摘要：运用ProCAST铸造仿真软件对某铝合金整体叶轮在两种浇注系统中的充型凝固过程进行模拟。结果显示在重力铸造条件下，两种浇注方式在叶片薄壁处、叶片与轮毂处均出现缩松缩孔缺陷，而侧注式浇注系统所产生的铸造缺陷较少。通过对侧注式浇注系统下的轮毂顶端添加冒口，在浇注速度35mm/s、型壳预热温度350℃、浇注温度710℃优化浇注工艺参数下可以铸造出充型完整性好，铸造缺陷少的叶轮铸件。
关键词：熔模精铸;ProCAST;叶轮;仿真优化
熔模铸造作为一种近净成型技术，主要针对形状较为复杂、异型零件的铸造成型。整体式叶轮作为一种典型的薄壁空间曲面件，在动力设备中被广泛使用，其工作环境恶劣，工作性能要求较高。一般熔模精铸叶轮常采用经验加试验的方法对铸造叶轮的工艺参数进行确定，这样做往往使得成本高昂、难度大、周期长，而且准确率低。造成这种问题的根本原因在于熔模铸造过程是复杂的充型—凝固过程，伴随着高温金属液从液体变成固体的相变，存在着复杂的物理和化学变化。往往在充型阶段存在气泡和氧化杂质;在凝固阶段型壳与周围环境的热交换不稳定容易导致金属液未完成补缩，产生缩孔缩松等缺陷，试验的方法存在效率极低和对工人的能力要求太高的弊端。为了有效降低成本，缩短周期，提高熔模铸造叶轮的工艺可行性，采用计算机数值模拟技术对叶轮熔模铸造充型凝固过程进行仿真，并就铸造缺陷进行预测，通过优化的浇注系统结构和工艺参数来指导实际铸造过程。
本文使用的铸造模拟仿真软件为ProCAST，作为一款高度集成化的仿真软件，其强大的功能主要表现在对于二维、三维实体的网格划分和修复能力、丰富的材料库、先前的流体和热力学判据等，这些优点使其广泛地用于砂型铸造、熔模铸造、压力铸造以及离心铸造过程的数值分析。
1整体叶轮熔模铸造浇注系统的设计
浇注系统的选型和尺寸设计对于熔模铸造过程至关重要，一般的浇注系统主要包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道、冒口等关键部分。在结构上主要包括：顶注式、侧注视、底注式和混合注入式[1]。浇注系统结构对比如表1所示。
相关期刊推荐：《热加工工艺》杂志创刊于1972年，1986年公开发行，由国家科委批准，中国船舶重工集团公司主管，热加工工艺研究所和中国造船工程学会船舶材料学术委员会主办，是全国性热加工技术期刊。本刊刊登的论文涵盖铸造、锻压、焊接、金属材料及热处理等领域，栏目设置有试验与研究、金属材料、复合材料、铸造技术、锻压技术、焊接技术、热处理技术、失效分析、模具设计和生产应用等。
综合考虑整体式叶轮的外形尺寸结构，并依据铸造浇注系统的相关设计原则，本文设计了顶注式和侧注式两种初始浇注系统，并利用金属熔液的重力进行充型，以期形成合理的凝固顺序，通过顶部冒口对铸件的补缩，减少轴向缩松的倾向。同时浇注系统结构上采取一模两腔的结构，来提高铸造效率[3]。叶轮的外形和浇注系统的具体结构如图1所示。
2数值模拟仿真数学模型的建立
2.1充型过程的数学模型
铝合金熔融液注入型腔的过程可以相对准确地描述为不可压缩的牛顿流体注入的过程，其整个充型过程涉及连续方程、质量方程、能量方程和动量方程等控制方程[4]。
2.2凝固过程的数学模型
在铝合金液在铸型中的冷却凝固过程中，主要涉及三种散热方式：热传导、热辐射及热对流。其中对流和热辐射传热主要发生在表面[5]，而热传导主要在凝固金属内部发生，而铸件的传热绝大部分通过热传导进行，本文将此作为叶轮浇注系统凝固过程中的主要传热方式，并忽略热对流和辐射的影响。
2.3缩松缩孔的数学判据
铸件形成缩松缩孔主要是由于补缩结构设计不当导致补缩不及时造成的。通常宏观上补缩不足易形成缩孔，微观上易形成缩松，缩孔容易预防，而缩松比较难避免。通常在仿真软件中缩松预测依据的是缩松判据。
3仿真前处理
3.1网格划分
