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大型铝合金前罩铸造工艺模拟
宋彬 陈日军
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摘要：利用北京北方恒利科技发展有限公司开发的铸造模拟软件CAStsoft对大型铝合金综合传动箱铸件的凝固过程和充型过程进行模拟。通过对凝固过程的温度场和铸造缺陷的分析，依据分析结果对工艺进行改进,最后设计出合理的铸造工艺。铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。
关键词：铸造模拟凝固过程 温度场 铝合金传动箱铸件
Simulation of Casting Technology on langer alnico Wheel Box
North China Engine Research Institute (037036) chengrijun
Beijing North Hengli Science and Technology Co., Ltd.（100089） songbin
Abstract:By using Beijing North Hengli Science and Technology Co., Ltd. cast simulation software CAStsoft simulates langer alnico Wheel Box in this text .Mainly including solidiy course and injection course. It analyzed temperature field and defect might produce. Using analysis result improved the technology and design reasonable technology. Casting computer simulation can be reduced or canceled new products on the technology ,It can effectively avoid the possible casting error process to ensure the reliability of the new products developed to shorten the cycle.
Keywords: Simulation of Casting solidiy course temperature field alnico Wheel Box
中图分类号：文献标识码：A
传统的铸造工艺设计方法往往依赖于直觉经验，在铸件结构较为简单和铸造类似铸件时，经验可能起到一定的作用；在浇铸大型、复杂铸件且无相关经验时，只能通过反复工艺实验来确定工艺；当工艺存在重大失误时，可能使得工艺方案被彻底推翻。通过工艺反复实验来确定工艺的方法，可能导致先前制作的模具报废，对于大型铸件来说模具费用会相当高，这会造成重大经济损失，同时严重影响新产品的试制，延长新产品的试制周期。近年来铸造过程计算机模拟技术得到飞速发展，使得通过铸造模拟来确定铸造工艺成为可能，铸造过程计算机模拟可以减少或取消新产品的工艺实验，能够有效地避免可能出现的铸造缺陷，保证工艺的可靠性，缩短新产品的试制周期。本次分析采用的软件是北京北方恒利科技发展有限公司的CASTSOFT软件。通过模拟分析发现工艺存在的问题，采取工艺改进措施后再次进行模拟，直到铸造工艺趋向合理。
1. 铸造工艺方案设计
1．1铸造工艺方法的选择：
由于综合传动箱属于大型复杂薄壁铝合金铸件，铸件最薄的地方为6mm,最厚大的地方为80×110×120，外轮廓尺寸为860×920×510，且最后机械加工出4个Ø12的高压油道，油管要进行压力试验，试验的压力为2.2~2.5 Mpa ，5分钟不允许渗漏。用砂型重力铸造难以保证顺利充满和厚大部位不产生疏松，特别是高压油管处质量。低压铸造工艺具有金属液充型平稳、铸件在压力下结晶，生产的铸件缩松、气孔、夹杂少的优点，因此选用砂型低压铸造的工艺方案。在砂型、砂芯铸件相应厚大的地方放置冷铁调节铸件厚大部位的冷却速度。
1．2浇注系统位置的选择：
因传动箱的轴瓦处壁厚度为45mm，且轴瓦处是传动箱受力最大的部位，所以对此处的组织要求高，不允许有缩松、气孔等铸造缺陷，为了使得铸件实现顺序凝固且保证轴瓦处的力学性能，在几处轴瓦处共设6道内浇口，通过厚大内浇口在压力下对其进行补缩。
2. 三维建模
2．1铸件的三维建模：
采用Pro-E软件对铸件进行三维建模，并在铸件的基础上加浇注系统。

（图片）

图1 加浇注系统铸件三维模型

2．2冷铁的三维建模：
由于在工艺模拟时冷铁属于另外的实体附在铸件上，要求冷铁与铸件间面贴合。由于铸件的一些地方是不规则的曲面所以冷铁的形状也为不规则曲面形状即为随形冷铁，同时由于铸件的热节不连续相互间孤立、分散，所以冷铁也分散分布，相互间不相连，而在工艺模拟时要求同种材料的冷铁组合成一个整体，生成一个STL文件。加浇注系统铸件三维模型如图1所视；加浇注系统、冷铁的铸件三维模型如图2所视：

