(仅供参考)ProCAST-熔模铸造过程数值模拟

实验四 铸件缺陷形成的PROCAST 数值模拟一、实验目的1）利用ProCAST 软件，对照模拟同一铸件的不同铸造方案，了解铸件在铸造过程中可能出现的缺陷；2）分析缩松缩孔、裂纹等缺陷可能出现的原因，并尝试更改铸造工艺，以减少缺陷，改善铸件质量。

二、实验原理ProCAST 可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发，并且具有可重复性。

而在实际模拟过程中，常见的铸造缺陷有缩松缩孔、裂纹和气孔等。

1. 缩松缩孔金属铸件在凝固过程中，由于合金的体积收缩，往往会在铸件最后凝固部位出现孔洞。

容积大而集中的孔洞被称为集中缩孔；细小而分散的孔洞被称为缩松。

一般认为，金属凝固时，液固相线之间的体积收缩是形成缩孔及缩松的主要原因；当然，溶解在金属液中的气体对缩孔及缩松形成的影响有时也不能忽略。

当金属液补缩通道畅通、枝晶没有形成骨架时，体积收缩表现为集中缩孔且多位于铸件上部；而当枝晶形成骨架或者一些局部小区域被众多晶粒分割包围时，金属液补缩受阻，于是体积收缩表现为缩松。

图4-1 缩孔形成过程示意图ProCAST 可以确认封闭液体的位置。

使用特殊的判据，例如宏观缩孔或NiYama 判据1来确定缩孔缩松是否会在这些敏感区域内发生。

同时ProCAST 可以计算与缩孔缩松有关的补缩长度。

在砂型铸造中，可以优化冒口的位置、大小和绝热保温套的使用。

在压铸中，ProCAST 可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小，以及溢流口的位置。

2. 裂纹金属液接近凝固温度时，收缩量较大，塑性较差，铸件自由收缩受阻而造成热裂以至在随后的冷却过程中产生裂纹，一般位于铸件最后凝固的部位。

热裂形成的过程如图4-2所示，图中c p 为空隙压1即为新山英辅判据，NiYam a C R G /， G —判别区域的局部温度梯度，R —冷却速度，NiYama C —有量刚量。

研究表明，NiYama C 值随铸件大小变化，大件取1.1，小件取0.8。

Procast熔模铸造模拟分析案例一、熔模铸造案例模型说明熔模铸造又称失蜡铸造，包括压蜡、修蜡、组树、沾浆、熔蜡、浇铸金属液及后处理等工序。

失蜡铸造是用蜡制作所要铸成零件的蜡模，然后蜡模上涂以泥浆，这就是泥模。

泥模晾干后，再焙烧成陶模。

一经焙烧，蜡模全部熔化流失，只剩陶模。

一般制泥模时就留下了浇注口，再从浇注口灌入金属熔液，冷却后，所需的零件就制成了。

本教程将一步一步的指导各位完成Procast中关于熔模铸造的设置。

图1 模型说明本案例中用到的几何体由以下几个部分组成，如图1所示，分为模壳、铸件和扣箱。

二、熔模铸造案例模型前处理设置说明1.在PreCAST中导入网格模型图2 网格导入说明如图2所示，在网格导入界面，选择网格所在的文件夹，然后在case中输入需要导入的计算模型名称，软件会自动根据路径和文件名称导入相应的几何网格信息。

