摘要：机床支架作为连接工作台与床身的关键承力部件，其长水平尺寸、小垂直尺寸的薄壁结构特征，决定了熔模铸造工艺的适用性。文章采用ProCAST软件建立数值模拟平台，通过精细化设置界面热交换系数与重力加速度参数，构建符合实际生产的铸造环境模型。针对ZG230-450铸钢材料特性，当工艺条件为浇铸温度1580℃(±10℃)、模具恒温25℃的情况下，重点开展充型过程流场分布与凝固过程温度场的耦合分析，通过改变浇铸系统可以浇铸出质量优良的ZG230-450支架类铸件。

　　关键词：支架；铸造模拟；工艺优化

　　为满足复杂结构零部件的高质量铸造需求，在生产实践过程中必须通过改进铸造工艺来应对日益增长的集成化需求。制造业向智能化与自动化转型的进程，极大地推动了铸造技术的革新与进步[1]。通常，铸件制造过程中需要对选定金属实施加温，使之完全熔化，并将熔化后的金属液倾倒至铸型的模腔内，待冷却成型为金属毛坯或零件，这也是铸造成形工艺的基本步骤。铸钢和铸铁往往是铸造零件的常用材料。近年来，市场上出现了大批新型合金材料，该类材料大部分采用的铸造工艺为砂型铸造，其具有成型成本低、设备简便、易于成型等特点，常用来制作大量的主承力件[2]。

　　基于ProCAST模拟支架铸造的研究中，ProCAST铸造软件可以对铸造过程在线评价，清晰了解充型与凝固变化，并对速度场、压力（应力）、温度场等实施模拟分析。此外，ProCAST铸造软件还可以模拟出制件的微观结构以及分析出制件的缺陷，从而得出铸件缺陷的性质以及分布特点，也可根据合金的性质和成分模拟出成形件的结构性能与多类物理性质。

　　为探究ZG230-450支架的铸造缺陷形成机理，文章运用ProCAST数值模拟平台，重点模拟了其充型及凝固过程，预测出铸造缺陷类型与布局，并对铸造工艺提出了优化方案，力图解决缩孔缩松的问题。

　　1工艺方案

　　利用UG软件对浇铸系统实施了模型构建，并对整体结构进行了调整和简化，不仅可以减少计算工作量，还能更直观地分析和验证仿真结果。铸件的三维轮廓与浇铸系统，如图1、图2所示。

　　在对铸件支架的三维建模图形做出调整之后，使用ProCAST的网格模块对模型进行了网格分割，同时对网格进行修改，保证其可以顺利进行下一步操作。通过在模型的铸箱和铸件，以及浇铸口处设置节点，调整对应位置节点和复杂部位的节点数量和分布，保证了模型的网格质量。与此同时，减少了不必要的网格数目，如铸箱的网格数目在选取时以疏松为主。然后根据离散点生成曲面网格。如果正确检查曲面网格，则可以生成更复杂的体积网格。铸件本体的网格划分如图3所示。

　　将网格划分的几何模型输入至ProCAST的CAST前处理模块，材料选择为ZG230-450铸钢，其材料属性中屈服强度设置为230MPa，抗拉强度设置为450MPa，碳钢密度设置为7.8g/cm3。浇铸温度定为1580℃,浇铸的金属液速度4.13kg/s（总体浇铸时间为8s）。在类型“type”的选项卡上选择“coinc”，模具与铸件之间的热交换系数取值为750W/（m2·k）。

　　将铸件分别置于砂箱上、下箱，防止产生气孔、非金属夹杂物类的缺陷，利于铸型的充型过程，以保证零件的质量。

　　分型面选定在最大的水平面，上、下模样各一半造型。该方法不仅放置砂芯，还是取模都更方便，降低了操作难度和成本，不易产生飞边、毛刺等缺陷。对支架类铸件而言，内部结构相对简单，且是铸钢件，适宜选用底注封闭式浇铸系统。内浇道横截面设置为2.75cm2；再根据横向直径之比公式，横浇道的总横截面设置为2.48cm2，故计算直浇道的总横截面为3.3cm2。查阅《铸造工程师手册》流动系数选取经验值0.5[3]。

　　2浇铸过程模拟及优化

　　2.1初级铸造模拟分析

　　2.1.1铸件的充型分析

　　通过观察支架铸件的整个充型过程，如图4所示，其中（a）~（d）分别为充型30%、充型60%、充型80%和完全充型。当液态金属充满支架下底部时，会有一定的金属填充液湍流，导致液面波动，但整体填充状态相对稳定。整体充填过程相对平衡，填充形式为自下而上，该填充模式可以有效避免夹气、冲蚀等缺陷，更不会引起欠浇。

