熔模鑄造某不銹鋼壓力閥鑄件研究分析報告
熔模鑄造某不銹鋼壓力閥鑄件研究分析報告
一、鑄件實際生產缺陷分析
在不銹鋼壓力閥的實際生產過程中，往往存在許多因素影響著鑄件的成型質量，從已生產的帶缺陷鑄件的樣品上分析可見（如圖1），鑄件在壓力閥閥壁轉角處存在縮松缺陷（如圖2），嚴重影響其成型質量，造成產品不合格。
二、對不銹鋼閥體的成型過程進行仿真分析
1、壓力閥的三維模型
彎管接頭的包容尺寸為長186mm120mm186mm，兩斷面的平均厚度為12.5mm。材料為304不銹鋼。彎管接頭的三維模型如圖3示：
2、將不銹鋼壓力閥導入PROCAST 2019中進行仿真分析
2.1網格劃分及邊界條件
采用任意澆注系統，將該不銹鋼回轉體壓力閥的模型文件導入PROCAST的Mesh模塊中，對其進行網格質量檢測，全局網格單元尺寸設置為4，生成116162個面網格，添加6mm型殼后在面網格基礎上生成了666312個體網格。前處理面網格劃分情況及型殼生成情況如圖4、5所示。
切換到cast模塊，設置仿真模擬參數，材料鑄件選擇為304不銹鋼、型殼材料選擇為鋯石砂。初步設定澆注溫度為1550℃，型殼預熱溫度為1150℃，采用重力填充。界面換熱系數選擇COINC類型，換熱系數可由下面公式求得，經計算和綜合考慮取304不銹鋼與鋯石砂的界面換熱系數為Q=500W/(m2?K)
式中：Ta——環境溫度
ε——材料反射率
h——對流換熱系數
σ——Stefan Bolzman常數
2.2 充型過程數學模型
304不銹鋼熔融金屬液體的充型過程是不可壓縮的流體在型殼內非定常粘性流動過程，可用連續方程、動量守恒方程、能量守恒方程、體積函數方程來描述。
連續方程：
ux、uy、uz為流動速度在X、Y、Z上的分量。
動能守恒方程用Navier-Stokes方程描述，紊亂計算采用了標準k-ε模型。
其中：
ρ——流體密度
t——時間
P——單位密度壓力
μ——運動粘度
g——重力加速度
能量守恒方程：
其中：
C——比熱
K——導熱系數
T——溫度
體積函數方程：
其中：
F——體積函數
F=1（充滿狀態），F=0（空格狀態），0<F<1自由表面。
2.3 304不銹鋼金屬液體凝固過程數學模型
一般介于不銹鋼的凝固采用非線性傳熱有限元計算凝固過程。其傳導方程為：
結合理論知識，分析不銹鋼在熔模鑄造過程中凝固特點和的散熱特點，采用熱焓法進行凝固潛熱的處理。
2.4填充過程
基于有限元的PROCAST仿真填充過程如圖所：分別為填充20%（圖6）、50%（圖7）、80%（圖8）、100%（圖9）時的溫度分布情況。
2.5凝固過程
不銹 鋼液壓閥鑄件的凝固過程由圖10、11、12、13可知：
2.6仿真結果及缺陷分析
三、理論分析及澆注系統優化
熔模鑄造不銹鋼壓力閥零件是一種復雜的多因素交互作用的生產過程，合理的澆注系統設計不僅影響著鑄件的凝固、收縮和冷卻時的溫度場分布，還負責金屬液體的分配和進入型殼的狀態，澆注系統設計的好壞與鑄件是否產生缺陷有很大關系，所以從理論著手考慮縮孔產生的原因，并加以改善是優化收縮缺陷的基本手段。
3.1預測縮孔形成的原因
鑄件在凝固過程中，由于合金的液態收縮和凝固收縮，往往在鑄件凝固的部位出現孔洞容積大而集中得孔洞稱為集中縮孔，細小而分散的孔洞稱為分散性縮孔。根據縮孔位置不同，縮孔又分為內縮孔和凹角縮孔。結合上述分析，可知壓力閥的鑄造過程中出現的缺陷主要是凹角縮孔。
產生原因主要有以下幾點：
（1）鑄件的結構不合理。
