铸件充型凝固过程数值模拟
1 概述
欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。
铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝
固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验
方法。
1.1 数学模型
熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。
质量守恒方程
? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1)
动量守恒方程
?（ρ u）/? t+u?（ρ u）/? x+v?（ρ u）/? y+w?（ρ u）
/?z
= -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/?
z2)+ρ g x (2-2a)
?（ρ v）/? t+u?（ρ v）/? x+v?（ρ v）/? y+w?（ρ v）
/?z
= -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ
g y (2-2b)
?（ρ w）/? t+u?（ρ w）/?x+v?（ρ w）/? y+w?（ρ w）
/? z
= -? p/?z+μ (?2u/? x2+?2v/? y2+? 2w/?
z2)+ρ g z (2-2c)
体积函数方程
?F/? t+?（Fu）/? x+?（Fv）/? y +?（Fw）/? z=
0 (2-3)
能量守恒方程
?（ρc p T）/?t+?（ρ c p uT）/?x+?（ρ c p vT）/? y +?（ρ c p wT）
/? z
= ?（λT/?x）/?x+?（λT/? y）/? y +?（λT/? z）/? z
+q v (2-4)
式中u,v,w —— x,y,z 方向速度分量(m/s)；ρ——金属液密度(kg/m3)；t ——时间(s)；p ——金属液体内压力(Pa)；μ ——金属液分子动力粘度（Pa.s）；g x, g y, g z —— x,y,z 方向重力加速度(m/s2)；F ——体积函数，
0≤F≤1；c p ——金属液比定压热容[J/(kg.K)]；T ——金
属液温度(K)；λ ——金属液热导率[W/(m.K)]；q——热源项[J/(m3.s)]。
1.2 实体造型和网格剖分
欲进行三维充型凝固过程数值模拟，首先需要铸件的几何信息，具体地说是要根据二维铸件图形成三维铸件实体，然后再对铸件实体进行三维网格划分以得到计算所需的网格
单元几何信息。
利用市场上成熟的造型软件（如UG，ProE, Solid-Edge, AutoCAD等）进行铸件铸型实体造型，然后读取实体造型后产生的几何信息文件（如STL文件），编制程序对实体造型铸件进行自动划分，这种方法可以大大缩短几何条件准备时间。剖分后的网格信息包括单元尺寸和单元材质标识。
1.3 数值计算方法
用于铸件充型凝固过程数值计算的方法主要有3种：有限差分法、控制容积法（又称有限体积法）和有限元法，后两种方法采用的较少，目前在铸造市场上推广的一些数值模拟软件大部分采用的是有限差分法。以有限差分法为例，方程（2—1）的离散采用中心差分方法，方程（2—2）和（2—4）
的离散采用上风方案和中心差分方案相结合的方法。
充型过程中液态金属自由表面是不断变化的，每个时间步长对应的计算域均不相同，新的计算域的确定是通过求解方程(2-3)得到的。普通的数值方法在离散方程(2—3)时将造成很大的假扩散问题，计算结果将出现界面模糊（Smearing）现象，在F=1 与F=0 之间存在大量自由表面单元。为了得到清晰的自由表面，美国的科研人员发展了一种VOF（Volume of Fluid）方法，较好地处理了流体流动过程的自由表面计算问题。目前在计算流体力学领域已经在VOF方法的基础上开发了一些更准确的方法，可以获得更精确的流体流动过程自由表面变化。
充型凝固过程数值计算步骤如下:
1) 将铸件和铸型作为计算域，进行实体造型、剖分和单元标识。
2) 给出初始条件、边界条件和金属、铸型的物性参数。
3) 求解体积函数方程得到新时刻流体流动计算域。
4) 求解连续性方程和动量方程，得到新时刻计算域内流体速度场和压力场。
5) 求解能量方程，得到铸件和铸型的温度场及液态金属固相分数场。
6) 增加一个时间步长，重复3)～6)步至充型完毕。
7) 计算域内流体流动速度置零，调整时间步长。
8) 将充型完毕时计算得到的铸件和铸型温度场作为初始温度条件，求解能量方程至铸件凝固完毕。
9) 计算结果后处理，进行铸造工艺分析、铸件缺陷预报和工艺参数优化工作。
1.4 应用实例
下面给出一个利用ZCAST软件对低压铸造铝合金轮毂铸件的铸造工艺参数进行优化的实例。
在轮毂铸件低压铸造过程中，自动控制模具温度对防止产生缩孔缩松缺陷、组织粗大以及生产周期延长很重要。在金属型模具设计中模拟计算和水冷控制器可以作为一种重要的工具。通过模拟循环过程中轮毂铸件的流动和凝固设计合理的冷却系统。通过使用水冷控制器控制模具的热量散失或积聚。在铸造厂家的低压铸造轮毂铸件生产线上通过减少循环时间和铸造缺陷可以提高生产率。
模拟计算步骤如图2-1所示。首先进行前处理，前处理的主要工作是计算域内铸件铸型的3维实体造型，然后在ZCAST软件中导入实体造型文件，输入计算边界条件,包括入流边界、初始温度、热电偶位置设置等。
图2-1 数值计算过程
前处理完毕之后开始数值模拟计算，包括一个循环当中的合型和开型过程，合型过程考虑充型和凝固，开型过程只考虑铸型型腔的传热。数值模拟计算部分可以考虑多个循环过程，以便于观察生产过程是否稳定。
模拟计算完成后是后处理过程，主要是对模拟计算结果进行可视化分析，对铸造工艺参数进行调整。
图2-2 试验设备，TC为热电偶位置
图2-2为试验设备，包括冷却水供给系统、多通道温度采集系统（图左）、低压铸造设备和铸型（图右）。
（a）（b）
图2-3 实体造型和剖分，实体造型中包括铸件、浇注系统、铸型和冷却通道。TC为热电偶位置。
图2-3（a）为计算域内实体造型结果，图2-3（b）为计算域内网格剖分结果。表2-1列出了模拟计算条件。界面换热系数（cal/cm2×sec×°C）：铸件/铸型为0.03，铸型/空气为0.004，液态金属动力粘度为0.1Pa×s。
