金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2010年10月
铸钢托瓦体凝固过程数值模拟及工艺优化
米国发，王有超，董翠粉
（河南理工大学材料科学与工程学院，河南焦作454000）
摘
要：利用ViewCast 软件对铸钢托瓦体两种工艺方案的凝固过程进行数值模拟，预测了缩孔、缩松缺陷产生的
位置。通过加大冒口尺寸、改变冒口位置和设置冷铁的方法对初始工艺方案进行了优化。再次模拟表明，改进后的方案使铸件得到了充分补缩，最终消除了缩孔（松）等缺陷。与实际生产相结合，确定了最优方案，得到了合格铸件。
关键词：托瓦体；凝固；数值模拟；优化中图分类号：TG244.3
文献标识码：A
文章编号：1001-3814(2010)19-0050-04
Numerical Simulation of Solidification and Process Optimization
for Cast-steel Supporting Body
MI Guofa,WANG Youchao,DONG Cuifen
(College of Material Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China )
Abstract ：The numerical simulation software View Cast was applied to analyze the solidification process of cast steel supporting body in two types of schemes,and the position of the shrinkage defects was predicted.The original casting processes were optimized by enlarging the riser,changing its position and adding the chill block.The re-simulated result reveals that the casting could be feeding effectively,and the shrinkage defects are eliminated.The optimum scheme is determined by combining with actual produce,and the qualified castings are gotten.
Key words ：supporting body;solidification;numerical simulation;optimization
收稿日期：2010-04-30
基金项目：河南省杰出人才创新基金（0621000700）
作者简介：米国发（1966-），男，北京人，博士，教授，主要从事凝固理
论、技术与新材料的研究；电话：0391-*******；
E-mail:peter@https://www.doczj.com/doc/d48479681.html,
托瓦体需要有很好的耐磨性和较高的强度，同时还需在其圆弧形表面浇注合金，以增加其强度和使用寿命，因此托瓦体的铸造质量要求很高。托瓦体的三维实体造型如图1所示。其内部结构复杂，中间部位较两侧厚大，在实际生产过程中，易在此处形成热节，出现缩孔、缩松等缺陷。本文结合铸件的结构特点和实际生产条件，设计了两种工艺方案，并利用View Cast 软件对其凝固过程进行模拟
[1-2]
，分
析了缺陷产生位置和原因，提出改进方案。通过对比，确定出最优的工艺方案，有助于改善和提高铸件
质量，大大降低生产成本。
1铸造工艺方案的确定
选择封闭式、底注式浇注系统。在方案一中选择
铸件的大曲面朝上放置，通过模数法计算确定，在该曲面上设置3个冒口，如图2（a ）所示。方案二中大曲面朝下放置，在铸件顶部厚大部位两侧放置冒口，如图2（b ）示[3-4]。
2模型的网格剖分及参数设定
对托瓦体进行三维实体造型后导入View Cast
软件进行网格剖分，网格单元数确定为150万[5]。铸件材料为ZG270-500，浇注温度为1580℃，液相临
图1托瓦体三维实体图
Fig.13-D drawing of supporting body
（a ）方案一（b ）方案二
图2带有浇冒口系统的铸件三维实体图
Fig.23-D drawing of castings with pouring system
DOI:10.14158/https://www.doczj.com/doc/d48479681.html,ki.1001-3814.2010.19.012
金属铸锻焊技术
Casting ·Forging ·Welding 上半月出版
界温度为1511.3℃，固相临界温度为1453.9℃。收缩率为5%，热导率为35W/（m ·K ），比热容为489.9J/（kg
·K ），砂型选用水玻璃自硬砂，砂型初始温度为25℃。
3凝固过程的模拟
根据以上所设定的条件和具体参数，应用View
Cast 软件对铸件的凝固过程进行数值模拟[5]。3.1方案一凝固过程模拟结果及改进3.1.1方案一工艺缺陷预测及改进
托瓦体通孔一侧内部结构复杂，壁厚不均且曲面中间是整个铸件最厚的部位，易形成热节。模拟结果表明，这两个部位冒口与铸件接触的地方均出现了缩孔、缩松等缺陷[6]
，如图3示。因此，将通孔侧冒
口的直径增大至D =180mm ，中间冒口的高度增加到400mm ，确保铸件可得到足够金属液的补缩
[3,4,7]
。
3.1.2优化方案一的模拟结果
当t =500s 时，铸件四周较薄的部位优先开始凝固。通孔侧上方的冒口由于尺寸增大，凝固速度较慢，基本晚于此处铸件凝固，如图4中（b ）到（c ）示。铸件是由四周向中间的厚大部位处凝固，从图4（d ）到（f ）可以看出，铸件最后凝固的地方主要集中在中间冒口和铸件接触的地方，大部分位于冒口中。
1007550250
图3
方案一下铸件缺陷分布
Fig.3Defect distribution of casting in scheme 1
金属含量(%)
1007550250
图5优化方案一的缺陷分布图
Fig.5Defect distribution of casting after
improvement of scheme 1
