基于ProCAST的铸造拉伸试棒的工艺模拟及优化*

李清清，宋宪臣，方嘉勤，彭小邦

（东华理工大学机械与电子工程学院，江西 南昌 330013）

0 引言

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造大致分为3个过程，即金属准备、铸型准备和铸件处理[1～2]。卷气、夹渣、铸造不足等铸造缺陷易在第一阶段金属准备过程中产生，因此良好的工艺过程是生产高质量铸件的必要保障，而铸造拉伸试棒的使用与传统的生产方法相比，节约了机械加工的时间，且提高了一半的效率。这样不仅可以快速获得实验数据，还可以节省大量材料成本。为了使铸件测得的机械性能等相关实验数据与材料真实性能近似一致，铸件应该无气孔、残余应力和缩松缩孔等缺陷。

近年来出现了一系列用计算机程序模拟液态金属流动和热传导现象的软件，美国UES公司设计开发的铸造模拟软件ProCAST是比较成功的，它采用优于FDM（有限元差分法）的FEM（有限元）算法达到对金属液充满型腔整个过程、凝固过程的精确模拟及缺陷的综合求解和预测，为生产铸造工程工艺设计工作人员提供了工艺设计的保障平台和理论上的支持。市场上的计算机模拟软件大都是通过对各种物理场（温度、固相率等）的有限元分析计算来预测缺陷产生的位置。而通过对具有不同热物理性能的材料进行实际测量可以保证采取使用ProCAST软件仿真和计算分析铸件由L→S（液→固）整个过程和缩松缩孔缺陷时的可靠性[3～5]。运用Pro/E、UG等工程软件绘制铸件的三维模型并转换为Parasolid格式导入到铸造软件ProCAST中，对金属液的充型过程和凝固过程进行综合计算求解，然后通过分析计算结果即通过模拟中的铸件由L→S的时间以及固相率，得出铸件可能产生缺陷的地方，根据缺陷的位置提出改进方案并改进工艺办法，减少缺陷，提升铸件生产可用性，满足铸件标准使用要求。

本文应用ProCAST铸造模拟软件对铸造拉伸试棒工艺中的充型过程、凝固过程及部分物理场进行模拟并通过改变金属液的充型过程——改变浇道设计，从而确定出更好的拉伸试棒铸造工艺方案。

1 铸件工艺方案的初步设计与数值模拟

1.1 ProCAST介绍及铸件特征分析

铸件的模型设计创建可以使用工程师中流行的诸如Pro/E、UG等三维建模软件作为前处理软件，输出Pro-CAST协议通过的模型类别和网格文件，如IGES、Parasolids、STL等格式；MeshCast模块对读入的模型进行几何检查、几何修复等，并且根据指令做出划分出适合的表面网格、体网格等操作；生成网格之后由PreCAST模块进行界面、边界、初始条件、模拟参数及材料的设定；DataCAST检查模型及前一步之前模块中对网格模型及边界条件的设定是否有错误，若有错误则返回修改错误，若无错误进行下一步计算；ViewCAST显示模拟结果，可以对充型、凝固过程进行分析[6]。

本文所研究的拉伸试棒材料为A356合金，铸型材料为H13钢，图1所示为试棒的二维尺寸图，A356铝合金成分如表1所示。

图1 试棒二维尺寸

表1 铸件化学成分（质量分数，wt%）

1.2 初始铸造工艺方案

经查阅资料决定采用内浇道在底部的设计——底注式浇注系统。该设计办法充型平稳，降低对型芯的冲击力，还可以保护金属液不会被快速氧化使充型平稳，这样缺陷形成率就较低，而且使用硬模铸造方法得到的铸件表面质量相对较高，且铸件的质量和尺寸精度相对稳定[7～8]。首先使用UG三维绘图软件绘制铸件模型，本次研究的金属型腔设计成4件一型，其中包括两个拉伸试棒，两个金相试样棒，铸件三维模型如图2所示。将绘制好的铸件三维模型转换格式导入Visual-mesh中，对铸件依次进网格划分、检查网格、绘制体网格、检查体网格、选择浇注位置与方向和设定边界条件等步骤。网格划分必须依据铸件特点分类划分，以提高整个铸件的划分精度和模型的计算效率，因此网格大小必须采用分级划分，型壳网格大小选取10 mm，浇道网格划分6 mm，铸件网格大小划分4 mm，面网格数量共计26416个，体网格数量280436个，网格模型如图3所示。

图2 铸件三维模型

图3 网格模型

1.3 选择边界条件

传热系数由数据库获得，铸型即金属型壳和铸件之间的传热系数选择2000 W/(m2·K)；金属型壳与大气之间传热是热对流、热辐射综合作用的结果，软件模拟中应只考虑对流对其传热系数为20 W/(m2·K)，环境温度设置为20℃[9]；金属液开始浇注温度设为680℃；由于该铸件整体体积较小，须预热模具至200℃以防止在金属液冷却过快导致的充型不完整；在模拟过程中可设置浇口面积和充型时间，就可以得出充型速度；浇注时间为5 s，冷却方式在数据库中选择空冷[10]；浇注方式选择重力浇铸，最大充型率设置为1，模拟过程终止温度设置为50℃，模拟总过程调整3000步最大运行步数，1300步终止模拟步数，设置完毕开始进行模拟计算。