表2-1 模拟计算中用到的物理参数
材料密度
g/cm
3比热
容
cal/g
×°C
热导
率
W/m
×°C
潜热
cal/g
液相
线
°C
固相
线
°C
初始
温度
°C
环境
温度
°C
金属 2.69 0.23 0.34 93 620 577 740 - 铸型7.0 0.14 0.08 - - - 350 20
图2-4 四种不同的工艺方案
图2-4给出了四种工艺方案，四种工艺方案的不同之处见表2-2。
表2-2 冷却条件（注：时间单位s，尺寸单位mm）
图2-5 充型过程模拟结果
图2-6 铸型相关位置温度变化情况
图2-5给出了充型过程模拟结果，从中可以看出充型过程平稳。无冷隔卷气缺陷发生。图2-6给出了铸型上所设置的热电偶点的温度变化的计算结果，与图2-7的试验结果基本一致。
图2-7 铸型相关位置实测温度变化情况
图2-8为模拟计算得到的铸件各部分凝固时间分布。从中可以看出前3个方案在轮缘附近均有可能出现缩孔或缩松缺陷，方案4较为理想。图2-10证明了这一点。
图2-9给出了循环铸造过程中铸型的温度变化情况，从中可以看出不同的冷却条件造成的铸型温度分布不同的情况，有的如方案2和3的局部过热明显。
图2-8 铸件凝固时间分布
图2-9 铸型温度分布
图2-10 模拟结果与试验铸件结果的对比
在轮毂铸件中，通过分析Z-CAST软件的模拟结果，可以得到防止收缩缺陷产生的最佳冷却和铸造条件。根据数值模拟结果，在周期金属型铸造过程中采用自动水冷系统保持模具温度的半稳定状态。在经过Z-CAST软件优化后，由于收缩而产生的缺陷减少了5%，铸造生产率提高了28%。
铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。
铸件充型凝固过程数值模拟 1 概述 欲获得健全的铸件，必先确定一套合理的工艺参数。数值模拟或称数值试验的目的，就是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。 铸件充型凝固过程数值计算以铸件和铸型为计算域，包括熔融金属流动和传热数值计算，主要用于液态金属充填铸型过程；铸件铸型传热过程数值计算，主要用于铸件凝固过程；应力应变数值计算，用于铸件凝固和冷却过程；晶体形核和生长数值计算，主要用于金属铸件显微组织形成过程和铸件机械性能预测；传热传质传动量数值计算，主要用于大型铸件或凝固时间较长的铸件的凝固过程。数值计算可预测的缺陷主要是铸件形成过程中易发生的冷隔、卷气、缩孔、缩松、裂纹、偏析、晶粒粗大等等，另外可以通过数值计算，提出合理的铸造工艺参数，包括浇注温度、铸型温度、铸件凝固时间、打箱时间、冷却条件等等。目前，用于液态金属充填铸型过程的熔融金属流动和传热数值计算以及用于铸件凝 固过程的铸件铸型传热过程数值计算已经比较成熟，逐渐为铸造厂家在实际生产中采用，下面主要介绍这两种数值试验
方法。 1.1 数学模型 熔融金属充型与凝固过程为高温流体于复杂几何型腔内作有阻碍和带有自由表面的流动及向铸型和空气的传热过程。该物理过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒定律，假设液态金属为常密度不可压缩的粘性流体，并忽略湍流作用，则可以采用连续、动量、体积函数和能量方程组描述这一过程。 质量守恒方程 ? u/? x+? v/? y+? w/? z= 0 (2-1) 动量守恒方程 ?（ρ u）/? t+u?（ρ u）/? x+v?（ρ u）/? y+w?（ρ u） /?z = -? p/? x+μ(?2u/? x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ g x (2-2a) ?（ρ v）/? t+u?（ρ v）/? x+v?（ρ v）/? y+w?（ρ v） /?z = -? p/?y+μ (?2u/?x2+?2v/?y2+? 2w/? z2)+ρ
铸件的凝固时间和凝固速度 铸件的凝固时间是指从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的时间，单位时间凝固层增长的厚度则称为凝固速度。铸件的凝固时间是设计冒口尺寸的依据。合理地确定冒口和冷铁的位置，控制铸件各部分的凝固速度，使其按一定的顺序或方向进行凝固，是获得致密健全铸件的重要条件。另外，对大型或重要铸件，为了控制开箱时间，需对凝固时间和凝固速度进行估算。下面介绍两种计算方法。 (1)平方根定律 对铸件的凝固过程进行传热计算，可以推导出凝固层厚度随时间的变化规律: t K =0δ 或 220K t δ= （1） t K dt d v 20 ==δ （2） 式中 δ0——凝固层厚度(cm)； K ——凝固系数(cm/min 1/2)； t ——凝固时间(min)； υ——凝固速度(cm/min)。 式(1)就是平方根定律，表明在砂型或金属型铸造条件下凝固层厚度δ0与凝固时间t 的平方根成正比。凝固系数K 值与许多因素有关，实际中常用实验方法测得，见表1。铸件凝固完毕，凝固层厚度到达壁厚中心，将壁厚的一半(δ0/2)代入式(1)，即可求得凝固时间。 表1 各种合金的凝固系数
平方根定律的推导，本身对铸件的凝固过程作了一些假设，故其仅适用于大型平板类结晶温度间隔较小的合金铸件，求得近似值。 (2)模数法 当合金、铸型和浇注条件确定之后，铸件凝固时间决定于铸件的体积与散热表面积之比，即铸件的模数M C (M C = V c / S)，也称折算厚度或当量厚度。可以推出 2 2221??????== S V K K M t C C (3) 式中 t ——铸件凝固时间； V c ——铸件体积； S ——铸件散热表面积； M C ——铸件模数。 图1是各种形状的铸钢件（重量从10kg 到65t ）实测凝固时间与模数的关系。 图1 实测凝固时间与模数的关系 模数法由于考虑了铸件结构形状的影响，使计算值更接近于实际。 由模数法可知，即使铸件的体积和重量相等，如果其几何形状不同，则铸件模数及其凝固时间均不相等。反之，不论铸件的体积和形状如何，只要其模数相等，则凝固时间相近。
