基于ProCAST的浇注工艺对铸件质量影响的数值模拟

谢 颖

(河北石油职业技术大学 机械工程系，河北 承德 067000)

叶轮在航空发动机、燃气轮机和蒸汽轮机、汽车、船舶涡轮增压器等机械中应用普遍，是一种将流动工质的能量转换为机械功的旋转式动力机械。叶轮结构特征复杂，制造工艺要求高，因此关于叶轮生产制造工艺的优化是机械制造领域的研究方向及热点。本文采用 ProCAST铸造模拟软件对工艺方案进行模拟优化，降低叶轮的铸造缺陷，并预测铸件铸造缺陷的分布[1]。

1 叶轮三维建模

应用SolidWORKS完成叶轮的三维实体造型，考虑到叶轮结构的复杂性，三维实体包括了工艺凸台、叶片和叶轮体底部通孔等结构，与零件实体结构完全一致，如图1所示[2]。

2 叶轮毛坯熔模铸造的过程仿真

2.1 数学方程

铸造的过程中，假设液态金属为不可压缩的牛顿流体，流体运动控制采用连续性方程[3]：

式中，D为散度；u,v,w为速度矢量在坐标中X,Y,Z方向上的分量。

根据动量守恒定律，以牛顿第二定律为基础得出粘性流体运动微分方程：

2.2 浇注工艺仿真模型

浇注系统结构主要由浇口、直浇道、横浇道、内浇道和冒口组成。本文设计三种不同的浇注工艺，应用SolidWORKS三维造型软件建立立体模型。

2.3 前处理

借助铸造工艺仿真软件ProCAST进行浇铸过程模拟与数据分析，分析浇注系统特性。

1)划分网格

将SolidWORKS文件导入ProCAST中进行网格划分，保证网格纵横比在参考值7以下，选择叶轮处的纵横比为3，浇道的纵横比为5。然后进行图形质量分析和修整，不能存在负雅各比单元，如果存在则重新划分网格。

2)边界条件以及热物性参数设置

设置材料参数和创建界面等。铸件和型壳之间的换热系数为1 000 W/m2·K，型壳与空气的换热系数为50 W/m2·K，重力方向为-Y方向，重力值为9.8 m/s2；采用1层面层、4层背层和1层封闭层工艺，型壳厚度为6～10 mm；型壳预热温度为1 000 ℃；浇注温度为1 430 ℃。

2.4 熔模铸造过程仿真结果

运行ProCAST模块开始模拟计算过程，在软件模拟过程中，用户可以在“Status”模块中实时查看计算进度，在“ViewCAST”中查看计算结果[4]。三种工艺方案不同时刻的凝固状态如图2、图3、图4所示。

如图2所示，方案Ⅰ从196 s开始，直浇道和横浇道大部分已经凝固，而叶轮底部和工艺凸台还未凝固，这就导致当叶轮底部和工艺凸台凝固时的收缩无法得到补偿而容易产生缩孔，会影响工件的质量。如图3所示，方案Ⅱ在117 s时整个叶片已经完全凝固，此时叶轮底部和浇道开始凝固，而浇道则是从四周向中间凝聚式凝固。工件的凝固速度大于浇道的凝固速度。如图4所示，方案Ⅲ中可以清楚的看到浇注系统的凝固是从叶片顶部开始的，以发散式的凝固方式由叶片向叶轮逐步蔓延，同时浇口处也开始从上往下凝固。在116 s时，叶轮的工艺凸台和内浇道几乎同时凝固。模拟结果显示，方案Ⅰ容易产生缩孔，方案Ⅱ是从四周向中间凝聚式凝固，方案Ⅲ凝固方式是从浇道的两端向浇道中心聚集式凝固。

4 结论

通过对凝固过程的比较分析，方案Ⅰ的浇注系统在凝固过程中最容易产生缩孔现象，会严重影响工件的质量，方案Ⅱ和方案Ⅲ的浇注系统产生缩孔缺陷的可能性要低于方案Ⅰ，从凝固过程来分析，方案Ⅱ和方案Ⅲ比方案Ⅰ产生的缺陷少，产品质量更好。因此，方案Ⅱ和方案Ⅲ优于方案Ⅰ。