基于Anycasting的球墨铸铁汽车泵体铸造工艺优化

张武

摘要：本文基于Anycasting软件对球墨铸铁汽车泵体的浇注系统进行数值模拟，侧重分析了铸件充型、凝固过程中温度、压力以及速度场的变化规律。最后由模拟结果来预测该零件可能产生的铸造缺陷，进一步提出改进方案，本文的研究可为实际铸造生产中浇注系统的设计与优化提供理论依据，有助于提高铸件的铸造质量。

关键词：Anycasting;汽车泵体;数值模拟

0  引言

基于现代铸造技术的发展，铸造工艺CAE技术的深入应用，不仅可以高效解决实际铸造生产与工程问题，还使铸造业的发展前景日益多元化、绿色化。随着我国倡导下“一带一路”的命运共同体在经济、科技等领域的迎来重大发展的契机，国内多家高等院校、科研院所和生产企业各方面力量密切合作，对于FT-Star、华铸CAE等国产铸造CAE技术的研发与应用领域组织产、学、研联合攻关，加大推动了CAE技术辅助国内铸造生产的研发力度，不断探索创新制造业互联网模式的基础工作。本文采用Anycasting软件模拟分析球墨铸铁汽车泵体工艺系统的充型、凝固过程，以及观察浇注过程的温度、速度和压力场的变化规律，从而避免通过大量的铸造生产实验来验证设计的合理性。

1  泵体零件及其工艺系统的三维造型

对零件、浇注系统及其补缩系统等建立三维实体造型，是对其铸造工艺实现数值模拟的应用基础。本设计利用Pro/E软件首先对该铸件（包括铸型、浇冒口系统）进行三维建模。再将铸造工艺装备的各部分及系统作为一个整体进行装配约束，并以“.stl”格式文件分别输出。

2  工艺浇注的Anycasting分析

2.1 数值模拟前处理

本设计基于Anycasting模擬的仿真试验可由该软件的前处理器AnyPRE模块对铸件模型进行网格划分工作以及模拟条件设定。具体设置如下：

将建好的“.stl”文件全部导入到AnyPRE中，分别定义各部分实体造型的属性，设置铸型并确定默认求解域。划分网格时为保证仿真铸件不失真，选择壁厚参数时设置为小于该铸件的最小壁厚。采用均匀网格划分法，铸件结构相对比较简单，网格数较少。任务制定设置中，本设计为砂型铸造，将铸造工艺选为非金属型铸造，分析类型选择“充型过程和之后的传热及凝固”。设置其他铸造工艺参数与边界条件，包括：打开AnyDBASE库，根据不同标准选择铸造材料;设置初始条件和边界条件，可对铸件、铸型及周围的空气预热温度达到200℃，以保持一定的干燥度，提高铸件质量;设置热传递率与浇口条件，选择浇注温度为1350℃，设置浇注速度常量为0.1m/s;激活重力设置，选择默认参数。设置结束条件及输出状态，默认充型凝固条件输出。保存文件设置，并运行AnySOLVER求解器，进行计算分析，最后生成“.rlt”数据文件。

2.2 数值模拟结果分析

作为AnyCasting的后处理器，AnyPOST具有强大的图像与数据分析功能。将AnySOLVER求解生成的“.rlt”文件导入AnyPOST中进行模拟分析，通过读取经AnyPOST处理输出的图表结果，可以使得模拟结果变得更为直观简洁[1]。

本设计回转体铸件整体体积较大，铸件需要的充型时间大约为173s，在底注式的浇注系统下，浇注温度为1350℃的液态金属经过垂直浇口窝、水平横浇道的阻渣及过渡作用，再流经内浇道，以分散进火方式平稳浇进型腔里，铸型在自下而上的充型过程中，浇注温度逐渐降低，充型速度逐渐减缓，最后充型完全时铸件整体温度相差不大，其边冒口温度略低于铸件温度，比较符合充型顺序规律。

该回转体铸件从充型结束到完全凝固的时间较长，多达7430s左右，凝固过程总体趋势呈现由铸件两端边缘向中心逐渐发展。由于两个压边冒口的补缩距离有限，铸件偏下的法兰盘部分凝固速度不均，尤其是以铸件法兰“L”型接头过渡处凝固过程最慢，存在不同程度的孤立热节中心，表面难以形成坚硬的外壳，也不利于自补缩的进行，预测可能会产生缩孔或缩松缺陷，且对动平衡不利[2]。

为了更加容易观察和发现规律，现对铸件对称结构进行剖分，根据各点传感器在空间位置的数据采集，由此得到铸件在铸造过程中随时间变化的温度场以及在充型过程中压力、速度场的情况，分析可知：