一、名词解释 1、铸造：将液态金属浇注到与零件的形状相适应的铸型型腔中冷却后获得铸件的方法。 2、热应力：在凝固冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。 3、收缩：铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中所发生的体积缩小的现象，合金的收缩 一般用体收缩率和线收缩率表示。 4、金属型铸造：用重力浇注将熔融金属注入金属铸型而获得铸件的方法。 5、流动性：熔融金属的流动能力，近于金属本身的化学成分、温度、杂质含量及物理性质 有关，是熔融金属本身固有的性质。 二、填空题 1、手工造型的主要特点是（适应性强）（设备简单）（生产准备时间短）和（成本低），在 （成批）和（大量）生产中采用机械造型。 2、常用的特种铸造方法有（熔模铸造）（金属型铸造）（压力铸造）（低压铸造）和（离心 铸造）。 3、铸件的凝固方式是按（凝固区域宽度大小）来划分的，有（逐层凝固）（中间凝固）和 （糊状凝固）三种凝固方式。纯金属和共晶成分的合金是按（逐层）方式凝固。 4、铸造合金在凝固过程中的收缩分三个阶段，其中（液态收缩和凝固收缩）是铸件产生缩 孔和缩松的根本原因，而（固态）收缩是铸件产生变形、裂纹的根本原因。 5、铸钢铸造性能差的原因主要是（熔点高，流动性差）和（收缩大）。 6、影响合金流动性的内因有（液态合金的化学成分），外因包括（液态合金的导热系数） 和（黏度和液态合金的温度）。 7、铸造生产的优点是（成形方便）（适应性强）和（成本低），缺点是（铸件力学性能较低） （铸件质量不够稳定）和（废品率高）。 三、是非题 1、铸造热应力最终的结论是薄壁或表层受拉。错 2、铸件的主要加工面和重要的工作面浇注时应朝上。错 3、冒口的作用是保证铸件的同时冷却。错 4、铸件上宽大的水平面浇注时应朝下。对 5、铸造生产特别适合于制造受力较大或受力复杂零件的毛坯。错 6、收缩较小的灰铸铁可以采用定向（顺序）凝固原则来减少或消除铸造内应力。错 7、相同的铸件在金属型铸造时，合金的浇注温度应比砂型浇注时低。错 8、压铸由于熔融金属是在高压下快速充型，合金的流动性很强。对 9、铸件的分型面应尽量使重要的加工面和加工基准面在同一砂箱内，以保证铸件精度。对 10、采用震击紧实法紧实砂型时，砂型下层的紧实度小于上层的紧实度。错 11、由于压力铸造具有质量好、效率高、效益好等优点，目前大量应用于黑色金属的 铸造。错 12、熔模铸造所得铸件的尺寸精度高，而表面光洁度较低。错 13、金属型铸造主要用于形状复杂的高熔点难切削加工合金铸件的生产。错 四、选择题 1、形状复杂的高熔点难切削合金精密铸件的铸造应采用（B） A 金属型铸造 B 熔模铸造 C 压力铸造 2、铸造时冒口的主要作用是（B） A 增加局部冷却速度 B 补偿热态金属，排气及集渣 C 提高流动性 3、下列易产生集中缩孔的合金成分是（C） A 0.77%C B 球墨铸铁 C 4.3%C
! 收稿日期：２００６－０１－１６；修回日期：２００６－０７－１９ 作者简介：胡红军（１９７６－），男，重庆工学院讲师，主要研究铸造ＣＡＤ／ＣＡＥ软件研究和开发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｊ＠ｃｑｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 铸造工艺的数值模拟优化 胡红军，杨明波，龚喜兵，李国瑞 （重庆工学院材料科学与工程学院，重庆４０００５０） 摘 要：为了研究和预测铸造工艺对铸件质量的影响，设置合理的军用汽车转向臂的铸造浇冒口系统和工艺参数。应用铸 造模拟软件对转向臂的三种不同工艺方案进行凝固模拟，根据凝固模拟结果显示的缺陷及内部缩松情况，提出改进工艺方案并对其进行凝固模拟，选择最佳方案应用于生产。研究表明，３＃是最合理的浇冒口布置方式，最优的浇注温度８２５℃，浇注时间１５ｓ，采用水平分型。应用表明，铸造模拟软件能够准确地预测充型凝固过程中可能产生的缺陷，从而辅助工艺人员进行工艺优化。 关键词：凝固模拟；军用汽车转向臂；铸造工艺优化；浇冒口系统；缩孔；铸造模拟软件中图分类号：ＴＧ２５０．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－２４４Ｘ（２００６）０６－００５１－０３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＨＵＨｏｎｇ－ｊｕｎ，ＹＡＮＧＭｉｎｇ－ｂｏ，ＧＯＮＧＸｉ－ｂｉｎｇ，ＬＩＧｕｏ－ｒｕｉ （ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｃａｓｔｉｎｇｓｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｐｏｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｓｅｔ．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｈａｖｅｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｒｅ－ｓｕｌｔｓａｎｄａｐｐｅａｒａｎｃｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｉｎｎｅｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｓｉｎｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｏｂｒｉｎｇｆｏｒ－ｗａｒｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｅｌｅｃｔａｎｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｊｅｃｔｕｓｅｄｉｎｂａｔｃｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｎｏ．３ｃａｓｔｉｎｇｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｔｈｅｍｏｓｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ８２５℃，ｐｏｕｒｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１５ｓ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃａｎｈｅｌｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｍｏｌｄｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｌｉｄｉ－ｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｅｅｒｉｎｇａｒｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｓｅｄｉｎｈｅａｖｙｍｉｌｉｔａｒｙｔｒｕｃｋ；ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｕｒ－ｉｎｇａｎｄｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｃａｓｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ 铸造数值模拟是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，节约试制成本［１－４］。 １ 铸造过程充型数值模拟方法 军用汽车转向臂的几何实体造型采用ＵＧ软件建 立，在得到三维几何数据后，利用ＵＧ软件的反向出模模块，通过设定铝合金收缩率、铸件起模斜度、浇注系统的位置和分型面等，作为凝固模拟的几何模型。由于金属液充型过程数值模拟技术所涉及的控制方程多而复杂，需要根据连续性方程、动量方程及能量方程，并进 行速度场、压力场的反复迭代，计算量大而且迭代容易发散，致使其难度很大。通过不断完善数值计算方法，如有限差分法和ＳＯＬＡ－ＶＯＦ体积函数法，开发出一些实用软件。该产品的凝固模拟就是采用ＭＡＧＭＡ软件。作为整个模拟的核心部分，ＣＡＥ的数值模拟效果最终将影响模拟的真实与否。在液态金属浇注过程中，热传导过程计算是数值模拟的主要内容。处理热传导问题采用傅里叶定律（式１），式２是根据能量守恒定律推导的方程［５－８］。 ｑ＝－λ !ｔ !ｎ （１）ρｃ!ｔ!τ＝!!ｘ（λ!ｔ!ｘ）＋!!ｙ（λ!ｔ!ｙ）＋!!ｚ（λ!ｔ !ｚ）＋ｑｖ （２）其中ｑ为热流密度，λ为导热系数，ｔ为温度（函数）， ｎ为温度传递方向上的距离，Τ 为温度，ρ为密度，ｃ为质! ２００６年１１月兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２００６ 第２９卷第６期
第二节常用的铸造方法 (五)离心铸造 离心铸造是将金属液浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型，在离心力的作用下凝固的铸造方法。铸件的轴线与旋转铸型的轴线重合。铸型可用金属型、砂型、陶瓷型、熔模壳型等。 1．离心铸造机 离心铸造机是离心铸造所用的设备，按其旋转轴空间位置的不同分为立式、卧式二种。立式离心铸造机的铸型是绕垂直轴旋转（图2-2-41a）,由于金属液的重力作用,铸件的内表面呈抛物线形,故铸件不易过高,它主要用于铸造高度小于直径的环类、套类及成形铸件。卧式离心铸造机的铸型是绕水平轴旋转（图2-2-41b），铸件的壁厚较均匀，主要用长度大于直径的管类、套类铸件。 图2-2-41 离心铸造示意图 图 2-2-9 离心铸造 2．离心铸造的特点和应用 与其它铸造方法相比，离心铸造的优点是： （1）优点 1）铸件组织致密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。 2）铸造圆形中空铸件时，不用型芯和浇注系统，简化了工艺过程，降低了金属消耗。 3）提高了金属液的充型能力，改善了充型条件，可用于浇注流动性较差的合金及薄壁铸件。 4）可生产双金属铸件，如钢套内镶铜轴承等，其结合面牢固、耐磨，又可节约贵重金属材料。 5）离心铸造适应性较广，铸造合金的种类几乎不受限制。既合适于铸造中空件，又可以铸造
成形铸件。中空铸件的内径通常为8～3000mm；铸件长度可达8000mm；质量可由几克至十几吨。 但离心铸造不宜生产易偏析的合金（如铅青铜等），铸件内表面较粗糙，尺寸不易控制。 （2）应用 离心铸造主要用于生产各种管、套、环类铸件，如铸铁管、铜套、滑动轴承、缸套、双金属钢背铜套等铸件，也可用于生产齿轮、叶轮、涡轮等成形铸件。 （六）熔模铸造 熔模铸造是指在易熔（如蜡料）制成的模样上包覆若干层耐火涂料，待其干燥硬化后熔出模样而制成型壳，型壳经高温培烧后即可浇注的铸造方法。熔模铸造是精密铸造方法之一。 1．熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程如动画2-2-7所示。 （1）用钢或铜合金等加工制成用来制造压型的母模。 （2）制造压型压型是制造熔模的模具。压模尺寸精度和表面质量要求高，它决定了熔模和铸件的质量。批量大、精度高的铸件所用压型常用钢或铝合金加工制成，小批量生产可用易熔合金浇注而成。 （3）制造模样。模样的材料有石蜡、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用的为50%石蜡加50%硬脂酸。将其加热只熔融（糊状）状态后压入压型，凝固后取出得到蜡模组。当铸件较小时，常将单个蜡模粘焊在预制好的蜡质浇注系统上制成蜡模组。 动画2-2-7 熔模铸造工艺过程 （4）制造型壳。将蜡模组浸入涂料（石英粉加水玻璃粘结剂）中，取出后在其表面撒上一层石英砂，再放入硬化剂（氯化铵熔液）中进行化学硬化。如此反复涂挂4~9层，得到厚度约5~10mm 的坚硬型壳。然后将结壳后的蜡模组放入90~95℃的热水中，使蜡模熔化并从浇口流出得到中空的型壳。 （5）造型和培烧为加固型壳，防止型壳浇注时变形或破裂，可将其竖放在铁箱中，周围用干砂填紧，此过程称为造型。对于强度高的型壳可不必填砂。为进一步排除型壳内的水分、残留蜡料及其他杂质，提高其强度，还需将装好型壳的铁箱送入加热炉内在900~950℃培烧。 （6）浇注为提高金属液的充型能力，应在型壳培烧出炉后趁热（600~700℃）进行浇注。冷却凝固后清除型壳，便得到一组带有浇注系统的铸件。 2．熔模铸造的特点和应用 由于熔模铸造采用可熔化的一次模，无需起模，故型壳为一整体而无分型面，而且型壳是由耐火度高的材料制成，因此熔模铸造具有下列优点：。 （1）可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件。其最小铸出孔的直径为0.5mm，最小壁厚为0.3mm。 （2）铸件精度高，表面质量好。铸件尺寸公差等级可达：钢铁材料CT7~CT5，铜合金等
