基于有限元的薄壁铸钢件浇注系统分析

刘洋

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000 ）



基于有限元的薄壁铸钢件浇注系统分析

刘洋

（陕西工业职业技术学院，陕西咸阳 712000 ）

摘要：借助于有限元分析技术，分析薄壁铸钢件不同浇注系统的充型过程。对比分析结果优化浇注方案，达到铸件平稳充型，提高产品质量，缩短工艺设计周期的目的。

关键词：充型；有限元；铸钢件

稿件编号:1510- 1087

将计算机仿真技术应用到铸造工艺的设计环节，可实现“设计-模拟验证-优化设计” 的铸造工艺设计全过程，对铸件品质的提高具有实际应用价值与理论研究意义[1]。本文借助有限元法的Pro-CAST软件，分析不同的浇注方法对薄壁铸钢件的充型影响，确定最优的浇注系统。

1 工艺方案

1.1 浇注方案

如图1所示，该铸件是一个内腔结构复杂的长方体铸件，内部结构复杂，壁厚较薄，绝大部分壁厚在10～40 mm之间，为保证铸件纵向顺序凝固，该浇注系统的浇注位置设在铸件的侧面最低处，使钢液从低处导入。考虑到铸件壁厚较薄，为保证铸件的充型，浇注系统要求结构简单，断面尺寸应充型快而平稳，流股不宜分散过多，设计浇注系统方案Ⅰ，如图2.a所示，在铸件侧面最低处每个铸件开设一个内浇道，不设计横浇道，保证铸件的充型速度。同时，为了防止钢液流通效应过强产生的接触热节对铸件凝固补缩的热干扰，以利于减少局部热节，并在凝固初期形成合理的温度梯度，以利于液态补缩，同时有利于减少铸造应力，防止冲砂缺陷。因此又设计了方案Ⅱ，如图2.b所示，每两个框架铸件设计一个横浇道和两个内浇口。

图1 框架铸件模型

图2 浇注方案

1.2 仿真准备

应用UG三维建模软件对铸件及铸造工艺进行三维实体造型。将建好的CAD模型文件转换成Pro-CAST所支持的STEP格式文件，然后导入到Mesh-CAST中进行网格剖分,并设置相应的仿真参数，进行仿真计算[2]。考虑到该铸件标准的对称结构，因而仿真计算时，采用对称计算方法来降低计算复杂度[3]。

2 有限元分析

2.1 方案Ⅰ结果分析

铸件充型状态如图3所示。当充型1 s时，在内角口A区域的流速非常大，在1.5～2.3 m/s之间，并且由于该区域液态金属流动的截面变化，导致了流速的降低，但降低后仍非常大。因此，此处极易造成过热和冲砂等现象。

图3 方案Ⅰ充型过程中流速变化

在充型5 s时，在内角口A处流速一直较大,在1.6 m/s之上，其它位置流速基本保持在0.6～1.0 m/s之间,且液面波动较大。

在充型7 s时，液态金属流动至冒口中部，液面波动依然大。

如图4所示，为铸件内角口位置在充型6 s时的流速截面图，由图可知在内角口位置的流速在4.5 m/ s 以上，该位置必然会出现过热和冲砂的现象。因此，从流速图上看，流速的变化较大，浇注系统设计不合理。

图4 截面流速检测点位置

2.2 方案Ⅱ结果分析

铸件的充型状态如图5所示，当充型1 s时，在A、B区域的流速变化较大，这是由于A、B区域分别为液态金属流动的截面变化处和液面流动前端，变化处的流速比前端的流速大，主要是结构截面开始变化，液面有波动。经过测量A区域的钢液流速由1.66 m/s降低到0.94 m/s，在B区域则降低到0.58 m/s。

在充型2 s时，在C、D两个区域的流速为0.41 m/s、0.41 m/s，而在同一铸件型腔内除A、B区域外流动速度明显降至0.25 m/s左右，并且液面较为平稳。

在充型5 s时，在该充型时间内的钢液流速一直较平稳，流速基本保持在0.27 m/s以下。

当充型进行到7 s时，已经充型到冒口中部，液面流动平稳。因此，从流速图来看，液态金属流动上升过程中，流速较平稳，浇注时间较合理，浇注系统设计合理。

3 浇注系统确定

基于以上模拟结果和分析，认为方案Ⅱ浇注系统设计合理，流场基本平稳，浇注时间较合理，模具预热温度合理。保证砂型的预热温度大于50 ℃，采用8 s浇注时间金属液完全可以充满型腔。从不同时刻的流动状态来看，液态金属流动上升过程中，流速较平稳，为最终确定的铸件浇注系统。按照方案Ⅱ浇注系统设计进行试生产，并对所生产的铸件进行了质量检测，结果表明铸件质量完全满足技术要求。

图5 方案Ⅱ铸件充型过程中流速变化

4 结论

借助于有限元分析技术，分析不同浇注系统对铸件的充型过程的影响，其分析结果与实际情况大致相同，说明该方法的有效性[4]。此外，利用有限元技术分析、改进薄壁铸钢件浇注系统设计，可大幅缩减产品的设计和生产周期。同时，可用该方法确定其他类型铸件的铸造工艺。

参考文献

[1] 韩洁丽,龙思远,曹韩学,等.镁合金的发展动态和前景展望[J].特种铸造及有色合金,2008,28(7):510- 512.

[2] 刘永刚.基于有限元分析的铝合金薄壁铸件浇注系统的确定[J].铸造技术,2014,(10):2451- 2453.

[3] 张红松,张希俊,张方.铸造过程计算机数值模拟的国内外研究概况[J].昆明理工大学学报,2003,(5):55- 58.

[4] 王猛.基于有限元的铝合金压铸件浇注系统的优化设计[J].铸造技术,2013,(8):1073- 1075.

[5] 闫雪冬，丁彦闯， 兆文忠. 铸件有限元法数值仿真关键技术研究[J]. 中国铸造装备与技术,2004(3).

[6] 范晓明, 王志,龙志平,等. 基于ProCAST的叶轮铸件铸造工艺优化[J]. 中国铸造装备与技术,2014(4).

Analysis of casting system of thin wall steel castings based on f nite element method

LIU Yang
（Shaanxi Polytechnic Institute,Xianyang 712000, Shaanxi,China）

Abstract:The mold fi lling progress of thin wall steel castings with different gating system is analyzed by the method of fi nite element analysis technique. The gating system scheme is optimized by comparison and analysis. Using the optimized gating system to prepare casting, the mold is fi lled smoothly, the the quality of products is improved, and the process design cycle is shortened.

Keywords:fi lling; fi nite element; steel castings

中图分类号：TG244+.2；

文献标识码：A；

文章编号:1006-9658（2016）02-0031-03

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.010

收稿日期:2015- 10- 11

作者简介：刘洋（1982—），男，硕士，讲师. 主要研究方向为铸造工艺.