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摘 要 主要研究大型立柱铸造过程的数值模拟仿真及工艺优化。计算机数值模拟作为新兴产业主要针对中小铸件进行模拟仿真，但对于大型立柱铸件的数值模拟经验极少，大型立柱铸造过程的数值模拟仿真及工艺优化对于凭经验浇注为主的大型铸件铸造具有科学理论指导意义。
关键词 充型；凝固；缺陷预测
中图分类号：TG24 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0150-01
立柱的三维实体造型及内部结构如图1所示，铸件材质是HT350，属于亚共晶灰铸铁，外型轮廓尺寸为8328 mm×1693 mm×1790 mm，铸件重量为28 t。
1 立柱铸件充型过程
图2是充型过程金属液充型顺序及温度场分布图，从图示的充型过程模拟可以总结出金属液在本次充型过程中有如下结论。
1）金属液从铸件两端浇口处同时冲入铸件内部，首先填充导轨部位，同时具有较高流动速度的金属液向中央汇聚，直至充满导轨，然后逐层上升直至充满型腔，整体而言充型过程遵循从下往上填充的顺序，充型过程金属液液面平稳。
2）由于立柱内部结构复杂，大量筋板呈十字形连接形成大量空腔，这样复杂的结构缓冲了高速金属液，金属液在充型的时流动较为平稳，导轨部位金属液的填充顺序先两端后中间，即首先填充两端，其次中间部位，直至导轨填充完毕；然后金属液从导轨部位流入入型腔时，首先填充两侧然后型腔中部逐层推进，汇合后逐层上升。
3）充型过程中温度场分布是铸件两端温度高，中央部位温度低。充型过程中存在几十摄氏度较高的温差，凝固时由于初始温度不同，各部分在不同的时间凝固，可能会产生较大热应力，可能导致铸件产生冷裂现象。充型过程中导轨的底部中间部分出现凝固现象，但该处局部的凝固不会对铸件整体的充型产生大的影响。
4）最后充填部位是最上层壁，充型过程完成时铸件导轨底部出现凝固。
大型立柱铸件中，导轨主要用以导向并起到承载作用，在部件运动中，反复承受应力和摩擦力，导轨的质量在一定程度上决定了立柱的加工精度、工作能力和使用寿命，导轨的硬度和耐磨性决定导向精度能否长期保持。造型时将其置于铸件底部，以保证其致密性，在浇注时，需要依据内浇口位置、导轨中金属液流动方向、导轨厚度等因素选择合理的充型速度。充型速度过低，受到激冷的底部导轨表面易迅速冷却，形成冷隔、局部不融合等铸造缺陷。浇注速度过高，易对铸型产生冲刷，形成卷气、夹杂，且在来自导轨两端的高速合金液相互对冲的时候，造成铁液飞溅，液面波动而卷入杂质。所以需要选择合适的充型速度，确保导轨处顺利的充型。
2 立柱铸件凝固过程
铸件充型完成后，温度分布的整体特征是纵向为下部温度高于上部温度，横向为侧面温度高于中间温度，立柱的两端靠近高温浇道温度最高。结合温度分布特点凝固顺序整体也呈现为：纵向凝固大致从上向下，横向凝固为从中间到两端，最后凝固区域为立柱的两端位置同时也是最厚的部位。铸件整体的凝固时间较长，凝固速度随着时间的增加呈现越来越慢的趋势。
图3为截面凝固顺序及温度分布图，从图中可以看出铸件整体温度差较小，凝固过程中内部两端温度高于中间温度；凝固方式上同时凝固和定向凝固并存，最后凝固区域为立柱床身台阶底部，此位置壁厚较大，且台阶的存在影响冒口补缩，致使此处很有可能形成缩松缩孔缺陷。
3 缺陷预测及分析
当铸件收缩得不到补缩的时，铸件表面和内部会产生形状和大小不同的孔洞类缺陷，常见孔洞类缺陷有缩孔、缩松、和疏松等。铸件内部的缩孔强烈的降低铸件的强度和韧性，形成大量的微裂纹，本铸件属于大型加工立柱的立柱部分，工作时候反复受到冲击应力和震动，裂纹容易沿着细小的空洞和微裂纹不断延伸，所以必须要求铸件内部具备较高的致密性和较低的缩孔体积分数，以满足工件的使用性能。
缩孔主要分布位置是铸件底部厚大部位和靠近浇道的部位。底部厚大部位的缩孔产生是由于厚大处缩孔体积分数较大，石墨化膨胀不足以弥补该处的收缩，且底部距离冒口和浇道较远，难以受到外来金属液的补缩而形成缩孔。靠近浇道位置处的缩孔在铸件最顶端，受重力和静压力作用，该处液相对底部收缩弥补，而自身得不到其它部位金属液的弥补。
本文主要对铸件铸造充型和凝固过程中温度场、流场、速度场的变化过程的分析，研究在设计的工艺参数下铸件的成型过程，预测了产生缺陷的位置、大小、概率及生成机理。为得到最优的工艺方案和工艺参数，需要对铸件仿真过程进行多次实验模拟并反复比较，以便对工艺参数进行模拟研究，为企业工艺改进及参数优化提供依据。
参考文献
[1]李志博，袁洪志，等.大型立柱铸造工艺[J].铸造技术，2009（12）.