读入后程序会自动显示模型、网格、节点信息。

（材料数，总的节点和单元数以及单位和轮廓尺寸），见图3所示。

注意，在辐射计算时存在一个扣箱。

图3 几何网格导入信息显示2.检查几何体网格导入后，PreCAST能够自动标示材料序号，总的结点和单元数。

也可以显示出单位和轮廓尺寸。

这些信息及各部件的体积都可以通过File menu->Check geometry 选项得到。

图4几何检查选项3.设置工件材料属性点选图5红色显示区域，再次点选相应材料牌号，点击assign最终设定，为铸件和模壳分别指定为铬镍铁合金718及一种壳材料。

图5材料定义4.创建并设置各部件之间界面换热面该步骤主要是对模型各个材料交接面设定界面换算系数，以确保材料各部分的准确换热。

图6换热界面及系数定义5.设置工艺边界条件该界面是定义铸造工艺边界条件，以实现不同的铸造工艺种类。

在熔模铸造中，需要通过该界面设置注入孔处的温度和浇注速度边界条件以及整个外扣箱的温度和辐射参数边界条件，具体见图7所示。

图7 边界条件定义6.设置重力该步骤是根据实际工艺重力方向来定义，见图8所示。

实验四 铸件缺陷形成的PROCAST 数值模拟一、实验目的1）利用ProCAST 软件，对照模拟同一铸件的不同铸造方案，了解铸件在铸造过程中可能出现的缺陷；2）分析缩松缩孔、裂纹等缺陷可能出现的原因，并尝试更改铸造工艺，以减少缺陷，改善铸件质量。

二、实验原理ProCAST 可以分析缩孔、裂纹、裹气、冲砂、冷隔、浇不足、应力、变形、模具寿命、工艺开发，并且具有可重复性。

而在实际模拟过程中，常见的铸造缺陷有缩松缩孔、裂纹和气孔等。

1. 缩松缩孔金属铸件在凝固过程中，由于合金的体积收缩，往往会在铸件最后凝固部位出现孔洞。

容积大而集中的孔洞被称为集中缩孔；细小而分散的孔洞被称为缩松。

一般认为，金属凝固时，液固相线之间的体积收缩是形成缩孔及缩松的主要原因；当然，溶解在金属液中的气体对缩孔及缩松形成的影响有时也不能忽略。

当金属液补缩通道畅通、枝晶没有形成骨架时，体积收缩表现为集中缩孔且多位于铸件上部；而当枝晶形成骨架或者一些局部小区域被众多晶粒分割包围时，金属液补缩受阻，于是体积收缩表现为缩松。

图4-1 缩孔形成过程示意图ProCAST 可以确认封闭液体的位置。

使用特殊的判据，例如宏观缩孔或NiYama 判据1来确定缩孔缩松是否会在这些敏感区域内发生。

同时ProCAST 可以计算与缩孔缩松有关的补缩长度。

在砂型铸造中，可以优化冒口的位置、大小和绝热保温套的使用。

在压铸中，ProCAST 可以详细准确计算模型中的热节、冷却加热通道的位置和大小，以及溢流口的位置。

2. 裂纹金属液接近凝固温度时，收缩量较大，塑性较差，铸件自由收缩受阻而造成热裂以至在随后的冷却过程中产生裂纹，一般位于铸件最后凝固的部位。

热裂形成的过程如图4-2所示，图中c p 为空隙压1即为新山英辅判据，NiYam a C R G /， G —判别区域的局部温度梯度，R —冷却速度，NiYama C —有量刚量。

研究表明，NiYama C 值随铸件大小变化，大件取1.1，小件取0.8。

ProCAST模拟分析ProCast铸造模拟分析ProCAST软件，采⽤基于有限元(FEM) 的数值计算和综合求解的⽅法，对铸件充型、凝固和冷却过程中的流场、温度场、应⼒场、电磁场进⾏模拟分析。

ProCAST软件可应⽤于砂模铸造、⾦属模铸造、熔模铸造、⾼/低压铸造、精密铸造、蜡模铸造、连续铸造等多种铸造过程。

⼀.ProCAST软件的模拟流程1、创建模型：可以分别⽤I-Deas、Pro/E、UG、Patran、Ansys 作为前处理软件创建模型，输出ProCAST可接受的模型或⽹格⽂件。

2、MeshCAST：对输⼊的模型或⽹格⽂件进⾏剖分，最终产⽣四⾯体体⽹格，⽣成xx.mesh⽂件，⽂件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。

3、PreCAST：分配材料、设定界⾯条件、边界条件、初始条件、模拟参数，⽣成xxd.out和xxp.out⽂件，4、DataCAST：检查模型及PreCAST中对模型的定义是否有错误，如有错误，输出错误信息，如⽆错误，将所有的模型信息转换为⼆进制，⽣成xx.unf ⽂件。