2 铸造过程分析

2.1 充型过程模拟及分析

将金属液注入型腔内部直至完全充满需6.68 s，图4所示为铸造过程中几个时间段的充型模拟结果：图4（a）为充型率达到20.8%时的情况，充型时间约为1.28 s，溶体金属液缓缓进入型腔内部；图4（b）为充型41.7%时的情况，可以看出溶液缓缓上升，由下朝上运动逐渐充满整个型腔，此时溶液相对稳定；图4（c）为充型达到75.1%时的情况，大概用时4.9 s；图4（d）则表示整个铸件已经全部充满。

图4 不同充型时间云图

模拟铸造过程中整个溶液充型过程都较为平缓稳定，没有出现冷隔和浇不足的缺陷，也未出现飞溅、喷射等状态。因而，浇注系统与参数的初始工艺方案能够满足铸件的充型要求[11～12]。

2.2 凝固过程模拟结果与分析

图5（a）所示为铸件各个位置凝固过程的模拟仿真图示。当t=7 s时，靠近浇道的两个试样的端部开始凝固，随时间的步步增加，铸件其他位置也开始凝固，最后铸件凝固完成，整个凝固过程耗时大概21.87 s。从整个凝固过程分析，靠近浇道底部溶体堆积较多的部分及浇道中间较厚部位凝固时间长些，具体原因是这些部位溶体堆积较多、散热相对薄处较缓慢，四周溶体较少堆积部分已经凝固而溶液堆积处部分还没有完全凝固。图5（b）为固相分数分布图，固相体积分数由左侧标尺可以看出是从0到1，表示金属液从L→S（液→固）的流程。打开Procast中Viewcast模块的Cut/off Control面板，将Cut/off Values调成0.7，之后点击Run观察固相分数变化。图中灰色位置处容易生成缺陷，因为这些部位凝固慢又得不到周围金属液的补缩从而形成孤立的液相区，最终形成收缩缺陷[13]。对整个凝固过程的分析可以预先分析出缩松缩孔出现的可能部位，并以此为据提出解决此类问题的措施，因为铸造过程中出现的缺陷基本都是缩松缩孔，而缩松缩孔是发生在溶液由L→S（液→固）过程中的。

图5 凝固过程分析

图6 所示为铸件缩松缩孔等缺陷的分布图，图中清晰地表达了缺陷产生的部位，缺陷的位置很均匀说明工艺方案并不是很好，且拉伸试样和金相试样接近中间部位的铸造缺陷明显突出，大概14%的孔隙率，剩下部分如图浇道内部和底部也存在着数量相当多的缩松瑕疵但是浇注系统内存在的较大缺陷，但与拉伸试棒的性能并无关联，故这些缺陷可以忽略。因为只有铸件上具有极少的缩松缩孔即极低的孔隙率才能铸造出力学性能接近于真实值的铸件，所以该方案应该进一步优化，本次模拟主要通过改变浇道进行工艺改善，减少并尽可能完全去除铸件的收缩问题，使铸件符合相应使用要求。

图6 铸件缺陷分布

3 铸造工艺方案的优化及模拟分析

如图7所示，在原始方案的基础上将中间直浇道改为“S”形浇道。由于浇道的变化，网格的划分也要根据模型的变化划分，还是要分级划分，溶液堆积多的转弯处网格要划分细致。从工艺的模拟结果来看，在原始工艺的基础上浇道改为“S”形，这样可以减缓金属液的充型速度从而降低卷气的可能，而横浇道的两头各延长一段间距可用来存放浇注时合金液之前的杂质溶液，在金属型顶部同样开有15 mm的间距，该间距既可用作排气，也可存放金属杂质溶液。图8所示为改变浇道后模拟的铸件缺陷图，可以看出与初始方案浇注时相比缺陷减少很多，通过分析优化后的工艺方案得知，与原有方案相比，明显提升了铸件的品质，缩松缩孔明显减少，缩松缩孔的减少代表孔隙率的降低，孔隙率的降低表明优化方案是符合设计预期的，优化方案虽未能完全消除缺陷，但也达到了较理想的效果，后续可进一步优化。

图7 S形浇道网格

图8 缺陷分布

4 结束语

（1）通过对整个金属液充型过程中的模拟分析表明，“S”形浇道能够使金属充型速度降低，使金属液不会飞溅，充型平缓稳定，避免卷气。

（2）通过对优化方案的金属溶液由L→S（液体→固体）的过程分析表明，铸件中的缩松缩孔是明显减少的，缩松缩孔的减少代表孔隙率的降低，孔隙率的降低表明该设计可以解决此类问题。

（3）结果表明，ProCAST数值计算仿真技术可以通过可视化的充型、凝固过程分析铸造过程，预测缺陷发生的位置并确定诸如缩松等缺陷的原因。这便于有效地设计部件，它有助于排除现有铸件的故障，该技术明显降低了成本和时间，节约了资源。