压铸铝件工艺
充型凝固过程
模拟分析报告
华铸软件
2010年6月
1 华铸CAE10.0系统简介
华铸CAE10.0 ——铸造工艺分析软件系统是分析和优化铸件铸造工艺的重要工具，是华中科技大学（前华中理工大学）经二十多年研究开发，并在长期的生产实践检验中不断改进、完善起来的一项软件系列产品。它以铸件充型过程、凝固过程数值模拟技术为核心，对铸件进行铸造工艺分析。可以完成多种合金材质（包括球铁、灰铁、铸钢、铸造铝合金等）、多种铸造方法（砂型铸造、金属型铸造、铁模覆砂铸造、压铸、差压、低压铸造、熔模铸造等）下的流动分析、凝固分析以及流动和温度的耦合计算分析，曾在多种不同材质复杂铸件的工艺改进、工艺优化中圆满地完成增收降废的任务，创造了显著的经济效益和社会效益，博得了众多生产厂家和同行的好评，得到众多厂家或公司的青睐。
目前，HZCAE10.0系统已集成在Windows98、Windows2000、NT以及XP下运行。应用实践证明，本系统能预测铸件缩孔缩松缺陷的倾向、改进和优化工艺，提高产品质量，降低废品率，减少浇冒口消耗，提高工艺出品率。
图1是HZCAE10.0的基本模块和功能。
图1 华铸CAE10.0的基本模块和功能
2 模拟分析内容
利用华铸CAE 10.0来进行铸件凝固模拟分析，首先要依据图纸和工艺方案进行三维实体造型，生成若干个STL格式文件，然后利用前处理模块的网格自动剖分功能对铸件、铸型等实体进行网格剖分，得到计算部分所需的离散模型。接着利用计算处理模块进行流动场与温度场的耦合计算，耦合计算后得到铸件铸型各部分的初始温度继续进行凝固过程的温度场计算。从这些计算中得到的流动场、温度场数据，再通过后处理功能将其可视化为各种可视的图形图象、曲线和过程动画，以揭示充型过程和凝固过程的行为细节，为工艺设计人员进行工艺决策和工艺优化提供可靠的定性定量的依据。
华铸CAE软件系统通过STL文件格式可以和UG(Unigraphics)、PRO/E(Pro/Engineer)、AutoCAD、Solidworks 、SolidEdge等诸多三维造型平台接口。
2.1三维实体造型及网格剖分
首先用三维造型软件绘出三维工艺图，如图2所示，然后用HZCAE 10.0软件系统前处理部分的网格剖分程序进行网格剖分。
本次模拟分析网格相关参数见表1。
2.2充型凝固过程温度场计算
设置好初始条件及边界条件进行充型过程和凝固过程的数值模拟。本次模拟仅进行了凝固过程的模拟而没进行充型过程的模拟。本次计算所用参数见表1。
2.3后处理阶段
经前两大模块处理后，获得大量的不同时刻的铸件流场、温场数据。应用后处理模块将这些基于时空四维空间的场量以三维彩色图形表现出来，并进一步合成为动画。通过充型过程的模拟可以得到预测卷气、夹杂的数据，充型与传热耦合计算可以预测浇不足、冷隔等；通过凝固过程的模拟可以判断铸件易形成缩孔缩松的部位和大小及形态，可以观察铸件各部位在不同时刻的温度变化。
表1 本次模拟分析的总体信息
铸件工艺 浇注温度/℃ 模拟内容
1001430件工艺 680 充型过程¬¬¬¬—预测卷气、浇不足、流痕
凝固过程—预测缩松、缩孔等缺陷
铸件模型
铸件工艺模型
图2 铸件工艺的STL模型
3 模拟分析结果
3.1充型次序
显示液态金属动态充型过程，可模拟液相充填，速度分布，压力分布，粒子示踪。
图3 铸件色温填充
3.2铸件色温
铸件凝固过程中，随着热量的散失，温度不断降低。用不同的颜色对应不同的温度，适当的色标对应，绘出不同时刻的铸件图，能贴切形象地表现铸件凝固过程中温度的变化。图4为铸件色温图。
不同时刻色温度分布请看光盘中的动画。
图4 铸件色温分布
3.3液相及缩孔缩松分布
取某一临界固相率温度，高于此温度的网格单元以黄色填充显示，而低于此温度的网格单元以线条轮廓显示。由此可观察凝固过程中的相变细节，可观察液相补缩通道的断开，孤立液相区的形成以及缩孔缩松的形成过程，为改进工艺、判断工艺的可行性提供科学的依据。图5液相及缩孔以及微观缩松分布图。
不同时刻液相缩孔分布请看光盘中的动画。
图5 铸件液相及缺陷分布
3.4动画合成与播放
铸件充型、凝固过程是一种随时间变化的物理过程。要全面、完整地观察这种过程，最恰当的方式就是过程动画。
根据模拟结果数据可以制作出反映充型凝固过程各细节、各侧面的许多AVI 动画。限于篇幅，此处只选几个典型得相关动画，作为得出结论的依据。具体播放方法见附于文后的说明。
4 结论
从模拟结果得出如下结论：
从充型过程模拟结果可以看出，金属液进入铸件后冲击型壁，立即翻卷，形成包覆层，铸件内裹入大量气体，后续充型过程中很难排出，极易形成气孔。同时铸件在凝固过程中出现了相对较大孤立液相且存留时间较长，会有缩孔缩松倾向。更进一步的细节见凝固过程动画。
2010年6月
附：
观看动画文件方法说明：
运行demo.exe进入演示环境（如图所示），用鼠标选中“树结构”并指定文件（avi文件或序列bmp文件夹中文件），然后在图形界面用鼠标左键连续播放或停止，用鼠标中键滚动播放如图示。
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