5、ProCAST：对铸造过程模拟分析计算，⽣成xx.unf⽂件。

6、ViewCAST：显⽰铸造过程模拟分析结果。

7、PostCAST：对铸造过程模拟分析结果进⾏后处理。

⼆．我公司设计及模拟流程根据客户确认后的2D、3D设计模具总装图→组织各车间技术员进⾏评审，根据经验提出修改⽅案→根据评审记录修改总装→设计模具3D→进⾏ProCast 分析→现场根据模拟分析结果及经验进⾏⽣产三．我公司ProCAST模拟⽰例1.⽹格划分2.参数设置3.后处理流场动态显⽰温度场动态显⽰最后凝固及补缩不⾜部位铸造缺陷位置有效应⼒热裂指⽰4.结论：根据模拟结果显⽰，铸造过程中按照顺序凝固原理，其铸造缺陷在可接受范围内。

在⽣产实际中可根据实际情况对⼯艺参数经⾏调整，来保证车轮铸造质量。

从虚拟到真实——换热器壳体的虚拟熔模铸造计算机技术特别是图形、图象处理技术的快速发展，使现实世界中的许多过程、现象和形象都能在计算机中再现出来，这就是所谓‘虚拟’。

例如，虚拟驾驶、虚拟人物，三维动画和游戏、甚至虚拟的节目主持人等等。

计算机数值模拟和可视化技术的发展，使虚拟铸造变成现实。

当然，这是建立在科学基础上的(以经典传热学、流体力学和弹塑性力学为理论基础)的虚拟，而不是基于艺术创作的虚拟。

从世界范围看铸造过程数值模拟技术的发展大体经历了三个发展阶段：①20世纪60年代是尝试阶段，开始开展以导热偏微分方程为基础的铸件凝固温度场数值模拟。

②20世纪70年代和80年代前期是以温度场数值模拟为主要内容的基础研究(材料热物理性能参数、界面条件、潜热处理等)及缩孔、缩松等缺陷判据与质量预测预报，同时开展对流场、应力场的研究。

1978年美国精铸年会上J.Hockin (Electronicast Inc.)发表的“Factors Affecting The Solidification 0f Inv estment casting”、和Arizona大学G.H.Geiger教授的“Fundamentals of Solidification”长达100页的长篇论文“The Thermal Conductivity of Shell Investment Materials ”，为建立熔模铸造充型-凝固过程数值模拟数据库奠定了坚实的基础。

③20世纪80年代后期和90年代是实用化和研究工作进一步深化的阶段。

事实上,美国UES公司开发的ProCAST铸造过程仿真软件早在1988年就开发成功。

90年代中期，美、德、法、英、日等国一大批功能强大、性能完备的商品软件已投放市场，对铸造新产品的研制、开发和生产发挥出越来越大的作用。

在众多铸造过程模拟软件中，已有许多可用于熔模铸造，ProCAST就是其中的代表。

它最初是以工程工作站/Unix为开发平台，现在也有微机/Windows版本。

43铸造过程数值模拟综合实验前言一、铸造过程数值模拟的来源、内容和意义为了生产出合格的铸件，就要对影响其形成的因素进行有效的控制。

铸件的形成主要经历了充型和凝固两个阶段，宏观上主要涉及到液态金属充型流动、金属凝固和冷却收缩、高温金属冷却和收缩3种物理现象。

在充型过程中，流场、温度场和浓度场同时变化，凝固时伴随着温度场的变化的同时存在着枝晶间对流和收缩现象；收缩则导致应力场的变化。

与流动相关的主要缺陷有：浇不足、冷隔、气孔、夹渣；充型中形成的温度场分布直接关系到后续的凝固冷却过程；充型中形成的浓度场分布与后续的冷却凝固形成的偏析和组织不均匀有关。