三个基本问题 1）什么是金属材料制备工艺？ 通过一定的生产流程，获得可以作为工业或工程中使用的金属材料或者构件，这个过程称之为金属材料制备与加工。 2）什么是金属材料制备工艺的计算机模拟？ 根据用户要求，基于一定的判据设计的制备与加工工艺过程，建立起数学物理模型，在计算机上进行造型、运算，并将得到的成千上万的数据综合在一起逼近研究对象的全貌，表达出成分工艺组织性能的演变规律，用形象的图形或者动画形式，显示出这些过程的直观画面称之为计算机模拟。 3）为什么进行金属材料制备工艺的计算机模拟？ 基本的加工工艺 1）铸造，凝固成形，液固相变。 2）焊接，凝固成形，液固相变，热影响区晶粒长大。 3）压力加工，固态成形，固态相变。 4）热处理，固态相变。 5）冷成形模拟 模拟的框架1）前处理，造型，数据输入等 2）计算，算法的优化 3）后处理，模拟结果输出，判据函数 4）数据库 模拟具有实时性，模拟的准确性取决于模型的精度。 开展工艺模拟的目的 1）优化现有工艺 2）进行模具与新工艺设计 3）缩短设计、试制和生产周期，降低成本 4）工艺的可视化，工程师和模拟工作者之间能够共同分析出达到最佳工艺的判据标准 5）机理性分析 热加工过程的结果成型和改性：使材料的成分、组织、性能最后处于最佳状态 热加工工艺设计根据所要求的组织和性能，制定合理的热加工工艺，指导材料的热加工过程热加工工艺设计存在的问题 复杂的高温、动态、瞬时过程：难以直接观察，间接测试也十分困难 建立在“经验”、“技艺”基础上 解决方法 热加工工艺模拟技术：在材料热加工理论指导下，通过数值模拟和物理模拟，在实验室动态仿真材料的热加工过程，预测实际工艺条件下的材料的最后组织、性能和质量，进而实现热加工工艺的优化设计 热加工过程模拟的意义 认识过程或工艺的本质，预测并优化过程和工艺的结果（组织和性能） 与制造过程结合，实现快速设计和制造 热加工过程模拟的部分商业软件 铸造PROCAST, SIMULOR 锻压DEFORM, AUTOFORGE, SUPERFORGE 通用MARC, ABAQUS, ADINA, ANSYS 三种传热方式：热对流，热传导，热辐射。
数值模拟在铸造充型及凝固过程的应用进展 摘要：综述了铸造过程中数值计算的基本理论，简要介绍了铸造充型及凝固当前国内外发展状况以及所存在的问题，并对铸造过程数值模拟的相关软件进行评述。最后指出合理地利用铸造模拟软件，能够优化铸件的微观组织，提高产品质量，降低产品成本，缩短产品设计和试制周期。 关键词：铸造；充型过程；数值模拟；模拟软件
The Application of Numerical Simulation in Mold Filling and Solidification Process Abstract：The basic theory of numerical calculations is summarized, and a brief introduction of the developing situation and existing problems of the casting mold filling and solidification process at home and abroad，reviewed the numerical simulation software of casting process. In the end, it also clearly shows that it can optimize the casting microstructure, improve the quality, decrease the cost and reduce the design and trial cycle for the products by using the numerical simulation software properly. Key words: Casting; Filling and Solidification process; Numerical Simulation; Simulation Software
第一讲铸造工艺理论基础测验题 1. 液态合金在冷凝过程中，有可能产生缩孔。缩孔往往产生在铸件最后凝固的部位 2. 冒口的主要作用是补缩 3. 为防止铸件中产生热应力，正确的工艺措施是同时凝固 4 .预防热应力的基本途径是铸件各部位的温度差尽量减少 5. 铸件热裂纹的形状特征是缝内有氧化色 5. 铸造性能属于工艺性能 6. 影响合金流动性的因素很多，但以的影响最为显着化学成分 6. 铸件产生冷隔的原因是：。浇注温度太低 6. 为防止铸件上产生缩孔，正确的工艺措施为。顺序凝固 6. 降低铸件凝固时的温度梯度，可以使铸件凝固区域减小 增加铸件结晶时的凝固区域，有利于防止铸件产生缩松 为了消除铸件中的机械应力，可在铸造后对铸件采用时效处理 去应力退火是消除机械应力最有效的工艺措施 7. 拟生产一批小铸铁件，力学性能要求不高，但要求越薄越好。在下列措施中哪些是有用的 提高铁水的浇注温度 提高铸型的退让性以便在浇铸时使铸型中的气体尽快排出 选用含碳量为%的共析钢。 选用金属铸型以提高铸型的强度。 8. 图示铸件，在冷却到室温后，可能 产生左右两端向上，中部向下的弯曲变形 在上半部分内部产生纵向残余拉应力 产生左右两端向下，中部向上的弯曲变形 在下半部分内部形成纵向残余拉应力 产生比较大的扭转变形 9. 铸造时，提高液态合金的浇注温度将使铸件产生缩孔的倾向增加1 9. HT200的流动性好于ZG175-570 9 凝固温度范围大的合金，铸造时铸件中容易产生缩松。 9. 当铸型温度等其他条件相同时，含碳%的铸铁比含碳%的铸铁更容易补缩。 10. 为了使铸件实现同时凝固，可在铸件上某些厚大部位增设冷铁，对铸件进行补缩2 11. 顺序凝固”是防止铸件的应力、变形和缩孔等缺陷有效的工艺措施 12. 合金的流动性愈好，充型能力愈强，愈有利于得到薄而复杂的铸件 13. 纯金属具有较好流动性 13.提高浇注温度和充型压力，有助于使合金实现顺序凝固，从而提高合金的充型能力 13. 当铸件壁厚相差较大时，铸件产生缩孔可能性也将增大。 14. 铸造时，提高液态合金的浇注温度将使铸件产生缩孔的倾向增加 15. 铸型上设置冒口的目的是为了排出浇注时注入的多余铁水 16. 为了使铸件实现同时凝固，可在铸件上某些厚大部位增设冷铁，对铸件进行补缩
