件凝固60%時，內澆道和鑄件中段優先凝固，導致補縮通道堵死，金屬液無法及時補縮，最終在法蘭盤處形成孤立的液相區，進而形成縮松縮孔缺陷。綜上，鑄件熱節較大、澆注系統設計（凝固順序）不合理是導致鑄件產生鑄造缺陷的主要原因[23-24]。

圖6 固相率分布和凝固時間

圖7 QTR Si4Mo1 鑄件順序凝固過程中固相率小于60%區域

圖8 鑄件在凝固后的缺陷分布情況

3 鑄造工藝改進

3.1 工藝優化方案

根據上述分析確定了縮松縮孔可能出現的區域，并由鑄件充型和凝固過程可知，上述澆注系統不利于鑄件順序凝固，因此對蝶閥的鑄造工藝進行改進，主要的改進措施是添加側冒口和冷鐵，具體改進方案如下。

1）設置側冒口。由于鑄件法蘭盤處存在部分縮松縮孔，選擇添加側冒口進行補縮，并且為了方便工藝操作采取通用冒口。通用冒口的設計方法遵循順序凝固的原則，即凝固時間冒口>冒口頸>鑄件。在鑄型中，冒口的型腔是存貯液態金屬的空腔，在蝶閥凝固過程中補給金屬液可以防止縮松、縮孔、排氣和集渣[25-26]。

2）設置冷鐵。如圖9所示，在上述模擬缺陷集中的法蘭盤處設置2塊冷鐵，具體冷鐵放置位置與大小如圖9a和圖9b所示。選用1號冷鐵的目的是幫助冒口補縮法輪盤，選擇2號冷鐵的目的是補縮鑄件后下方的縮松、縮孔。

圖9 側冒口的位置、冷鐵的位置和尺寸

3.2 優化方案模擬結果分析

基于上述對鑄件添加側冒口和冷鐵的工藝改進方案，下面詳細分析工藝改進后鑄件的凝固過程以及縮松縮孔的位置及其體積大小。工藝優化后鑄件的凝固過程如圖10所示，由于鑄件是一模四腔，設置1#為未設冷鐵的鑄件，2#為設置冷鐵的鑄件（作為對照組）。

3.2.1 順序凝固過程分析

從圖10a可以看出，當凝固50%時，1#鑄件法蘭盤底部仍有金屬液存在，而2#鑄件法蘭盤底部金屬液已經凝固，這意味著添加冷鐵的區域較未加冷鐵的區域凝固速度更快。蝶閥在設置冷鐵后按照自下到上的順序凝固，凝固過程中的孤立液相區消失，這有利于減少鑄件底部的縮松縮孔。

圖10 工藝優化后的凝固過程

3.2.2 縮松、縮孔

工藝改進后縮松縮孔的分布情況如圖11所示。可以看出，在鑄件加設冷鐵和冒口后，法蘭盤的縮松有明顯改善，圖11鑄件中的平均孔隙體積為0.081 5 cm2，較改進前下降了95%，缺陷大部分轉移至冒口中，說明冒口和冷鐵起到了良好的冷卻和補縮作用，設置冷鐵和冒口這一工藝是合理的。

圖11 工藝改進后的縮松縮孔分布

圖12為改進工藝后的鑄件。因為冒口和冷鐵的配合以及鑄造工藝方案的提升，獲得了完整無缺陷的鑄件，成品率顯著提高。

圖12 改進工藝后的完整毛坯鑄件

4 結論

1）采用鑄造模擬軟件ProCAST研究了排氣制動用蝶閥的鑄造過程，通過觀察和分析鑄件充型和凝固過程的溫度場、速度場、凝固順序、縮松縮孔等模擬結果，預測了可能出現缺陷的位置。

2）根據鑄件模擬結果提出了針對性改進工藝，并通過設置冒口和冷鐵調控補縮效果，分析了改進工藝的合理性。通過設置冒口和冷鐵等改進工藝，鑄件內部的缺陷消除了95%以上，優化了生產工藝。

[1] 李勇. 某重型商用車系統及關鍵零部件可靠性分析[D]. 合肥: 合肥工業大學, 2018: 66-75.

LI Yong. Reliability Analysis of a Heavy Commercial Vehicle System and Key Components[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2018: 66-75.

[2] 張利娟. 排氣制動閥結構原理及設計[J]. 汽車科技, 2017(3): 95-100.

ZHANG Li-juan. The Structure and Principle Design of Exhaust Brake Valve[J]. Auto Sci-Tech, 2017(3): 95- 100.

[3] 韓云濤, 劉柯軍, 張義和. 重型卡車排氣制動閥支架失效有限元分析[J]. 失效分析與預防, 2013, 8(3): 145-150.

HAN Yun-tao, LIU Ke-jun, ZHANG Yi-he. Vibration Characteristics and Failure Analysis of a Heavy-Duty Truck Exhaust Brake Bracket Using Finite Element Technique[J]. Failure Analysis and Prevention, 2013, 8(3): 145-150.

