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FLOW-3D CAST 铸造仿真软件改善铸钢件气孔的应用

安朝阳1 ，陈朋2

（中设集团装备制造有限责任公司1，北京 000050；帕盛博（苏州）软件科技有限公司2，江苏苏州 215000） 

摘要：采用计算机铸造模拟技术对铸造充型过程进 行模拟分析，FLOW-3D CAST模拟软件精确地计算 模拟铸钢件的金属液温度场、速度场和压力场的实 时变化，形成三场耦合分析优化铸造工艺。通过不 断地改善分析，有针对性地采取了有效改善措施， 从而彻底杜绝了皮下气孔，不仅节省了大量人力和 财力，同时提高了铸件的整体质量。

关键词：FLOW-3D CAST；数值模拟；铸钢件；皮下气孔 

 

1 问题点阐述

1.1 问题点阐述

此客户主要生产铸钢件，充型完成后产生憋气，加 工后铸件边缘发现大量气孔（图1和图2）。 

图1

图2

皮下气孔废品率高达60%，气孔密集度很高。此加 工面为铸件主要功能表面，不允许任何焊补或其他 任何表面处理。

 

1.2 原始改善方案-三维图

在铸件外圈间隔45°，追加8根透气棒（图3）。 

图3

 

1.3 原始改善方案-模具图

图4

 

1.4 原始改善方案的利弊

利：能够有效改善铸件边缘气孔。

弊：（1）共8根粗大的透气棒降低铸件出品率；

       （2）透气棒穿透砂模顶端，散落砂容易掉落到 型腔中造成铸件砂孔；

       （3）透气棒不容易去除，浪费物料和人工等成本。 （图5）

                        图5

 

1.5 改善方案

去除透气棒，追加排气槽并引出砂模边缘，达到合 理排气效果（图6）。

在铸件外圈间隔45°，追加8处排气槽。

                                                                          图6

 

1.6 排气槽设计因素

（1）连通铸件追加排气槽向外排气，达到合理的排 气效果；

（2）如何设计排气槽的尺寸是最关键的步骤；

（3）尺寸厚大时，金属液冷凝速度慢容易导致钢水 外漏；

（4）尺寸窄小时，金属液冷凝太快，达不到理想的 排气效果；

（5）通过FLOW-3D CAST模拟，选择合适的排气 槽厚度和尺寸，既能达到较为理想的排气效果，也 能确保金属液不会从排气槽溢出。

 

2 改善工艺原理验证

2.1 验证工艺方案介绍

验证工艺三维参照（图7）（图8）（图9）。 

                                     图7

                                       图8

                                      图9

 

2.2 设置参数 

                                           表1

 

2.3 模拟结果

                                                     图10

（1）颜色表示金属表面温度值；

（2）浇注过程前期，1mm薄板已经出现冷隔现象，阻 断金属液流出（图10）。

                             图11

                             图12

（1）金属液面升到2mm薄板时，薄板出现冷凝阻流 现象（图11）；

（2）随着液面的上升，导致2mm薄板处压力和平均 温度增加，迫使薄板金属液流出（图12）；

（3）模拟时，考虑到充型过程中金属液温度和压力 的变化尤其重要。 

                                                                       图13

充型完成后，部分金属液回流交融，能够明显的观 察每层薄板的温度梯度（图13）。

 

3 样件模拟和实际浇注验证

3.1 样件方案和参数

（1）浇注时间：6S；

（2）浇注温度：1550℃

（3）造型材料：呋喃树脂砂

（4）实际钢水成分： 

                             图14

                                图15

 

3.2 模拟结果 

                                                                      图16

浇注过程中，已经凝固阻流（图16）；

                                                                      图17

浇注后，已经完全凝固（图17）。

 

3.3 模拟结果和实际对比

（图18）

                               图18

 

4 最终改善方案的验证

4.1 最终改善效果

完善最终排气工艺后整个浇注过程中没有造成钢水 外漏（图19），浇注过程一切正常。

排气槽连接铸件边缘，可以方便去除和打磨。

                                                                      图19

                                                                      图20

                                                                      图21

加工58个铸件均未发现气孔，废品率由60%降为 0%，已经彻底解决皮下气孔。

                                                                      图22

 

5 总结

（1）排气槽的尺寸设计非常合理，已经达到预想改 善成果；

（2）设计排气片尺寸的主要考虑因素有：铸件结 构、浇注温度、实时的金属液面高度以及压力（排 气片位置相对于铸件底部的高度）；

（3）FLOW-3D CAST模拟浇注时，可以考虑到型 腔中的温度场、速度场和压力场，形成三场耦合计 算模拟分析；

（4）通过FLOW-3D CAST模拟, 客户可以准确设 置不同规格铸件的排气槽尺寸；

（5）客户端铸件的气孔、气泡以及憋气均得到有效 改善，皮下气孔得到彻底改善。

 

【参考文献】

[1]高尚书，计算机技术及其在铸造行业中的应用，《铸 造》1995年 第6期