铸件的凝固方式：逐层凝固，中间凝固，糊状凝固 合金的结晶温度范围越小，铸件断面的温度梯度越大，铸件越倾向于逐层凝固方式，也越容易铸造 一，合金的收缩分类及导致的缺陷、缩孔与缩松形成原因及防止 答：分类：1.液态收缩2.凝固收缩3.固态收缩。会导致如缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等缺陷。形成原因：合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，容积较大的孔洞叫缩孔，细小而分散的孔叫缩松。防止：1.合理选择铸造合金。2.合理选用凝固原则。铸件的凝固原则分为“顺序凝固”和“同时凝固”两种。实现顺序凝固的办法：1，在铸件的厚大部位安放冒口2.安放冷铁3.设置补贴 浇注位置的选择原则：1.铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸件的下部或处于侧立位置2.大平面的浇注位置是将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷 4.为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件容易产生缩孔的厚大部位置于铸型的顶部和侧面 拔模斜度与结构斜度：为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在制造模样或芯盒时，凡平行于拔模方向上的壁，需给出一定的斜度，此斜度称为拔模斜度（拔模斜度）；铸件上凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的倾斜度，即结构斜度。 浇注系统的分类：1.顶注式浇注系统：优点容易实现顺序凝固和进行补缩。缺点是金属液对铸型冲击大，容易产生飞溅，氧化和卷入空气。适于高度不大，形状简单，薄壁或中等壁厚的铸件。2.中注式浇注系统：其横浇道和内浇道均开设在分型面上，易于操作，便于控制金属夜的流量分布和铸型的热分布。3.底注式浇注系统：优点金属液的充型过程平稳，无飞溅，型腔中的气体易于排出，挡渣效果好，缺点是不能利用金属夜的自重进行补缩 压力铸造的特点：1.生产效率高，便于实现自动化2.获得铸件的尺寸精度高（11~13），表面粗糙度低（3.2~0.8），一些铸件无需机加工可直接使用3.可获得细晶粒组织的铸件，机械强度比砂型铸造高4.便于实在嵌铸 自由锻的基本工序：墩粗和拔长。墩粗是降低高度，增大横截面积。拔长是减小横截面积，增大长度 板料冲压的基本工序：分离工序和变形工序。变形工序：弯曲，拉深 冒口与冷铁：冒口：补给铸件凝固收缩时所需的金属，避免产生缩孔；冷铁：为增加铸件局部冷却速度，在砂型、砂芯表面或型腔内安放的金属激冷物。 焊接的特点：优点：1.接头牢靠，密封性好2.可化大为小，以小拼大3.可实现异种金属的连接4.重量轻，加工装配简单5.焊接结构不可拆卸。缺点：焊接应力变形大，接头容易产生裂纹，夹渣，气孔等缺陷 实现切削加工的三个条件：1.工件与刀具知己要有相对运动即切削运动2.刀具材料必须具有一定的切削能力3.刀具必须具有适当的几何参数即切削角度等 切削用量三要素：切削速度，进给量和背吃刀量 冲孔与落料：落料和冲孔是使坯料按封闭轮廓分离。这两个过程中坯料变形过程和模具结构相同，只是用途不同。落料是被分离的部分为所需要的工件，而留下的周边部分是废料；冲孔则相反。 一、自由锻工序（种类）及含义，典型零件的自由锻工序、反复镦粗拔长的目的。 答：工序有：拔长、墩粗、冲孔、弯曲、扭转、错移、切割。自由锻是金属在锤面与砧面之间受压变形的加工方法。典型工序：1.压肩2.拔长一端切去料头3.调头压肩4.拔长，倒棱，滚圆5.端部拔长切去料头6.全部滚圆并校直。目的：可以提高后续拔长工序的锻造比；同时使晶体更细小，力学性能更好。
PROCAST ProCAST由法国ESI公司开发的综合的铸造过程软件解决方案，有20多年的历史，提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业最富挑战的需求。基于强大的有限元分析，它能够预测严重畸变和残余应力，并能用于半固态成形，吹芯工艺，离心铸造，消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。 procast 百科名片 ProCast软件界面 ProCAST由法国ESI公司开发的综合的铸造过程软件解决方案，有20多年的历史，提供了很多模块和工程工具来满足铸造工业最富挑战的需求。基于强大的有限元分析，它能够预测严重畸变和残余应力，并能用于半固态成形，吹芯工艺，离心铸造，消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。 目录 适用范围材料数据库 模拟分析能力 分析模块 ProCAST特点 模拟过程 展开 适用范围 材料数据库 模拟分析能力 分析模块 ProCAST特点 模拟过程 展开 ProCast应用(10张) 编辑本段适用范围 ProCAST适用于砂型铸造、消失模铸造、高压铸造、低压铸造、重力铸造、