[4] 宋正義. 鑄鋼蝶閥的缺陷分析及解決措施[J]. 科技視界, 2019(16): 32-34.

SONG Zheng-yi. Defect Analysis and Solution of Cast Steel Butterfly Valve[J]. Science & Technology Vision, 2019(16): 32-34.

[5] 徐志新, 余新泉, 顧洋, 等. 核級蝶閥閥體鑄造工藝數值模擬[J]. 材料科學與工藝, 2013, 21(1): 118-122.

XU Zhi-xin, YU Xin-quan, GU Yang, et al. Numerical Simulation of Casting Process for Nuclear Power Butterfly Valve Body[J]. Materials Science and Technology, 2013, 21(1): 118-122.

[6] SHANG Yong, PEI Yan-ling, GONG Sheng-kai, et al. Directional Solidification Behavior of Turbine Blades in DZ125 Alloy: Design of Blade Numbers on Assembly[J]. Rare Metals, 2020, 40(5): 1134-1144.

[7] DOU Yang-qing, BU Kun, DOU Yang-liu, et al. Reversing Design Methodology of Investment Casting Die Profile Based on ProCAST[J]. China Foundry, 2010, 7(2): 132-137.

[8] 劉夢飛, 姚志浩, 董建新. 數值模擬在整鑄渦輪精密成形中的應用現狀[J]. 精密成形工程, 2021, 13(1): 35-43.

LIU Meng-fei, YAO Zhi-hao, DONG Jian-xin. Application Status of Numerical Simulation in Precision Forming of Block Casting Turbine[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2021, 13(1): 35-43.

[9] 蔡虎, 王嘉誠, 付文笙, 等. 基于計算機模擬的支架鑄鋼件鑄造工藝設計及優化[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 153-161.

CAI Hu, WANG Jia-cheng, FU Wen-sheng, et al. Design and Optimization of Steel Casting Process for Bracket Based on Computer Simulation[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 153-161.

[10] 王倩, 吳亞夫, 吳劍濤, 等. ProCAST數值模擬在高溫合金精密鑄造中的應用[J]. 金屬功能材料, 2019, 26(6): 32-36.

WANG Qian, WU Ya-fu, WU Jian-tao, et al. Application of ProCAST Numerical Simulation in Superalloy Investment Casting[J]. Metallic Functional Materials, 2019, 26(6): 32-36.

[11] KUMAR R, MADHU S, ARAVINDH K, et al. Casting Design and Simulation of Gating System in Rotary Ada-p-tor Using ProCAST Software for Defect Minimizati-on[J]. Materials Today: Proceedings, 2020, 22: 799-805.

[12] 聶金成, 諶黎明, 葉潔云, 等. 大型鑄鋼支架鑄造工藝數值模擬與優化設計[J]. 鑄造技術, 2019, 40(11): 1178-1182.

NIE Jin-cheng, CHEN Li-ming, YE Jie-yun, et al. Numerical Simulation and Optimization Design of Cating Process for Large Cast Steel Brackets[J]. Foundry Technology, 2019, 40(11): 1178-1182.

[13] 葉升平, 管士飛, 熊凱, 等. 消失模鑄造DN1200蝶閥閥體實踐[J]. 現代鑄鐵, 2004(5): 48-50.

YE Sheng-ping, GUAN Shi-fei, XIONG Kai, et al. Practice to Produce DN1200 Butterfly Valves with EPC Process[J]. Modern Cast Iron, 2004(5): 48-50.

[14] 徐生龍, 肖太勝. 厚大斷面球鐵雙偏心蝶閥鑄造工藝優化[J]. 特種鑄造及有色合金, 2018, 38(6): 648-650.

XU Sheng-long, XIAO Tai-sheng. Optimization of Casting Process of Double Eccentric Butterfly Valve with Thick and Large Cross Section[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2018, 38(6): 648-650.

[15] 陳永龍, 劉文川. 大型球墨鑄鐵件鑄造工藝的優化設計[J]. 熱加工工藝, 2011, 40(9): 195-199.

CHEN Yong-long, LIU Wen-chuan. Optimizing Design of Casting Process for Large Ductile Iron Castings[J]. Hot Working Technology, 2011, 40(9): 195-199.

[16] 馬煜林, 劉少華, 紀良鑫. 基于ProCAST吸鑄殼體鑄鋁件鑄造工藝設計[J]. 鑄造, 2021, 70(1): 94-98.

MA Yu-lin, LIU Shao-hua, JI Liang-xin. Casting Process of Aluminum Suction Valve Housing Based on ProCAST[J]. Foundry, 2021, 70(1): 94-98.

[17] 朱陽. 基于ProCAST的汽車掛車閥壓鑄工藝優化[J]. 鑄造, 2019, 68(10): 1155-1158.