凝固过程的温度场变化及收缩是导致缩孔缩松的主要原因，枝晶间对流和枝晶收缩是微观缩松的直接原因，热裂冷裂的形成归因于应力场的变化。

可见，客观地反映不同阶段的场的变化，并加以有效的控制，是获得合格铸件的充要条件。

传统的铸件生产因其不同于冷加工的特殊性，只能对铸件的形成过程进行粗糙的基于经验和一般理论基础上的控制，形成的控制系统——铸造工艺的局限性表现在：1）只是定性分析；2）要反复试制才能确定工艺。

铸造过程数值模拟的目的就是要对铸件形成过程各个阶段的场的变化进行数值解析以获得合理的铸件形成的控制参数，其内容主要包括温度场、流场、浓度场、应力场等的计算模拟。

二、铸造过程数值模拟原理铸造过程数值模拟技术的实质是对铸件成型系统（包括铸件—型芯—铸型等）进行几何上的有限离散，在物理模型的支持下，通过数值计算来分析铸造过程有关物理场的变化特点，并结合铸造缺陷的形成判据来预测铸件质量。

数值解法的一般步骤是：1）汇集给定问题的单值性条件，即研究对象的几何条件、物理条件、初始条件和边界条件等。

2）将物理过程所涉及的区域在空间上和时间上进行离散化处理。

3）建立内部节点（或单元）和边界节点（或单元）的数值方程。

4）选用适当的计算方法求解线性代数方程组。

5）编程计算。

其中，核心部分是数值方程的建立。

ProCAST压铸模拟仿真详细操作步骤1 绘制模具的三维模型绘制好模具的三维模型（可以是装配体也可以是多个零件体，但用零件体的话需要注意坐标应该对应，这里用装配体）1.1 这是简化的模具（已经将压室空腔添加到里面）1.2 这是一个简单的活塞1.3 这是装配好的模具2 划分网格前的准备工作2.1 将模具三维模型导入ProCAST软件的Visual Mesh模块打开软件切换到Visual Mesh 模块点击Open File打开保存好的装配体文件切换显示方式（为了便于查看，可以在几种显示方式之间切换）2.2 检查几何模型是否有缺陷点击check进行检查显示No problem identified点击close关闭此窗口2.3 检查并合并实体间的相交面点击check显示实体之间没有相交面点击close关闭窗口2.4 检查实体之间是否有相交点击check检查显示有一个相交点击Intersect All点击Close2.5 利用实体内的空腔生成铸件和浇注系统在volume上右键单击然后选择compute volumes（有时在进行相交操作时会自动生成）生成如图所示带有浇注系统的铸件3 划分网格3.1 划分面网格点击图标Surface Mesh设置参数如图所示点击Mesh All Surfaces生成面网格点击Close3.2 检查面网格并修复点击如图所示图标点击check修复面网格，直到显示surface mesh is ok点击Volume Mesh框选实体点击mesh点击Close3.4 检查体网格点击check显示volume mesh is ok点击close切换到Visual Cast模块在Volumes上右键单击然后选择edit设置如图所示。

第25卷第3期2013年7月常州大学学报(自然科学版)Journal of Changzhou University(Natural Science Edition)Vol.25No.3Jul.2013文章编号：2095－0411（2013）03-0045-05排气歧管熔模铸造充型和凝固过程数值模拟与优化*方圆1，周吉祥2，于赟3，胡静1，杜庆柏1（1.常州大学常州市先进金属材料重点实验室，江苏常州213164； 2.常州武帆合金有限公司，江苏常州213000； 3.江苏理工学院，江苏常州213001）摘要：采用ProCAST铸造模拟软件对汽车排气歧管充型和凝固过程进行数值模拟。

