Flow-3D鑄造分析：充型、凝固的案例
使用FLOW-3D的低壓鑄造鋁合金鑄件充型過程卷氣行為研究
1.東北大學材料科學與工程學院；2.華晨寶馬汽車有限公司
摘要
使用FLOW-3D軟件對3種不同結構的鑄件進行低壓鑄造充型過程模擬，分析了增壓速度和鑄件結構對充型過程中卷氣量的影響。由模擬結果分別選擇卷氣最嚴重和充型最平穩的兩種結構來進行生產試做，并對其進行了拉伸試驗研究，分析了卷氣含量對力學性能的影響。
1.試驗方法
主要觀察鑄件結構和增壓速度對充型過程的影響，因此，設計了3種不同結構的簡單模型，見圖1。鑄件的尺寸為280 mm×150 mm×30 mm，3個平板型鑄件中心位置分別具有不同高度的下落式（waterfall）結構，其下落高度分別為0、15和30 mm，以此來考察下落式結構對鑄件質量的影響。
圖1 具有3種不同下落式高度的模型
使用FLOW-3D軟件，對3種不同模型和不同充型壓力進行了模擬。應用軟件中的卷氣模型，對不同方案充型過程中的卷氣量進行分析。具體方案的編號見表1
表1 不同模型和不同增壓速度的方案編號
根據模擬結果，選取卷氣量最大和最小的模型，進行生產試做。并對生產的鑄件進行鑄態力學性能分析，每個鑄件取4個M6的拉伸式樣，取樣位置見圖2，每種模型分析6個鑄件，共24個拉伸樣品，拉伸試驗采用國際標準DIN EN ISO 6892-1。取力學性能最低的樣品，用SEM進行斷裂面分析，分析降低力學性能的根本原因。
圖2 拉伸試樣取樣位置示意圖
2.試驗結果與討論
2.1 確定分型面
以V3.1方案為例，觀察充型過程中的卷氣的分布情況，如圖3。
展開 三維鑄件充型及凝固過程數值模擬軟件包--(FT－Star鑄造之星)
三維鑄件充型及凝固數值模擬軟件包（簡稱FT－Star）是具有自主版權的真三維鑄造過程數值模擬軟件包。它可在586 微機和工作站上運行，分別采用WINDOWS和MOTIF圖形界面，對用戶友好。國內專家評價認為主要功能在國內處于領先地位，已達到國際先進水平。
FT－Star可以通過SLA文件接收各大型通用CAD軟件，如CADDS、Pro/E、IDEAS、Autocad、UG等的造型文件進行鑄造過程分析，FT－Star具有以下主要技術特點：
⑴在實驗室及生產性試驗基礎上，建立了多熱節定量預測鑄件縮孔新方法及定量預測球墨鑄鐵縮孔新方法；
⑵采用并改進SOLA/VOF三維流場數值分析方法，提出三維自由表面處理新方法，并提高了運算速度；可以進行充型過程三維流動分析；
⑶采用有限差分/有限元方法集成的技術路線， 能夠分析鑄件的溫度場、應力場和殘余應力；
⑷建立鑄鐵結晶凝固生核及生長模型及微觀組織與機械性能關系的數學方程，初步實現了對球鐵三維微觀組織及鑄態機械性能進行模擬分析；
⑸建立了并行工程環境下的鑄造CAD/CAE集成系統；
⑹在實驗室完成壓鑄及低壓鑄造過程數值模擬功能模塊；商品化后將成為FT－Star的另一個主要功能。
FT－Star已在國內近40家單位得到應用，已成為鑄造工作者在優化鑄造工藝設計，校核工藝方案，預測及控制鑄件質量及新產品研制等方面的得力助手，并取得了顯著的經濟及社會效益。
展開 鑄造缺陷預測-FLOW3D熔模鑄造收縮缺陷預測（凝固、縮松、卷氣、夾渣）
「FLOW3D鑄造仿真」「壓鑄模具」「鑄造模具」「鑄造模具設計優化」
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優化鑄造方案，提前發現鑄造缺陷，優化澆道設計（進澆截面積、型腔內部速度）、排氣設計、渣包設計、冷卻設計（防止產品變型）、滑塊方案。「鑄造方案」「排氣」「渣包」「冷卻」
如何從鑄造原理出發，通過仿真分析優化鑄造方案？工藝因素帕斯卡原理、伯努利定理、壓鑄機結構、壓鑄機、壓鑄的射出過程、高速低速、充填時間、鑄造壓力、射出波形。「鑄造原理」「壓鑄機」「充填時間」「射出波形」
展開 FLOW3D凝固與微縮孔模流分析的重要性
微縮孔特性的模流分析，在FLOW3D軟件里面，是9.x版本新增加的一個功能，這個功能對于壓鑄領域來說是沒什么用處的，但對于鑄造方面是非常重要的。
