董文正 徐令 林启权 熊芳喜
（湘潭大学机械工程学院）
摘要 采用底注和顶注式消失模工艺铸造了球铁长叉件，并用ProCAST软件对两种工艺方案进行了充型和凝固过程的模拟。针对两种工艺产生严重缩孔、缩松的问题，改进后采用阶梯式浇注工艺，并对改进工艺过程进行了模拟，结果表明，阶梯式浇注工艺消除了铸件内部的缩孔、缩松缺陷。实际生产结果和模拟结果的对比证实了改进方案的可行性。
关键词 消失模铸造；ProCAST软件；热物理模型；球墨铸铁
近些年来使用CAE对铸件做工艺优化和铸造过程模拟的研究越来越多。消失模铸造由于其生产的铸件尺寸精度高、表面粗糙度低、机加工余量小、操作简单，是一项很有发展前景的近净型铸造技术。随着技术的进步，其实际生产应用也越来越广泛。
球墨铸铁长叉件是某农用拖拉机液压提升器上的提升件，三维轮廓尺寸为375 mm×142 mm×552mm（见图1），单件质量约为30 kg，材质为QT600-3（成分见表1），属于珠光体球墨铸铁。该长叉件结构复杂，多凸台、凹坑、过渡圆角及孔，圆筒内部为阶梯状通孔。该铸件壁厚过渡大，多分散热节，中间部分筒壁比较薄。叉臂上的通孔后期易于加工，在铸造毛坯时不要求铸出。此铸件为承载件，受力大，受载情况复杂，要求铸件内部组织致密，不能有严重的孔洞缺陷，同时要求表面不能有砂眼、夹渣、皱皮等其他缺陷。
1 工艺试制及模拟结果分析
1.1 热物理模型的建立
利用ProCAST软件对试制工艺进行模拟，长叉铸件有限元网格模型上复杂曲面网格长度设为4 mm，浇注系统及冒口长度为15 mm，砂型长度为100 mm。热物理参数设置如下。
(1)界面参数空心直浇道与泡沫之间界面类型定义为“Eouiv”，其余定义为“CONIC”，界面传热系数设为h=150 W／(m2．K)。
(2)初始条件及边界条件 充型时砂型和泡沫模样的初始温度为室温(25℃)，铸件初始温度为浇注温度(1 480℃)；充型时，“Heat”选择空冷条件；设置对称面，选择对称面作对称边界条件“Symmetry”；“Pres-sure”设为负压0.05 MPa，浇口面处为1.05 MPa，砂箱外表面为1.0MPa；浇注温度设为1 480℃，设置“Temprature”到浇口面。凝固计算时保留“Heat”和“Symmetry”即可，其他边界条件在凝固和微观计算模型中没有作用。
充型部分选择重力充型模式耦合计算充型的流场和温度场，凝固部分选择重力热模拟模式耦合计算凝固温度场和微观模型，其余参数按消失模的默认设置。考虑到在铸件的臂窝处会产生大热节，当液体的补缩不足时，往往会在铸件最后凝固的位置出现孔洞。而本铸件的材料为球墨铸铁，在金属液凝固后石墨发生膨胀会产生自补缩。在铸件的凝固计算中耦合微观，设置THERMAL中的POROS一1，GRAPHITE一0.8，FADING=0.8。考虑到涂层对充型和凝固过程的影响，在“．dat”文件中的相应位置添加合适的参数。
1.2两种工艺方案的试制及模拟结果分析
底注式方案比较简单，浇注系统由直浇道和横浇道两段组成，空心直浇道直径为45 mm，直浇道顶端高于铸件250 mm，保证足够的金属压头压力；横浇道为实心泡沫板，长宽为110 mm×50 mm，高度从40 mm过渡到内浇道的10 mm;采用“无（补缩）冒口”的自补缩工艺，仅在上叉臂顶端放置一个尺寸为50 mm×50 mm×70 mm的小集渣冒口，其三维图及网格模型见图2a和图2b。
顶注式方案中，直浇道与中央顶冒口相连，内浇道从顶冒口两侧将金属液分别从两臂侧面引入进浇，圆筒上下侧和上臂前端各设置1个冒口。内浇道截面尺寸为40 mm×40 mm，中央冒口尺寸为80 mm×80 mm×170 mm，直浇道冒口直径为45 mm，高度为250 mm，上侧冒口为60 mm×60 mm×90 mm，下侧冒口为60 mm×60 mm×110 mm，上臂前端冒口为50 mm×50 mm×70 mm，其三维图及网格模型见图2c和图2d。
