基于ProCAST的卧式离心铸造轧辊的充型模拟

摘要：本文建立了复合轧辊卧式离心铸造在充型过程中金属液流动的三维模型，采用专业的铸造软件ProCAST求解得到重力和离心力作用下的流场分布，并讨论了金属液自由液面呈偏心分布的原因，分析结果对离心铸造过程中流场的认识和工艺优化设计具有参考意义。

关键词：ProCAST 卧式离心铸造 充型模拟

1 前言

ProCAST是一款基于强大的有限元分析的铸造过程模拟软件，它能够预测严重畸变和残余应力，并能用于半固态成形，离心铸造，消失模铸造、连续铸造等特殊工艺。利用ProCAST对离心铸造过程进行模拟，它能够针对离心铸造过程进行流动、传热、应力耦合作出分析。

ProCAST几乎可以模拟分析任何铸造生产过程中可能出现的问题，为铸造工程师提供新的途径来研究铸造过程，使有机会看到型腔内所发生的一切，从而产生新的设计方案。

2 模型建立及运算

金属液在重力作用下浇入旋转着的铸型后，由于金属液与铸型之间的摩擦力及金属液内部的粘滞力和高速旋转产生的离心力使金属液在铸型内形成中空轧辊。

（1）利用ProE三维软件作为前处理软件创建模型，创建装配模型，输出ProCAST可接受的模型或网格格式的文件，通过标准格式文件，如IGES、STL等可以和ProCAST实现数据交换。

（2）MeshCAST对输入的IGES文件进行修复，然后生成面网格，最终产生四面体网格，生成xx.mesh文件，文件中包含节点数量、单元数量、材料数量等信息。

建立的用于模拟轧辊的卧式离心铸造的模型如图1所示，图中不同颜色反应了模型是由两部分构成：铸型和铸件。同时显示有两种材料、110940个节点、580647个单元以及模型的长宽高等信息。此模型中，铸型外径200mm，铸件外径180mm、高度250mm。

图 1 物理网格模型

（3）PreCAST为四面体网格文件分配材料、设定界面条件、边界条件、初始条件以及模拟参数。

铸型和铸件材料分别在材料数据库中选取，先试验性的以AlSi12CuNi为铸件材料，H13为铸型材料计算，从结果可以看出ProCAST对卧式离心铸造成型的模拟是否完好，再变换成实际中生产轧辊使用的材料进行模拟，这样能节省处理材料数据的时间。在边界条件中，主要设置包括：铸型转速为900r/min，铸型的外轮廓设为自然空冷，施加浇注速度为0.15m/s，浇注温度为900K。初始温度为室温。

（4）DataCAST检查模型以及PreCAST中对模型的定义是否有错误，若有错误则输出错误信息，若无错误则将所有模型的信息转化为二进制。

（5）ProCAST对铸造过程模拟分析计算。

（6）ViewCAST显示铸造过程模拟分析结果。图2是在整个模型在中心纵截面处的金属液自由液面分布图。由图可以看出，铸件在入口处最厚，沿着铸件长度方向越来越薄。造成铸件在长度方向薄厚不一致的主要原因在于实际生产中，卧式离心铸造都是利用一个漏斗将金属液直接输送到铸型中前部位置，而不是沿着铸型入口壁流到铸型内部，这样的话经过高速旋转，推迟了金属液沿长度方向浇注的速度，引起金属液在入口的累积。

图 2 充型一定时间的流场分布

3 结果讨论

建立更加符合实际生产的三维网格模型，同时考虑空气对铸件成型的影响，在流动和温度的耦合下计算出更加符合实际的流场分布，使得能够准确的预测成型后铸件内部形态，为工艺改进提供依据。

参考文献：

[1]李日. 铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通[M]. 北京：中国水利水电出版社.2010

[2]王勖成，邵敏. 有限单元法基本原理和数值方法[M].北京：清华大学出版社.1997