西安建筑科技大学
硕士学位论文
锻造用钢锭凝固过程温度场数值模拟及其应用
姓名：王芹
申请学位级别：硕士
专业：钢铁冶金
指导教师：袁守谦
20040601
西安建筑科技大学硕士学位论文
锻造用钢锭凝固过程温度场数值模拟及其应用
专业：硕士生：指导教师：钢铁冶金王芹袁守谦
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锻件质量好坏与钢锭的质量有着密切关系，而钢锭的质量在很大程度上又与其凝固过程相关。本课题采用数值传热学的方法，编制相关的计算机程序，模拟钢锭凝固过程中温度的分布，为评价钢锭内部质量奠定了基础，进而达到指导生产提高钢锭质量的目的。
论文通过对钢锭铸造凝固过程及其简化条件下换热边界条件的分析、讨论，建立起钢锭铸造凝固的二维非稳态温度场计算数学模型，并据此编制计算机程序，经调试后得到反映钢锭铸造凝固过程中温度场分布的程序。
运用所编制的程序，可以计算相似结构的钢锭在其凝固过程中的温度场变化情况。为了提高钢锭锻压比，借鉴钢锭模设计的传统经验，对原有钢锭模结构进行了重新设计，尝试优化钢锭模结构来改善钢锭的整体质量。利用该程序，设计人员可以对钢液在新型钢锭模中的凝固温度场进行预测和评价，也可以通过对比来优化钢锭模设计。
本课题所进行的钢锭凝固过程温度场数值模拟、钢锭模结构优化为模拟软件的第一阶段研究。它为进一步研究钢锭凝固奠定了基础，也为钢锭模结构优化设计提供了参考依据。
关键词：锻造用钢锭凝固过程温度场数值模拟优化设计
论文类型：应用基础
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ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＦｏｒＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄＯｆＦｏｒｇｉｎｇＩｎｇｏｔ
ＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｃｅｓｓＡｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ：ＩｒｏｎａｎｄｓｔｅｅｌＭａｋｉｎｇ
Ｎａｍｅ：ＷａｎｇＱｉｎ
Ｉｎｓｔｒｕｃｔｏｒ：№Ｓｈｏｕｑｉａｎ
ＱｕａｌｉｔｙｏｆｆｏｒｇｉｎｇｈａｓｉｎｔｉｍａｔｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｗｉｔｈｑｕａｌｉｔｙｏｆｉｎｇｏＬＱｕａｌｉｔｙｏｆｉｎｇｏｔｉｓｔｏａｇｒｅａｔｅｘｔｅｎｔｃｏｎｎｅｃｔｅｄｗｉｔｈｉｔｓｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｐｌｏｃｅ鹤．Ｂｙｍｅａｎｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｈｅａｔ位ｍ甜打ｔｈｅｏｒｙａｎｄａｄｖａｎｃｅｄｃｏｍｐｕｔｅｒ，ａｅｏｍｐｅｔｅｒｐｒｏｇｒａｍｉｓｗｒｉｔｔｅｎｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｅｍｐｅｒａａｎｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ．Ｉｔｉｓｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｉｎａｓｓｅｓｓｉｎｇｉｎｔｅｍａｌｑｕａｌｉｔｙｏｆｉｎｇｏｔ．Ｉｔｉｓｇｒｅａｔｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｇｕｉｄｉｌｌｇｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｉｎｇｏｔ．
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本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了致谢。
申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。
论文作者签名：衫苛
关于论文使用授权的说明
日期：每印仁莎
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（保密的论文在论文解密后应遵守此规定）
论文作者签名：砂菁
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注：请将此页附在论文首页。
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主要符号表面积ｍ２比热等价比热材料定压比热外接圆直径质量固相率网格傅立叶数体积固相率临界固相率温度梯度对流换热系数ｗ／（ｍ２－ｏｃ）热焓辐射换熟系数界面综合换热系数（考虑传导、对流、辐射）材料导热系数平衡分配系数凝固潜热热流量ｗ热流密度ｗ／ｍ２外接圆半径径向长度物体温度金属熔点共晶温度锭模外表面温度物体壁面温度流体温度钢锭重量钢锭有用部分的重量
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１．１．１研究发展历史
凝固模拟是采用计算机模拟铸件的凝固过程，并以直观可视的形式把铸件的凝固过程和缺陷位置等形象地显示出来，也称“计算机试浇”。它是虚拟串ｌ髓技术在铸造行业的应用和体现。不仅为铸造工艺设计提供了一种科学依据，而且为彻底改变铸造生产劳动密集型传统模式，提高铸造技术水平，进—步发展铸造工艺计算机设计（ＣＡＤ）／计算机辅助工程（ｃＡＥ）／计算机辅助制造（ＣＡＭ）技术奠定了基础“１。
数十年来，由于凝固理论、传热学、工程力学、数值分析和计算机软硬件技术的巨大进展和日益更新，使计算机模拟技术在Ｐｃ机得以实现，开创了凝固过程研究的新局面。凝固过程计算机模拟最早开始于二十世纪六十年代，丹麦的Ｆｏｒｓｕｎｄ采用有限差分法对凝固过程的传热进行温度场模拟；八十年代初开始充型过程数值模拟和应力应变数值模拟；力ｌ斗年代兴起凝固微观组织模拟研究。丹麦、美国早期的模拟尝试，其数值计算结果与实测结果相当接近‰ａ］ｏ这些最初的尝试性研究表明，用计算机模拟技术研究凝固过程具有巨大的潜力和广阔的前景。随后，世界各国相继开展了有关凝固数值模拟的研究。历经几十年的发展，铸件凝同过程数值模拟已经成为铸造技术领域中一个非常重要的研究方向。其发展大致经历了三个阶段：第一阶段：主要以经典传热理论为基础，加上后来发展的传热传质流动综合模型，从宏观尺度（ｍ）来研究铸件凝固过程：
第二阶段：在第一阶段基础上考虑凝固动力学因素，从微观尺度（ｕｍ）模拟液固耦合现象，从而大大提高缺陷预测的科学性：
第三阶段：从原子量级上描绘液固耦合现象，其预测依据则完全建立在基础理论之上。
根据多年来各国在铸造领域的发展情况，实际研究及应用，铸造过程计算机数值模拟主要包括四部分内容即充型过程数值模拟（流场模拟）、凝固过程数值模拟（温度场模拟）、热应力及残余热应力数值模拟（应力场模拟）和微观组织数值模拟（组织模拟）。通常铸件的温度场模拟、流场模拟、应力场模拟又称凝固过程宏观模拟。模拟的目的在于预测铸件的宏观缺陷，如缩孔、缩松、宏观偏析、热裂等，从而改善铸件的整体质量。铸件的组织模拟也称凝固过程微观模拟。微观模拟以宏观模拟为基础和前提，尤其是温度场模拟为微观组织模拟提供重要的温
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度数据。二者相比，凝固宏观模拟较微观模拟更成熟、更可靠，但近些年，凝固过程微观模拟也逐渐开始发展起来，并取得较好的效果。
１．１．２国内外研究现状
自六十年代以来，国外许多国家都在这一方面投入大量资金和科研力量，已经取得许多可喜的研究成果；并正将这些成果应用于实际生产中。早在＿九六六年美国铸造学会传热委员会制定了一项长远规划，以密西根大学Ｐｅｈｌｋｅ教授为首开展了研究工作。在研究工作中，比较了显式有限差分、交替隐式差分数值模型，研究铸件、铸型的热物理参数并进行了大量的实验，研究铸件、铸型交界气隙形成的规律并适当处理相应的传热方式，还开展了铸件、铸型膨胀收缩和移动的专门研究。
七十年代以来，日本在铸件凝固数值模拟研究与应用方面相当活跃。以大阪大学的大中逸雄教授Ｈ一】和东北大学的新山英辅教授所进行的研究工作为代表。大中逸雄研究中提出了—种直接差分法，分为内节点法和外节点法。其物理意义明确，单元划分灵活。新山认为，只要各单值条件处理得当，有限差分可以满足要求。他还进～步根据质量补缩和枝晶间补缩原理，引入达西定理熔融金属渗透概念而提出不受铸件形状影响具有一定通用性的缩松判据。
国内的凝固过程数值模拟研究开始于七十年代后期，发展十分迅速。经过二十余年的研究和发展，内容不断深入并先后开发了一系列凝固模拟软件。这些软件在国内的冶金、重型机械、汽车、船舶、电力、机械和航天等行业的铸造生产厂家使用，解决了许多实际问题。