对原有生产工艺模拟表明，在冒口与底盘法兰的接触面处存在缩孔缺陷，工艺出品率较低，约为38.8%。

模拟结果与实际生产情况吻合。

优化工艺为：增大冒口尺寸，以增加冒口补缩距离；减小直浇道部位尺寸，将排气管移至直浇道顶部。

模拟结果表明，优化工艺生产的排气歧管缩松缩孔明显减小，且缩孔全部集中于冒口部位，原底盘法兰处缺陷消失。

同时，工艺出品率显著提高，由原来的38.8%提高到49.1%。

关键词：排气歧管；ProCAST软件；缩孔；工艺出品率；熔模铸造中图分类号：TG244文献标识码：A doi：10.3969/j.issn.2095－0411.2013.03.012Simulation and Optimization of Investment Casting Process forAuto Exhaust ManifoldFANG Yuan1，ZHOU Ji-xiang2，YU Yun3，HU Jing1，DU Qing-bo1（1．Key Laboratory of Advanced Metal Materials of Changzhou City，Changzhou University，Changzhou213164，China；2．Changzhou Wufan Alloy Co．，Ltd．，Changzhou213000，China；3．Jiangsu University of Technolo-gy，Changzhou213001，China）Abstract：The ProCAST software was effectively used to simulate the mold filling and solidification process of the auto exhaust manifold．The results show that the porosity existed on the flange surface and the casting yield was low，which was in good agreement with the real production case．Based on the simulation results，the casting process of the exhaust manifold was optimized．The results show that the porosity on the flange surface was elimina-ted，and the casting yield was increased from38.8%to49.1%．Key words：exhaust manifold；ProCAST software；porosity；casting yield；investment casting汽车排气歧管是收集从发动机各气缸中排出的废气并排向排气管的部件，是发动机八大主要零部件之一，整个排气系统工作效率的高低取决于排气歧管的设计与制造［1-3］。

Procast重力铸造工艺Procast模拟过程基本思路：1.读入模型2.生成面网格3.生成三维体网格4.设置铸造过程的基本条件物理条件：材料，速度，压力，重力等热学条件：温度，界面热交换系数，冷却等5.进行溶液填充、凝固、应力应变计算模拟6.结果分析众所周知，铸造生产的实质就是直接将液态金属浇入铸型中凝固和冷却，进而得到铸件。

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。

因此了解并控制充型过程是获得优质铸件的重要条件。

但是，由于充型过程非常复杂，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试验基础上的经验准则。

随着计算机技术的发展，铸件充型凝固过程数值模拟受到了国内外研究工作者的广泛重视，从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。

在近年来用计算机程序模拟液态金属流动和热传导现象的各种商品化软件中，有限元软件ProCAST是一成功范例，它采用有限元方法实现对铸件充型过程、温度场、应力场及缺陷的计算和预测，为工艺设计人员提供了生产高质量铸件的理论指导。

在计算机模拟软件对铸件凝固过程的数值计算中，温度场和固相率场的计算为后续的缺陷预测奠定了基础。

通过对不同材料的热物理性能进行实测可以保证采用ProCAST软件模拟和预测铸件凝固过程和宏观缩孔缺陷时可靠性。

1.读入模型先用UG设计好三维模型，即在UG中导出为Parasolid,然后再以x-t格式导入Procast，三维模型如下：内圆直径80mm，深100mm，外矩形110mm，高115mm。

铸型铸件实体2.生成网格进入Procast2008.0中MeshCAST进行网格划分。

铸件设计的网格长度可以小些，铸型可以大些。

可以检查网格划分是否有问题，没有问题就可以进行下一步操作了。

划分后的体网格如下：3.进入PreCAST进行参数设置具体设置过程为Materials-Interface-Boundary Condition-Process-Initial Condition-Run Parameters。

