华铸CAE消失模铸造模拟软件的开发与应用.pdf

2016年第2期 铸造设备与工艺兰Q!鱼生兰旦 !Q堕盟旦垦!垦Q旦!里丛垦盟!垒堕旦堡堡坚堕Q坠Q鱼! 垒P!：兰Q!鱼堂兰·应用研究· doi：10．16666／j．enki．issnl004-6178．2016．02．012华铸CAE消失模铸造模拟软件的开发与应用周建新，殷亚军，沈旭。廖敦明，陈涛(华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074)摘要：本文针对消失模铸造特点，在分析已有界面推移模型的基础上，综合考虑金属流动时受到模样分解产生气体压力的阻碍作用，建立了将气隙压力作为流动前沿的边界条件进行计算的界面推移模型，并利用相应的数值求解方法，模拟消失模充型凝固过程。为验证模型的有效性，本文引入基本计算模型的模拟，并与砂型模拟结果的对比分析。同时，通过系统集成以及引入消失模特有的参数设置功能，开发了华铸CAE消失模铸造模拟软件。本文给出了消失模铸造CAE软件在铸铁合金上的应用实例。应用表明，该软件能够有效地预测铸件可能产生的卷气夹渣、孔松缺陷、裂纹和变形等，并且能够根据预测结果快速有效地提供优化的工艺方案，直接指导实际生产。关键词：铸造CAE技术；消失模铸造；华铸CAE中图分类号：TG245。P319 文献标志码：A 文章编号：1674—6694(2016)02—0037—05Development and Application of InteCAST Lost-Foam Casting Simulation SoftwareZHOU Jian-xin，YIN Ya--yun，SHEN Xu，LIAO Dun-ming，CHEN Tao(State Key Laboratory ofMaterials Processing and Die＆Mould Technology。Huazhong University ofScience and Technology，Wuhan Hubei 430074，China)Abstract：According to characteristics of Lost Foam Casting(LFC)process and considering the gas pressure impediment to themetal flow caused by pattern decomposition，interface moving model is established and the gap pressure is as boundary condation ofmelt flow front．Corresponding numerical solution method is applied to simulate filling and solidification process of I_YC．To verify thevalidity of the model，computing of basic test model is introduced and compares the simulation results between LFC and generalgravity sand casting．By integrating the specific process parameter setting and corresponding functional system interface for LFC，InteCAST-Lost Foam simulation software is developed．The practical casting design of grey iron in LFC is given．The applicationshows that the proposed models could effectively predict the possible defect，and provide useful guidance for designer to optimizecasting process solutions to directly improve the actual production．