众多的大专院校与研究所进行了广泛的铸件凝固数值模拟基础性研究。大连理工大学采用有限差分法进行了大型铸件凝固过程温度场计算，并利用数值模拟技术进行冒口优化设计，通过反复修正冒口尺寸，计算铸件的凝固过程，使缩孔产生在冒口底部而不进入铸件内，这样就可以得到最佳的冒口尺寸。沈阳铸造研究所针对大型水轮机叶片，采用有限差分法的绝热稳定差分格式进行数值模拟，为产品工艺设计和质量控制提供依据，收到了良好的效果。西北工业大学研究了凝固条件对ＡＬ－４５％Ｃｕ合金温度场的影响。。西安变通大学用直接差分法对金属铝和铝合金试样进行了二维和三维温度场的计算，通过二维与三维的计算比较，认为对于三维形状的铸件只有进行三维温度场计算才能真正模拟其凝固过程。清华大学和哈尔滨工业大学还分别针对大型锻件用大钢锭的负偏析和ＡＬ－Ｃｕ台金的成分不均进行了化学成分偏析场的数值模拟研究。除了Ｅ述单位外，沈阳工业大学、哈尔滨科技大学、北京科技大学、西安交通大学等也进行了一系列数值模拟技术的基础性研究，并与实际生产相结合，对生产做了一定指导。综合起来这些基础性研究主要包括以下几个方面：４。”
（１）铸件凝固过程温度场数值模拟及基本方法的研究。其中包括（显式、隐式、交替隐式、ＤＥＦ格式、Ｓａｕｌｙｅｖ格式的）有限差分法、有限元和边界元法以及各种边值条件处理和潜热处理：（２）铸件凝匿【过程缩孔、缩松计拿秽０据的研究。通过计算温度场中的温度梯度、固相率、
２
凝固时间等，用一系列准则来预测铸件在凝固过程中产生缩孔、缩松的部位及大小、产生时间等。这对铸钢件尤为重要。到目前为止，提出的适用不同条件的缩孔、缩松判据已有十余种。
（３）铸件热应力、残余热应力、热缩变场等其它物理场的数值模拟研究。主要包括铸件凝固进程中热应力场计算、冷却过程中残余热应力计算、热裂纹敏感区和热裂纹的预测等。对热缩变场的研究，主要是通过温度梯度、准固相区停留时间及收缩变形梯度等项的计算来预测热裂纹敏感区，进而采取工艺措旌来消除热裂纹。
我国也投入大量的人力、物力、财力进行科技攻关，研制出一系列计算朝．软件，用于指导铸造工艺，从而显著提高铸件的内部质量，满足市场对大型、高负荷、高精密铸件的需求。如清华在大型有限元通用软件ＡＮＳＹＳ基础上二次开发的ＦＴ－ＳＴＡＲ，华中科技大学的ＩＮＴＥＣＡＳＴ／华铸ＣＡＥ，华北工学院的ｃＡｓ，ｒｓＯＦＴ等…。此外还有～些较有名的铸造通用商品化软件有：德国的ＭＡＧＭＡＳＯＦＴ、法国的Ｓｉｍｕｌｏｒ、日本的Ｓｏｌｄｉｎｇ、美国的Ｐｉｏｃａｓｔ、瑞典的ＮＯＶＡＣＡＳＴ等瞄嘲。各种模拟软件在铸造生产中的广泛应用，促进了铸造业的迅速发展，使铸造这一在我国有着六百年文明历史的传统产业焕然一新，迸发出蓬勃生机。国外一些主要商品化软件概况和国内的主要数值模拟软件概况分别见表ｌ－１和表１．２。
表１．１国外一些主要商品化软件概况…
名称国家算法软硬件概况主要功能应用情况
Ｆ１ａｗ一３Ｄ美国Ｆ蹦工作站，ＵＮＬＸ流场、温度场世界各国的百多家用户Ｓｏｌｓｔａｒ英国ＦＩ瑚微机，ＤＯＳ温度场世界各国的百多家用户Ｓｏｌｄｉａ日本ＦＤＭ微机，ＤＯＳ流场、温度场、热处理日本的百多家用户
包括例、Ｂｅｎｚ、Ｆｉａｔ、肿Ｍａｇｍａｓｏｆｔ德国Ｆ珊工作站，ＵＮＬＸ流场、温度场、应力场等在内的百多家用户包括Ｐｅｕｇｅｏｔ、Ｃｉｔｒｏｅｎ、
Ｓｉｍｕｌｏｒ法国硒ｌ工作站，㈣【流场、温度场Ｍｏｎｔｕｐｅｔ在内的多家用户
流场、温度场、包括航空、汽车等行业的百
ＰＩｄ脚美国ＦＩ珈工作站，删Ⅸ应力场、微观组织多家用户
表１．２国内的主要数值模拟软件概况…
研制单位主要功能主要应用用户清华大学温度场、应力场、流场、微观组织太原重机厂等数家工厂大连理工大学温度场铸铁、铸钢件大连造船厂等数家工厂沈阳铸造研究所温度场第—汽车制造厂等数家工厂的砂型铸造华中理工大学温度场玉林柴油机厂等数家工厂西安交通大学温度场宝鸡石油机械厂等数家工厂
１．１．３凝固数值模拟研究的任务和内容
作为铸造技术的核心环节，金属的浇注与凝固过程中包含了多种传递现象，如热量、质量及动量的传递，以及其他复杂过程。这些过程既可以从微观的原子尺度，也可以从连续介质的宏观尺度上去描述。数值模拟的任务在于建立正确的数学模型，通过哈当的数值方法，利用计算机求解ｊ塞些模型，从而得到能反映过程规律、指导实践的结果。这—过程所包含的各种环节用图１．１示意说明。
在此流程图中，中心环节是ⅡＩＡ，及求解各种支配凝固与铸逝立程的基本方程，并与各类判据函数相结合，预测过程中各种现象或优化工艺设计。
但要实｛Ｗ这个目的并不容易。求解基本方程须有适当的边界条件配合，方能得到针ｘｔ某－＋具体问题或系统的确定解，而金属的铸造及随后的冷却与凝固是一个相当复杂的过程，精确的边界条件很难定义。首先，金属的流动情况极为复杂，且与时间有关。其次，复杂的铸件形状及多元材料系统使热流情况变得极为复杂。再次，金属与铸型的热物性都是温度的函数，这种函数关系目前尚有很多不甚了解。最后，在凝固的金属外壳与铸型之间可能产生气隙，这将显著影响传热及随后的凝固过程，但是气隙何时形成，在哪里形成，程度如何，怎样将它纳入计算过程中去，这些都是问题。
从图１．１中可看出，实现成功的模拟还有待ＩＩⅢ以至ⅡＩｃ中各种环节的配合。这也就是为金属１铸型系统提供各种工艺条件下精确的边界条件，测定金属与铸型的热物性及其随温度或其他条件变化的规律。这是一项基础性工作，仍是薄弱环节。环节ＩＩＡ是对系统作数值计算的必要条件。对铸件／铸型进行离散化或网格剖分的方法与所使用的数值方法及计算格式有关，通常与ＩＡ中的几何模拟一起作为软件的前处理部分。不同的网格剖分方法会对模拟结果的精度带来影响。离散处理不仅针对空间领域，还包括时间领域。环节ＩＶＡ即后处理部分，主要是输出或显示数值模拟的结果。
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图１．１凝固与铸造过程数值模拟的内容及相互关系流程
１．１．４存在问题和未来发展
金属凝固与铸造过程的数值模拟己得到迅速发展与广泛应用。但在物理过程、计算方法上仍存在许多有待进一步探索的问题。
描述凝固与铸连±过程的物理、数学模型问题还需不断充实与深化。形陔与生长、充型过程中的液体流动、凝固组织与机械性能等仍需补加入模型。完整的通用模型尚未建立。各种计算方法的适用性，精度控制与误差分析，网格剖分还要进—步优化，许多模型虽有初步的实验验证，但还需改进。基本朔里的定解剩牛包皤为数剃提咎圊靠的金属、铸型材料的热物性值及其随温度变化的规律，各种铸造条件下求解基本方程时边界条件的确定等尚要深入研究。这些都是存在的问题。
此外使数值模拟与生产实际紧密结合的一系列环节仍要加强工作。如丰富各类软件资源，
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适时不断改善软、硬件配置条件，提高科学研究与工程技术人员的计算机应用水平等。
这些问题的逐步解决需要多个不同领域内的研究人员的通力合作与共同努力，包括计算数学领域、计算机软件与应用领域、凝固理论与技术领域、铸造技术与工程领域。这将非常有助于推动凝固数值模拟研究的进展。
展望未来，以充型凝固过程数值模拟为核心的铸造ＣＡＥ，依赖于ＰＤＭ技术（Ｐ】！ｏｄｕｃｔＤａｔａＭａｎａｇｅｍｅｎｔ）将实现多学科协同工作（ＴｅａｍＷｏｒｋ），进行并行一体化设计。这样铸造凝固过程模拟不仅可以优化铸造工艺，还可以为其它设计人员提供参考口力。
１．２．１凝固过程温度场数值模拟及缺陷预测
温度场数值模拟是凝固过程宏观模拟的—个经典话题。它是进行其他模拟如应力场模拟、缺陷预测等的基础，因而它是凝固过程数值模拟的重要内容。
凝固过程温度场的数值模拟最早开始研究，已经达到相当的水平。温度场的模拟多采用有限差分法（Ｆ踟）、有限元法（ＦＥ琊、边界元法等模拟铸件的冷却过程，通过计算温度场中的温度梯度、固相率和凝固时间等参数，预测缩孔伯＃松缺陷的部位、大小和产生时间。目前国内外常用的凝固模拟软件提供十余种适用于不同条件的缩孔、缩松判据，并取得了令＾、满意的结果。
尽管经过多年的发展，温度场模拟技术已经比较成熟，但在模拟计算大型薄壁铸件、精确成形铸件的温度场时，如何进一步提高计算效率、缩短计算时间仍需努力。
１．２．２凝固过程应力场数值模拟
铸造过程应力场的模拟计算能够预测和分析铸件裂纹、变形及残余应力。为控制应力应变造成的缺陷，优化铸造工艺，提供科学指导。
国外有关铸件应力分析及变形模拟研究的主要特点是…：（１）多数采用热一力耦含模型来模拟铸件凝固过程的物理变化现象，包括传热、传质、应力及缺陷形成等。还有一些研究把热分析、流体流动和应力分析等结合起来，同时进行模拟充型过程，预测变形、缩孔、热裂、及应力分析和残余应力计算。（２）应力分析多采用的模型有热弹性模型、热弹塑性模型、热弹粘塑性模型及弹性理想塑性模型等。这些模型均属热弹粘塑性的范畴。采用的方法多为有限元法（ＦＥＭ），也有人采用有限体积法、控制体积有限差分法等。热一力耦合分析大都采用商品化的软件如ＡＢＡＱｕＳ、ＣＡＳＴＳ、ＡＮＳＹＳ及ＰＨＹＳＩＣＡ等。
国内以清华大学、大连理工大学为代表的众多院校和科研所进行了这方面的研究。““铸造过程中的热分析与应力分析可单独进行。将热分析中的温度变化数据作为温度载荷加入模型即可进行应力解析。采用有限差分法（ＦＤＭ）／有限元（ＦＢａ）／边界元（ＢＥＭ）方法。软件分析典
６
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型应力框试件，其模拟结果与实测结果相近。这说明模拟的准确性。相对而言，有限元分析应力场比较成熟，成功实例多，有限差分、有限体积法和边界元法的应用还很少，仍处于探索阶段。‘３１３
