铁模覆砂铸造工艺仿真设计应用研究★

陈学文

（1.广东工程职业技术学院， 广东 广州 510520；2.广州市金属学会， 广东 广州 510520）

铸造对社会经济发展乃至文明建设都起着重要作用。如，钢铁耐磨铸件是耐磨铸件的主要组成部分，国内年需求量较大。然而，目前我国铸造行业存在铸件质量较低，铸造工艺设计大多仍沿用传统铸造工艺经验设计方法，铸造装备水平仍需提高等主要问题[1]。但是值得关注的是，随着计算机技术水平的提高和汁算机大众化，铸造行业在“十二五”发展规划及相关政策发布与实施下，设备在不断升级与完善，且研发了一系列铸造工艺仿真设计软件。铸造仿真软件是利用计算机在数学模型和算法的基础上，形成了更具有理论与科学依据的铸造仿真工艺设计流程，不仅提高了工艺的科学依据，还在很大程度上提高了铸造企业的综合竞争力。

1 铁模覆砂铸造原理及主要特点

1.1 铸造原理

铁模覆砂铸造采用金属—铸铁模型以及铸铁型腔作为砂箱铁型，型砂通过射砂机射入型腔内壁，并加热固化，是结合我国国情发展起来的一种特殊的半精密铸造技术方法。该工艺通过覆砂层厚度调整能够改变铸件的充型等成型条件，很大程度上削减了铸造生产缺陷，提高了健铸件整体质量。由于该工艺砂型是与铸件结构直接接触，而铁型与铸件结构间隔着一层型砂，故阶梯式的湿度分布非常有利于铸件的凝固和冷却成型。但是由于金属型传热效果比砂型要好得多，故覆砂层的厚度调整有一区间值。具体的，当型砂厚度过大，成型工艺可视为砂型铸造；反之，可视为金属型铸造。铁模覆砂原理及铁模覆砂铸造工艺流程分别如图1、图2 所示。

图1 铁模覆砂原理

图2 铁模覆砂铸造工艺流程图

1.2 铁模覆砂铸造主要特点

该工艺具有砂型铸造的特点，砂型整体强度高、不变形，适应性广泛，铸件易脱模；同时具有覆膜砂壳型铸造的特点，造型方便、快捷，型砂密度、铸型表面硬度等通过设备保证，永远一致；铁型覆砂铸造还具有金属型铸造的特点，铸件的综合强度较高等。

具体铁模覆砂铸造主要特点：

1）通常铁模覆砂铸造的冷却速率比砂型铸造快，比金属型慢，其可以综合二者的优势，同时避免二者的缺陷，有效的提高铸件的机械性能。

2）能够避免白口组织缺陷的产生。

3）易于实现机械化和自动化批量生产，生产效率较高。

4）成本比普通砂型铸造低20%～30%，节约砂型80%以上。

5）可明显消除型壁膨胀，保障尺寸精度，节约金属液。

6）覆砂层能保护铁型，提高金属铸型使用寿命。

7）能够极大地改善铸件质量，提高使用性能。

2 铸造仿真软件工艺设计流程

铸造成形过程工艺参数繁多，影响因素不确定且难控制。传统铸造工艺主要是通过不断试制和调整工艺来符合要求。铸造过程的计算机仿真技术通过使用铸造仿真软件，利用计算机在数学模型和算法的基础上，形成了更具有理论与科学依据的铸造仿真工艺设计流程，具有研发周期短、生产成本低、质量稳定等诸多优点，可以可较好地解决铸造成形过程的诸多难点，显著提高产品的研发效率、生产成本及铸件质量。铸造仿真软件工艺设计流程如图3所示。

图3 铸造仿真软件工艺设计流程

3 铁模覆砂铸造工艺仿真设计应用

3.1 铸造工艺仿真设计的前处理

铸造工艺仿真设计的前处理决定了后续模拟的精确性，且影响了模拟速度的快慢，因此其是铸造工艺仿真设计的第一步及重要的一步。前处理主要包括几何建模和网格划分。几何建模主要通过其他的三维制图软件建模后再运用。网格划分主要包括网格形状和大小的选择，其结果将直接影响后期模拟计算的速度和精度。具体的，三角形单元划分灵活，可适应复杂的几何形状，精度高；四边形单元则要求铸件结构比较规则；确定网格大小要遵循零件最薄壁厚要大于网格单元长度，对于同一铸件的网格划分，网格越小，精度越高，但模拟速度慢。如，Pro－CAST 是基于有限元法的铸造仿真软件，能进行细致的网格划分，精度高，活塞尾在ProCAST 中的网格划分中，因结构复杂程度适中，拐角处较多，故选择三角形网格；其他大多数铸造仿真软件则是基于有限差分法，网格划分简单、速度快及硬件配置要求低，其与有限元法的铸造仿真软件不同，网格形状一般采用四边形。

3.2 铸造工艺仿真设计的过程处理

铸造工艺仿真设计的过程处理主要有材料数据的获取、存储等，是前处理之后紧接着要进行的过程，是模拟运算的核心，直接决定了仿真的真实性和可靠性。

3.2.1 获取材料数据的方法

较常用方法为试验法和计算法。

1）试验法指通过数学计算和实测来获取材料相关参数的方法，主要方法与步骤包括获取材料化学成分、力学性能参数、热物性参数、铸造工艺参数等。试验法简单、原始，对于新开发的材料、非标准钢号及己知材料的部分性能参数，为了更好地获取材料数据，常用此法。