Keywords：simulation technology，lost foam casting，InteCAST消失模铸造技术是一种近无余量、精确成形的新技术，被誉为一种极具发展前景的新技术。该铸造技术有别于一般的空腔砂型铸造，其特点是在负压的作用下，泡沫模型在密闭的沙箱内紧实的干砂中成型；液态金属引入模型后，泡沫模在铁水前沿的热作用下逐步热解、液化或气化并经由负压系统排出，液态金属取代泡沫模原有的空腔凝固而形成铸件。由于浇注、凝固过程中泡沫模的热解、液化、气化以及负压和干砂的作用，使得其充型过程和充收稿日期：2015—12—29作者简介：周建新(1975一)，男，教授，博士生导师，华铸软件中心主任，研究方向：铸造CAE技术及铸造企业数字化管理技术。基金项目：国家数控重大专项(2012ZX04012一Ol 1)；材料成形与模具技术国家重点实验室自主课题的资助。型结束后的凝固温度场发生了较大的变化并在一定程度上影响到金属熔体的性质，从而改变了铸件的凝固进程(如图1所示)。金属液 气隙 涂料 聚苯乙烯图1 消失模充型过程示意图为此，研究者们对金属液充型过程流动及传热方面进行了大量的模拟和实验研究，涌现出了气隙·37·万方数据垒巳!：兰Q!鱼堕兰 堕堡垦鱼鱼兰竺 !Q!鱼至笙兰塑压力方程法、伯努利方程法、限制界面前沿速度法，限制内浇口流速法和背压修正法等方法来近似的模拟消失模充型过程状态。本文提出了更符合消失模铸铁合金充型特点的数学模型，应用到数值模拟软件中。并通过模拟结果的分析，有效地指导消失模铸造工艺的设计。1 消失模模拟技术与软件开发1．1 消失模充型凝固技术(数学模型)消失模铸造中，模气化分解及与金属液间的相互作用，导致金属液充型时的流场、温度场、充型能力以及铸造缺陷的产生等不同于普通砂型铸造，在金属液充型过程中包含着复杂的物理化学现象，包括热量传输、充型流动、化学反应、冷却凝固等．这些现象耦合在一起，并相互影响，使得金属液的充型过程更加复杂，最终影响到铸件质量。在消失模模拟充型过程中，液体流动由如下质量、动量及能量守恒方程控制：1)动量传递方程婴+弼：一盟盟+跏俨(方) (1)／．／it P2)传热方程JDc。等=--pCp否“。vnv。(AVT)+q(2)Ob3)流体控制单元的体积分数婴=v·gF=0 (3)Ot4)高熔点金属的泡沫分解方程Ps=nmpFB[1+矿；]△yM，AVM=∑(F葛，t—F?J．^)△以)，：＆ (4)1．2消失模铸造软件开发使用上述模型，开发了相应的华铸CAE软件消失模模块，其特点主要体现在铸造充型过程。因此，定制开发了充型过程和泡沫材料相应的参数输入和数据库功能。其中工艺相关的参数包括(如图2所示)：模样有关参数，包括“密度”、“气化潜热”、“导热系数”、“发气量”；涂层有关参数，包括“涂层透气性”、“涂层厚度”，该两个参数与消失模涂料的使用有关，需按照实际的工艺来设置。泡沫模样材料相关的参数包括(如图3所示)：“密度”、“气化潜热”、“导热系数”、“发气量”。·38·图2模样及涂层参数设定图3消失模模样数据库2数值算例与应用2．1基本验证计算案例与分析为了验证本文所开发的消失模铸造数值模拟仿真系统的可靠性，本文以基本模型算例作为研究载体。图4是该算例的实际模型，该案例的计算参数如表1所示。一l K一0 Ⅲ叫 160mmll图4计算三维模型与尺寸表1计算参数信息设置模样材料 聚苯乙烯(EPS)模样密度／kg·m。 O．00002气化潜热／J·kg。 0．982涂层透气性，nf O．5E—11涂层厚度／m O．02浇注温度／℃ l 400合金牌号 HT200万方数据2016年第2期 周建新，殷亚军，沈旭，廖敦明，陈涛：华铸CAE消失模铸造模拟软件的开发与应用钧r造设备与工艺3．1．1充型过程模拟仿真结果分析图5为不同充型时刻的流体速度分布图，从图5可以看到，消失模铸造在顶注的情况下，由于受到模样的阻碍和模样气化分解产生气体的压力作用，液态金属从内浇口位置至上而下填充，在内浇口出以放射状向前推移进人横浇道。当横浇道填充结束后，进入到长薄板处，并以逐层推进的方式向下填充。从模拟结果整体分析来看，该结果基本符合消失模铸造的充型特性。图5不同充型时刻的流体速度分布图2．1．2与砂型铸造模拟仿真结果对比分析为更好地分析消失模充型过程特征，本文采用相同的模型，进行了一般重力铸造的模拟，并将两种不同铸造方式的模拟结果进行对比分析，见图6．