１模具造型将文件另存为Stp或igs格式２网格划分２.１文件打开，几何模型的检查，生成铸件等工作２.１.１文件打开打开Visusl-Cast 13.5切换到Visual-Mesh（点击左上角Applications按钮切换）点击Open File打开保存好的模具三维图文件打开如图所示，可点击Views里面的相关按钮切换显示状态２.１.２检查三维模型点击check进行检查，显示未发现任何问题２.１.３合并相交面检查并合并实体间的相交面点击check进行检查，相交面的边线将以高亮状态显示，如果相交面的变现判断准确，可直接点击Assemble all将这些面合并再次检查，最后会出现“There are no overlaps between the active faces of volumes.”的提示，表明所有相交的面已经全部装配起来了２.１.４检查实体间相交的部分，并将相交的部分进行分配点击check进行检查，相交部分将以高亮显示，点击Intersect All完成相交部分的运算再次点击check，最后显示“There are no intersections between the active faces of volumes.”在左边Explorer下面的Volumes上鼠标右键并选择Compute Volumes按钮，将计算出新的实体注意看Volumes下面多了一个部件将新生成的部件进一步划分（将一些面隐藏，并在所需部位添加新面以计算出实体，此处使用的面修补工具为Geometry Utilities菜单栏下的工具）选择所需要填补的边线，使用鼠标中键确定可生成新面点击Apply即可自动生成新实体（蓝色部分）２.２划分面网格点击Surface Mesh进行面网格划分点击“+”号创建不同的边界组选择不同的组，然后选择Modify按钮选择所需要分在这一组的面为不同的组设置相应的面网格尺寸（Element Size）点击Mesh All Surfaces自动进行网格划分检查并修复面网格此处面网格无问题（Surface Mesh is OK），若面网格存在问题可使用Auto Correct按钮和相关网格修复按钮进行修复２.３划分体网格用鼠标左键框选所需要划分的实体，按鼠标中键确定即可进行体网格划分点击Apply并关闭窗口检查体网格点击check，显示Volume Mesh is OK关闭窗口，保存文件3 相关参数的设置点击Applications切换到Visual-Cast模块３.１设置重力加速度方向在弹出的重力方向设置窗口中设置重力加速度方向３.２将部件分组并设置部件材料，充满度以及初始温度在Explorer窗口中右键单击Volumes并选择Edit按钮更改部件名（选中部件按下F2即可更改），将部件分组（按住Ctrl键同时选中多个部件，右键单击并选择Group按钮即可分组）设置部件的Type、Material、Fill%和Initial Temperature，设置完毕点击Apply并点击Close关闭窗口３.３设置界面处的连续状态以及换热系数右键单击Interface HTC并选择Edit按钮设置如图添加新的界面并设置最后结果如图，设置完成点击Apply并关闭窗口３.４设置热交换在Explorer窗口中右键单击Heat Exchange并单击New按钮出现如图窗口单击Region按钮，然后选择需要设置的部件点击OK确认，然后按鼠标中键确认，然后在Process Condition栏中选择Air Cooling，点击Apply并关闭窗口３.５设置压射活塞的运动参数曲线在Explorer窗口中右键单击Translate v(t)并单击New按钮出现如下窗口点击Volume按钮然后选择Piston点击OK并按鼠标中键确定，在Process Conditon栏中下拉选择HPDC Piston，也可自己根据需要设置活塞的运动参数（第二张图）点击Apply并关闭窗口３.６设置模拟参数单击顶部菜单栏中的Cast－＞Simulation Parameters设置Pre－defined Parameters类型为HPDC Filling设置General栏参数如图设置Flow－＞Advanced１如图设置Thermal栏如图，然后选中GATENODE一格，单击下方的Select GATENODE按钮，然后在图形中选择对应的节点点击Select Node，点击Apply，最后关闭窗口。

铸造模拟软件procast使用指南铸造模拟软件ProCast使用指南编制日期:2009-2-18 编者: 版次:01 第 1 页共 56 页铸造模拟软件ProCast使用指南编制:审核:批准:声明:此设计指南仅供………内部使用，切勿外传。

铸造模拟软件ProCast使用指南编制日期:2009-2-18 编者: 版次:01 第 2 页共 56 页目录1 序言……………………………………………………………………………………………....................3 2 ProCa st软件主界面. (3)2.1 ProCast适用范围 (4)2.2 ProCast模拟分析能力 (4)2.3 ProCast分析模块....................................................................................................5 3 ProCast和常用软件的接口. (9)3.1 ProE网格划分 (9)3.2 GeoMesh前处理 (12)4 网格处理模块MeshCast 的 (16)4.1 Open (17)4.2 Repair (17)4.3 在修补环境中生成表面网格模型 (19)4.4 在Meshing environment 中编辑表面网格 (19)4.5 Generate Tet Mesh (21)5 前处理模块PreCast (23)5.1 Geometry (23)5.2 Materials (23)5.3 Interface (24)5.4 Boundary Conditions (24)5.5 Process (26)5.6 Initial Conditions (27)5.7 Run Parameters.................................................................................................28 6 求解模块DataCast和ProCast...........................................................................................35 7 后处理模块ViewCast. (37)7.1 Field Selections (38)7.2 Display types (38)7.3 Display Parameters (38)7.4 Curves (39)7.5 Geometry Manipulation (39)7.6 图片解说常用功能 (40)铸造模拟软件ProCast使用指南编制日期:2009-2-18 编者: 版次:01 第 3 页共 56 页1. 序言铸件充型凝固过程数值模拟是建立在经典方法、可视化等计算机手段基础上对铸件充型凝固过程进行模拟仿真和质量预测的技术，目前在国内外已经广泛采用并且收到很好的效果。