将上述在UG软件中建立的两种浇注系统模型分别以.igs格式导入到ProCAST软件进行有限元网格划分。在面网格划分环节，需要兼顾网格数量、网格疏密程度对于划分精度和计算效率的影响，为此采用不同尺寸的网格单元对浇注系统进行划分[6-8]。叶轮部位的网格都按原尺寸设置为1，浇注系统的部分网格单元尺寸设置为3，在面网格修复完成后，顶注式和测注式浇注系统分别生成面网格的数量为39104和48472;在添加5mm厚的型壳后，分别在面网格基础上进行体网格的划分，分别生成的体网格数量为317707和567346。网格划分和型壳如图2所示。
3.2仿真参数设置
本文选用的叶轮铸造材料为Z101A铝合金，其名称为ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA合金的性能如表2所示，型壳材料选择石英砂。
为了实现顺序凝固，得到较高质量的叶轮铸件，顶注式和侧注式浇注都采用了高温慢浇工艺来加强顺序凝固，因此选取初始工艺参数：顶注式的浇注温度为720℃，型壳预热温度为350℃;侧注式初始浇注温度为710℃，型壳温度为350℃。两种浇注系统都采用重力填充。
浇注速度对铸件质量的影响十分重要。浇注速度快可以使型腔在较短时间内充满，但是过快的浇注速度会冲击型壳内部，这对于铸件的表面质量不利且会使金属液裹挟过多的气体进入。浇注速度慢虽可避免铸件产生缩松、缩孔等缺陷[9]，但是会使金属液冷却造成浇不足、冷隔等缺陷。本文通过卡尔金公式对两种浇注系统的浇注速度进行计算。
4仿真结果分析
两种浇注系统的缩孔缩松预测结果如图3所示。通过图3可以看出两种浇注系统在叶轮的叶片薄壁处都存在缩孔缩松问题。原因在于叶片凝固是从壁厚较薄部位开始向叶片壁厚较厚部位冷却，由于叶片上的浇道尺寸较小，导致高温熔液进入型腔遇冷，温度降低粘度增加，流动性降低，使得随后进入型腔的熔液充型缓慢，导致充型不完全，进而在冷却后期产生缩孔、缩松等缺陷。但是相比较而言，测注式浇注系统所产生的缩孔缩松缺陷要明显小于顶注式。
5工艺方案的改进
5.1浇注系统结构的改进
由以上预测的铸造缺陷可知，侧注式浇注系统缩孔缩松缺陷明显要小于顶注式，探究其造成这种结果的原因可能是由于测注式浇注减缓了合金液的紊流效应，加之在直浇道侧面采用了三个不同截面的横浇道，使得叶轮型腔内合金液在充型时得以平稳上升[10]。为此，在此侧注式浇注系统的基础上对浇注系统的结构上进行一定的优化。由侧注式浇注系统的缺陷预测图可知，叶轮轮毂顶端及轮毂顶端附近处的叶片存在一定的缩孔缩松缺陷，造成这种问题的原因在于轮毂顶端区域距离浇道的距离较远，在凝固过程中，体积收缩使从浇道获取液态金属补缩的困难较大，同时叶片处为薄壁结构，合金液在叶片中部凝固阻断了其补缩的通道导致了上述缺陷的产生。为此，在对侧注式浇注系统进行结构优化时，通过在叶轮轮毂处设置冒口，将缩孔转移到冒口处，来改善此处合金液的补缩状况。优化后的浇注系统及体网格划分结果如图4所示。
5.2结构优化后的数值模拟结果
按照初始浇注系统选定的材料以及参数(初始温度、界面换热系数、浇注温度、浇注参数等)进行设定，对改进后的浇注系统进行模拟仿真。图5为工艺改进后缩松缩孔缺陷预测图，可以看出叶片上的缩松缩孔区域明显降低，并且最大缩松率为1.702%，新的浇注系统结构更合理。浇注系统结构优化完成后，虽然缩松缩孔有了明显的减少，但是叶片边缘仍有部分缺陷，考虑优化浇注过程的主要工艺参数来提高铸件的最终质量。本文主要对浇注温度、浇注速度及型壳预热温度这三个工艺参数进行优化[11-12]。
以初始浇注参数值(型壳预热温度350℃，浇注温度710℃、浇注速度35mm/s)为基础，利用正交试验法来探究多因素对铸件质量的影响。将影响铸件质量的三个参数做为因子，对这些参数采用三个不同水平，如表3所示。此过程是以每个参数对铸件质量的影响都是以非线性相关为前提的。——论文作者：白瑀,张浩,黄亮
