進水接管鑄件液態(tài)成型過程模擬分析

陳 勇，陸紅兵

江蘇振華泵業(yè)制造有限公司，江蘇泰州 225500

1 Procast 鑄造過程模擬理論

對于各控制方程的求解，由于解析方法復(fù)雜，且很難獲得精確解，目前均采用數(shù)值方法得到滿足實際要求的近似解。發(fā)展較為完備的數(shù)值方法有：有限差分法，有限元法，有限體積法，有限分析法及邊界元法等。這些方法的基本思路都是將待求解的時間和空間中的場變量，通過一系列的離散方法得到的離散點上的值來代替。通過一定的原則建立離散點上變量值之間關(guān)系的代數(shù)方程，求解這些代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值。

有限差分法是通過在求解域內(nèi)建立一系列與坐標(biāo)軸平行的網(wǎng)格線，利用網(wǎng)格線的交點所形成的節(jié)點來代替求解域，在每個節(jié)點上將控制方程的微商用差商代替，從而在每個節(jié)點上形成代數(shù)方程，每個代數(shù)方程包含了本節(jié)點及其周圍節(jié)點的未知值，求解這些代數(shù)方程就能得到所需的數(shù)值解。

有限體積法是將計算域劃分為一系列的控制體積，控制體積內(nèi)以一個節(jié)點作代表，通過將控制方程對控制體積做積分而得到離散方程。

有限元方法是把計算域劃分成一系列的單元體，并在單元體上按一定的規(guī)律取數(shù)個點作為節(jié)點，然后對控制方程做積分來獲得離散方程。

2 進水接管鑄造工藝設(shè)計

根據(jù)鑄造工藝手冊對進水接管鑄件設(shè)計澆注系統(tǒng)，首先根據(jù)鑄件的質(zhì)量選取直徑為20mm 的圓柱形直澆道，再根據(jù)各組元的截面比選取橫澆道（如圖1）直澆道（如圖2）

圖1 橫澆道示意圖

圖2 直澆道示意圖

再根據(jù)冒口的設(shè)計原則以及尺寸大小對鑄件設(shè)計三種不同的方案，方案一對鑄件只設(shè)置澆注系統(tǒng)不進行任何冒口的設(shè)計， 方案二對鑄件的兩個大圓盤設(shè)計頂冒口，方案三對鑄件的兩個大圓盤設(shè)計兩個側(cè)冒口，且冒口與澆注系統(tǒng)相連。

3 鑄造過程的模擬

在確定進水接管鑄件各部分尺寸后用三維造型軟件pro/e造型，造完型就要開始網(wǎng)格的剖分。網(wǎng)格剖分分為面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，本文中面網(wǎng)格剖分的單位為3mm，體網(wǎng)格的剖分是軟件自動剖分的。網(wǎng)格的單位過大過小都不行，網(wǎng)格單位過小軟件會自行關(guān)閉，網(wǎng)格過大會導(dǎo)致模擬的結(jié)果不精確。網(wǎng)格剖分完在PreCAST 的各個下拉菜單項目上定制模擬參數(shù)如下：

鑄型材料：虛擬鑄型

冷卻方式：空冷（室溫20℃）

澆注溫度：1040℃

鑄件材料：Cu_Cu60-Zn40（因為ProCast 的數(shù)據(jù)庫中沒有ZCuZn16Si4 這種材料，而通過計算可以得到ZCuZn16Si4 的Zn當(dāng)量為40.1%，所以可以選取Cu_Cu60-Zn40 來模擬計算

澆注速度：0.42m/s

模具溫度：200℃

模具材料：SAND_Silica

模具與鑄件鑄件之間的換熱系數(shù)h=500

鑄件必須設(shè)置為empty 澆注時金屬液可以注入

模擬終止溫度：350℃/模擬終止步數(shù)：2000

在所有模擬條件都設(shè)置完畢后分別點擊Datacast 和Procast 按鈕，運行模擬軟件。待軟件運行至2000 步時終止。

4 不同鑄造工藝的模擬結(jié)果與分析優(yōu)化

圖3

圖4

方案一（如圖3）的模擬結(jié)果與分析：由于進水接管鑄件沒有補縮系統(tǒng)，只能有直澆道補縮而直澆道的能力又太小，所以在模擬完后鑄件的兩個大圓盤中都有比較嚴(yán)重的缺陷，尤其是在相對大一點的圓盤中已經(jīng)可以觀察到比較嚴(yán)重的縮孔。

圖5

圖6

方案二（如圖4）的模擬結(jié)果與分析：在對進水鑄件鑄件設(shè)置頂冒口后，從模擬的結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的缺陷的大小遠比方案一中的小的多，且鑄件的兩個大圓盤中都沒有明顯的縮孔。只是在離澆注系統(tǒng)相對遠一點的那個冒口補縮的圓盤中出現(xiàn)缺陷的大小比另一個圓盤中出現(xiàn)缺陷的大小要小一點。

圖7

圖8

方案三（如圖5）的模擬結(jié)果與分析：在對進水接管鑄件設(shè)置與澆注系統(tǒng)相連的側(cè)冒口后，從模擬的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)缺陷的位置與方案二中可能出現(xiàn)缺陷的位置基本一致，但方案三中的缺陷的大小要方案二中的缺陷小一點。

通過三種方案的模擬結(jié)果的分析我們發(fā)現(xiàn)方案三比方案二可行性高，方案二比方案一可行性高。在這三種方案中方案一是完全不可行的，在這種銅合金進水接管生產(chǎn)過程中是必須要對兩側(cè)的圓盤設(shè)計冒口的，且冒口要有足夠的補縮能力。所以我們得出這樣的結(jié)論，在銅合金進水接管鑄件的成型過程中，設(shè)置冒口是必要的，且冒口要與鑄件有足夠的接觸面積增強冒口的補縮能力，冒口應(yīng)盡量設(shè)置成與澆注系統(tǒng)相連保證冒口中金屬液的溫度提高冒口的補縮能力。

5 結(jié)論

1）應(yīng)采用3.0mm 作為網(wǎng)格單元長度對進水接管鑄件進行網(wǎng)格劃分；

2）銅合金進水接管必須要設(shè)置補縮系統(tǒng)；

3）冒口應(yīng)與鑄件有足夠大的接觸面積，且冒口應(yīng)盡量設(shè)置成與澆注系統(tǒng)相連接。

[1]陳仲昌，謝發(fā)勤，吳向清.Pro/E曲面建模與MeshCAST網(wǎng)格劃分的實現(xiàn)[J].鑄造技術(shù)，2007，28(10)：1353-1355.

[2]杜平安.有限元網(wǎng)格劃分的基本原則[J].機械設(shè)計與制造，2000(1)：14-17.

[3]ProCAST，“User’s manual and technical reference，”Based on ProCAST version 3.1.0，C1-C57.