基于ProCAST的铝合金件铸造工艺仿真优化研究

蔡承宇

【摘 要】利用ProCAST软件对铝合金件的铸造工艺进行了仿真研究，并且在此基础上对其工艺进行了优化，利用添加冷铁的方法，有效解决了浇不足的问题，研究说明ProCAST软件在铝合金铸造工艺中有一定的实用价值。

【关键词】铝合金；铸造；仿真

随着计算机技术的迅猛发展，铸造工艺优化方面的数值模拟软件愈发成熟，相对传统的以工程师经验为指导的铸造工艺，利用ProCAST等铸造仿真软件对铝合金铸件的铸造过程进行仿真，可以有效提高铸件的生产效率，通过仿真模拟可以对形状复杂且质量要求较高的零件进行铸造生产前的工艺优化，筛选出最优工艺方案，大大缩短了铸造工艺的研发周期，节约了优化工艺的前期成本，并提高了铸件的质量。

本文用美国 UES公司的铸造模拟软件ProCAST对常用于汽车零部件制造的A356铝合金铸造过程进行了仿真研究，通过对铸件充型过程以及凝固过程的模拟，为铸件的设计改进提供了依据。

1 铸造缺陷类型分析

在铝合金的铸造过程中，常见的铸造缺陷与问题有五种，分为缩孔、裹气、裂纹、冲砂、冷隔及浇不足，具体特征及解决方法如下。

1.1 缩孔

缩孔是铸造过程中较为常见的缺陷，往往是由于铸件在浇注过程中无法及时得到补缩而形成的，利用ProCAST可以通过模拟封闭的金属液空穴而精确的预测缩孔的位置，并可以通过调整浇注系统和冒口的位置及尺寸，有效避免或减少缩孔现象的发生。

1.2 裹气

裹气是由于在填充过程中，金属液体受阻而产生气泡，利用ProCAST软件可以对这些气泡位置进行追踪，确定气泡最终的位置，并可预测缺陷的形状，通过安排合理的排气孔等手段，可有效解决裹气问题。

1.3 裂纹

铸件在逐渐冷却的过程中由于热应力的存在容易产生裂纹，利用ProCAST的热应力分析模块，可以很好的模拟凝固过程、冷却过程，在投入生产应用前，通过对模具型腔以及铸件系统的优化，有效避免裂纹的产生，节约试制成本。

1.4 浇不足

浇不足的情况往往是由于工艺参数设置不当引起的，比如型腔没有充分预热，金属液的温度较低，浇注的速度过慢等均会导致浇不足的现象，利用ProCAST对浇注过程进行热分析、浇注速度分析、压力分析以及ProCAST特有的粒子追踪功能，可以确定最优的工艺参数，避免浇不足的发生。

2 铸件模型建立

汽车用铝合金部件对铸造材料以及表面质量、强度等有较高的要求，按照现有标准，铸件内部要求组织致密度高，不应有缩孔，表面不允许有冷隔，浇不足等缺陷，为了便于数值模拟，在本文中对零件的结构进行了简化处理，采取砂型重力鑄造的形式对其充型过程及凝固过程进行仿真研究。

3 仿真过程

采用ProCAST软件对充型过程及凝固过程进行评价，本次模拟对象的铸件材料为A356 铝合金，其热物性参数来自ProCAST数据库，冷铁材料为steel_H13-STRESS， 上下模为室温20℃，铸件浇注温度为700℃，冷却方式为空冷，重力参数为9.8。

在CAD软件如Pro/E、UG等中建好模型，并导入MeshCAST进行网格划分，首先对模型进行表面网格划分，之后进行了体网格划分，共计47521个单元。导入ProCAST进行各种参数的设置，设置界面交换系数，边界条件等，然后用ProCAST模块进行数值模拟计算，具体模拟流程如图1所示。

4 模拟结果分析

通过对模拟结果进行分析发现在浇注的过程中存在着浇不足问题，不能满足该铸件的使用要求，因此在此基础上对铸件系统进行了调整，在拐弯处两侧增加了冷铁如图2所示，在其他参数不变的情况下，再次进行模拟计算，结果表明，改善后的结构使铸件的质量明显提高，解决了浇不足的问题。

5 结论

1）通过利用ProCAST对浇注过程模拟，发现现有的砂型结构由于存在着明显的拐角，会产生浇不足的现象，通过增加冷铁，加速该部分金属液的冷却速度可以有效改善铸件的质量。

2）对浇注过程中缺陷问题的仿真模拟，说明了ProCAST软件在铝合金件铸造工艺优化仿真的实用性，利用ProCAST软件能够有效的预判生产中可能会出现的问题，大大缩短产品的研发周期。

6 致谢

本研究得到浙江省教育厅科研项目（ZC200803100）的支持。

【参考文献】

[1]李德胜，等.基于ProCAST球铁支架铸造过程数值模拟[J].金属铸锻焊技术，2010，3，39（5）：54-56.

[2]邱彬，等.基于ProCAST的拉伸试棒的金属型铸造工艺分析[J].特种铸造及有色合金，2010，9，30（9）：807-809.

[责任编辑：朱丽娜]