3、铸造数值模拟的生产实际应用

  近年来，铸造CAE商品化软件功能逐渐增加，其中主要有美国的ProCAST、德国的MAGMASOFT、芬兰的CastCAE、法国的Simulor、西班牙的Forcast及日本的Soldia、Castem等软件。ProCAST软件是由ESI公司开发的基于有限元法（FEM）的铸造过程模拟软件，能够进行流场、温度场、应力场三场耦合模拟。ProCAST采用基于有限元法（FEM）的数值计算方法，与有限差分法（FDM）相比，有限元法具有较大的灵活性，特别适用于模拟复杂铸件成型过程中的各种物理现象。通过分析可以获得铸造过程的各种现象、铸造缺陷形成及分布、铸件最终质量的模拟和预测。图8展示了铸件工艺优化的整个流程。图9为ProCAST软件进行模拟分析的步骤。

  在设计过程引入CAE来指导设计决策，通过对大型复杂铸件制造工艺过程进行数值模拟及仿真，对铸造过程中流场、温度场、应力场及微观组织形貌进行模拟，从而帮助工艺设计人员对不同时刻的金属流态、凝固过程温度分布、应力分布、结晶晶粒尺寸形貌等重要物理参数有所了解，并以此为依据，预测是否有缩孔、疏松、夹杂、偏析及热裂纹等缺陷出现，可以实现铸造工艺设计——校核——再设计——优化设计的全过程，最终提高铸件质量，缩短试制周期，降低生产成本，提高产品竟争力。

图8 铸件工艺优化流程图        

 图9  ProCAST分析流程

  3.1 铸件充型模拟

  铸造充型过程对铸件的最终质量起着决定性的作用，许多铸造缺陷，如浇不足、冷隔、卷气、氧化夹渣乃至缩松、缩孔等都与铸造的充型过程密切相关，利用ProCAST软件对柴油机机体及缸头进行了工艺优化，数值模拟能够较为准确的表达充型过程和缺陷生成过程，这对于优化充型系统设计，避免充型不合理引起的铸造缺陷具有重要的意义。

  3.2　铸件凝固模拟

  铸造过程中大部分缺陷主要是缩松和缩孔缺陷，而这些缺陷大都在铸件凝固过程中形成，因而，比较精确的再现铸件的凝固过程，对缩松和缩孔缺陷的预测显得极为重要，ProCAST软件能够较为准确的预测铸件的缩松和缩孔缺陷，软件提供多种基于不稳定热传导计算的铸件缩松和缩孔缺陷预测方法，常用的有：温度梯度法、固相率梯度法、凝固时间梯度法、Niyama判据法及其变种、ProCAST软件自带的与密度相关的判据等。工程师可以通过多种判据的综合应用，达到预测缩松和缩孔缺陷的目的。

  最初铸件的工艺经模拟分析，应用温度梯度法和固相率梯度法显示无缺陷，而应用ProCAST软件自带的判据显示两处有缩松和缩孔缺陷，这与实际铸件探伤结果一致，见图10。使用软件经过多次优化，最终解决了问题，所生产的铸件内部致密无缺陷。

图10 某柴油机缸头的凝固模拟

  3.3　铸件应力场模拟

  在铸造生产中经常由于铸件结构方面的原因及工艺处理不当而出现热裂，或者在某些部位存在较大的残余应力或残余变形，这是在铸钢件尤其是大型铸钢件中普遍存在，这些缺陷严重影响了铸件的质量和使用寿命，而这两种缺陷都直接和凝固过程中的热应力的产生和发展有关，铁别是热裂缺陷，一般产生在准固相区，而且随着铸件的后续冷却，裂纹不断扩大，经常造成铸件报废。

  我们在生产的某材质为35CrMo的柴油机离合器铸钢件时，经常在内浇口附近出现裂纹，并且经常扩展到铸件内部，严重影响了后续工作的正常开展，车间技术员曾在内浇口附近增加一块凸台补贴，以减少裂纹向铸件的扩展，但并未彻底解决问题，后来，应用ProCAST软件对铸件应力场进行了模拟，发现补贴周围热裂倾向严重，对照温度场和凝固过程中的准固相区的分析，认为热裂纹的形成主要是由于补贴的形状不合理造成的，依据模拟情况，对补贴形状进行了不同形状的改变，应用ProCAST进行了分析，见图11，优选出一套工艺用于实际生产，彻底消除了铸件中的裂纹缺陷。

    图11 柴油机离合器铸件内浇口应力分布对比