１．２．３铸件微观组织模拟
微观组织模拟是—个较新的研究领域，但已取得了显著进展。它经过了定性模拟、半定量模拟和定量模拟阶段，由定点形核到随机形核发展。
采用计算机模拟预测微观组织形成，指导铸造工艺，以控制铸件的质量。微观组织形成的模拟分三个层次：毫米、微米或纳米量级。通常采用的方法有解析方法、随机方法（ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法或ＣｅｌｌｕｌａｒＡｕｔｏｍａｔｏｎ法）、相场方法（ＰｈａｓｅＦｉｅｌｄｍｅｔｈｏｄ）等，其中相场方法是进行直接微观组织模拟的研究热点。运用相场理论，把相场方程与温度场、溶质场、流速场及其它外部场耦合，则可对金属液的凝固过程进行真实的模拟…。
１．３本课题研究的目的、意义和主要内容
随着改革开放和经济建设的发展，冶金、机械、铸造等行业日益面１慌着严峻的挑战。竞争激烈的市场对产品的要求越来越来高，不仅仅针对产品的质量，还针对产品的外形、成本等。
重型机械集团公司每年有７０９６左右的产品经过铸锭、锻造，经过后续工序的加工处理，最终成品。铸锭成为整个工艺的中心环节，铸锭的质量直接关系到企业的经济效益。为满足市场不断增长的要求，降低成本，增强企业的市场竞争力，迫切需要采用新技术指导生产。
早期对钢锭的研究主要以实物解剖的形式进行，但代价高，耗时费力同时不便于进行动态观测和机理研究，对工艺的指导、改进也有限。随着计算机技术的飞跃发展，尤其是计算机在铸造生产中的应用，促进了铸造业的发展。计算毛兀棱拟研究，不仅节省研究经费，缩短研究周期，也使得更深入研究机理和工艺开发成为可能。计算札圉蚶支术成为研究钢锭问题最常用最有效的工具。
德阳二重为提高大型锻造用钢锭的质量，曾想借用相关的铸造模拟软件进行钢锭凝固研究，但在实践中发现软件不适合锻造钢锭条件。所以厂家希望能开发出—套适用于自己情况的软件，模拟锻造用钢锭凝固过程，并优化钢锭模结构，从而解决钢锭的缺陷问题，达至指导生产，控制产品质量的目的。本课题所进行的钢锭凝固过程温度场数值模拟、钢锭模结构优化为模拟软件的第一阶段研究。
１。３．１主要研究内容
本课题利用计算机技术，针对镪剖羽铸锭，以铸锭凝固过程的温度场数值模拟为研究对象
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采用有限差分法自己编制程序，将铸锭凝固过程的温度场真实直观的显示出来。并结合缩孔、缩松产生机理与预测判据，进行缩孔、缩松缺陷预测。同时，在温度场计算的基础上，根据计算结果，对钢锭模的结构进行优化设计。
１．３．２研究方法
（１）对温度场数值模拟的基础原理进行全面分析，自己编希￥陧序，模拟凝固过场温度场，获得计算机模拟结果：
（２）在温度场模拟的基础上，应用缩孑Ｌ、缩松判据预测缺陷的情况
（３）根据模拟的结果，对钢锭模的结构进行优化设计。
２．金属凝固过程温度场数值模拟方程和原理
传热学是工程热物理的—个分支，是研究热量传递规律的科学，广泛应用在工程技术领域。如能源、化工、冶金、机械、电子工业等。
工程技术领域中的传热问题，大致可分为两类。—类着眼于传热速率的大小及其控制，或增强传热，或削弱传热。另—类传热问题，则着眼于温度分布及其控制。本课题就属于第二类传热问题。
通常某一瞬间，空间或物体内所有各点温度的分布，称之温度场。根据温度场可分为稳态温度场与非稳态温度场，相应的导热过程可分为稳态导热和非稳态导热。对于稳态导热，总有—＿ａｔ：ｏ，罢：ｏ，即任一节点的温度不随时间变化，通过垂直于导热方向不同地点截面的导ＵｒｏＺ
热热流量Ｑ也不随时间变化。其导热微分方程为、；Ｖ２ｒ＋ｑｖ／：１．＝０，当没有内热源时ｑｖ／丑＝０：而非稳态导热又称瞬态导热，系统中的温度、热流率、热边界条件及系统内能都随时间有明显的变化，不同于稳态导热。铸锭凝固过程温度场数值模拟就是—个典型的瞬态非稳定热分析。
此外，若材料的热物性随温度变化或考虑相交潜热、辐射传熟等ｉ逛嘴况下热分析又稍，之为非线性热分析。
凝固过程中，铸锭和金属铸型系统之间以及外部环境之间热传递方式主要有三种：热传导（导热），热对流和热辐射。
热传导是指热量由物体的高温部分向低温部分的传递或由高温物体向与其接触的低温物体
的传递。热传导遵循导热基本定律——傅立叶定律；窖＝一２．ｇｒａｄｔ＝一五昙推。式中ｑ为热流
∞
密度（ｗ／ｍ２），兄为导热系数（ｗ／｛舯。ｃ）），“＿”表示热量流向温度降低的方向。
热对流是指依靠流体不同部分的相对位移，把热量由一处传递到另一处的现象。分为自然
对流和强制对流两大类。对流换热遵循牛顿冷却公式：Ｑ＝＾Ａ（ｆ。一ｆ，）。其中Ｑ为对流换热量（ｗ），Ａ为与流体直接接触的壁面面积（时），ｔ－为壁面温度，ｔ，为流体温度，ｈ为对流换热系数（ｗ／（ｍ２?。ｃ））。由于空气的热传导能力非常弱，所以忽略铸型与周围空气之间的热传导方式。
热辐射是另—种热传递方式。它是指物体由于自身温度的原因而向外发射可见的和不可见的射线来传递热量的方式。只要物体的温度高于绝对零度，都在不停地向外发射热辐射；同时又不断吸收周围其他物体发出的热辐射。热辐射的传递不同于导热和对流，它无需材料介质。辐射能量可由斯蒂芬一波尔兹曼定律确定，即Ｑ＝Ａｅａ。Ｔ４。式中Ｑ为辐射热流量（ｗ），Ａ为黑体的辐射面积（ｍ１），Ｔ为黑体的热力学温度（ｋ），％为斯蒂芬一波尔兹曼常数，盯。＝５．６７Ｅ－８（ｗ／ｌｍ２．尼４）），ｓ为实际物体的黑度或发射率，其值总小于ｌ。
为揭示温度随空间与时间的变化规律，须求助于傅立叶导热微分方程。当不考虑内热源时，控制方程如下：
肛，罢：４窑＋窑＋窑１他，，
肛一瓦以【矿＋矿＋萨Ｊ＠?１）式中：Ｐ为材料密度，ｃ。为材料的定压比热，七为材料的导热系数，Ｔ为温度，ｆ为时间。
令口２夕乙，），口为导温系数，则２?１式变成另—种形式：
￡ｒｒｆａ２Ｔａ２Ｔａ２Ｔ１
瓦叫【丽＋矿＋萨Ｊ（２．２）
实际应用中处理圆柱、圆桶等形状的导热问题时，要将Ｅ述直角坐标系中的傅立叶方程进行坐标变换，转成柱坐标系。ｘ＝ｒｅｏｓ８，ｙ＝ｒｓｉｎＯ，ｚ＝ｚ，则２．２式可转化成
ｏＡＴｆａ２Ｔ１ｄＴ１ａ２Ｔａ２Ｔ１
瓦卸ｌ矿＋７石＋７万＋萨ｊ（２．３）
涉及球体导热问题时，将直角坐标转成球坐标系，使计算更为方便。但实际应用较少，这里就不讲述了。
上述为非稳态导热条件下的傅立叶导热微分方程。当为稳态导热条件时，此时％，＝０。
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２．４边界条件
边界条件指物体边界上的热交换条件。物体内部的导热现象总是与发生在它边界上的各种传热过程联系在一起。因此边界条件的确定对整个物体的温度场分布起着重要作用。温度场四周表面的换热条件称之为温度场的边界条件。常见的边界条件有四种，即对流换热、辐射换热、已知边界温度和已知热流密度。
２．４．１对流换热边界
具有温度爱阴、侃体内邵或看流体与流体、与回谇阴父界处，仔征看耐疯抉热。村执珙热避循牛顿冷却定律：ｇ＝＾（Ｌ—ＴＩ）。式中ｇ为对流换热的热流密度，ｈ为换热系数，Ｌ为固体表面温度，Ｔ，为流体的主流温度。而从固体内部流到表面的热流密度为ｇ一＝一女芸，从固。佣
体表面流入流体的热流密度为ｇ＋＝＾（Ｌ—Ｔ，）。乃么为固体内部温度Ｔ沿外法线方向ｎ的
方向导数。当边界处于准稳定态时，热连续ｑ一＝ｇ＋，则一七娑＝＾（Ｌ—Ｔ，）。将此式整理后
册。
可得到矗Ｌ＋｜｜｝娑：舸，。在数理方程中，这类边界条件又称为第三类边界条件即Ｒｏｂｉｎ条饼。
件．
对大多数物体而言，表面的辐射率等于表面的吸收率，属于灰体材料。一般当环境温度比表面温度低得多时，可认为Ｔ：＞＞Ｔ；，根据辐射传热的基本定律，此边界条件为
一七坐：卿：
☆
式中Ｆ为物体的辐射率，指物体的辐射能力与同温度条件下黑体辐射能力之比。盯为斯蒂芬．波尔兹曼（Ｓｔｅｆａｎ－Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ）常数，又称黑体辐射常数。由于这类边界条件涉及温度的高次幂，在数学处理Ｅ比较困难，实际应用时常常简化，多使它线性化，从而使边界条件具有与对流换热时类似的形式，即一≈芸＝ｈＡ％一Ｔ，），这里ｈｅ为辐射对流换热系数。
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２．４．３已知温度的边界
温度场边界表面上各点的温度随时间变化的规律，如果边界温度已经给出Ｔ＝Ｔｏ或者通过实验，对测试数据进行处理，温度为位置与时间的函数，用函数Ｔ＝ｆ（ｘ，ｆ）表示出来，则计算温度场时，边界上节点的温度是已知的。在数理方程中，这类边界条件又称为第一类边界条件或Ｄｉｒｉｃｈｌｅｔ条件。
２．４．４已知热流密度的边界
已知热流密度是已知对流换热或已知辐射换热的一种特殊情况。根据边界上热流连续，可得ｇ：一≈娑，在数理方程中，这类边界条件又称为第二类边界条件或Ｎｅｕｍａｎｎ条件。
咖
２．４．５绝热边界条件
对于绝热问题，其边界是口：一七婴＝ｏ。在处理涉及保温材料的有关问题时，常对与保
删
温材料接触的某些部位应用这—边界条件。在这种条件下，该部位的物体表面温度实际Ｅ被视为恒定不变。这是第一类边界条件的另一种表达形式。
２．４．６完全（理想）接触的边界条件
这种情况假定两不同物体之间是完全理想接触的，无接触热阻存在。
七．ＶＴｌ：七，里
Ｃ∞盘
