基于ProCAST的鋁合金件鑄造工藝仿真優(yōu)化研究

蔡承宇

【摘 要】利用ProCAST軟件對鋁合金件的鑄造工藝進行了仿真研究，并且在此基礎(chǔ)上對其工藝進行了優(yōu)化，利用添加冷鐵的方法，有效解決了澆不足的問題，研究說明ProCAST軟件在鋁合金鑄造工藝中有一定的實用價值。

【關(guān)鍵詞】鋁合金；鑄造；仿真

隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，鑄造工藝優(yōu)化方面的數(shù)值模擬軟件愈發(fā)成熟，相對傳統(tǒng)的以工程師經(jīng)驗為指導的鑄造工藝，利用ProCAST等鑄造仿真軟件對鋁合金鑄件的鑄造過程進行仿真，可以有效提高鑄件的生產(chǎn)效率，通過仿真模擬可以對形狀復雜且質(zhì)量要求較高的零件進行鑄造生產(chǎn)前的工藝優(yōu)化，篩選出最優(yōu)工藝方案，大大縮短了鑄造工藝的研發(fā)周期，節(jié)約了優(yōu)化工藝的前期成本，并提高了鑄件的質(zhì)量。

本文用美國 UES公司的鑄造模擬軟件ProCAST對常用于汽車零部件制造的A356鋁合金鑄造過程進行了仿真研究，通過對鑄件充型過程以及凝固過程的模擬，為鑄件的設(shè)計改進提供了依據(jù)。

1 鑄造缺陷類型分析

在鋁合金的鑄造過程中，常見的鑄造缺陷與問題有五種，分為縮孔、裹氣、裂紋、沖砂、冷隔及澆不足，具體特征及解決方法如下。

1.1 縮孔

縮孔是鑄造過程中較為常見的缺陷，往往是由于鑄件在澆注過程中無法及時得到補縮而形成的，利用ProCAST可以通過模擬封閉的金屬液空穴而精確的預測縮孔的位置，并可以通過調(diào)整澆注系統(tǒng)和冒口的位置及尺寸，有效避免或減少縮孔現(xiàn)象的發(fā)生。

1.2 裹氣

裹氣是由于在填充過程中，金屬液體受阻而產(chǎn)生氣泡，利用ProCAST軟件可以對這些氣泡位置進行追蹤，確定氣泡最終的位置，并可預測缺陷的形狀，通過安排合理的排氣孔等手段，可有效解決裹氣問題。

1.3 裂紋

鑄件在逐漸冷卻的過程中由于熱應力的存在容易產(chǎn)生裂紋，利用ProCAST的熱應力分析模塊，可以很好的模擬凝固過程、冷卻過程，在投入生產(chǎn)應用前，通過對模具型腔以及鑄件系統(tǒng)的優(yōu)化，有效避免裂紋的產(chǎn)生，節(jié)約試制成本。

1.4 澆不足

澆不足的情況往往是由于工藝參數(shù)設(shè)置不當引起的，比如型腔沒有充分預熱，金屬液的溫度較低，澆注的速度過慢等均會導致澆不足的現(xiàn)象，利用ProCAST對澆注過程進行熱分析、澆注速度分析、壓力分析以及ProCAST特有的粒子追蹤功能，可以確定最優(yōu)的工藝參數(shù)，避免澆不足的發(fā)生。

2 鑄件模型建立

汽車用鋁合金部件對鑄造材料以及表面質(zhì)量、強度等有較高的要求，按照現(xiàn)有標準，鑄件內(nèi)部要求組織致密度高，不應有縮孔，表面不允許有冷隔，澆不足等缺陷，為了便于數(shù)值模擬，在本文中對零件的結(jié)構(gòu)進行了簡化處理，采取砂型重力鑄造的形式對其充型過程及凝固過程進行仿真研究。

3 仿真過程

采用ProCAST軟件對充型過程及凝固過程進行評價，本次模擬對象的鑄件材料為A356 鋁合金，其熱物性參數(shù)來自ProCAST數(shù)據(jù)庫，冷鐵材料為steel_H13-STRESS， 上下模為室溫20℃，鑄件澆注溫度為700℃，冷卻方式為空冷，重力參數(shù)為9.8。

在CAD軟件如Pro/E、UG等中建好模型，并導入MeshCAST進行網(wǎng)格劃分，首先對模型進行表面網(wǎng)格劃分，之后進行了體網(wǎng)格劃分，共計47521個單元。導入ProCAST進行各種參數(shù)的設(shè)置，設(shè)置界面交換系數(shù)，邊界條件等，然后用ProCAST模塊進行數(shù)值模擬計算，具體模擬流程如圖1所示。

4 模擬結(jié)果分析

通過對模擬結(jié)果進行分析發(fā)現(xiàn)在澆注的過程中存在著澆不足問題，不能滿足該鑄件的使用要求，因此在此基礎(chǔ)上對鑄件系統(tǒng)進行了調(diào)整，在拐彎處兩側(cè)增加了冷鐵如圖2所示，在其他參數(shù)不變的情況下，再次進行模擬計算，結(jié)果表明，改善后的結(jié)構(gòu)使鑄件的質(zhì)量明顯提高，解決了澆不足的問題。

5 結(jié)論

1）通過利用ProCAST對澆注過程模擬，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的砂型結(jié)構(gòu)由于存在著明顯的拐角，會產(chǎn)生澆不足的現(xiàn)象，通過增加冷鐵，加速該部分金屬液的冷卻速度可以有效改善鑄件的質(zhì)量。

2）對澆注過程中缺陷問題的仿真模擬，說明了ProCAST軟件在鋁合金件鑄造工藝優(yōu)化仿真的實用性，利用ProCAST軟件能夠有效的預判生產(chǎn)中可能會出現(xiàn)的問題，大大縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。

6 致謝

本研究得到浙江省教育廳科研項目（ZC200803100）的支持。

【參考文獻】

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[2]邱彬，等.基于ProCAST的拉伸試棒的金屬型鑄造工藝分析[J].特種鑄造及有色合金，2010，9，30（9）：807-809.

[責任編輯：朱麗娜]