2）计算法是指通过软件自带的材料性能计算功能，如借助其提供的计算模型，同时根据相关指令，来进行材料各种性能参数的计算和添加的方法。

此外，获取材料数据的方法还有反求法和摄取法。反求法是相对于正向求解来说的，通过实际测试的温度数据确定相应的边界条件和材料热物性。摄取法指通过其他软件与铸造仿真软件之间建立数据接口，以摄取所需要的相关的材料数据信息，从而补充和完善数据库。

3.2.2 材料数据的存储和调用

针对铸造仿真软件的材料数据存储难的问题，经过多年的研究与试验，可以通过利用其他软件提供给的开发平台，将获得的材料相关参数数据存储到铸造仿真软件内。由于铸造仿真软件是不同国家研发的，数据标准不相同，与此同时，也需要将其他途径获得的数据在仿真软件间相互调用，以实现相关参数数据通用。

3.2.3 参数设置

参数设置对铸造工艺仿真设计较为重要。目前国内外较为常用的不同国家研发的铸造仿真软件有ProCAST、MAGMAsoft、华铸 CEA、Anycasting、HOW-3D、SolidCAST、清华铸造之星等[2]。然而，由于不同铸造仿真软件开发的原理、工程模型等不相同，数据标准及其他相关方面也不相同，因此参数设置内容会有所不同。如，华铸CEA 具体设置方法和步骤为，进入物性参数设置界面，根据提示进行相关选择，选择预设置的材料，填写物性参数值；清华铸造之星具体设置方法简单概括为充型和凝固等。值得注意的是，对于铁模覆砂这类新型铸造工艺，参数设置比较复杂。

3.3 铸造工艺仿真设计的后处理

后处理内容主要为充型过程、凝固过程、应力应变等。后处理技术是从针对性内容直观的展示相关模拟结果，以达到直观展示及有针对性和选择性展示。

3.3.1 充型过程

指金属液开始充填型腔到充填结束的过程。所涉及的参数主要有：

1）充型速度。动态铸型各部位金属液的流动速度，速度变化的激烈程度反映了充填是否平稳，通过颜色判断速度值，速度的方向可通过“矢量”功能键进行观察。

2）温度分布。动态铸型各部位金属液的温度值。观察内部铸件的温度分布，可使用“剖切”，观察其他部位温度，可使用“旋转”；充型温度的结果显示可选择只显示铸件，而非所有结构的。

3）压力分布。动态铸型各部位金属液的压力值。流动场中的充型速度，在一定程度上决定着压力分布。在无激冷条件下充型过程的温度分布决定铸件的凝固顺序。

4）充型固相。充型过程中合金达到固相温度以下的百分数。

5）充型时间。各部位充型开始到充型结束的时间。充型时间的长短直接决定铸件质量好坏，基本是呈正比。充型时间可反映铸型内连续区域的充型是否平稳，且颜色变化越集中于某一连续的区域，出现缺陷的概率越大。

6）材料老化程度。材料老化程度通过时间单位来衡量，是金属液流动长度和纯净度的综合体现。

7）流动长度。金属液由浇口流至各部位的距离，mm。流动长度主要影响因素是温度，流动场中的充型速度反映了充型是否平稳，决定着压力分布。

3.3.2 凝固过程

凝固过程指充型结束后合金凝固的过程，包括的后处理内容主要有温度梯度、固相率时间等。

1）温度梯度。指各部位达到“标准温度2”时的温度梯度，℃/mm。

2）凝固时间。指铸型从开始凝固到低于固相温度所需的时间。

3）凝固温度分布。凝固过程中达到不同固相率时的温度分布。

4）铸件固相率。铸件某一固相率达到某数值所需的时间，s。

5）尼亚玛准则。其值是在铸件完全凝固前达到“标准温度1”时的温度梯度比上冷却速度的平方根。一般情况下，其值越小越易出现轴线缩孔缩松，值介于0.2～1.3 属于危险区。

6）缩孔形成。主要是预测由于固相收缩引起的缩孔缩松缺陷。

3.4 铸造工艺仿真设计的工艺改进

要获得合格工艺、优化工艺和生产条件下最佳工艺，还需要对工艺进行不断改进，得到适用于实际生产过程的优质工艺。具体的，铸造工艺改进包括工艺优化和生产调优，是得到适用于实际生产工艺设计的依据和方法，是最终获得化质铸件的保证。

3.4.1 工艺优化

为消除设计内容以及各类参数之间的冲突，在得到合格的工艺后，需对结构设计和后处理中显示的缺陷与不足之处进行优化。工艺优化一般有均匀试验法和正交试验法。均匀试验法单独对各因素进行组合试验，以确定最佳值；正交试验法两两因素进行组合试验，以确定各因素最佳值。均匀试验法和正交试验法皆有缺陷，均匀试验法工作量大且没有考虑各试验因素之间的影响，正交试验法水平值在选择数量上有限制，一般不多于4 个。

3.4.2 生产调优设计

主要指在生产条件下进行工艺改进，以获得更好的铸件质量。调优设计前要确定生产中的主要影响因素和调优方案。调优设计主要考虑的因素有铸造工艺参数、合金熔炼工艺以及砂型的紧实率、湿强度及韧性等。生产调优设计是通过周相迁移原理来进行的，生产调优方法与步骤如图4 所示。

图4 调优设计流程图

4 结语

铸造工艺仿真是科学的应用技术，进行铁模覆砂铸造工艺仿真设计应用，并进行工艺优化和生产调优，有助于缩短新产品的研制周期，降低产品的生产成本，同时有助于消除热裂、夹渣与缩松等缺陷，已成为未来铸造巧业的一个重要的发展方向。