式中下标１和２分别代表相互接触的两种固相的有关参数。课题中处理钢锭与锭模的交界面时就是以这种完全理想接触来简化的。
２．４．７存在接触热阻的情况
当物体与另一固相接触时（如已形成凝固外壳的金属与金属型、结晶器或砂型内壁相接触的情况），真正接触的面积往往Ｒ是整个面积中的—部分，因此当热流通过此界面时，温度会发生突变，说明其中存在着“热阻”。后者可以理解为界面综合换热系数以的倒数，相应的，其边界条件为
一七芸＝ｈｃ（Ｌ—Ｔ，）
＠
它的形式与对流换热边界条件类似，但这里的ｈ。既非对流换热系数，更不是导热系数，而是
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在这种非理想接触条件下的界面上，传导、对流、辐射三种方式兼而有之的综合换热作用，以＾。来简化本身的复杂情况。Ｔ，实际为另一固相的温度ａ
高温金属随着热量散失，温度下降，进而发生凝固，逐渐由液相转变为固相。在这相变过程中释放出大量的凝固潜热。由于潜热释放，明显刚氐铸锭的冷却与凝固速度。傅立叶导热方程因潜热释放，实质上变成具有内热源的温度场。２．１式相应变成为：
＂罢＝吖窘＋窘＋窘卜应鲁ｃｚ．ａ，
∥。瓦“【弘＋矿＋可｜十肚言皑－”
潜热项亦可换成如下形式
础亟：础笪塑（２．５）
１
ａｆ。ｄＩ’ａｆ
式中Ｌ为潜热，ｇ，为体积固相率，工为质量固相率。严格讲＝者不同，但在凝固过程的研究中一般以工为对象，且可近视认为ｇ，＝工。则２．４式变化成为：
ｄｃ一工割罢＝七ｆＬ塑ａｘ２＋矿ａ２Ｔ＋窘］ｃｚ．ｅ，
由２．６式可见，处理潜热的关键在于求得固相率ｆ随温度变化的规律。
２．５．１有效比热法（又称当量比热法或等价比热法）
假定在固、液相线温度ＴＬ、Ｔｓ范围内潜热是均匀释放的，则有Ｌｏ＝Ｌ／㈣：若令固相率随温度下降而呈线性增长，则有Ｔ＝ＴＬ一（，Ｌ—Ｔｓ）?丘，故可得
阢１
ｃｔＴ互一‘
２．６式变化成为：
ｄ抖去谤＝ｔ（窘＋寄＋窘］
令ｃｅ＝ｃ＋ｉ｛‘ｉ，则上式变为
如，要＝七㈢芬＋割ｃｚ．，，
比热Ｃ指单缸质量物体５晕ｆ氐单位温度时释放的热量；同样，等价比热Ｇ可以理解为单位质量金属在凝固温度范围刚氐单位温度时释放的热量。这时等价比热ｃｅ实际包括两部分，即物体的真
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正比热和凝固潜热。
２．５．２温度回升法（温度补偿法）
金属在凝固开始后的一段时间内，固相不断增加，但温度基本上始终保持在熔点附近，这是由于释放的潜热补偿了传导带走的热量，亦补偿了传热引起的温度下降。由于热量可用温度或其变化来表示，温度回升法或温度补偿法实质就是将潜热折换成所能补偿的温度降落，加到温度计算中去。
２．５．３热焓法
对于凝固过程中金属，定义热焓为Ｈ对上式中的温度求导，则可得型／７ｒ＝ｃ一工＝Ｊｃ刃＋（１一五）三
盟
（２．８）／７ｒ
将２．８式带入计算潜热的傅立叶方程２．６式后即可得
ｐ警＝ｄ窘＋矿ａ２Ｔ＋窘１眩。，
ｐ瓦矗Ｉ萨＋矿＋可ｊ谨一’
２．９式就是以热焓Ｈ代替温度Ｔ的导热方程。
２．５．４潜热释放模式的影响
由于凝固过程中释放的潜热大约占整个铸件向铸型所传递热量的８０％，模拟计算中采用何种潜热释放模式将会对模拟结果的准确性和可靠性有很大影晌。如前所述，潜热释放的关键在于固相率工与温度的关系（线性关系、二次关系、杠杆平衡关系、Ｓｃｈｅｉｌ关系）。在实际实验中，对不同模式的数值模拟进行比较，结果表明凝固区间大（ｅｐＴＬ、Ｔｓ之间的温差大）亦即糊状区较宽的合金来说，不同潜热模式所致的温度分布有较大的差异且差异主要出现在糊状区内，有效比热法、热焓法所得到的温度较高，而温度回升法得到的温度较低；对凝固区间小（即ＴＬ、Ｔｓ之间的温差小）亦即糊状区狭窄的合金来说，则不同模式导致的结果彼此差别不大。若合金的凝固温度区间大，则数值模拟计算时为准确预测温度分布，须谨慎选择潜热处理模式。２．６求解导热问题的数值计算方诘幕｜ｉ柏车格式及其特点
２．６．１榻涟
求解导热问题的分析解法，一般只适用于单值性条件比较简单的情形。而在工程实际中，遇到的导热问题往往其单值｜生条件比较复杂或很复杂，很难用解析法获得结果，甚至不可能得到解。有时对一些较复杂的导热问题虽然能得到其解析解，但求解过程的表达式过于繁琐，不
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制造工艺详解——铸造 铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。 一、铸造的定义和分类 铸造的定义：是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法。 常见的铸造方法有砂型铸造和精密铸造，详细的分类方法如下表所示。 砂型铸造：砂型铸造——在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。 精密铸造：精密铸造是用精密的造型方法获得精确铸件工艺的总称。它的产品精密、复杂、接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直接使用，是一种近净形成形的先进工艺。
铸造方法分类 二、常用的铸造方法及其优缺点 1. 普通砂型铸造 制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂，硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。 砂型铸造中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。
砂型铸造用的是最流行和最简单类型的铸件已延用几个世纪.砂型铸造是用来制造大型部件，如灰铸铁，球墨铸铁,不锈钢和其它类型钢材等工序的砂型铸造。其中主要步骤包括绘画，模具，制芯，造型，熔化及浇注，清洁等。 工艺参数的选择 加工余量：所谓加工余量，就是铸件上需要切削加工的表面，应预先留出一定的加工余量，其大小取决于铸造合金的种类、造型方法、铸件大小及加工面在铸型中的位置等诸多因素。 起模斜度：为了使模样便于从铸型中取出，垂直于分型面的立壁上所加的斜度称为起模斜度。 铸造圆角：为了防止铸件在壁的连接和拐角处产生应力和裂纹，防止铸型的尖角损坏和产生砂眼，在设计铸件时，铸件壁的连接和拐角部分应设计成圆角。 型芯头：为了保证型芯在铸型中的定位、固定和排气，模样和型芯都要设计
铸造过程模拟仿真 1、概述 在铸造生产中，铸件凝固过程是最重要的过程之一，大部分铸造缺陷产生于这一过程。凝固过程的数值模拟对优化铸造工艺，预测和控制铸件质量和各种铸造缺陷以及提高生产效率都非常重要。 凝固过程数值模拟可以实现下述目的： 1）预知凝固时间以便预测生产率。 2）预知开箱时间。 3）预测缩孔和缩松。 4）预知铸型的表面温度以及内部的温度分布，以便预测金属型表面熔接情况，方便金属型设计。 5）控制凝固条件[1]。 为预测铸应力，微观及宏观偏析，铸件性能等提供必要的依据和分析计算的基础数据。作为铸造工艺过程计算机数值模拟的基础，温度场模拟技术的发展历程最长，技术也最成熟。温度场模拟是建立在不稳定导热偏微分方程的基础上进行的。考虑了传热过程的热传导、对流、辐射、结晶潜热等热行为。所采用的计算方法主要有：有限差分法、有限元法、边界元法等；所采用的边界条件处理方法有N方程法、温度函数法、点热流法、综合热阻法和动态边界条件法；潜热处理方法有：温度回升法、热函法和固相率法。 自丹麦Forsound于1962年第一次采用电子计算机模拟铸件凝固过程以来，为铸造工作者科学地掌握与分析铸造工艺过程提出了新的方法与思路，在全世界范围内产生了积极的影响，许多国家的专家与学者陆续开展此项研究工作。在铸造工艺过程中，铸件凝固过程温度场的数值模拟计算相对简单，因此，各国的专家与学者们均以铸件凝固过程的温度场数值模拟为研究起点。继丹麦人之后，美国在60年代中期开始进行大型铸钢件温度场的计算机数值模拟计算研究，且模拟计算的结果与实测温度场吻合良好；进入70年代后，更多的国家加入了铸件凝固过程数值模拟的研究行列中，相继开展了有关研究与应用，理论研究与实际应用各具特色。其中有代表性的研究人员有美国芝加哥大学的R.D.Pehlke教授、佐治亚工学院的J.Berry教授、日本日立研究所的新山英辅教授、大阪大学的大中逸雄教授、德国亚探工业大学的P.Sham教授和丹麦科技大学的P.N.Hansen教授等。我国的铸件凝固过程温度场数值模拟研究始于70年代末期，沈阳铸造研究所的张毅高级工程师与大连工学院的金俊泽教授在我国率先开展了铸造工艺过程的计算机数值模拟研究工作，虽然起步较晚，但研究工作注重与生产实践密切结合，取得了较好的应用效果，形成了我国在这一研究领域的研究特色[2]。 1988年5月，在美国佛罗里达州召开的第四届铸造和焊接计算机数值模拟会议上，共有来自10个研究单位的从事铸造凝固过程计算机数值模拟技术研究的专家和学者参加了会议组织的模拟斧锤型铸件凝固过程的现场比赛。由于该铸件在几何形状上属复杂类型，模拟计算有一定的难度。从比赛结果看，绝大部分的模拟结果与实际测温结果相吻合。此次比赛得出如下结论[8]： l）铸件凝固过程的计算机模拟达到了相当的水平，如三维自动刻分、三维模拟计算、三维温度场显示等，并产生了一些软件包，如日立公司的HICASS、丹麦的Geomesh、大阪大学的SOLAM及亚琛的CASTS等。 2）模拟计算的结果都接近实测，这说明有限差分、有限元和边界元这三种计算方法对温度场计算都能满足精度要求，同时也说明了铸件凝固过程温度场计算机模拟计算技术已趋成熟。