（图片）

图2 加浇注系统、冷铁的铸件三维模型

3. 工艺模拟及工艺优化的工作流程图（图3）

（图片）

图3 铸件浇注工艺设计优化流程图

3．1前处理：
本次模拟时，铸件、铸型及冷铁网格剖分的网格尺寸为5mm×5mm×5mm，共剖分网格6351545个。
3．2凝固过程模拟：
按工艺要求添加低压铸造相应的工艺参数。参数设置如下：
①铸件材料为ZL101A.②砂型为树脂砂。③冷铁的材料为HT250。④浇注温度为700℃。⑤保压压力为0.065MPa，保压时间1500秒。通过凝固过程、温度场及缩孔、缩松的判定可以看到铸件有8处存在缩孔，其中在80×110×220处存在严重缩孔缺陷。从温度场、凝固过程及冷却速度的分析可以清晰看到热节周围的温度远低于热节区的温度（在温度场状态图中标示位置），早于热节凝固，使得热节最后凝固形成缩孔。如下图4-9所示。通过此次模拟可以看出先前制定的工艺存在问题。

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图4 凝固分数为30%时的温度情况图

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图5 凝固分数为60%时的温度情况图

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图6 凝固分数为85%时的温度情况图

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图7 凝固分数为100%时的温度情况图

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图8 凝固过程状态结果图

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图9 铸件缩孔位置图

4. 铸造工艺的改进：
针对工艺模拟结果，对工艺进行改进，具体改进如下：①在80×110×220处放置大的暗冒口，对此处进行补缩。②80×110×220处的Ø60孔处放置内冷铁。③在其它7处有缩孔处放置相应冷铁，并调整附近其它冷铁的布置。工艺改进后再次进行模拟。通过模拟结果的温度场、凝固过程及缩孔、缩松的判定可以看出铸件在80×110×220处得到了冒口有效的补缩，缩孔明显移入冒口内。其它几处有缺陷的地方，也可以看出通过冷铁的添加与调整大大地减小了缩孔、缩松现象。达到了预期目标。如图10-13所示：

（图片）

图10 改进工艺后加浇注系统与冷铁的三维模型

（图片）

图11 凝固过程温度情况状态图

（图片）

图12 改进工艺后凝固过程状态图

（图片）

图13 改进工艺后缩孔位置图

5. 结果与分析：
使用CASTSOFT软件可以有效地预测出工艺设计中存在的问题，能够预测出铸件可能存在的铸造缺陷，并根据此模拟结果改进、优化铸造工艺。利用三维建模软件可以很方便地进行浇注系统、冷铁等改进，同时利用CASTSOFT软件可以对铸造工艺参数如：浇注温度、充型时间、保压压力、保压时间等的改进，改进后再次进行模拟，经过多次改进直到消除铸造缺陷。这对于大型复杂铸件有很重要的意义，它可以减少工艺试验的次数，甚至可以取消工艺试验，保证铸件一次试制成功。从而大大缩短新产品的试制周期，提高企业的竞争力。依据此次模拟结果制定的工艺用于生产后，效果良好，前后共铸造10台份传动箱，铸件在机械加工后没有发现铸造缺陷，加工后的高压油道在进行2.5MPa的高压试验时未发生渗漏现象。能够满足设计要求，从而也验证工艺模拟的有效性。
6．结语：
通过此次模拟可以总结出以下几点经验①低压铸造很适合大型复杂薄壁铸件的铸造，它不但可以保证薄壁处的顺利充型，也可以通过内浇口在压力下对铸件厚大部位进行补缩。同时铸件是至下而上充型，所以充型平稳，不会产生二次造渣现象②使用砂型、砂芯内附冷铁的工艺可以有效消除铝合金铸件的缩松现象，同时可以大大提高厚大部位处的力学性能。③对于特别厚大的地方，由于条件所限不能通过浇注系统补缩，采用冷铁也不能彻底消除铸造缺陷时，必须采用暗冒口进行补缩，因低压铸造所用的冒口为暗冒口，所以冒口的尺寸要适当加大。
作者：
陈日军:男,1973年生,山西省大同县人,1996年毕业于华北工学院铸造工艺与设备专业,并获工学学士学位,同年7月分配到中国北方发动机研究所从事铸造工艺设计与研究，近几年主要从事大型铝合金铸件的低压铸造工艺设计与研究．如发动机曲轴箱体＼缸盖＼及大型传动箱箱体等铝合金铸件的低压铸造工艺设计．工程师．
宋彬：北京北方恒利科技发展有限公司工作，从事铸造数值化模拟技术相关工作。电话：13810507162，E-mail:hlbj@hlzz.com。
参考文献
[1] 李庆春 铸件形成理论基础 机械工业出版社 1982年1月
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[4] 王智平 底杯铸件铸造工艺模拟 铸造 2006（2）149-151
[5] 胡汉起 金属凝固原理 机械工业出版社 1997年8月
[6]靳玉春，侯华，赵宇宏等材料成型过程数值模拟 兵器工业出版社1997年8月
[7]柳百成 等 铸造工程的模拟仿真 与质量控制 机械工业出版社， 2001年6月 4/28/2011

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