近幾年應用先進的CAD/CAE技術改造鑄造業是鑄造企業生產高質量、低成本優質鑄件的有效途徑。隨著計算機技術的發展，計算材料科學已成為一門新興的交叉學科，是除實驗和理論外解決材料科學中實際問題的第3個重要研究方法。它可以比理論和實驗做得更深刻、更全面、更細致，可以進行一些理論和實驗暫時還做不到的研究。CAD/CAE/CAM技術由于功能強大、產生效益直接，可在試生產之前反復優化鑄造方案，不但可以保證鑄件質量，而且會使試制生產次數減到最低限度。同時，還可有效地利用資源、減少排放、提高經濟效益。因此，基于知識的材料成形工藝模擬仿真是材料科學與制造科學的前沿領域和研究熱點。

1 數學模型

Magmasoft采用SOLA-VOF算法進行充型的模擬分析。充型時的金屬液可以被看成不可壓縮牛頓流體的非穩態流動，包含質量守恒方程、運動方程和能量方程。

（1）質量守恒方程（連續方程）

對于不可壓縮流體，質量守恒方程的數學形式為

式中：div表示散度；ux，uy，uz分別為沿x，y，z方向上的速度分量。式（1）表明不可壓縮流體的速度散度為零。

（2）運動方程（N-S方程）

對于不可壓縮流體運動方程為

式中：gx為重力在x方向上的分量；p為壓力；ρ為金屬液密度。

（3）能量方程

能量方程的數學表達式為：

式中：cp為比熱；grad為梯度；T為溫度；S為內熱源。

（4）自由表面跟蹤

金屬液的充型凝固屬于帶有自由表面的流動問題。采用體積函數法（VOF）來處理自由表面。自由表面控制方程

式中：F為體積函數，變化范圍為[0～1]的連續函數。F（x，y，z，t）=0，表示在t時刻該單元為空，既沒有被充型；0<F<1，表示正處于充型狀態中；F=1，表示完成充型。

通過Navier-Stokes方程和連續方程求得流體的速度場和壓力場，然后根據能量方程可求解流體的溫度場。

2 鑄鋼閥體件原工藝方案

圖1 閥體實體模型

閥體分為3部分：厚實的大小法蘭和薄壁部分，閥體件實體模型如圖1所示。閥體大法蘭的外徑ϕ1215mm，內徑ϕ1000mm，厚100mm。小法蘭的外徑ϕ1130mm，內徑和閥體壁融為一體，厚55mm。中間壁厚30mm。重約3.2t。考慮加工余量后，鑄件的兩個法蘭與薄壁的交接處易形成熱節，大法蘭處的熱節圓直徑為ϕ100mm，小法蘭處熱節圓直徑為ϕ60mm。

（1）凝固順序的選擇

圖2 鑄造工藝系統簡圖

大小法蘭與薄壁的交接處形成熱節區，見圖2，容易形成縮孔、縮松缺陷。采用順序凝固原則，在大小法蘭上分別安置冒口，同時在兩個法蘭的下部使用外冷鐵。澆注后，閥體薄壁和激冷區域先凝固，其液態和凝固收縮分別由厚壁的法蘭處的鋼液補給，兩個冒口分別用來補給兩法蘭處凝固時所需的鋼液，消除縮孔、縮松。

（2）澆注位置和分型面的確定

采用圖2澆注方案。分型面通過鑄件的中間，澆注位置放在分型面上。

3基于MAGMAsoft的原鑄造工藝分析

圖3 充型結束后不同時間的凝固情況

圖4缺陷判據分析

圖3（a）、（b）分別為充型結束34min2s和42min57s時的凝固情況。可以看出，在固相分數增加的過程中補縮通道較早凝固，阻礙了冒口對法蘭的補縮，造成了大小法蘭內部部分區域最后凝固，產生了縮孔縮松。圖4為閥體薄壁內表面的凝固情況。模擬顯示，閥體薄壁的內表面出現了疏松現象，且主要分布在下箱，分析認為，是由于砂型散熱不均造成的。根據以上結果，需要對原始工藝改進。

4 工藝改進及仿真模擬分析

根據以上分析結果，作如下改進，改進后的工藝如圖5所示。

圖5改進后工藝

（1）增大激冷區域，即加大冷鐵。
（2）采用蓄熱系數大、易導熱的鉻鐵礦砂（或鋯英砂）做砂芯，使薄壁部位盡可能同時凝固，消除疏松缺陷。
（3）采用補澆工藝，防止縮頸產生。

圖6 工藝改進后充型結束不同時間的凝固情況

對改進后的工藝方案進行模擬分析。圖6（a）、（b）分別為充型結束33min37s和35min48s時的凝固情況。可以看出，工藝改進后，隨著固相百分數的增加，冒口針對法蘭的補縮通道沒有被堵塞，熱節移到冒口中達到了冒口對法蘭進行有效補縮的及鑄件整體順序凝固的目的，有效的防止了法蘭內部縮孔縮松的產生。由圖7（a）、（b）可知，采用蓄熱系數較大、易導熱的砂芯后，由于砂芯的導熱快、散熱均勻，閥體薄壁部分的凝固順序基本同步，解決了閥體薄壁的疏松問題。實踐證明模擬結果符合生產實際。

圖7 工藝改進后判據分析

4 結論

（1）采用MAGMAsoft軟件，對鑄鋼閥體件工藝方案進行分析，根據分析結果，進行了工藝改進，設置了砂芯，加大了冷鐵，驗證了改進后工藝方案的合理性。

（2）通過對閥體鑄件數值模擬，直觀地反映出充型凝固的溫度場分布、溫度梯度、金屬液流動行為、補縮能力、縮松縮孔等。實踐證明模擬結果符合生產實際。

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