ZX/JS-0058 江苏新中信电器设备有限公司 锻造工艺规范 编制：审核：审批： 二零三年三月
江苏新中信电器设备有限公司 ZX/JS-005 锻造工艺规范——————————————————— 1 主题内容与适用范围 本规程规定了煤炉加热、空（蒸）气锤锻造的操作程序及要点。 本规程适用于公司外协锻造件煤炉加热、空（蒸）气锤上的锻造，锻造件。 2 准备工作 2.1 材料检查 2.1.1 操作者必须根据锻造工艺卡上规定的材质和下料规格核对材质和规格，并核查实际下料毛坯尺寸，发生疑问时应将信息反馈到发料部门和技术部门。 2.1.2 操作者必须目视检查原材料，不得有可能导致锻造宏观缺陷存在，有缺陷之原材料经打磨或切削加工等方法处理后，再经无损检验或目视检查，在不影响锻造质量的情况下方可加热锻造。 2.2 设备及模具的检查 2.2.1 生产前，应认真检查设备及所有附件，一切正常方可投入生产。 2.2.2 操作者应根据派工单和锻造工艺卡片领用，检查核对模具，并根据锻造工艺核查模具尺寸，不得有误。 3 材料加热 锻造加热设备为灶或炉和室式炉，燃料为煤，在加热过程中应特别注意尽量减少氧化，防止过热过烧。 3.1 为了减少氧化皮，在加热过程可采取以下措施： a、在保证加热质量前提下，直径小于200㎜的小规格低、中碳钢和低合金钢尽 量采用快速加热，缩短加热时间，尤其是金属在高温下的停留时间不宜过长，尽 量用少装勤装的操作方法。 b、在燃料完全燃烧的条件下，尽可能减少过剩空气量，以免炉内剩余氧气过多， 并注意减少燃料中水分。 c、炉堂应保持不大的正压力，防止冷空气吸入炉堂。 d、工件加热到温后尽快出炉锻打。 3.2 防止过热、过烧的措施： a、熔点较钢材低的铜屑等不能落入炉底，以防渗入金属内部，导致过烧。 b、控制加热温度和时间，钢材温度不得高于材料所允许的始锻温度，如果锻压 设备发生故障而长时间停锻时，必须降低炉温或采取其它措施。 c、高、中合金钢和直径大于200㎜的高碳钢加热时应适当控制加热速度，可采取 适当降低装炉温度并在此温度下保温一段时间的方法，以防形成内裂。 4 锻造 4.1 基本要点 4.1.1 操作者在锻打之前，必须熟悉锻件图及锻造工序，准备好自检量具和工具。 4.1.2 根据工艺规定，使用相应锻压设备。 4.1.3 材料达到锻造温度（可目测或用光学高温计测量）即可出炉锻造，在操作时避免局部过冷，工模具要预热到足够温度，操作要迅速，又要避免局部重复打击。 4.1.4 严格控制终锻温度，不允许在高出规定终锻温度太高的温度下停止锻打，否则会形
凝固传热分析 钢锭凝固和冷却过程传热属于非稳态传热，钢锭内固相区传热是传导传热，在液相区和液固两相区内除传导传热外，各种原因引起的流体流动对传热也有重要影响。钢锭凝固时放出大量潜热，显著地改变了有关传热的各项物理参数。 图2-2 为1.4t 钢锭凝固时钢锭-钢锭模之间的平均传热系数?h与时间的变化关系。从图2-1，图2-2 可见：浇注时坯壳表面温度立即下降，此时坯壳与模壁紧密接触，传热系数?h最大。大约10～20 分钟后表面温度出现波动，锭重不同，温度波动时间不同，这段时间内气隙不稳定地出现，随后形成稳定气隙，这时平均传热系数?h相当于纯辐射传热系数，表明钢锭-钢锭模之间产生稳定气隙后钢锭-钢锭模之间传热以辐射传热为主。锭模与大气间传热方式为对流和辐射传热；钢锭与保护渣，保温剂以及和绝热板之间有化学反应发生，其传热较为复杂。鉴于绝热板与保温剂导热系数低，其传热热阻主要集中在通过绝热板的传导传热过程，因此可将钢液与保温绝热材料的传热简化为不同介质间的传导传热。保护渣与大气之间的传热被认为是辐射与对流的综合。 钢锭固相区的传热是传导传热。钢锭液相区内受热浮力驱动的自然对流的影响，其中的传热现象要比固相中复杂的多。除热传导之外，液相与固相之间还发生对流换热，要想准确的模拟铸锭的传热过程，就需要知道液相穴内熔融金属的
流动状态，这就需要对紊流N-S 方程和能量方程联立求解，这就增加了问题的复杂性。为了解决这个问题，E· A· Mizikar[46]认为液相内充分混匀，把对流换热的影响归于有效导热系数K eff，这样，钢锭任何时刻的传热方程就转化成一个导热方程。 凝固潜热释放是所有凝固过程的必然现象，经推算，钢锭在冷却至脱模温度时所散失的热量中，约有80%以上来自于凝固潜热的释放[48]。另外，钢锭凝固的大部分时间内，固液两相区占据了钢锭很大一部分。数值计算中，合理地描述凝固潜热释放规律对准确预报钢锭凝固过程和温度分布显得十分重要。
! 收稿日期：２００６－０１－１６；修回日期：２００６－０７－１９ 作者简介：胡红军（１９７６－），男，重庆工学院讲师，主要研究铸造ＣＡＤ／ＣＡＥ软件研究和开发。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｈｊ＠ｃｑｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ。 铸造工艺的数值模拟优化 胡红军，杨明波，龚喜兵，李国瑞 （重庆工学院材料科学与工程学院，重庆４０００５０） 摘 要：为了研究和预测铸造工艺对铸件质量的影响，设置合理的军用汽车转向臂的铸造浇冒口系统和工艺参数。应用铸 造模拟软件对转向臂的三种不同工艺方案进行凝固模拟，根据凝固模拟结果显示的缺陷及内部缩松情况，提出改进工艺方案并对其进行凝固模拟，选择最佳方案应用于生产。研究表明，３＃是最合理的浇冒口布置方式，最优的浇注温度８２５℃，浇注时间１５ｓ，采用水平分型。应用表明，铸造模拟软件能够准确地预测充型凝固过程中可能产生的缺陷，从而辅助工艺人员进行工艺优化。 关键词：凝固模拟；军用汽车转向臂；铸造工艺优化；浇冒口系统；缩孔；铸造模拟软件中图分类号：ＴＧ２５０．６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００４－２４４Ｘ（２００６）０６－００５１－０３ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｐｕｔｅｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ＨＵＨｏｎｇ－ｊｕｎ，ＹＡＮＧＭｉｎｇ－ｂｏ，ＧＯＮＧＸｉ－ｂｉｎｇ，ＬＩＧｕｏ－ｒｕｉ （ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００５０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｎｃａｓｔｉｎｇｓｑｕａｌｉｔｙ，ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｐｏｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｓｅｔ．Ｔｈｒｅｅｋｉｎｄｓｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｈａｖｅｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｒｅ－ｓｕｌｔｓａｎｄａｐｐｅａｒａｎｃｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｉｎｎｅｒｓｈｒｉｎｋａｇｅｐｏｒｏｓｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｓｔｉｎｇｓｉｎｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｏｂｒｉｎｇｆｏｒ－ｗａｒｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｅｌｅｃｔａｎｏｐｔｉｍａｌｐｒｏｊｅｃｔｕｓｅｄｉｎｂａｔｃｈｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｎｏ．３ｃａｓｔｉｎｇｓｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ｔｈｅｍｏｓｔｒｅａｓｏｎａｂｌｅｐｏｕｒｉｎｇｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｓ８２５℃，ｐｏｕｒｉｎｇｔｉｍｅｉｓ１５ｓ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｃａｎｈｅｌｐｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｓｔｓｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｂｙｆｏｒｅｃａｓｔｉｎｇｃａｓｔｉｎｇｄｅｆｅｃｔｓｄｕｒｉｎｇｍｏｌｄｆｉｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｌｉｄｉ－ｆｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｉｎｓｔｒｕｃｔｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｃａｓｔｉｎｇ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｔｅｅｒｉｎｇａｒｍｃｏｍｐｏｎｅｎｔｕｓｅｄｉｎｈｅａｖｙｍｉｌｉｔａｒｙｔｒｕｃｋ；ｃａｓｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｐｏｕｒ－ｉｎｇａｎｄｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍ；ｓｈｒｉｎｋａｇｅ；ｃａｓｔｉｎｇｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ 铸造数值模拟是要通过对铸件充型凝固过程的数值计算，分析工艺参数对工艺实施结果的影响，便于技术人员对所设计的铸造工艺进行验证和优化，以及寻求工艺问题的尽快解决办法。