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浇注条件对精密铸件质量的影响陈冰北京航空航天大学2006年11月13日SESSION#SessiondescriptionSessiondescription序论¾精密铸造是生产近净成形金属零件的重要方法之一在制造业中有着广泛的应用。目前国内大多数生产厂都是采用“经验+试验”的方法确定新产品的铸造工艺这在增加产品开发成本的同时延长了开发周期。计算机模拟技术的发展及其在铸造领域的应用为解决此类问题提供了有效的工具。¾精密铸件大多属于小型件往往采用一模多件同时浇注数量从几个到几十个不等。不同的浇注速度将产生不同的充型、凝固方式进一步导致铸件质量的较大差异。由于铸造过程完全不可见所以很难观察金属液在型壳中的流动情况这在一定程度上导致了工艺设计的盲目性。而计算机模拟技术的应用使铸造工程师有机会看到完整的铸造过程尤其是充型和凝固过程。精密铸造数值模拟的特殊性熔模精密铸造在充型-凝固过程数值模拟时必须解决以下特殊问题：¾几何造型方面能够方便快捷的在模组外生成一定厚度型壳的三维几何模型；¾凝固过程中型壳与周围环境的热交换方式主要是辐射和对流；¾熔模精密铸件以薄壁小件居多不能忽略充型过程中合金液的热量损失和温度场的改变。ProCAST在精密铸造方面的优势•ProCAST是一个完全工业化的铸造模拟分析系统该系统以有限元为核心提供强大的分析能力实现真正的多场（热-流动-应力）耦合分析可应用于所有的铸造过程以及合金材料是世界上唯一提供冶金学性能分析的系统。对于缺陷的预测该软件采用温度场确定热节位置、凝固率预测孤立液相区、直接计算缩松分布、NYAMA准则、RGL准则等多种方法保证了计算结果的准确性。特别值得一提的是ProCAST特有的辐射分析模块具有强大的热辐射计算能力这对于经常需要精确处理热辐射问题的熔模铸造而言显得特别重要。该模块计算时充分考虑了辐射角及遮挡物的影响模拟对象一旦因相互运动导致辐射角改变或产生遮挡该软件将重新自动进行计算这一功能特别适用于定向凝固和单晶铸造。不同浇注条件下的数值模拟分析¾铸件CAD模型¾材料及工艺参数¾有限元建模¾模拟结果对比分析铸件CAD模型¾该产品三维实体如图1所示其轮廓尺寸为：71×34×33.5mm；最小壁厚：2mm；最大壁厚：4.92mm。图1铸件三维图基本组树模型¾一般多件精密铸造大多采用垂直组树方式。¾该铸件组树方式如图2所示三棱柱型直浇道每面垂直装6件共18件。图2铸造工艺图材料及工艺参数•该铸件的材料及工艺参数如下：•铸件材料为8620属于镍铬钼钢组。•模壳采用硅溶胶制壳工艺面层锆砂背层莫来砂壳厚6-8mm。•浇注温度：1650℃；模壳预热温度：1100-1150℃•冷却条件：浇注后加蜡削扣箱保护冷却有限元建模•ProCAST兼容性良好的几何造型模块十分方便地导入由其它CAD软件建立的模组三维几何模型(图2)同时在模组外围迅速自动生成具有一定厚度(7mm)的型壳三维有限元模型(图5)由图不难看出较之于有限差分的立方体网格四面体的有限元网格具有更好的随形性这对形状复杂的薄壁熔模铸件特别有利。剖分产生网格单元总数570789节点总数134735个足以满足本次铸造模拟的精度需求。图4模壳有限元模型图3铸件有限元模型有限元建模_组树模型•剖分产生网格单元总数570789节点总数134735个足以满足本次铸造模拟的精度需求。模拟结果对比分析¾不同浇注速度的模拟结果对比¾不同浇注系统类型的模拟结果对比不同浇注速度的模拟结果对比•根据一般经验为了防止冷隔、浇不足等充型过程中产生的缺陷往往采用较大的浇注速度（较短的浇注时间）。本例首先采用原工艺参数3.5s对充型过程进行了模拟其结果如图6所示。浇注时间为3.5s时的模拟结果0.99s1.61s1.95s2.45s2.62s3.