為了解決鑄件中最后凝固位置的縮孔缺陷，冒口是最佳的選用方式，冒口的補(bǔ)縮是通過(guò)鑄件凝固時(shí)向內(nèi)部提供熔融金屬來(lái)防止缺陷產(chǎn)生。為了使冒口有效補(bǔ)縮，放置的位置及大小就非常重要，這樣才能有足夠的熔體來(lái)補(bǔ)償收縮。在FLOW-3D CAST中，已經(jīng)開發(fā)出兩個(gè)新工具來(lái)幫助設(shè)計(jì)無(wú)缺陷鑄件的冷卻和冒口系統(tǒng)，預(yù)測(cè)最后的凝固位置和計(jì)算熱模數(shù)。

最后凝固的區(qū)域

最后凝固的區(qū)域直接標(biāo)記出鑄件中最后凝固的位置以及可能形成收縮缺陷的位置。盡管這些位置可以從凝固順序的演變或凝固時(shí)間中得到，但始終首選使用更直接的方式來(lái)可視化它們。

一種特殊類型的固定顆粒用于識(shí)別和可視化最后凍結(jié)的位置，稱為“熱節(jié)”。使用凝固模型時(shí)，將自動(dòng)輸出此結(jié)果。如圖1所示，在相鄰的區(qū)域的熔體變?yōu)楣虘B(tài)時(shí)中心位置還未凝固就會(huì)自動(dòng)生成熱節(jié)粒子來(lái)標(biāo)示。

圖1. 熱節(jié)粒子顯示

除了確定最后凝固的位置之外，這些粒子還具有其他屬性，可用于確定這些位置中的縮孔缺陷的發(fā)生可能性和大小及凝固時(shí)間，熱節(jié)ID和熱節(jié)大小。凝固時(shí)間顯示完全凝固的時(shí)間點(diǎn)。熱節(jié)ID顯示了熱節(jié)凝固的順序：ID 1是第一個(gè)熱節(jié)，ID 2是第二個(gè)熱節(jié)，依此類推。最后，熱節(jié)大小可通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中：

hsm（i）是粒子i的熱節(jié)大小

t₀是粒子位置處的凝固時(shí)間

ν_liq（t）是在時(shí)間t處包含粒子的液體區(qū)域的體積

圖2顯示所連接液體區(qū)域的體積如何隨凝固時(shí)間的變化。然后將計(jì)算的量標(biāo)準(zhǔn)化，使所有熱節(jié)幅度的值都在0和1之間的范圍內(nèi)。這允許鑄件內(nèi)不同熱節(jié)對(duì)孔隙形成的潛在影響進(jìn)行簡(jiǎn)單的比較分析。值越高，凝固過(guò)程中連接的液體區(qū)域越大，表示在最后凝固的位置出現(xiàn)縮孔缺陷的可能性越大。

圖2 包含熱節(jié)粒子的液體體積演變：t3> t2> t1。

熱模數(shù)法

熱模數(shù)法是常規(guī)冒口設(shè)計(jì)中最受歡迎的方法之一，特別是對(duì)于鋁合金和鋼鑄件。對(duì)于給定的鑄造零件，其模數(shù)定義為：

其中：

V是鑄件的體積

A是鑄件的表面積

對(duì)于常規(guī)形狀（例如球體或塊）而言，鑄件幾何模數(shù)很容易計(jì)算。任何比這更復(fù)雜的工作都需要通過(guò)常規(guī)形狀來(lái)繁瑣地近似鑄造段。此外，幾何模數(shù)方法嚴(yán)格依賴于鑄件的幾何形狀。實(shí)際的鑄件使用冷鐵和保溫套來(lái)控制凝固過(guò)程。這些特征在幾何模數(shù)方法中被忽略。為了自動(dòng)進(jìn)行模數(shù)計(jì)算，并考慮到與冷卻，保溫套和其他模具變化相關(guān)的熱效應(yīng)，通常在冒口設(shè)計(jì)中使用一種稱為熱模數(shù)的創(chuàng)新方法。

對(duì)于熱模數(shù)方法，首先進(jìn)行鑄件的凝固模擬。一旦仿真完成，就可以根據(jù)Chvorinov的規(guī)則從凝固時(shí)間計(jì)算出整個(gè)鑄件的等效模數(shù)。使用此方法計(jì)算的等效模數(shù)稱為熱模數(shù)。可以使用與幾何模數(shù)相同的方式來(lái)設(shè)計(jì)冒口系統(tǒng)。

Chvorinov的規(guī)則給出了凝固時(shí)間之間的關(guān)系，其模數(shù)可以寫為：

其中：

t是鑄件凝固時(shí)間

N是一個(gè)常數(shù)（通常等于2）

B是模具常數(shù)可以使用以下公式計(jì)算

其中：

ρ_m是金屬的密度

T_m是金屬的熔化或凝固溫度

T₀是模具的初始溫度

k是模具的導(dǎo)熱系數(shù)

ρ是模具的密度

c是模具的比熱

L是金屬熔化的潛熱

c_m是金屬的比熱

T_pour是金屬澆注溫度

在設(shè)計(jì)鑄造制程時(shí)，通常以這樣的方式選擇冒口，即冒口的凝固時(shí)間長(zhǎng)于相鄰澆注段的凝固時(shí)間，以便有效補(bǔ)料。根據(jù)Chvorinov的定律，凝固時(shí)間與鑄件的模數(shù)成正比。因此，當(dāng)比較凝固時(shí)間時(shí)，模數(shù)可以直接比較。由于模數(shù)僅僅是幾何量，因此模數(shù)的比較使設(shè)計(jì)任務(wù)更加簡(jiǎn)單。金屬鑄造工程師可以設(shè)計(jì)具有更大模數(shù)的冒口，以確保正確地補(bǔ)料給零件，而無(wú)需考慮實(shí)際鑄造工藝的細(xì)節(jié)。

冷卻和冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

由Flow Science China提供并討論了使用此功能對(duì)半汽輪機(jī)汽缸，如圖3，進(jìn)行重力鑄造的冷卻和冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)。零件的外部尺寸為2.83×2.34×1.10米，總體積約為0.95立方米，如下所示。鑄造材料為碳鋼，澆注溫度為1530°C。

圖3 鑄件

首先，對(duì)沒(méi)有冷卻和冒口的鑄件進(jìn)行凝固模擬。目的是確定熱節(jié)位置，并確定冷鐵和冒口的位置，以及冒口的尺寸。

下圖顯示了凝固時(shí)的熱節(jié)粒子，分別以凝固時(shí)間、粒子ID和熱節(jié)大小來(lái)顯示。從這些圖直接看出熱節(jié)位置和形成縮孔缺陷的可能性。根據(jù)鑄件的幾何特征，放置冒口的位置很容易確定，如圖4右側(cè)所示。但是，底殼上有一些熱節(jié)，不適合放置冒口。為了防止這些位置的縮孔缺陷，可以使用冷鐵來(lái)改變凝固方式，以驅(qū)使最后的凝固位置在冒口區(qū)域。

圖4

計(jì)算出的熱模數(shù)顯示在右側(cè)。較大的值與最后凝固位置一致。此外，熱模數(shù)可用于確定熱節(jié)位置的冒口尺寸。確定冷鐵和冒口后，將運(yùn)行第二次凝固模擬，以驗(yàn)證冷鐵和冒口的設(shè)計(jì)。