为技术人员设计较合理的铸件结构和确定合理的工艺方案提供了有效的依据，从而避免传统的依靠经验进行结构设计和工艺制定的盲目性，节约试制成本［１－４］。 １ 铸造过程充型数值模拟方法 军用汽车转向臂的几何实体造型采用ＵＧ软件建 立，在得到三维几何数据后，利用ＵＧ软件的反向出模模块，通过设定铝合金收缩率、铸件起模斜度、浇注系统的位置和分型面等，作为凝固模拟的几何模型。由于金属液充型过程数值模拟技术所涉及的控制方程多而复杂，需要根据连续性方程、动量方程及能量方程，并进 行速度场、压力场的反复迭代，计算量大而且迭代容易发散，致使其难度很大。通过不断完善数值计算方法，如有限差分法和ＳＯＬＡ－ＶＯＦ体积函数法，开发出一些实用软件。该产品的凝固模拟就是采用ＭＡＧＭＡ软件。作为整个模拟的核心部分，ＣＡＥ的数值模拟效果最终将影响模拟的真实与否。在液态金属浇注过程中，热传导过程计算是数值模拟的主要内容。处理热传导问题采用傅里叶定律（式１），式２是根据能量守恒定律推导的方程［５－８］。 ｑ＝－λ !ｔ !ｎ （１）ρｃ!ｔ!τ＝!!ｘ（λ!ｔ!ｘ）＋!!ｙ（λ!ｔ!ｙ）＋!!ｚ（λ!ｔ !ｚ）＋ｑｖ （２）其中ｑ为热流密度，λ为导热系数，ｔ为温度（函数）， ｎ为温度传递方向上的距离，Τ 为温度，ρ为密度，ｃ为质! ２００６年１１月兵器材料科学与工程 ＯＲＤＮＡＮＣＥＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．２９Ｎｏ．６Ｎｏｖ．，２００６ 第２９卷第６期
第四部分锻造用钢锭及铸锭技术 一、 大型钢锭的组织结构及类型 1．大型钢锭的组织结构
z 激冷层：锭身表面的细小等轴晶区。厚度仅6~8mm ；因过冷度较大，凝固速 度快，无偏析；有夹渣、气孔等缺陷。 z 柱状晶区：位于激冷层内侧；由径向呈细长的柱状晶粒组成；由于树枝状 晶沿温度梯度最大的方向生长，该方向恰为径向，因此形成了柱状晶区；其 凝固速度较快，偏析较轻，夹杂物较少；厚度约50~120mm 。 z 分枝树枝晶区：从柱状晶区向内生长；主轴方向偏离柱状晶，倾斜，并出现 二次以上分枝；温差较小，固液两相区大，合金元素及杂质浓度较大。 z A 偏析区：枝状晶间存在残液，比锭内未凝固的钢液密度小，向上流动，形成A 偏析；在偏析区合金元素和杂质富集，存在较多的硫化物，易产生偏析裂纹。 z 等轴晶区：位于中心部位；温差很小，同时结晶，成等轴晶区。钢液粘稠， 固相彼此搭桥，残液下流形成V 偏析，疏松增多。 z 沉积锥区：位于等轴晶区的底端；由顶面下落的结晶雨、熔断的枝状晶形成的自由晶组成，显示负偏析；等轴的自由晶上附着大量夹杂物，其组织疏松，且夹杂浓度很大；应切除。 z 冒口区：最后凝固的顶部；因钢液的选择性结晶，使后凝固的部分含有大量 的低熔点物质，最后富集于上部中心区，其磷、硫类夹杂物多；若冒口保温不良，顶部先凝固，因无法补缩形成缩孔；质量最差，应予切除。 2． 大型钢锭的类型 z 普通钢锭 高径比：=+d D H 2 1.8~2.5；通常，10吨以下的钢锭：2.1~2.3，10吨以上的钢锭：1.5~2；
锥度：=%100-D H d 3~4% ； 横断面为8棱角形。大钢锭为16，24，32棱角。 z 短粗型钢锭 高径比： 0.5~2； 锥度： 8~12%。 高宽比减小，锥度加大有利于钢锭实现自下而上顺序凝固，易于钢水补缩，中心较密实； 有利于夹杂上浮，气体外溢，减少偏析； 锭身较短，钢水压力小，侧表面不易产生裂纹； 锥度大，易脱模； 可增加拔长锻比。 z 短冒口钢锭 对于中、低碳钢，中、低合金结构钢的大型空心锻件，可使用普通锭模，但采用短冒口，以减少冒口钢水。 z 细长型钢锭 高径比：大于3.5； 锥度：5~8%； 用于不需镦粗的轴类件，可减少火次，钢锭利用率达70~75%。 z 空心钢锭 用于锻造大型筒类、环类等空心锻件，对于容器制造具有重要意义； 在钢锭模内置入薄壁钢管，浇铸后形成空腔； 可显著提高钢锭利用率，大幅减少火次；
熔模铸造过程数值模拟 —国外精铸技术进展述评 北京航空航天大学陈冰 20世纪90年代以来，国外一大批商业化铸造过程数值模拟软件的出现，标志着此项技术已完全成熟并进入实用化阶段，有相当一部分已成功地用于熔模铸造。其中，A FSolid (3D)（美国）, PASSAGF/POWERCAST（美国）、MAGMA（德国）、PAM-CAST（法国）、ProCAST（美国）等最具代表性。尤其值得一提的是由美国UES公司开发的ProCAST，和美国铸造师协会(American Foundrymen's Society)开发的 AFSolid(3D)，它们代表了二种不同类型的软件系统。 一. 熔模精密铸造过程数值模拟的佼佼者——ProCAST 早在1985年，美国UES Software Co.便以工程工作站/Unix为开发平台，着手开发ProCAST[1]。为了保证模拟结果的准确性，ProCAST一开始就采用有限元方法(FEM)作为模拟的核心技术。自1987年起，开发用于熔模铸造（精铸）的专业模块。1990年后，位于瑞士洛桑的Calcom SA和瑞士联邦科技研究院也参加ProCAST部分模块的开发工作。2002年，UES Software和Calcom SA先后加盟ESI 集团（法国）。通过联合，ESI集团在虚拟制造领域的领先地位进一步增强。 现在，ProCAST也有微机/Windows或Windows NT版本。三维几何造型模块支持IGES、STEP、STL 或Parasolids等标准的CAD文件格式。Meshcast模块能自动生成有限元网格。它的凝固分析模块可以准确计算和显示合金液在凝固过程的温度场、凝固时间，以及固相率变化，同时，从孤立液相区、缩孔／缩松体积分数、缩孔／缩松Nyiama （新山英辅）判据等三方面，帮助铸造工程师分析判断缩孔／缩松产生的可能性和具体位置(见图1) [2]。针对熔模铸造热壳浇注的特点，ProCAST传热分析模块考虑到热辐射对温度场和铸件凝固过程的影响, 这对于经常需要处理热辐射问题的熔模铸造而言特别重要。例如，对不锈钢人体植入物的凝固过程进行模拟时，发现位于模组中部的铸件由于接收到的辐射热比周边铸件多，因而温度偏高，不利于铸件顺序凝固，容易产生缩孔、缩松[1]。特别值得一提的是，ProCAST特有的辐射分析模块，计及辐射线入射角和遮挡物的影响，模拟对象一旦因相互运动导致辐射线入射角改变或产生遮挡, 该软件将重新自动进行计算，特别适用于定向凝固和单晶铸造。 a) 孤立液相区 b) 缩孔／缩松体积分数 c) Nyiama （新山英辅）判据图1 ProCAST缩孔／缩松判据
铸造过程数值模拟 摘要：铸造过程数值模拟技术是当今公认材料科学的重要前沿领域。铸造过程的数值模拟是本学科发展的前沿之一，包含铸件充型、凝固过程、缩松缩孔的预测、应力场、热裂、微观组织的计算机模拟以及计算机模拟软件开发等研究内容。 关键词：数值模拟；充型过程；微观组织；应力；热裂； 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科，是公认的材料科学的前沿领域。 一、铸件充型过程数值模拟的研究概况 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段, 许多铸造缺陷, 如卷气、夹渣、浇不足、冷隔及砂眼等都是在充型不利的情况下产生的。然而由于本身的复杂性, 与凝固过程相比, 充型过程计算机数值模拟技术的起步较晚。长期以来人们对充型过程的把握和控制主要是建立在大量的试验基础上的经验准则。从20世纪80年代开始, 在此领域进行了大量的研究, 在数学模型的建立、算法的实现、计算效率的提高以及工程实用化方面均取得了重大突破。 许多铸造缺陷如卷气、夹杂、缩孔等都与液态金属的充型过程有关。为了控制充型顺序和流动方式，对充型过程进行数值模拟非常必要。其研究多数以SOLA—VOF法为基础，引人体积函数处理自由表面，并在传热计算和流量修正等方法进行研究改进。有的研究在对层流模型进行大量实验验证之后，用K一￡双方程模型模拟铸件充型过程紊流现象。 目前，虽然已研究了许多算法，如并行计算法、三维有限单元法等，但最好的算法仍然没有找到。常用的网格划分为矩形单元(2D)或正交平行六面体(3D)。日本的I.Ohnaka等人提出了无结构非正交网格，这种技术是通向较高精度充型模拟的可能途径之一。砂型铸造的充型模拟研究在铸造过程计算机模拟中占主导地位，然而消失模铸造、金属型铸造等充型模拟的研究工作已经开始。充型模拟的另一发展趋势是浇注系统辅助设计，R.McDavid和J.Dantzig在这方面进行了尝试，并取得了一定的成果。 二、缩松和缩孔预测的数值模拟研究概况 铸件缩松、缩孔形成的模拟预测是铸件充型凝固过程模拟软件的主要功能之一。目前国内外常用的凝固模拟软件中均提供了多种判据用于铸件缩松、缩孔的预测．但是，大多数判据均是在用于铸钢件或不含石墨的铸造合金时比较有效。由于石墨铸铁凝固时析出比体积较大的石墨。因此其体积变化较铸钢等复杂得多，必须采用专门的判据。 铸钢件缩松、缩孔预测判据经过多年的发展，从最初的定性温度场热节法，发展到后来的E．Niyama提出的G／R1／2法，再到后面的流导法、固相率梯度法等定量预测方法，无论从精度还是从使用范围看，均达到了较高的水平，可以有效地预测铸件钢中的缩松、缩孔。 而铸铁件，特别是球墨铸铁件缩松、缩孔的预测一直缺乏可靠有效的判据。1994年，李嘉荣等在大量试验的基础上提出了球墨铸铁缩松、缩孔形成预测的“收缩膨胀动态叠加法(DECAM)”，该法基于Fe—C平衡相图，用杠杆原理计算凝固过程中收缩和膨胀量，将收缩和膨胀量进行叠加，可以预测球墨铸铁件缩松、缩孔的形成．李文珍等在进行球墨铸铁微观
