陳學文

（1.廣東工程職業(yè)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(jīng)濟發(fā)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(nèi)年需求量較大。然而，目前我國鑄造行業(yè)存在鑄件質(zhì)量較低，鑄造工藝設計大多仍沿用傳統(tǒng)鑄造工藝經(jīng)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(yè)在“十二五”發(fā)展規(guī)劃及相關政策發(fā)布與實施下，設備在不斷升級與完善，且研發(fā)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(shù)學模型和算法的基礎上，形成了更具有理論與科學依據(jù)的鑄造仿真工藝設計流程，不僅提高了工藝的科學依據(jù)，還在很大程度上提高了鑄造企業(yè)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(nèi)壁，并加熱固化，是結(jié)合我國國情發(fā)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(diào)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(chǎn)缺陷，提高了健鑄件整體質(zhì)量。由于該工藝砂型是與鑄件結(jié)構直接接觸，而鐵型與鑄件結(jié)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(diào)整有一區(qū)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(yōu)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(chǎn)生。

3）易于實現(xiàn)機械化和自動化批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率較高。

4）成本比普通砂型鑄造低20%～30%，節(jié)約砂型80%以上。

5）可明顯消除型壁膨脹，保障尺寸精度，節(jié)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(zhì)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(shù)繁多，影響因素不確定且難控制。傳統(tǒng)鑄造工藝主要是通過不斷試制和調(diào)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(shù)學模型和算法的基礎上，形成了更具有理論與科學依據(jù)的鑄造仿真工藝設計流程，具有研發(fā)周期短、生產(chǎn)成本低、質(zhì)量穩(wěn)定等諸多優(yōu)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(chǎn)品的研發(fā)效率、生產(chǎn)成本及鑄件質(zhì)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(xù)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(wǎng)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(wǎng)格劃分主要包括網(wǎng)格形狀和大小的選擇，其結(jié)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(jié)構比較規(guī)則；確定網(wǎng)格大小要遵循零件最薄壁厚要大于網(wǎng)格單元長度，對于同一鑄件的網(wǎng)格劃分，網(wǎng)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(wǎng)格劃分，精度高，活塞尾在ProCAST 中的網(wǎng)格劃分中，因結(jié)構復雜程度適中，拐角處較多，故選擇三角形網(wǎng)格；其他大多數(shù)鑄造仿真軟件則是基于有限差分法，網(wǎng)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(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的方法

較常用方法為試驗法和計算法。

1）試驗法指通過數(shù)學計算和實測來獲取材料相關參數(shù)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(shù)、熱物性參數(shù)、鑄造工藝參數(shù)等。試驗法簡單、原始，對于新開發(fā)的材料、非標準鋼號及己知材料的部分性能參數(shù)，為了更好地獲取材料數(shù)據(jù)，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(jù)相關指令，來進行材料各種性能參數(shù)的計算和添加的方法。

此外，獲取材料數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)接口，以攝取所需要的相關的材料數(shù)據(jù)信息，從而補充和完善數(shù)據(jù)庫。

3.2.2 材料數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用

針對鑄造仿真軟件的材料數(shù)據(jù)存儲難的問題，經(jīng)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(fā)平臺，將獲得的材料相關參數(shù)數(shù)據(jù)存儲到鑄造仿真軟件內(nèi)。由于鑄造仿真軟件是不同國家研發(fā)的，數(shù)據(jù)標準不相同，與此同時，也需要將其他途徑獲得的數(shù)據(jù)在仿真軟件間相互調(diào)用，以實現(xiàn)相關參數(shù)數(shù)據(jù)通用。

3.2.3 參數(shù)設置

參數(shù)設置對鑄造工藝仿真設計較為重要。目前國內(nèi)外較為常用的不同國家研發(fā)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(fā)的原理、工程模型等不相同，數(shù)據(jù)標準及其他相關方面也不相同，因此參數(shù)設置內(nèi)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(shù)設置界面，根據(jù)提示進行相關選擇，選擇預設置的材料，填寫物性參數(shù)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(shù)設置比較復雜。

3.3 鑄造工藝仿真設計的后處理

后處理內(nèi)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(nèi)容直觀的展示相關模擬結(jié)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(jié)束的過程。所涉及的參數(shù)主要有：

1）充型速度。動態(tài)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(wěn)，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(tài)鑄型各部位金屬液的溫度值。觀察內(nèi)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(zhuǎn)”；充型溫度的結(jié)果顯示可選擇只顯示鑄件，而非所有結(jié)構的。

3）壓力分布。動態(tài)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(shù)。

5）充型時間。各部位充型開始到充型結(jié)束的時間。充型時間的長短直接決定鑄件質(zhì)量好壞，基本是呈正比。充型時間可反映鑄型內(nèi)連續(xù)區(qū)域的充型是否平穩(wěn)，且顏色變化越集中于某一連續(xù)的區(qū)域，出現(xiàn)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(xiàn)。

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(wěn)，決定著壓力分布。

3.3.2 凝固過程

凝固過程指充型結(jié)束后合金凝固的過程，包括的后處理內(nèi)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(shù)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(xiàn)軸線縮孔縮松，值介于0.2～1.3 屬于危險區(qū)。

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(yōu)化工藝和生產(chǎn)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(chǎn)過程的優(yōu)質(zhì)工藝。具體的，鑄造工藝改進包括工藝優(yōu)化和生產(chǎn)調(diào)優(yōu)，是得到適用于實際生產(chǎn)工藝設計的依據(jù)和方法，是最終獲得化質(zhì)鑄件的保證。

3.4.1 工藝優(yōu)化

為消除設計內(nèi)容以及各類參數(shù)之間的沖突，在得到合格的工藝后，需對結(jié)構設計和后處理中顯示的缺陷與不足之處進行優(yōu)化。工藝優(yōu)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(shù)量上有限制，一般不多于4 個。

3.4.2 生產(chǎn)調(diào)優(yōu)設計

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

圖4 調(diào)優(yōu)設計流程圖

4 結(jié)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(yōu)化和生產(chǎn)調(diào)優(yōu)，有助于縮短新產(chǎn)品的研制周期，降低產(chǎn)品的生產(chǎn)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(yè)的一個重要的發(fā)展方向。