①从温度场曲线进行分析，在铸件充型过程中，1350℃的液态金属从外浇口注入后，使接触到的铸型部分温度瞬间升至1300℃左右，随后进入一个漫长的凝固过程。而与其他点相比，位于铸型顶部的测量点在温度缓慢升高到1030℃左右便开始凝固，这是由于铸型顶部的壁厚最薄，冷却速度较快，无明显的充型与凝固的过渡过程，容易产生质量缺陷。随着时间的推移，铸件金属液与周围空气的热交换慢慢达到平衡，温度下降梯度变缓，直至冷却结束。

②从压力场曲线进行分析，随着充型率的增大，接触到金属液的铸型部分所受的压力值呈指数式上升，并在充型完全后达到峰值。其中铸型底部测量点的压力峰值最大，说明该处容易形成致密的金相组织，铸件铸造质量较好。

③从速度场曲线进行分析，在充型过程中自下而上的各测量点的充型速度变化规律总体一致，由最初的波动后逐渐趋于稳定，这是由于金属液从浇注口刚进入铸型时前期充型速度较大，对铸件底部型腔造成冲砂、紊流现象而引起的。随着型腔的金属液面升高，压力增大，使得浇注后期速率逐渐放缓，充型过程相对平稳。但在浇注至铸件顶部时由于壁厚差较大，而又引起一定的速度波动幅度。

综上所述，基于Anycasting模拟过程分析，根据缺陷预测判据分析缺陷分布，以及对于随机设置测量点进行宏观观察，结果表明：本铸件在充型过程的主要缺陷出现在浇注系统上的概率高;而在凝固过程中，铸件的主要缺陷均有存在于浇注系统上和铸件顶部上表面的可能，可认为本设计的浇注系统基本符合生产要求[3]。

3  工艺改进与优化

基于上述结论，为进一步降低本铸件局部结构存在的质量缺陷倾向，可在原铸造工艺基础作出如下方案优化：

新工艺现采用在铸件底部法兰边缘处合理设置较大暗边冒口方式，在热节外侧放置冷铁，并在铸件中上部凸缘处设置出气孔，同时增加内浇道的长度。将新工艺的铸造浇冒口系统三维建模模型導进AnyPRE，其数值模拟过程与原工艺过程的设置原理基本相似，通过设置实体造型类型，材料选择，合理划分有限元网格，设置相同的浇注条件和工艺参数，进行后处理计算与仿真。

观察上述铸件充凝状态下的温度变化和所用时间，结果表明：与原铸造工艺设计相比，新工艺的浇冒口系统结构和布局更为完善，通过确定合理的浇注速度，使得充型过渡平稳，大大减少了发生在充型前期的金属液激溅和紊流现象;根据凝固模拟结果可知，新工艺设计的边冒口所用的凝固时间大于铸件凝固时间，说明其冒口设置合理，能够极大地缩短了铸件的凝固时间，避免了局部热节的产生。观察铸件充型时间概率缺陷图可以得出，充型过程中缺陷发生在浇注系统上的概率远远高于发生在铸件上的概率，整体铸件铸造质量良好;而凝固时间发生的概率缺陷主要集中于铸件顶部表面存在的质量缺陷与原工艺方案对比也有了明显的改善，铸造时可通过留出足够的毛坯余量加以补偿。综上分析，说明新工艺的浇冒口系统设计合理，基本上能够消除原工艺中铸件上表面存在的渣孔缺陷。

4  结语

①本汽车泵体铸件属于中大型厚壁类球墨铸铁件，宜采用开放式底注式浇冒口系统设计，确定合适的浇道、砂芯的结构尺寸及布局，且在铸件主要热节处设置冒口、冷铁等工艺，有助于充分保证产品铸造质量。

②基于Anycasting软件模拟仿真铸造工艺的浇注实验，通过设定工艺参数，进行有限元网格剖分，模拟分析原浇冒口系统的充型凝固过程，观察其中温度、压力和速度场的变化规律，分析原铸造工艺的存在缺陷，从而对原铸造工艺的合理性进行科学性求证，并高效地总结出一套较为合理的浇注系统优化方案，消除铸件可能产生的质量缺陷，降低试铸成本，提升企业发展实力。

参考文献：

[1]M Flemings.et al. Advanced Casting Technologies in Japan and EuropeEB/OL[J]. AmericanFoundrymen's Society，Inc. I937-03/1998-05-28.8-11.

[2]金胜灿，王晗，王建东.球铁飞轮浇冒口系统的优化[J].汽车工艺与材料，2005（6）：10-13.

[3]王喜玉.基于ViewCast的砂型铸造工艺设计及优化[D].兰州理工大学，2013.