ZHU Yang. Optimization of Die Casting Process for Automobile Trailer Valve Basedon ProCAST[J]. Foundry, 2019, 68(10): 1155-1158.

[18] 楊亞杰. 鑄造模擬軟件ProCAST[J]. 智能制造, 2004, S1: 109-111.

YANG Ya-jie. Casting Simulation Software ProCAST[J]. Intelligent Manufacturing, 2004, S1: 109-111.

[19] 李日. 鑄造工藝仿真ProCAST從入門到精通[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 2010: 201-220.

LI Ri. Casting Process Simulation ProCAST from Introduction to Mastery[M]. Beijing: China Water and Power Press, 2010: 201-220.

[20] 張川, 余瑾. 基于ProCAST的124D型主泵泵殼鑄造工藝設計及優化[J]. 大型鑄鍛件, 2020(1): 14-17.

ZHANG Chuan, YU Jin. Casting Process Design and Optimization of 124D Main Pump Casing Based on ProCAST[J]. Heavy Casting and Forging, 2020(1): 14-17.

[21] 田淋禾, 李立新, 張超. 基于ProCAST的鋁合金減速機支架消失模鑄造工藝的模擬及優化[J]. 鑄造工程, 2019, 43(5): 19-24.

TIAN Lin-he, LI Li-xin, ZHANG Chao. Simulation and Optimization of Casting Process for Aluminum Alloy Reducer Bracket Based on ProCAST Risers[J]. Foundry Engineering, 2019, 43(5): 19-24.

[22] 郭巨壽, 陶健全, 康鳳, 等. 發動機活塞裙鑄造過程模擬及工藝優化[J]. 精密成形工程, 2016, 8(6): 76-79.

GUO Ju-shou, TAO Jian-quan, KANG Feng, et al. Casting Process Simulation and Optimization of Engine Piston Skirt[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2016, 8(6): 76-79.

[23] 樊超, 王光明, 張挨元, 等. ProCAST模擬仿真技術在鑄鋼件缺陷預測中的應用[J]. 鑄造技術, 2019, 40(7): 705-707.

FAN Chao, WANG Guang-ming, ZHANG Ai-yuan, et al. Application of ProCAST Simulation Technology in Defect Prediction of Cast Steel Castings[J]. Foundry Technology, 2019, 40(7): 705-707.

[24] 白瑀, 張浩, 黃亮. 基于ProCAST的葉輪熔模鑄造數值模擬仿真及優化[J]. 熱加工工藝, 2021, 50(11): 71- 75.

BAI Yu, ZHANG Hao, HUANG Liang. Numerical Simulation and Optimization of Impeller Investment Casting Based on ProCAST[J]. Hot Working Technology, 2021, 50(11): 71-75.

[25] 劉秀華. 基于ProCAST有限元模擬對襯板鑄造工藝參數的優化[J]. 鑄造技術, 2019, 40(7): 675-678.

LIU Xiu-hua. Optimization of Lining Casting Process Parameters Based on ProCAST Finite Element Simulation[J]. Foundry Technology, 2019, 40(7): 675-678.

[26] 王成玥, 胡清和, 陳峰. 基于ProCAST的殼座壓鑄數值模擬及工藝優化[J]. 特種鑄造及有色合金, 2019, 39(2): 143-146.

WANG Cheng-yue, HU Qing-he, CHEN Feng. Numerical Simulation and Processing Optimization of Die-Ca-st-ing Shell Seat Based on the ProCAST Software[J]. Sp-e-c-ial Casting & Nonferrous Alloys, 2019, 39(2): 143- 146.

Casting Numerical Simulation of Butterfly Valve for Exhaust Brake Based on ProCAST

ZHAGN Yun-ping

(Changshu Tiandi Coal Mining Equipment Co., Ltd., Jiangsu Changshu 215500, China)

The work aims to propose a reasonable casting process scheme in combination with simulation analysis to reduce the casting defects caused by improper control of exhaust brake valve during casting process. The ProCAST software was used for simulation of the butterfly valve casting process.The flow field, temperature field, solid rate distribution and defect distribution of the valve casting during mold filling and solidification were studied, and the process was optimized according to the simulation results.The results showed that the shrinkage porosity of the casting was effectively controlled, and the defect volume was reduced by more than 95% after the addition of side riser and cold iron. Through casting simulation, the production practice of butterfly valve for exhaust brake is effectively guided, the production process is optimized and the production cost is saved.

ProCAST software; exhaust brake valve; spheroidal graphite cast iron; numerical simulation; casting defects

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.09.014

TG244；TG245

A

1674-6457(2022)09-0097-07

2022–02–13

中煤科工集團上海有限公司科研開發項目（02090804822Y）

張云平（1968—），男，高級工程師，主要研究方向為礦山機械設計及制造工藝。

責任編輯：蔣紅晨