底注式浇注方案模拟及试制结果见图3和图4。从图3可知，底注式浇注能平稳地充满铸型，充型过程连续，铸件表面质量好，无皱皮、粘砂、气孔等问题。但充型过程中有可能发生金属液包卷泡沫现象，需要在圆筒顶部增设集渣冒口，上叉臂前端的冒口集渣排气效果良好，渣量不多，可适当改小；凝固方面，由图4a、图4b可知，底注式无冒口补缩工艺内浇道和直浇道过早凝固，导致金属液无法从外部对铸件底部进行补缩，在靠近下叉臂壁窝的筒壁内侧出现了严重的缩孔、缩松缺陷，铸件内部致密性很差（见图4c）。
顶注式工艺模拟及试制结果见图5和图6。顶注式浇注方案充型方向与排渣方向相反。从图5可看出，金属液自内浇道开始自顶而下逐步推进，充型平稳且无断流，最后充型的位置为离内浇道最远的下叉臂前端。但此方案不利于排渣，顶部集渣冒口可以适当改小，以避免在凝固阶段倒抽长叉前端铁水，实现排渣功能。由图6a和图6b可知，冒口先于铸件热节区凝固，不能实现足量补缩，中央大冒口能保证浇注系统较晚凝固，浇注系统对上下部热节区都进行了较长时间外部补缩，但是上部暗冒口散热条件好，早于上部热节区凝固，导致该处发生严重的缩孔、缩松缺陷，试制结果见图6c。
2工艺方案改进
2.1改进方案
根据底注式工艺和模拟结果可知，底注式充型平稳，易于排渣，但浇注系统凝固太早，铸件得不到外部补缩，铸件自补缩不能完全满足补缩需求；顶注式方案的集渣冒口偏大，容易在凝固阶段倒补缩铸件。综合考虑，决定采用双层阶梯式浇注，横浇道类似顶注式的中央大冒口，以浇代冒，并在圆筒顶部和上叉臂前端设置小集渣冒口，不另外设置补缩冒口，并保证集渣冒口在充型后10 s内凝固。
改进的浇注方案三维模型见图7，浇注位置设置在圆筒上下大热节处，人为地改变铸件凝固过程中的温度场分布，尽量实现顺序凝固，使得铸件最后凝固区域与浇注系统保持良好的连通。在圆筒顶端和上叉前端放置集渣冒口，冒口尺寸为30 mm×50 mmX20 mm;直浇道依然采用直径为45 mm的空心泡沫浇道，直浇道高度为250 mm;连接空心直浇道、竖直摆放的实心泡沫横浇道尺寸为60 mm×60 mm×240 mm，横浇道能保证内浇道较晚凝固，保持对热节处进行补缩；内浇道尺寸为60 mm×40 mm×40 mm，为了防止倒补缩，采用变截面形式，内浇道截面尺寸为40 mm×30 mm。
双层阶梯式浇注方案模拟结果见图8和图9。从图8可知，由于采用双层内浇道，金属液在铸件中的流程距离缩短，充型效率显著提高，双层阶梯式进浇方案最大充型时间的缩短（由24. 08 s减少至16. 64 s）也保证了充型过程中铁水温度较高，能充分降解模样；最后顺利地充型两臂前端位置。充型时间和缩孔、缩松分布见图9，可见此方案改善了铸件上下大热节区补缩情况，几乎在铸件凝固的整个过程都保证了与内浇道的连通，仅在铸件圆筒两头厚壁区留有很小的孤立液相区，可能出现轻微的缩松缺陷，严重的缩孔缺陷仅出现在竖直横浇道与内浇道相连的位置。
2.2 实际生产结果
采用改进工艺生产验证，泡沫模样及实际生产结果见图10。剖开铸件未发现显著缩孔缺陷，仅在下部热节区存在少量集中缩松，试制结果与模拟结果相近，改进方案基本解决了铸件缩孔缺陷，也大大减轻了缩松程度。
3 结论
(1)使用ProCAST软件对长叉件的底注和顶注式试制方案进行了充型和凝固过程的模拟。针对两种工艺中出现的缩孔、缩松缺陷，提出的阶梯式工艺方案能够消除铸件缩孔、缩松缺陷，获得合格的铸件。
(2)数值模拟得到的底注式、顶注式、阶梯式的缩孔、缩松缺陷位置均与试制结果符合。说明在合理的参数设置和准确的热物理模型的条件下，应用ProCAST模拟技术可以较好地模拟消失模铸造过程。
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