高Nb-TiAl合金重力与离心铸造在低压涡轮叶片上数值模拟及实验验证概述：用Procast软件来模拟低压下涡轮叶片Nb-TiAl合金的重心与离心铸造。

现今的叶片组成是由真空感应熔炼炉在Ar气保护下生产。

实验验证表明模拟的结果与实验结果有很好的一致性。

对比结果告诉我们离心铸件的表面比重力铸造更完整。

在重力铸造过程中，熔融的金属最后填入最薄的尾边，导致滞流的缺陷。

进一步说，在重力铸造下，収缩孔和裂纹缺陷会更多而且还更分散。

相比下，离心铸件的内部与外部质量比重力铸件要好很多。

重力铸造的叶片从边缘到中心的微观结构没有明显的变化。

而离心铸造的叶片的微观结构比重力铸造更为出色，然而大量的树状γ出现在离心铸造中，这是由于离心铸造件表面的快速冷却速率过快导致。

1.介绍为了获得高的强度，出色的高温性能和好的抗氧化性能，TiAl基的金属合金是潜在的高温结构材料在航空航天和汽车应用，例如低压涡轮叶片、涡轮增压器以及排气阀。

高含量的Nb添加提高了服役温度、强度以及抗氧化性能。

然而，高含量Nb 与TiAl合金在室温下延展性很差，导致低的接卸性能，这限制了工业生产。

熔模铸造可以生产优秀的铸件带着一点点机械性能，所以是生产TiAl合金的优先方法。

然而，铸造的Ti-Al合金有危害特性像大的凝固收缩，高的化学活性和低的延展性，导致滞流，孔隙度和裂纹缺陷。

为了得到高质量的铸件，选择合适的铸造流程和技术参数。

考虑到效率和成本，传统的试错法不再适合现今的工业发展，不仅由于高额的成本还有较长实验的时间。

数值模拟技术相比比常规实验和错误的方法，在铸造缺陷例如收缩和裂纹上表现出较好的优越性。

本次工作，用数值模拟方法来研究高Nb-TiAl合金的叶片铸件的熔模铸造，包括重力和离心工艺过程。

真实的实验被用来验证模拟结果和分析铸件中出现的缺陷。

对比与学习这两种过程的微观结构。

2.实验方法2.1铸造模拟的数学模型流动的金属液被假定为不可被压缩的牛顿流体，在浇筑和凝固中的控制方程给定如下：Navier-stokes方程：连续方程：热传递方程：ρ是密度；u、v、w是速度向量；t是时间；μ是液态金属动态粘度；g x、g y、g z是分别在x、y、z重力加速度向量；P是压力；Cp是液态金属的比热；λ是导热系数；L是潜伏热；fs是在凝固阶段的固相比。

基于ProCAST的主轴箱铸造工艺数值模拟及优化主轴箱采用多级齿轮传动，通过一定的传动系统，经主轴箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴，最后把动力传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向[1]。

其工作性能的好坏直接影响到机床运行的可靠性和安全性。

因此，对箱体的力学性能有较高要求。

工厂中，箱体与其他部件装配在恒温室进行，可见对其精度有较高要求。

因此在工艺设计中，需保证铸件精度与质量，在此前提之下，考虑成本的降低与工艺中污染的减少。

采用数值模拟软件对铸件的温度场、流场以及凝固过程进行模拟计算，能够有效预测铸造过程中出现缺陷的具体位置以及大小，并可以通过优化工艺参数有效地消除这些缺陷。

与传统的“经验+试制”的方法确定铸造工艺参数相比，数值模拟技术能够大大缩短开发周期，降低开发成本，是目前最具竞争力的铸造工艺研究方法，得到行业的一致认可[2～4]。

