浅谈重力铸件模流分析
摘要：通过运用模流分析软件,对重力铸件进行工艺分析，找出产品缺陷发生的部位，开展有针对性的工艺设计，然后再使用软件进行模拟仿真，验证工艺方案的有效性，最后锁定工艺方案，以此来达到提高铸铝件模具设计的成功率。解决了以往只能靠试生产来验证工艺方案的可行性问题，提高了模具设计成功率，缩短了开发周期。
关键词：模流分析 工艺分析 模拟仿真
引言：
铝合金具有密度低、耐腐蚀、比强度高，熔点低、铸造性能较好等优势。但是铝合金在铸造过程中，由于其具有化学性质较活泼、凝固收缩的特性，使得铝合金液在流动和凝固过程，易产生气孔、缩孔等缺陷，会降低产品的机械性能，严重时会造成产品报废。以往在模具设计过程中依赖工程技术人员的经验进行工艺分析，由于模具制作周期长，模具加工完成后再进行方案整改，过程费时、费力。因此需要使用更为科学的手段对铸造过程进行全方位的模拟仿真，快速验证工艺方案的有效性，提高模具设计开发效率，降低成本。
本文以一种支架零件进行举例分析，使用材料的牌号为AC2B,具有铸造性能好，可热处理强化，力学性能较高的特点。采用金属型重力铸造工艺，其优点是，冷却速度快，铸件组织致密，力学性能较砂型高15%左右；本文通过对模流分析的主要过程进行分析，软件的物理模型进行适当的选用并根据铸造过程的实际条件设置边界参数，对重力铸造过程中的铝液流动、凝固进行了模拟分析，最终获得了满足铸件质量要求的工艺方案。
1、产品分析：
1.1对支架毛坯数模进行壁厚分析，产品最大壁厚30mm，最薄8mm，本产品整体壁厚较厚，薄壁区域位于三处螺栓安装区，壁厚差异大，因此在厚壁处易形成热节，造成产品形成集中的缩孔缺陷。
1.2运用模流软件对产品进行凝固分析。由图可见，在产品在厚大的热节部位会产生严重的缩孔缺陷，必须布置补缩结构消除热节才能消除缩孔缺陷；
2、模拟分析
2.1方案设计
为解决产品凝固分析过程发现的缩孔铸造缺陷，需要对产品缺陷部位进行充分补缩。由于中注式铝液填充较顶注式平稳，铸型热量分布较底铸式合理，遂采用中注式设计浇注系统，让高温铝液通过浇道，对产品收缩的部位进行补缩，理论上有利于消除缩孔缺陷。
2.2参数设置
使用模流分析软件对带浇冒口的工艺方案进行模拟分析，结合我司重力铸造平台的实际情况，主要的工艺参数，设置如下；
2.3倾转充型过程模拟分析
铸件的充型过程与浇注系统有很大的关系，合理的浇注系统设计能够使铝液流动平稳，避免铝液在填充过程中卷气。使用工具软件模拟浇注过程中的铝液流动。
为了使模拟状态与实际浇注过程相符，如图a设置倾转前等待时间3s，倾转时间13s所以倾转结束时间是16s，铝液在重力的作用下由浇道进入产品型腔，填充过程平稳，由下到上充满型腔，有利于排气和杂质的上浮图e，图d可以明显看到铝液在两侧的型腔中充满高度不一样，这是由于铝液填充的形状不一样造成的。由于采用中注试浇注系统，铝液在流动过程中无飞溅和紊流现象，同时也减轻了铝液对金属型模具的冲刷，满足工艺设计要求。
2.4凝固分析
通过工具软件模拟产品的凝固过程，可以直观的看到铸件的热节部位和凝固过程的孤立液相区，为判定铸造工艺方案的可行性提供依据。
对工艺方案进行凝固模拟分析输出结果如图所示，红色表示未凝固的液相区域。可见产品凝固方向由四周到中间，由产品到浇口，浇口补缩效果明显，符合顺序凝固方式。产品内部无产生缩孔、缩松的缺陷风险。
2.5模拟分析结论
从模拟的结果来看，铝液在倾转流动过程中无明显的卷气现象，凝固过程也符合顺序凝固方式，产品内部无热节，无缩孔的质量风险。因此该支架的浇注系统工艺方案能够保证铸件的质量，模具可以按照此工艺方案进行设计、加工。
3、产品试生产
模具制作完成后，进行试生产。经熔炼、浇注、锯切工序完成后，对试生产的产品进行X-Ray探伤检查，X射线发射管设置电压90KV，探伤效果如图所示，产品内部无气孔、缩孔缺陷。
4、结论
4.1使用模流分析软件，选用合适的物理模型，添加与实际相符的边界条件参数，能够对重力倾转浇注的铝液流动和凝固过程进行模拟，且模拟结果与产品实际状态相符，解决了以往只能靠多次试生产来验证工艺方案的可行性问题，提高模具开发效率；
4.2运用模流分析软件能够对铸造工艺方案进行模拟验证，提高分析、解决问题的效率；
4.3通过对热节部位直接搭接浇口方式，能够对热节部位有明显的补缩效果，对解决缩孔类缺陷有很好的借鉴意义。
参考文献：
[[i]] 吴数森，万里，安萍.铝、镁合金熔炼与成形加工技术.机械工业出版社，2012（2）:2
[[ii]] 姜不居.主编.铸造手册.第6卷.机械工业出版社242-243
文章来源：HC轻合金研究中心