金属含量(%)
由图5可以看出，通孔侧冒口处的缺陷已经得到了消除，在中间冒口和铸件接触的部位只存在少许的疏松。由于大曲面为加工面，最终的零件还需在此面上机加工出燕尾槽，并浇注合金，以增强其抗磨擦效果；因此这部分缺陷机加工时可以切除，不影响铸件的使用性能。这说明，优化方案一，通过增大冒口的尺寸可以消除缩孔、缩松等铸造缺陷。
3.2方案二的模拟结果分析及其对策3.2.1方案二工艺模拟结果分析
由于冒口的横向补缩距离不足，使铸件中间厚大部位和通孔侧拐角处，都出现了缩孔、缩松等缺陷，如图6。因此，在改进工艺中，
中间部位的缺陷可
金属铸锻焊技术Casting ·Forging ·Welding 2010年10月
以通过改变冒口的放置位置来消除，即直接在铸件的中间放置一个大冒口[8]，而边缘处的缺陷可以通过放置冷铁改变凝固顺序消除。本文选用直接外冷铁，冷铁的厚度设计与激冷层的厚度相一致[9]，长度为600mm ，如图7、8。
3.2.2优化方案二的模拟结果
在冷铁的激冷作用下，铸件通孔侧优先凝固，如图9（a ）所示。当t =1500s 时该部分已基本凝固完毕。随着时间的延长，凝固范围逐渐扩大，t =4000s 时，可以看出未凝固的部分主要集中在冒口下方的厚大部位处，由图9（f ）可以看出铸件最后凝固的部分大
100
7550250
图6方案二下铸件缺陷分布
Fig.6Defect distribution of casting in scheme 2
金属含量(%)
115mm
166mm
226m m
图7冷铁截面图
Fig.7Section drawing
of chill block
图8优化方案二后的铸件
网格剖分图
Fig.8Mesh of casting after improvement of scheme 2
冷铁
部分集中在冒口中，说明冒口位置和尺寸的改变起到了很好补缩作用。模拟结果表明，缩孔（松）等缺陷只存在于冒口中，得到了合格的铸件，如图10。
4两种工艺方案的比较
方案一和方案二都可以通过工艺优化来得到合
格的铸件。方案一中冒口直接分布在大曲面上，方便后续加工切除；方案二中冒口位于顶部圆柱上，中间和铸件相连的部位还需加上一层补贴（本文作为冒口来设计）且在机加工时余量较大。同时，方案一中分型面的设置和砂芯的放置更方便可行。因此，在实际生产过程中，优化后的方案一更合理可行。
5生产验证
将优化方案一运用于生产后，能够得到完整、表面质量良好的铸件，如图11所示。经机械加工，未出
1007550250
图10优化方案二铸件缺陷分布图
Fig.10Defect distribution of casting after improvement of scheme 2
金属含量
(%)
金属铸锻焊技术
Casting·Forging·Welding 上半月出版
(上接第49页)α-Mg基体得到强化，硬度得到增加。
3结论
通过研究不同浇铸温度和热处理方式对半固态铸轧镁合金微观硬度的影响，取样分析得到如下结论：
（1）采用斜槽法制浆时，适当地降低浇铸温度可以提高板带的硬度。
（2）铸轧后不同冷却方式所制得的板材硬度有所不同，采用水冷方式制得的板材硬度要高于空冷得到的板材的硬度。
（3）热处理可以改变镁合金板带的性能。采用T4处理后板材的硬度有所下降，而采用T6处理可以有效提高镁合金材料的表观硬度。参考文献：
[1]XIE Shuisheng，GENG Maopeng，ZHOU Xinmin，et al．A
new technique of casting-rolling strips for semi-solid magne-sium alloys[J]．Mater.Sci.Technol.，2005，21(6)：785-787．[2]李强，黄国杰，谢水生，等．镁合金半固态成形研究进展[J]．
热加工工艺，2009，38(23)：62-65．
[3]胡汉起．金属凝固原理[M]．北京：机械工业出版社，
2000．13-14．
[4]Zhang Ying，Xie Shuisheng，Geng Maopeng，et al．Coupled
numerical simulation of process in rheocasting-rolling for se-mi-solid magnesium alloy used by slope[J]．Advanced Materi-als Research，2010，89-91：681-686．
[6]张泽磊，杨刚，杨屹，等．AZ91D镁合金的冷却凝固特性研究
[J]．热加工工艺，2010，39(1)：47-49．
图11托瓦体铸件实物图
Fig.11Actual body of casting supporting body
现缩孔、缩松等缺陷，且组织致密，综合性能高，满足了使用要求。
6结论
(1)用View Cast软件对托瓦体铸钢件两种工艺方案的凝固过程进行了数值模拟，预测出铸件缺陷产生的位置，分析了其形成的机理。
(2)根据数值模拟结果并结合理论分析计算，对方案进行优化。在方案一中，加大冒口的尺寸，增大补缩范围；在方案二中，设计外冷铁并改变冒口的位置和尺寸，确保了铸件的凝固顺序和补缩效果。再次模拟表明，两种方案均能得到合格的铸件。
(3)结合实际生产，说明优化后的方案一更合理可行，最终得到了合格的铸件，满足了生产要求。
参考文献:
[1]柳百成，荆涛．铸造工程的模拟仿真与质量控制[M]．北京：机
械工业出版社，2001．
[2]廖艳春，曾明，王静．铸件凝固过程温度场数值模拟研究进展
[J]．西华大学学报(自然科学版)，2005，24(2)：94-96．
[3]曲卫涛．铸造工艺学[M]．西安：西北工业大学出版社出版，
1996．
[4]李弘英，赵成志．铸造工艺设计[M]．北京：机械工业出版社，
2005．
[5]李依依，李殿中，朱苗勇，等．金属材料制备工艺的计算机模拟
[M]．北京：科学出版社，2006．8-12．
[6]郭庆．铸件凝固过程的温度场模拟及缩孔、变形和热裂缺陷预
测[D]．保定：河北工业大学，2002．
[7]李日，马军贤．如何有效运用铸造数值模拟软件提高铸件质量
[J]．铸造，2009，(3)：253-254．
[8]米国发．采用View Cast设计铸钢件的补缩和浇注系统[J]．
铸造，2008，(7)：678-680．
[9]王文清，李魁盛．铸造工艺学[M]．北京：机械工业出版．
2002
．