合肥工业大学刘继飞等[5]运用ProCAST仿真软件对低合金钢大转轴铸件进行了仿真分析，并结合温度场、凝固场的模拟结果分析缺陷产生的部位以及原因，优化了工艺参数后减少了缺陷，提高了铸件的合格率。

邢甜甜等[6]利用仿真软件对铝合金横梁铸造过程进行了模拟，分析了横梁缺陷产生的原因，并提出了合理有效的解决方法。

笔者运用UG软件对铸件进行三维模型设计并导入到模拟软件ProCAST中，对主轴箱充型和凝固过程进行模拟仿真，通过分析铸件的凝固时间以及固相分数模拟结果，预测铸件缺陷可能产生的位置和原因，最后改进并优化工艺方案，提高铸件质量，满足铸件使用要求。

1 主轴箱结构特征分析笔者所研究主轴箱零件三维实体如图1所示。

零件外形轮廓尺寸为468 mm×360 mm×344 mm，质量95 kg，材质为HT300（具体化学成分和性能见表1和表2），平均厚度为20 mm；内部有个轴孔直径为130 mm，箱体本身存在许多孔，其大小小于铸出孔范围标准，所以决定后期加工。

铸件品质要求不得有疏松、裂纹、气孔、砂眼等铸造缺陷，其余要求符合国家和行业标准。

数值模拟技术在机器人铸件熔模铸造工艺中的应用作者：王惠来源：《电子技术与软件工程》2016年第18期摘要铸件铸造是一项非常复杂的工程，一些材料经常使用试错法或者反复熔模铸造实验来确定其铸造参数。

在本文的研究中，将TiB2/A356 复合材料的热物性参数导入ProCAST的数据库，然后对其热物性参数进行二次开发和熔模铸造数值模拟，通过对机器人关节零件熔模铸造过程的模拟，找到存在的问题和缺陷，为提高机器人铸件熔模铸造工艺技术水平打下基础。

【关键词】铸造模拟 TiB2/A356 复合材料热物性参数数值模拟实验浇注系统熔模铸造技术是铸造领域中，一种非常优秀的材料净成型工艺，随着现代工业铸造零件技术的推广，熔模铸造技术正在工业零件铸造方面发挥着越来越大的作用。

一些精密零件的加工铸造，如汽车零件、机器人零件以及军事武器装备等精密零部件，都已经应用熔模铸造技术。

不过在不同的材料运用这种工艺技术时，如果能够合理的进行数值模拟，找到不同材料之间铸造参数的差异，从而不断优化和提升铸造效率。

基于此，需要通过数值模拟技术，研究并确定不同材料在铸造时的铸造参数，以防止不当的参数设置给零件铸造带来质量和性能方面的损失，同时，在确定合理的铸造参数基础上，能够保障铸件熔模铸造工艺技术的作业效率，降低材料的损耗，提供整个技术工艺的经济效益。

1 建立TiB2/A356 复合材料的热物性数据库应用数值模拟技术，首先需要建立相关材料的热物性数据库，在本文的研究中，重点以TiB2/A356 复合材料为研究案例，建立其热物性数据库。

一般情况下，如果往基体材料中加入增强体后，原材料的热物理性质就会发生变化。

以 TiB2/A356 复合材料的研究来说，在确定其数值模拟需要的所有热物性参数时，需要参考其颗粒均匀分散于基体类型的复合材料性能混合公式，并且根据不同条件变化下的公式调整和参数设置，对数值模拟的热物性参数进行相应调整。

利用 Pro CAST 的数据库开发模块计算并确定 TiB2体积分数为 10%的 TiB2/A356Al 颗粒增强铝基复合材料的导热系数、密度、黏度和热焓随温度变化的关系。