[2]杨敬伟.35MN快锻机立柱的铸造工艺设计[J].大型铸锻件，2012（4）.
关键词 充型；凝固；缺陷预测
中图分类号：TG24 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）18-0150-01
立柱的三维实体造型及内部结构如图1所示，铸件材质是HT350，属于亚共晶灰铸铁，外型轮廓尺寸为8328 mm×1693 mm×1790 mm，铸件重量为28 t。
1 立柱铸件充型过程
图2是充型过程金属液充型顺序及温度场分布图，从图示的充型过程模拟可以总结出金属液在本次充型过程中有如下结论。
1）金属液从铸件两端浇口处同时冲入铸件内部，首先填充导轨部位，同时具有较高流动速度的金属液向中央汇聚，直至充满导轨，然后逐层上升直至充满型腔，整体而言充型过程遵循从下往上填充的顺序，充型过程金属液液面平稳。
2）由于立柱内部结构复杂，大量筋板呈十字形连接形成大量空腔，这样复杂的结构缓冲了高速金属液，金属液在充型的时流动较为平稳，导轨部位金属液的填充顺序先两端后中间，即首先填充两端，其次中间部位，直至导轨填充完毕；然后金属液从导轨部位流入入型腔时，首先填充两侧然后型腔中部逐层推进，汇合后逐层上升。
3）充型过程中温度场分布是铸件两端温度高，中央部位温度低。充型过程中存在几十摄氏度较高的温差，凝固时由于初始温度不同，各部分在不同的时间凝固，可能会产生较大热应力，可能导致铸件产生冷裂现象。充型过程中导轨的底部中间部分出现凝固现象，但该处局部的凝固不会对铸件整体的充型产生大的影响。
4）最后充填部位是最上层壁，充型过程完成时铸件导轨底部出现凝固。
大型立柱铸件中，导轨主要用以导向并起到承载作用，在部件运动中，反复承受应力和摩擦力，导轨的质量在一定程度上决定了立柱的加工精度、工作能力和使用寿命，导轨的硬度和耐磨性决定导向精度能否长期保持。造型时将其置于铸件底部，以保证其致密性，在浇注时，需要依据内浇口位置、导轨中金属液流动方向、导轨厚度等因素选择合理的充型速度。充型速度过低，受到激冷的底部导轨表面易迅速冷却，形成冷隔、局部不融合等铸造缺陷。浇注速度过高，易对铸型产生冲刷，形成卷气、夹杂，且在来自导轨两端的高速合金液相互对冲的时候，造成铁液飞溅，液面波动而卷入杂质。所以需要选择合适的充型速度，确保导轨处顺利的充型。
2 立柱铸件凝固过程
铸件充型完成后，温度分布的整体特征是纵向为下部温度高于上部温度，横向为侧面温度高于中间温度，立柱的两端靠近高温浇道温度最高。结合温度分布特点凝固顺序整体也呈现为：纵向凝固大致从上向下，横向凝固为从中间到两端，最后凝固区域为立柱的两端位置同时也是最厚的部位。铸件整体的凝固时间较长，凝固速度随着时间的增加呈现越来越慢的趋势。
图3为截面凝固顺序及温度分布图，从图中可以看出铸件整体温度差较小，凝固过程中内部两端温度高于中间温度；凝固方式上同时凝固和定向凝固并存，最后凝固区域为立柱床身台阶底部，此位置壁厚较大，且台阶的存在影响冒口补缩，致使此处很有可能形成缩松缩孔缺陷。
3 缺陷预测及分析
当铸件收缩得不到补缩的时，铸件表面和内部会产生形状和大小不同的孔洞类缺陷，常见孔洞类缺陷有缩孔、缩松、和疏松等。铸件内部的缩孔强烈的降低铸件的强度和韧性，形成大量的微裂纹，本铸件属于大型加工立柱的立柱部分，工作时候反复受到冲击应力和震动，裂纹容易沿着细小的空洞和微裂纹不断延伸，所以必须要求铸件内部具备较高的致密性和较低的缩孔体积分数，以满足工件的使用性能。
缩孔主要分布位置是铸件底部厚大部位和靠近浇道的部位。底部厚大部位的缩孔产生是由于厚大处缩孔体积分数较大，石墨化膨胀不足以弥补该处的收缩，且底部距离冒口和浇道较远，难以受到外来金属液的补缩而形成缩孔。靠近浇道位置处的缩孔在铸件最顶端，受重力和静压力作用，该处液相对底部收缩弥补，而自身得不到其它部位金属液的弥补。
本文主要对铸件铸造充型和凝固过程中温度场、流场、速度场的变化过程的分析，研究在设计的工艺参数下铸件的成型过程，预测了产生缺陷的位置、大小、概率及生成机理。为得到最优的工艺方案和工艺参数，需要对铸件仿真过程进行多次实验模拟并反复比较，以便对工艺参数进行模拟研究，为企业工艺改进及参数优化提供依据。
参考文献
[1]李志博，袁洪志，等.大型立柱铸造工艺[J].铸造技术，2009（12）.
[2]杨敬伟.35MN快锻机立柱的铸造工艺设计[J].大型铸锻件，2012（4）.