1 模擬軟件的介紹

　　“華鑄CAE”鑄造工藝分析軟件是分析和優化鑄造工藝的重要工具，是華中科技大學經20多年研究開發，并在長期的生產實踐中不斷改進、完善起來的集成軟件系統。它以鑄件充型、凝同過程數值模擬技術為核心對鑄件的成型過程進行工藝分析和質量預測，從而協助工藝人員完成鑄件的工藝優化工作。多年來在提高產品質量、降低廢品、減少消耗、縮短試制周期、贏得外商訂單等方面為眾多的廠家創造了顯著的經濟效益，在行業內享有廣泛的聲譽。

　　華鑄CAE分析軟件使用范圍廣，適用于鑄鋼類、球鐵類、灰鐵類、鋁合金類、銅合金類等鑄造材質;適用于砂型、金屬型、殼型、鐵模覆砂、熔模、低壓、壓力等鑄造方法。華鑄CAE分析軟件可以進行流動充型過程、冷卻凝固過程、充型換熱耦合過程的分析，能預測夾渣、卷氣、冷隔、澆不足、縮孔、縮松等缺陷。華鑄CAE分析軟件是國內功能強大、應用廣泛的鑄造工藝分析軟件之一。

　　2 數值模擬的數學模型

　　液態金屬的充型凝固過程可以看作是不可壓縮粘性液體的流動。它使用傳輸原理里的動量方程(1)～(3)、連續性方程(4)、能量方程(5)來描述，通過這些方程建立起數值模擬的數學模型。

　　動量方程(三維Navier-Stokes方程)

　　連續性方程

　　能量方程

　　體積函數

　　式中，u，v，w分別為網格點(x，y，z)流速在3個坐標軸方向上的速度分量，m/s;　　

　　 　　;P為壓力(不包括表面張力的作用)，N;ρ為液體的密度，

　　 　　;t為時間，S;Υ為液體的運動粘度，

　　 　　;F為體積函數;

　　 　　為比熱，J/kg·K;T為溫度，K;λ為導熱系數，W/m·K;Q為熱源。

　　華鑄CAE軟件系統采用的數值計算法是有限差分法，其流動場數值分析是基于SOLA—VOF方法，該CAE軟件系統是用體積函數即方程(6)來跟蹤自由邊表面的位置，另外該系統采用慣性原理和連續性原理相結合的方法比較合理地處理了自由表面的速度邊界條件。

　　3 熔模鑄造的熱交換特點

　　熔模鑄造與普通的砂型鑄造相比，具有以下特點：(1)鑄型多為薄殼，其本身的蓄熱能力有限;(2)在澆注金屬液之前，型殼需要經過高溫焙燒和預熱，并在熱殼狀態下進行澆注;(3)熔模鑄造主要適合于中、小型尺寸的鑄件生產。

　　以上三個特點使得在熔模鑄造的傳熱過程中，整個鑄型及其外表面處于較高的溫度，鑄件的凝固散熱速度主要取決于鑄型外表面與環境間的換熱速度，兩者之間的換熱方式以自然對流和熱輻射為主。

　　在普通的砂型鑄造數值模擬中，為了簡化計算，往往會忽略冒口/環境界面之間的熱交換作用，認為鑄件(包括冒口)完全被鑄型包裹，等于僅有鑄型和環境相接觸。而事實上，在任何鑄造過程中，冒口對鑄件的凝固起著重要的作用，尤其是熔模鑄造，冒口不僅影響著整個換熱體系的熱交換過程，而且對鑄件起著重要的補縮作用。因此，要使熔模鑄造鑄件凝固過程溫度場的數值模擬切合鑄造實際，必須考慮冒口/環境界面換熱。由于冒口內金屬液面直接和大氣接觸，因此，在鑄件凝固的整個過程中，冒口和環境之間亦同時以自然對流和熱輻射進行熱交換。根據以上特點，在選擇熔模鑄造物性參數和界面參數時，必須考慮熔模鑄造工藝傳熱特點及鑄型/環境、冒口/環境界面的熱交換特點。