材料加工数值模拟 论文 专业：材料加工 姓名：闫禹伯 学号：2013432109
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第一章．铸造过程的数值模拟分析 传统铸件的生产是根据经验确定铸造工艺，先试浇铸，检验试样是否存在浇铸缺陷，如有则修改工艺方案，然后重复上述过程，直至获得合格铸件。由于这种方法必须在浇铸后才能对铸件工艺是否合理进行评价，因而该方法存在设计周期长、生产成本高、效率低等缺点；而且得到的往往不是最终铸造工艺，对于大型或复杂形状铸件该缺点显得更加突出。铸造CAE模拟技术是利用计算机技术来改造和提升传统铸造术，对降低产品的成本、提高铸造企业的竞争力有着不可替代的作用。 一．铸造过程数值模拟的发展现状 计算机技术的飞速发展，已使其自电力发明以来最具生产潜力的工具之一，数字化时代正一步步向我们走来。计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程分析（CAM）和计算机辅助制造（CAE）等技术在材料科学领域的应用正在不断扩大和深入，已经成为材料科学领域的技术前沿和十分活跃的研究领域。就铸造领域而言，铸造过程数值模拟已经成为计算机在铸造研究和生产应用中最为核心的内容之一，涉及铸造理论、凝固理论、传热学、工程力学、数值分析、计算机图形学等多个学科[1-5]，是公认的材料科学的前沿领域。 铸造过程数值模拟技术经过了四十年的发展历程，其间，从简单到复杂、从温度场发展到流动场、应力场，从宏观模拟深入到微观领域，从普通的重力铸造拓展到低压、压铸等特种铸造，从实验室研究进入到工业化实际应用。特别是近些年来，在包括计算机硬件、软件、信息处理技术以及相关学科的强有力的支持下，数值模拟技术在人类社会的各个领域得到了广泛的应用，取得了长足的进步。如果说10年前，大多数铸造技术人员对模拟仿真技术还抱有观望、怀疑的态度的话，那么10年后的今天，已有众多的企业纷纷采用数值模拟技术，应用于实际生产。目前欧美日等西方发达国家的铸造企业普遍应用了模拟技术，特别是汽车铸件生产商几乎全部装备了仿真系统，成为确定工艺的固定环节和必备工具。上世纪90年代中后期以来，国内铸造厂家逐渐认识到其重要性，纷纷引入该技术，目前已有超过200家铸造企业拥有模拟仿真手段，在实际生产中起到了较为
锻造法兰的生产工艺流程： 锻造工艺过程一般由以下工序组成，即选取优质钢坯下料、加热、成形、锻后冷却。锻造的工艺方法有自由锻、模锻和胎膜锻。生产时，按锻件质量的大小，生产批量的多少选择不同的锻造方法。 自由锻生产率低，加工余量大，但工具简单，通用性大，故被广泛用于锻造形状较简单的单件、小批生产的锻件。自由锻设备有空气锤、蒸汽-空气锤和水压机等，分别适合小、中和大型锻件的生产。模锻生产率高，操作简单，容易实现机械化和自动化。模锻件尺寸精度高，机械加工余量小，锻件的纤维组织分布更为合理，可进一步提高零件的使用寿命。（本文转自：三环法兰网https://www.doczj.com/doc/0b6010531.html,） 一、自由锻的基本工序：自由锻造时，锻件的形状是通过一些基本变形工序将坯料逐步锻成的。自由锻造的基本工序有镦粗、拔长、冲孔、弯曲和切断等。 1.镦粗镦粗是对原坯料沿轴向锻打，使其高度减低、横截面增大的操作过程。这种工序常用于锻造齿轮坯和其他圆盘形类锻件。镦粗分为全部镦粗和局部锻粗两种。 2.拔长拔长是使坯料的长度增加，截面减小的锻造工序，通常用来生产轴类件毛坯，如车床主轴、连杆等。 3.冲孔用冲子在坯料上冲出通孔或不通孔的锻造工序。 4.弯曲使坯料弯曲成一定角度或形状的锻造工序。 5.扭转使坯料的一部分相对另一部分旋转一定角度的锻造工序。 6.切割分割坯料或切除料头的锻造工序。 二、模锻模锻全称为模型锻造，将加热后的坯料放置在固定于模锻设备上的锻模内锻造成形的。 1.模锻的基本工序模锻工艺过程：下料、加热、预锻、终锻、冲连皮、切边、调质、喷丸。常用工艺有镦粗、拔长，折弯、冲孔、成型。 2.常用模锻设备常用模锻设备有模锻锤、热模锻压力机、平锻机和摩擦压力机等。 通俗地讲，锻造法兰质量更好，一般是通过模锻生产，晶体组织细密，强度高，当然价格也贵一些。法兰锻件网https://www.doczj.com/doc/0b6010531.html,
锻造用钢锭技术条件 1，电炉钢锭（外购）技术条件 1.1钢的化学成分符合国家标准，偏差应符合GB222。 1.2钢锭尾部圆弧与锭身应圆滑过渡，不得有台阶。锭尾不得带有汤道把子。 1.3锭身不得有裂纹。裂纹必须修磨，修磨处应圆滑过渡，修磨处深宽比为1：6，裂纹深 度＞15mm的钢锭不得镦粗使用，＞20mm应判废。 1.4钢锭飞边毛刺应清理，外部粘结的砖块等非金属应清理掉。结疤、重皮、表面气孔应清 理掉。深度＜2mm的缺陷可不予清理。 1.5有接注。冒口上涨、注入钢渣、混入绝热板等杂物的钢锭应予判废。 2电渣钢锭技术条件 2.1钢的化学成分符合国家标准，偏差应符合GB222。 2.2锭型工艺参数见表1 2.3钢锭表面不允许有结疤、裂纹、气孔及夹渣（渣沟）。 2.4 钢锭表面裂纹清理：重量小于2吨的钢锭，清理深度单边不得大于10mm，大于2吨的 钢锭单边清理深度应小于15mm，统同一截面相对两边深度之和＜30mm，单边＞10mm 不得镦粗使用。 2.5 清理深宽比为1：6，并圆滑过渡。 2.6 下列情况宽不清理： （1）φ400-500mm锭渣沟深度＜3mm； （2）φ600-700mm锭渣沟深度＜5mm； （3）φ600mm以上合工钢、冷轧辊钢、不锈钢锭渣沟深度应小于4mm。 2.7 深度＜10mm渣沟，允许修磨，修磨深宽比为1：6，圆滑过渡。渣沟深度＞10mm的钢 锭不可用于镦粗。
2.8 切头、切尾范围见表2，在此范围的缺陷可不清理。 2.9 钢锭报废标准 （1）清理缺陷超深者（见2.4条）； （2）钢锭高度小于700mm者； （3）高度重量允许偏差±2％，超正偏差部分不计产量，超负偏差不能按原合同交接。 2.10 减斤处理 （1）缺陷位置超过切头、切尾长度者； （2）缩孔长度超过允许缩孔深度者（见表3）； 减斤长度＝缩孔深度－允许缩孔深度表3 （3）补缩阶段化入余头或未补缩者减斤长度为100-120mm，中间阶段化入余头报废。 （4）减斤重量＝减斤长度×单位长度重量 单位长度重量见表4
钢锭的组织结构 在锻造生产过程中,锻造用钢一般分为碳素结构钢,合金结构钢,工、模具钢和特种钢四大种类钢种,锻造的锻件越大,使用的原材料的钢锭越大,其组织中的缺陷越大. 以浇铸的梅花钢锭、方锭或浇铸的圆形钢锭的锯坯为主要原材料的特种钢内部有严重缺陷,如果把铸锭沿纵向剖开,并经过磨平和腐蚀之后,便可以明显地看到它是由许多大小不一、形状不同的晶粒组成.其宏观组织的特点. （如图） 1、细小等轴晶带:分布在铸锭的外表皮,晶粒细小,厚度很薄,组织致密,成分均匀. 2、柱状晶带:紧接着细小等轴晶带的便是钢锭柱状晶粒区,晶粒细而长,垂直于模壁,厚度很大,组织致密. 3、过度晶带:位于柱状晶带和中心粗大晶带之间. 4、粗大晶带:位于钢锭的中心部位,晶粒粗大,组织疏松. 5、负偏析沉积锥体:主要表现在钢锭的底部,也就是常讲的重金属沉积区. 6、A形偏析:主要位于过度晶带区,主要是因为钢液在凝固时钢液中发生化学反应而产生的气泡,裂纹是由于冷却过程中冷却不均匀形成内应力而造成的,也就是常讲的皮下气孔和内部裂纹. 7、V形偏析:主要位于钢锭的中心区域,在钢液结晶过程中，由于粗大晶带以数枝状互相交叉长大,造成许多封闭的小空间,其间的钢液被隔离,当被隔离的钢液结晶收缩时,由于得不到外界钢液的补充,便形成了分布分散而细小的微孔,也就是常讲的疏松. 8、缩空下正偏析:主要表现与钢锭的冒口区域,也就是常讲的非金属夹杂(主要是硫化物和磷化物). 9、缩孔:往往集中在最后凝固的钢锭顶部,是钢液在结晶形成固态时发生体积收缩,又得不到液体补充而形成的空洞. 总体来说,其内部晶粒主要表现为铸态晶粒,它的现象是晶粒比较粗大,晶粒与晶粒组织间比较疏松,碳化物偏析严重.