软件操作界面 倾斜浇铸、熔模铸造、壳型铸造、挤压铸造、触变铸造、触变成形、流变铸造。由于采用了标准化、通用的用户界面，任何一种铸造过程都可以用同一软件包ProCAST进行分析和优化。它可以用来研究设计结果，例如浇注系统、通气孔和溢流孔的位置，冒口的位置和大小等。实践证明，ProCAST可以准确地模拟型腔的浇注过程，精确地描述凝固过程。可以精确地计算冷却或加热通道的位置以及加热冒口的使用。 编辑本段材料数据库 ProCAST可以用来模拟任何合金，从钢和铁到铝基、钴基、铜基、镁基、镍基、钛基和锌基合金，以及非传统合金和聚合体。ESI旗下的热物理仿真研究开发队伍汇集了全球顶尖的五十多位冶金、铸造、物理、数学、计算力学、流体力学和计算机等多学科的专家，专业从事ProCAST和相关热物理模拟产品的开发。得益于长期的联合研究和工业验证，使得通过工业验证的材料数据库不断地扩充和更新，同时，用户本身也可以自行更新和扩展材料数据。除了基本的材料数据库外，ProCAST还拥有基本合金系统的热力学数据库。这个独特的数据库使得用户可以直接输入化学成分，从而自动产生诸如液相线温度、固相线温度、潜热、比热和固相率的变化等热力学参数。 编辑本段模拟分析能力 ProCAST可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发及可重复性。ProCAST几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题，为铸造工程师提供新的途径来研究铸造过程，使他们有机会看到型腔内所发生的一切，从而产生新的设计方案。其结果也可以在网络浏览器中显示，这样对比较复杂的铸造过程能够通过网际网络进行讨论和研究。 编辑本段分析模块 ProCAST是针对铸造过程进行流动一传热一应力耦合作出分析的系统。它主要由8个模块组成：有限元网格划分MeshCAST基本模块、传热分析及前后处理(Base License)、流动分析(Fluid flow)、应力分析(Stress)、热辐射分析(Radiation)、显微组织分析(Micromodel)、电磁感应分析(Electromagnetics)、反向求解(Inverse)，这些模块既可以一起使用，也可以根据用户需要有选择地使用。对于普通用户，ProCAST应有基本模块、流动分析模块、应力分析模块和网格划分模块。 1)传热分析模块 本模块进行传热计算，并包括ProCAST的所有前后处理功能。传热包括
铸件合金的凝固与收缩 合金凝固温度范围和铸件温度梯度会对铸件的凝固方式产生影响，化学成分不同、浇注温度和铸件结构会对逐渐的收缩产生影响。 (一)铸件的凝固方式及影响因素 1.铸件的凝固方式 (1)逐层凝固方式 合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。 (2)糊状凝固方式 合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。 (3)中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。 2.凝固方式的影响因素 (1)合金凝固温度范围的影响 合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固;如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固;如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。 (2)铸件温度梯度的影响 增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化;反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。 (二)铸造合金的收缩 铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。它主要包括以下三个阶段： 1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很
大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。 (三)影响合金收缩的因素 1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。 2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。 3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。 (四)收缩对铸件质量的影响 1.缩孔和缩松 (1)缩孔的形成 缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。 (2)缩松的形成 宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。(3)缩孔、缩松的防止措施 a)采用定向凝固的原则所谓定向凝固，是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除缩孔、缩松。 b)合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺浇注位置的选择应服从定向凝固原则;内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口;要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。 2.铸造应力、变形和裂纹 在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。 (1)铸造应力的产生 铸造应力按其产生的原因可分为三种： a)热应力铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。 b)固态相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。
凝固过程模拟仿真课程论 文 铸造过程数值模拟的研究发展现状 (Research on the development status of numerical simulation of casting process) 学院名称：材料科学与工程学院 专业班级：复合材料1102 学生姓名：不知道 学号：3110703451 指导教师：怯喜周