　　4 運用華鑄CAE軟件進行工藝方案分析

　　4.1鑄件技術要求

　　零件是導向輪輪鐓，為一回轉體結構，最大直徑φl80mm，最大高度94.5mm，內孔全部加工，其零件結構見圖1。鑄件材料為ZG270-500，10000件，大批量生產。按GB/T1800.3-1998要求，毛坯件尺寸公差要求達到IT12級。鑄件需進行去應力退火，鑄件毛坯表面噴砂處理。鑄件不允許有氣孔、縮松、裂紋、夾雜等影響強度的缺陷存在。

　　圖1 導向輪輪鐓零件圖

　　4.2模擬軟件參數的選取

　　根據熔模鑄造熱交換的特點，需要確定計算所需的物性參數和界面參數，如圖2所示。

　　圖2 物性參數和界面參數的選取

　　4.3 四種工藝方案的凝固過程模擬及分析

　　根據鑄件技術要求，考慮生產加工工藝的簡單化、易操作性、降低生產成本，并且易于保證產品質量，選取了四種工藝方案進行凝固過程模擬。工藝方案及其凝固過程模擬結果如圖3所示。

　　圖3 四種工藝方案及其凝固過程模擬結果

　　從圖3可以看出，方案一在法蘭的交叉厚壁處產生大量的縮孔、縮松缺陷，工藝出品率67%;方案二的縮孔、縮松集中在鑄件中心部分，且縮松、縮孔部分的范圍小于零件的軸孔，屬于以后要加工掉的區域，故此方案可行，工藝成品率為70%;方案三在方案二的基礎上，縮短了直澆道的高度，加大了澆口杯的直徑并改變了其形狀，改善了澆口杯及其直澆道對鑄件的補縮效果，縮孔、縮松的體積都比方案二小，更能確保獲得優質的鑄件，并且方案三的工藝成品率提高到了74%;方案四采用側注式澆注系統，金屬液充型平穩，不容易產生夾渣、卷氣等缺陷，但是不利于順序凝固，鑄件法蘭交叉處有大量縮孔、縮松出現，工藝成品率為72%。綜合以上的分析可以看出，方案三是最優方案，可以保證在凝固過程中鑄件內部不會出現縮孔、縮松缺陷，并且工藝出品率在四種工藝方案中最高。

　　4.4最優工藝方案的充型過程模擬及分析

　　凝固過程的模擬可以確定鑄件是否會帶來縮孔、縮松缺陷，充型過程的模擬可以對澆不足、冷隔、卷氣、夾渣等缺陷進行預報。對以上確定的最優工藝方案進行充型過程的模擬，其模擬過程如圖4所示。

　　圖4 最優工藝方案的充型過程模擬

　　從圖4所示的充型過程可以看出，最先開始充型部位是澆1：3杯和直澆道，然后為鑄件中心部位的回轉體，當達到53%充型量時，金屬液開始從法蘭的內部向外部進行充型，這樣的充型順序能夠保證充型平穩，無金屬液的飛濺，無氣體和夾渣的卷入，避免充型缺陷的產生。

　　5 結論

　　(1)使用華鑄CAE工藝分析軟件能夠準確、形象地描述金屬液的充型過程和鑄件凝固過程，預測充型缺陷和凝固缺陷，從而為確定最優工藝方案提供科學的依據，達到縮短工藝設計周期，降低生產成本，提高鑄造行業競爭力的目的。

　　(2)根據熔模鑄造熱交換的特點，正確選擇熔模鑄造過程中的物性參數和界面參數是保證模擬結果可靠的關鍵。

　　(3)導向輪輪鐓的凝固過程和充型過程模擬為華鑄CAE軟件在熔模鑄造中的應用提供了一次成功實踐。