从图6分析可知，当金属液体进入浇口时，再消失模铸造中呈放射状，而在普通重力铸造中，出现了雨淋状态；当金属液进入横浇道处时，消失模铸造中的金属液体会保持逐层推进，而普通重力铸造中的金属液体会直接填充远端，并且出现较大的紊流；当横浇道填充满后，消失模的金属液体依然层状推进向下填充，而普通重力铸造的金属液体会以较为紊乱的状态进入该区域，并且会呈雨淋状态。说明本文所使用的模型能够较好地表达出消失0．39 s 0 33 8。)消失模铸造 b)普通重力铸造图6不同铸造方式不同时刻流体压力分布图模铸造的充型特点。2．2铸铁合金壳体铸件计算案例在实际应用中，模拟仿真能够模拟充型凝固过程，并通过所获得的流动场和温度场信息，对可能产生的缺陷进行分析。本文使用实际生产中的铸件来做为应用案例：铸件合金为HT250，浇注温度为l 400 oC，干砂造型并设置负压为o．04 MPa．结合传统的工艺设计方案原则，对该铸件采用两种工艺方式浇注，铸件工艺模型如图7和图8所示，对该几何模型网格剖分，以及相应的物性参数设置，进行图7工艺设计一 图8工艺设计二·39·^㈠㈠㈠～万方数据Apr．2016 N02 铸造设备与工艺 2016年第2期图9工艺一充型过程流体温度·40·(1)工艺一充型凝固模拟及缺陷预测流动场模拟分析(图9和图10所示)：从模拟分析观察到，液态金属从底部填充，受到消失模泡沫气化后气体的压力，未出现明显的雨淋和飞溅现象。同时，由于流体速度降低以及负压气化带走热量，流动前沿的的温度降低较快。充型接近结束时，匿√j＆第二层浇道对铸件顶部温度有明显的补充，一定程度上保证了铸件初始凝固温度的均匀性。图1 1 凝固某时刻孤立液相图12铸件定量缩孔缩松预测温度场模拟分析：在凝固过程中，在铸件厚大部分容易形成未凝固的孤立液相，该区域得不到补缩，容易形成缩孔缩松缺陷，在工艺方案一的凝固过程中，在结合部形成了较大的孤立液相区(如图一1 1所示)，该区域在进一步的凝固过程中，会继续收缩，同时由于铁合金石墨析出的作用会产生膨胀现，I象。基于对上述两种作用的考虑，最终该区域形成了一些分散的缩松(如图12所示)，缩松体积为：．! 21．5 cm3；考虑到实际应用探伤级别，判断该工艺是否需要工艺改进。(2)工艺二充型凝固模拟及缺陷预测一1流体形态分析如图13和图14所示：从模拟分万方数据2016年第2期 周建新，殷亚军，沈旭，廖敦明，陈涛：华铸CAE消失模铸造模拟软件的开发与应用销造设备与工艺。弋a)lO％(-)70％ (1)lOO％图1 3工艺二充型过程流体温度(侧注式)、a)10％c)70％))40％)100％图14工艺二充型过程流体压力(侧注式)r1-图15凝固某时刻孤立液相 图16铸件定量孔松预测4结论本文结合消失模铸造特有的物理过程，建立了界面推移模型。通过基本模型的验证与对比，该模型能够反映出消失模铸造充型过程金属液体的流动规律，在负压环境下受到泡沫摸样的气化压力下，金属液流的速度下降，前沿温度有明显的下降。同时，通过对实际铸件两种不同工艺的模拟案例中，对该模型能够充型凝固过程进行模拟及缺陷预测。两种工艺方案均能保证液流的平稳流动，工艺一能够保证铸件上下部分的温度平衡性，工艺二能够有效防止凝固过程中缩孔缩松缺陷的形成。因此，本文所使用的模型能够帮助工艺人员评估工艺的有效性，对其进行相应的改进措施，最终能够减少实验次数以及提高工艺设计水平。参考文献：[1]陈尧剑，黄天佑，康进武，等．消失模铸造制模设备国内外现状及展望[J]．中国铸造装备与技术，2002(04)：1-4．[2]王新节．消失模铸造生产技术第二讲：汽车发动机缸体缸盖消失模铸造技术的研究与应用[J]．中国铸造装备与技术，2007(02)：64—71．[3]樊自田，蒋文明．消失模铸造技术现状及发展趋势[J]铸造，2012(06)：583—591．[4]陈亚娟．消失模铸造充型过程数值模拟研究[D]．武汉：华中科技大学．2005．[5]周建新等编著．铸造CAD／CAE[M]．北京：化学工业出版社，2009．[6]刘瑞祥，林汉同，闵光国，等．铸造凝固模拟技术研究(I)一华铸文集第l卷[M]．武汉：华中科技大学出版社，2015．12．[7]陈立亮，主编．铸造凝固模拟技术研究(Ⅱ)一华铸文集第2卷[M]．武汉：华中科技大学出版社，2015．12．·41·万方数据