铸造过程数值模拟的研究发展现状 摘要：随着电子计算机技术的飞速发展，铸造工艺计算机辅助设计CAD，铸件凝固过程数值模拟CAE等多项技术已大量应用于生产实际。工业发达国家制定的下一代制造（NGM）计划所提出的十项关键基础技术中就包括建模与仿真。铸件的凝固过程数值模拟技术主要包括铸件及其工艺的几何造型、三维传热数值计算技术和缺陷判据这三部分，并可对凝固过程中出现的缺陷进行预测，评判铸造工艺设计的合理性，以减少工艺实验的次数，降低工艺设计成本，提高工艺出品率和合格率。 关键词：凝固模拟；数值仿真；铸造CAE；CAD；铸造充型； Research on the development status of numerical simulation of casting process Abstract: with the rapid development of computer technology, computer aided design of foundry technology CAD, numerical simulation of casting solidification process of CAE and many other technology has been widely applied in actual production. Industrial developed countries to develop the next generation manufacturing (NGM) are ten key basic technology plan put forward in includes modeling and simulation. The casting defects of computing technology and criterion of this three part of numerical heat transfer, including 3D geometric modeling and Simulation of the process of casting solidification process numerical, and to predict the defects that appear during the solidification process of casting process design, evaluation of rationality, in order to reduce the times of experiment process, reduce the design cost, increase the process yield and the qualified rate. Keywords: solidification simulation; numerical simulation; CAE CAD; casting; mold filling; 1 前言 凝固在自然界及人类生产实践中占有十分重要的地位。从熔岩冻结为地壳到
铸造过程数值模拟 摘要：铸造过程数值模拟技术是当今公认材料科学的重要前沿领域。铸造过程的数值模拟是本学科发展的前沿之一，包含铸件充型、凝固过程、缩松缩孔的预测、应力场、热裂、微观组织的计算机模拟以及计算机模拟软件开发等研究内容。 关键词：数值模拟；充型过程；微观组织；应力；热裂； 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科，是公认的材料科学的前沿领域。 一、铸件充型过程数值模拟的研究概况 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段, 许多铸造缺陷, 如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等都是在充型不利的情况下产生的。然而由于本身的复杂性, 与凝固过程相比, 充型过程计算机数值模拟技术的起步较晚。长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量的试验基础上的经验准则。从20世纪80年代开始, 在此领域进行了大量的研究, 在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化方面均取得了重大突破。 许多铸造缺陷如卷气、夹杂、缩孔等都与液态金属的充型过程有关。为了控制充型顺序和流动方式，对充型过程进行数值模拟非常必要。其研究多数以SOLA—VOF法为基础，引人体积函数处理自由表面，并在传热计算和流量修正等方法进行研究改进。有的研究在对层流模型进行大量实验验证之后，用K一￡双方程模型模拟铸件充型过程紊流现象。 目前，虽然已研究了许多算法，如并行计算法、三维有限单元法等，但最好的算法仍然没有找到。常用的网格划分为矩形单元(2D)或正交平行六面体(3D)。日本的I.Ohnaka等人提出了无结构非正交网格，这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之一。砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模拟中占主导地位，然而消失模铸造、金属型铸造等充型模拟的研究工作已经开始。充型模拟的另一发展趋势是浇注系统辅助设计，R.McDavid和J.Dantzig在这方面进行了尝试，并取得了一定的成果。 二、缩松和缩孔预测的数值模拟研究概况 铸件缩松、缩孔形成的模拟预测是铸件充型凝固过程模拟软件的主要功能之一。目前国内外常用的凝固模拟软件中均提供了多种判据用于铸件缩松、缩孔的预测．但是，大多数判据均是在用于铸钢件或不含石墨的铸造合金时比较有效。由于石墨铸铁凝固时析出比体积较大的石墨。因此其体积变化较铸钢等复杂得多，必须采用专门的判据。 铸钢件缩松、缩孔预测判据经过多年的发展，从最初的定性温度场热节法，发展到后来的E．Niyama提出的G／R1／2法，再到后面的流导法、固相率梯度法等定量预测方法，无论从精度还是从使用范围看，均达到了较高的水平，可以有效地预测铸件钢中的缩松、缩孔。 而铸铁件，特别是球墨铸铁件缩松、缩孔的预测一直缺乏可靠有效的判据。1994年，李嘉荣等在大量试验的基础上提出了球墨铸铁缩松、缩孔形成预测的“收缩膨胀动态叠加法(DECAM)”，该法基于Fe—C平衡相图，用杠杆原理计算凝固过程中收缩和膨胀量，将收缩和膨胀量进行叠加，可以预测球墨铸铁件缩松、缩孔的形成．李文珍等在进行球墨铸铁微观