　　2.1.2缺陷分布

　　文章借助ProCAST的模拟功能，对空隙缺陷的位置与缩松严重程度进行了定量评估，其可视化分析结果如图5所示。由图5可知，紫色在铸件中的分布代表着空隙发生的位置，铸造缺陷主要分布在铸件底部、铸件顶部、各部件之间的连接处。一般来说，铸件较厚部位易产生空隙，厚壁处的凝固时间较长，也是热节易发生的位置。此外，铸件凝固后的缺陷还集中于横浇道以及支座内部。在凝固时横浇道和直浇道接触部分凝固速度快，在铸件补缩之后会形成空隙或者空腔。因此缺陷在此处集中数量相对较多，从而严重影响了铸件支架的质量。

　　2.2冒口设计

　　冒口在铸件的凝固过程中，可起到补缩作用，从而减少或者避免形成缩松、缩孔等缺点，以获得优良的铸件，同时还具有排气和引导充型等作用。鉴于上述模拟结果，为增强补缩效果以获得组织致密的铸件，需优化冒口设计。典型的冒口几何结构有圆柱形、带球形顶盖的圆柱形及完整球形。为了提高补缩效率，并降低生产成本，还可使用圆柱形小冒口。通过延长冒口中金属液凝结持续时间，以便提高冒口补缩的效率，在铸件容易产生热节的位置，设置圆柱形冒口。本铸件设计5个圆柱形暗冒口，如图6所示。

　　2.3工艺优化

　　2.3.1改进方案的充型模拟

　　通过对充型过程模拟结果分析，可以实时观察到整个充型过程是稳定的，并未发现充型不畅的情况，如图7所示。通过调节模型温度，使充型过程的整体温度分配比较平衡，除浇道附近外，没有发现其他部位温度不均区域。此次充型在整个过程中液体流动基本平稳，并按照预期充型顺序进行，并无明显的孤立液相区出现，按照顺序顺利充型凝固，可获得优质铸件。

　　2.3.2改进方案的缺陷分析

　　优化后裹气现象如图8所示。从ProCAST输出的空隙结果可知，随着浇铸过程的进行，浇口内的气体率先消失，伴随着整个型腔内的空隙消失，进一步累积在冒口和排气口处。改进方案中，并未出现裹气现象，从而保障铸造产品质量高。

　　ProCAST模拟结果预测的收缩孔隙分布情况，如图9所示，冒口本体是缺陷产生的核心区域。其中，收缩孔隙最大的部位在排气口和浇道附近。其原因是铸件中心的液态金属首先开始凝固，铸件支架上部圆盘结构的位置从排气口得到补偿，有效避免缩孔和缩松。优化后虽也有收缩孔隙，但是大部分缩松缩孔都靠近内浇道和底部，并且缺陷以集中的形式分布，并未大量分散存在于铸件结构之中。经过冒口的设计，铸件中传统缩孔缺陷得到了显著改善，以保障铸件的成品质量。

　　2.3.3改进方案的应力场分析

　　铸件的凝固冷却过程会衍生出复杂的内应力，其成因可归结为热学、相变及机械作用三个方面。在各类应力的共同影响下，当热应力最大极限超过了铸件的额定抗拉强度，铸件会因受力过大而达到了容伤极限，即铸件会产生裂纹。内应力过大成为影响浇铸成型产品质量的重要隐患，须制定方案或措施改善。为了更全面地分析成型件的质量，文章进行了应力场的仿真分析，从等效应力的角度分析与评价支架成型件的质量支架铸件应力场分布，如图10所示，其主要受力区域均呈现低应力特征，应力集中效应不明显，这表明该铸造工艺能有效控制残余应力。因此，基于文章的设计与仿真工艺，可以获得铸造质量良好的合格支架类铸件。

　　3结论

　　文章利用ProCAST这一多场耦合仿真工具，对机床支架铸件的充型流动与凝固过程进行了数字化再现，完成了工艺参数的优化设计，规范了铸件制造工艺的参数以及工艺方案的制定。

　　（1）通过ProCAST软件分析了铸造过程中的充型凝固过程，并对界面参数、重力参数等进行设定，达到了铸造所需模拟环境的要求。

　　（2）铸造工艺优化设计环节是利用ProCAST模拟改善数据及铸件结构达到铸件产品达标的目的。通过冒口的设计，不仅有助于金属熔体以合适的流速进入型腔，还能降低流体的湍流程度。

　　（3）基于ProCAST实施的铸造过程模拟，能节省铸造过程中的时间和原材料，也避免了因多因素对充型凝固影响而导致铸件的成品率不高等现象。

参考文献

　　［1］中国机械工程学会铸造分会.铸造手册（第5卷）：铸造工艺（第3版）：铸造工艺［M］.北京：机械工业出版社，2011.

　　［2］林国荣.铸件形成过程计算机数值模拟的发展及应用［J］.现代铸铁，2001（2）：8-13.

　　［3］王文清，李魁盛.铸造工艺学［M］.北京：机械工业出版社，2002.