制造工艺详解——铸造
制造工艺详解——铸造 铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。 一、铸造的定义和分类 铸造的定义：是将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法。 常见的铸造方法有砂型铸造和精密铸造，详细的分类方法如下表所示。 砂型铸造：砂型铸造——在砂型中生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。 精密铸造：精密铸造是用精密的造型方法获得精确铸件工艺的总称。它的产品精密、复杂、接近于零件最后形状，可不加工或很少加工就直接使用，是一种近净形成形的先进工艺。 铸造方法分类 二、常用的铸造方法及其优缺点
1. 普通砂型铸造 制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂，硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。应用最广的型砂粘结剂是粘土，也可采用各种干性油或半干性油、水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。 砂型铸造中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分 为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型3种。 砂型铸造用的是最流行和最简单类型的铸件已延用几个世纪.砂型铸造是用来制造大型部件，如灰铸铁，球墨铸铁,不锈钢和其它类型钢材等工序的砂型铸造。其中主要步骤包括绘画，模具，制芯，造型，熔化及浇注，清洁等。 工艺参数的选择 加工余量：所谓加工余量，就是铸件上需要切削加工的表面，应预先留出一定的加工余量，其大小取决于铸造合金的种类、造型方法、铸件大小及加工面在铸型中的位置等诸多因素。 起模斜度：为了使模样便于从铸型中取出，垂直于分型面的立壁上所加的斜度称为起模斜度。 铸造圆角：为了防止铸件在壁的连接和拐角处产生应力和裂纹，防止铸型的尖角损坏和产生砂眼，在设计铸件时，铸件壁的连接和拐角部分应设计成圆角。 型芯头：为了保证型芯在铸型中的定位、固定和排气，模样和型芯都要设计出型芯头。
铸造过程的数值模拟 1零件分析 本次铸造过程的数值模拟所用的零件为方向盘，该零件结构复杂，并且在实际使用过程 中，需要承受较大的扭转力，因此选用镁合金并采用压铸工艺。此项工作需要在方向盘上建 立合适的浇注系统和溢流槽，进行充型模拟，得到合理的压铸方案。在建立浇注系统之前，需要合理选择分型面，然后选择浇注系统的内浇口位置，待浇注系统建立好之后，进行一次预模拟，从而确定溢流槽的数量和位置。 2工艺设计 2.1浇注系统 该铸件的分型面为铸件的最大截面，选定的浇注系统在铸件上的位置如下图所示。 rr 口斗+带〒 *”斗-T 已知数据有：压室直径60mm，压室速度0.1m/s-3m/s，铸件材料AM50A，方向盘质量 595g，压射温度685C。 查表取值：AM50A 镁合金密度1.75g/cm3;充填时间t= 0.05s;内浇口厚度b=2.5mm ; 取充填速度v仁50m/s。 铸件的体积v= — = —95 =340000mm 3; P 1.75 根据经验，可以取溢流槽的体积为铸件体积的10%，则溢流槽的体积v^ 34000mm3。 计算内浇口面积（V铸件+ V溢流槽） vt 二340 34 -50 0.05二149.6 2 mm
内浇口宽度 s c 2 b 冲头速度 4v 1s 4x 50 x149.6 “ , V ? 2 2 2.65 m / s nd 兀汽60 横浇道选用等宽横浇道 厚度 bh=10mm ，斜度10°，宽度B=（ 1.25-3）An/bh ;圆角半径 r=2mm ,横浇道宽 2 度为 30mm 。增压时间 k=1.5s ，: =0.005 t = k ： b 1.5 0.005 9 = 0.0675s 直浇道的设计 因为压室直径为60mm ，因此可以将直浇道与压室相连处的直径设计为 60mm ，直浇道 的高度为40mm ，拔模斜度为5 °。 2.2排溢系统 根据前面所述，溢流槽的总体积设计为铸件总体积的 10%,则v^ 34000mm 3。并且 设计三个溢流槽，分布在方向盘的圆周上，具体位置根据铸件最后充型位置确定。 根据经验和查表，溢流槽的桥部的尺寸与内浇道的尺寸的差距不宜过大， 因此选取溢流 槽的尺寸为 A=30mm ， B=35mm ， H=12mm ，a=9mm ， b=22mm ， c=1mm ，溢流槽桥部厚度 为h=1.3mm 。则溢流槽的仓部体积和为 v 溢=3 ^B_H = 3 30 35 37800mm 3。 149.6 治 30 mm
锻造用钢锭和锻圆通用技术条件 1 适用范围 本标准适用于锻造用钢锭和锻圆的通用外采及验收，如有特殊产品另行规定。 钢锭与锻圆的区别： 钢锭：订货时按照一一对应的工作令、图号按件数进行采购或根据批量常规产品相关技术要求采购的钢锭，具有固定的相关钢锭参数； 锻圆：订货时不按照图号要求，而是按批次、按重量采购，形状均为轴类，截面规格有要求，长度方向尺寸范围较宽。 2 规范性引用文件 GB/T1979-2001 结构钢低倍组织缺陷评级图 GB/T10561-2005 钢中非金属夹杂物含量的测定－标准评级图显微检验法SEP1584的第2版发蓝断口检测法检验钢中宏观非金属夹杂物 GB/T222-2006 钢的成品化学成分允许偏差 JB/T5000.15-1998 重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤 JB/T1266-2002 25MW～200MW汽轮机转盘及叶轮锻件技术要求 3 技术要求 3.1 材料化学成分应符合钢锭和锻圆成分表1规定。 3.2 材料用钢锭冶炼方法：采用电炉+精炼真空脱气进行冶炼。有要求时，可用电渣重熔钢锭、真空碳脱氧或按专用技术协议。 3.3 化学成份允许偏差按GB/T222标准规定。34CrMo、34CrNi3Mo、34CrMo1A化学成分允许偏差按JB/T1266-2002执行。[H]、[O]、[N]成品检测值不允许超出要求值上限的10%。 3.4 锻造比的要求：锻圆锻造比≥3； 3.5 锻圆直径方向允许偏差0~10mm，长度方向允许偏差0~40mm。 3.6 锻圆超声波探伤检验，结果均应符合JB/T5000.15-1998中Ⅲ级要求。钢锭要保证锻件探伤合格，标准符合JB/T5000.15-1998的Ⅲ级。 3.7 钢锭锭身比例要确保大于等于82％。 3.8 表面质量 钢锭和锻圆表面不得有肉眼可见的重皮、裂纹、折叠、结疤、夹层、锻伤、夹渣等有害缺陷。如有上述缺陷必须清除，其清除深度不得超过尺寸下偏差的要求。决不允许对材料进行补焊处理。
钢锭浇铸-钢锭浇铸 钢液（又称钢水）经盛钢桶（又称钢包）注入铸模凝固成钢锭的过程。钢液在炼钢炉中冶炼完成后，必须铸成一定形状的锭或坯才能进行加工。用铸模铸成钢锭的工艺过程简称为铸锭或模铸；用连续铸钢方法铸成坯的工艺过程简称连铸。 钢锭的种类钢锭因浇铸前钢液中含氧量的不同，分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢三种基本类型。三种类型的特征见图1。 钢锭浇铸 镇静钢又称全脱氧钢,是凝固过程中钢液内氧含量低到不会与钢中碳反应生成一氧化碳气泡的钢。铸前钢液须经充分脱氧（如用硅和铝脱氧,钢中硅含量在0.3％左右,铝含量在(0.02～0.06％)。镇静钢锭均有缩孔,必须用带保温帽的锭模浇铸。轧制后经过切头，钢锭成坯率为85～89％。要求成分均匀、组织致密的钢材采用这种钢锭。镇静钢采用上大下小带保温帽的铸模。近年广泛采用发热保温帽和隔热板保温帽等以提高成坯率。 沸腾钢钢液中含氧量较高(0.02～0.04％)、在锭模中发生强烈碳氧反应、生成一氧化碳气泡，使钢液在模中沸腾而得名。这种钢凝固一开始，气泡就形成并上浮。钢锭表皮凝固成含铁较纯的壳层。当表层达到所要求的厚度时，在钢锭顶部加上盖板，使顶部凝固，阻止气泡继续逸出；也可在顶部加入硅铁、铝等脱氧进行化学封顶；也有用瓶口式锭模进行封顶。另一种方法是在钢液凝固成表面层后即向整体钢液中加铝脱氧，这种钢锭称为外沸内镇钢。沸腾钢一般采用上小下大敞开式的瓶口式铸模。沸腾钢锭成坯率高达90～92％，主要用于低碳钢。 半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间的钢种。这种钢内部气体少，结构接近于镇静钢。半镇静钢浇铸初期不产生气泡，当顶部自然凝固封顶后（可采用瓶口模促进封顶），由于钢液中碳和氧的富集和温度降低，促使在钢锭顶部产生少量一氧化碳气泡，填充整个钢液的凝固收缩空间。因此，可得到与沸腾钢相近的钢锭成坯率。半镇静钢主要用于中等碳含量和中等质量的结构钢，所用铸模一般为敞开式上小下大型。 浇铸工艺和设备炼钢炉炼成的钢液先注入盛钢桶。桶中钢液经底部的铸口注入锭模。开闭铸口用塞棒，近年来多改用滑动水口。 浇铸方法钢锭浇铸分上铸法(图2)和下铸法（图3）两种。上铸钢锭一般内部结构较好，夹杂物较少，操作费用较低；下铸钢锭表面质量良好，但由于通过中注管和汤道使钢中夹杂物增多。
锻铜工艺流程 锻铜是一种区别于铸铜的工艺，是在铜板上进行创作，利用铜板加热后质地变软，锤打后又恢复坚硬的特性，重复这一过程，最终制作出锻铜浮雕、锻铜雕塑等圆雕艺术作品或其它生活、工业用品。随着人民生活水平和审美情趣的提升，锻铜这一传统工艺尤其在工艺美术领域受到越来越多设计师和大众的喜爱。 锻铜工艺讲究的就是一个锻字，任何造型就是通过锻造出来的，其工艺复杂程度远超于铸铜。火、锤子和錾子是锻铜的三个重要元素。 小型锻铜工艺作品或大型锻铜作品局部加工可以采取氧气加乙炔产生的高温加热，大型作品就需要生炉火鼓风加热。加热这一环节相对容易。加热后的铜板要用皮锤敲打平整。然后根据铜板上描绘的线条使用锤子和錾子刻基础线。锤子和錾子的运用则是整个锻铜工艺的关键，这即是”锻铜“又被称为”錾铜“的原因。每个锻铜师傅手中都有上百把形式各样的錾子，在铜板上用这些錾子勾勒出高低起伏的线条叫”走线“，快速准确的按图纸走线是需要下几年的功夫的，尤其是一些关键部分，比如人物的面部特征等。大型锻铜作品需要多名锻铜工匠的配合和集体创作，一些工艺过程要求工匠的配合要十分默契，比如有时需要将铜板悬挂起来，锻铜师傅们在铜板的两侧同时作业，使每一个高低错落的线条达到完美。 如遇到细节较多且表面光滑的锻造作品可用适当比例的松香和土等原料放在容器内熔化后，将其倒入四周有3－5厘米高起边沿的工作台上，用于固定加热后的铜板。然后在由锻铜师傅细心锻造。 首先锻造雕塑或壁画需有泥塑师根据图纸制作出1：1大小的泥塑造型。然后在翻出石膏模具。石膏模具制作后需仔细检查，讲沙眼或缺口补平补齐。在翻制树脂模具用于锻造之用。 模具制作好后，需由美工师绘画出模具放样图纸，贴于铜板上使用切割机械割出放样后的铜板原料。 之后锻造师傅就利之前介绍的锻造手法手工锻造。锻造好的雕塑或壁画局部，在根据1：1的模具或图纸进行拼装焊接。将分散的部件连成一个整体，在焊接处需要打磨，修边。然后在整体锻造调整。由零到整、由小变大，雕塑或壁画就这样变成锻铜成品。 最后为让雕塑或壁画的整体效果统一协调，还需要在作品表面统一做色。局部高光区还需打磨出来。以达到美观、立体的效果。 锻铜工艺的好坏最主要就是在锻造技术上，我公司多年来培养出大批具有丰富锻造经验的锻造师，锻出的作品能保持原来泥塑的造型和韵味，而且因锻铜工艺全部是由手工完成，其具有工艺性，观赏性强，表面统一，肌理丰富等优点。而且质轻，便于安装。大型壁画，雕塑使用既节省材料，又能保证施工及使用安全。