對于低壓鑄造與重力鑄造等收縮系數較大的成型工藝，就需要分析凝固過程與微縮孔缺陷的分布問題。低壓鑄造與重力鑄造的收縮系數是較大的，一般是2%左右的，所以需要通過凝固過程而考慮補縮問題，從而分析縮孔的問題。而因為鑄造收縮系數大，單單分析凝固過程是不夠的，還要進行微縮孔的分析，從而判定微縮孔與針孔等細小缺陷問題。
因此，對于低壓鑄造與重力鑄造等鑄造方面，需要溫度場、凝固場與微縮孔缺陷場，而并不需要分析表面缺陷場。
對于壓鑄方面，因為壓鑄的收縮系數小，差不多為0.6%，所以壓鑄的組織性較為致密，從而不可能出現微縮孔、針孔的問題。一般通過分析表面缺陷就可以判定氣孔或冷紋等缺陷問題就可以的。
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如何確定鑄造工藝？高壓鑄造適用范圍？鑄件分為有強度要求的和一般要求的兩類,對于有強度要求的,應該具有良好的致密度.這是應該采用高的增壓比壓「FLOW3D鑄造仿真分析」「高壓鑄造」「壓力鑄造」「壓鑄工藝」
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展開 FLOW-3D CAST鑄造模擬分析
FLOW-3D CAST 為金屬鑄造工藝提供完整的流動和熱解決方案。該仿真提供了對鑄件的填充和凝固的詳細仿真分析，同時跟蹤不同類型的判據，如：充型、凝固、孔隙、表面氧化物、夾帶的空氣和卷氣、熱應力和變形等各種缺陷。 FLOW-3D CAST 還可以分析模具的熱平衡以及其他性能，FLOW-3D CAST 可以模擬砂芯發氣，甚至可以模擬鋁液除氣等。仿真分析優化可縮短模具的開發時間，加快產品上市時間并提高產量。FLOW-3D CAST 使設計人員在使用新鑄造工藝或新合金材料時節省設計時間和開發成本。
結合直觀友好的用戶界面，FLOW-3D CAST 通過成功的項目，為建模人員提供精確的填充和凝固缺陷預測。包括砂型、金屬型、高壓鑄造，建模人員可以使用最符合工藝要求的套件。"
展開 FLOW3D鑄造仿真分析
FLOW-3D CAST 為各種金屬鑄造工藝提供完整的流動和熱解決方案。該仿真提供了對鑄件的填充和凝固的詳細仿真分析，同時跟蹤不同類型的指標，如：充型，固化，孔隙，表面氧化物，夾帶的空氣和卷氣，熱應力和變形等各種缺陷。 FLOW-3D CAST還可以分析模具或模具的熱曲線以及其他性能，例如 FLOW-3D CAST的芯體充氣。仿真分析優化可縮短模具的開發時間，加快產品上市時間并提高產量。FLOW-3D CAST 使設計人員在使用新鑄造工藝或新合金材料時節省設計時間和開發成本。
結合直觀和漸進的用戶界面，FLOW-3D CAST 通過成功的項目指導建模人員提供精確的填充和凝固缺陷預測。可用套件進行砂型鑄造，永久鑄模鑄造和高壓鑄造，建模人員可以使用最符合工藝要求的套件。
展開 優化鑄造方案，提前發現鑄造缺陷-將CFD（FLOW3D）分析集成到壓鑄工藝設計中
FLOW-3D 用于評估所有變體。圖2顯示了一些考慮的澆道設計。
圖2：在FLOW-3D中建模的二十一個跑步者系統中的三個
流道系統的初始評估標準是流量模式。在設計過程的第一階段完成后，圖3所示的兩種概念上不同的轉輪設計被接受進一步評估。
圖3：選擇基于流型進行進一步評估的跑步者
在評估的第二階段進行凝固分析。分析了鑄件和模具中的溫度分布。圖4顯示了使用最終澆道系統設計的凝固結束時零件的溫度分布。
圖4：基于凝固末期部件溫度分布選擇的最終澆道系統的不同視圖
結論
七年多來，我們一直能夠使用FLOW-3D 作為壓鑄工藝建模工具，向我們的團隊證明預測結果的準確性和可靠性 。這些結果與實際的鑄造缺陷，溫度分布和流動模式有很好的相關性。
我們 不僅將 FLOW-3D用作壓鑄工藝模擬工具，而且還將其用作通用CFD建模工具。如果在流程開發過程中需要向客戶推薦設計更改， FLOW-3D 允許我們快速可靠地評估這些變更，并向客戶展示所提議的變更，以及這些變更對零件性能的影響。
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如何設定壓力鑄造壓力、射速？
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