（2）鑄件凹處的散熱條件差。
防止該類縮孔形成的方法一般有以下幾種：
（1）改進鑄件的結構，適當地加大凹處的圓角。
（2）改善鑄件凹角處的散熱條件。
（3）合理設置澆注系統，改善凹角處補縮條件。
經過分析，對鑄件結構進行更改和加大散熱條件實施困難不易實現，故考慮對鑄件的澆注系統進行合理設計。
3.2設計澆注系統
澆注系統一般由澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道、冒口組成。
3.2.1確定澆注位置
鑄件的澆注位置是指澆注時鑄件在型內所處的位置，澆注位置的確定是鑄造工藝設計中的重要一環，關系到鑄件的質量能否得到保證，也涉及鑄件尺寸精度及造型工藝過程。結合回轉體壓力閥的結構特殊性，在鑄件任意兩端面同側設置澆口，另一端面就有很大可能出現縮松或者縮孔，故將內澆口在鑄件兩端面各設置一個，避免鑄件在轉角處形成較大縮松縮孔缺陷，同時，這樣的設計也保證了鑄件的重要加工面應朝下或呈側立面的設計要求。
3.2.2選擇澆注系統的類型和結構
按內澆口在鑄件的相對位置來分，此次不銹鋼壓力閥的澆注形式為頂注式，采用頂注式澆注形式的原因主要有以下兩點：
（1）頂注式的澆注形式致使鑄件所形成的溫差與一般鑄件由底部開始逐漸向上的凝固順序一致，能加強凝固的順序性，有利于頂部澆冒口對鑄件的補縮，可減小軸向縮松的傾向。
（2）從頂部往底部充型的填充方式，易于鑄件的充滿，可減少鑄件澆不足、冷隔等缺陷。
圖15 澆注系統的結構
圖16 鑄件與澆注系統
內澆道的橫截面形狀一般有矩形、圓形、環形、扇形、縫隙式等。結合鑄件結構，考慮壓力閥在端面存在八個螺紋孔的特點，故采用扇形內澆道橫截面積較為合理，根據設計原則，內澆道的長度應在便于切割的前提下，越短越好，一般為10～15mm，為保證切割方便，將扇形內澆道長度設計為12mm.兩側端面各布置一條內澆道，故內澆道的數量為2，內澆道的布置形式如圖17。
圖17 內澆道
四、對優化后的彎管接頭進行仿真分析
根據所設計的澆注系統，創建鑄件及澆注系統的的三維模型，將其導入到PROCAST中進行缺陷預測，對導入的模型進行網格劃分，為了提高計算結果的準確性，單元網格密度設置為4，總的面網格數量為147072個（圖18），畫出型殼后進行體網格劃分，總的體網格數量為785303個（圖19）。
圖18 面網格劃分
圖19 型殼體網格劃分
進入cast模塊，設置相關工藝參數，重力方向為-Z，材料屬性為合金，編輯材料為304不銹鋼，型殼材料為鋯石砂，澆注溫度對鑄件的影響也較大，經過多次調整仿真試驗，試驗結果顯示，當澆注溫度為1580℃時，鑄件的縮松縮孔情況能得到較大程度改善。澆注前，型殼需進行預熱處理，考慮到型殼預熱溫度的高低也會影響鑄件成型質量，故將型殼預熱溫度調整為1220℃，有利于降低鑄件內部縮松縮孔缺陷。不考慮輻射換熱，冷卻形式為風冷，不銹鋼與膜殼的界面換熱系數為500 W/(m2?K)，澆注過程中溫度場分布、凝固過程如下圖：分布為填充到20%時溫度場分布情況（圖20）、填充50%時溫度場分布情況（圖21）、填充80%時溫度分布情況（圖22）、填充100%時溫度分布情況（圖23），填充完成后冷卻時溫度情況（圖24）。
圖24 冷卻時溫度場
凝固過程如圖25~28所示，分別為鑄件在凝固10%、30%、50%、100%時的狀態圖，從凝固過程上來看，在金屬液冷卻時，各處的金屬液都有較好的填充，且凝固順序基本一致，凝固順序基本由中心向兩個澆口方向凝固，鑄件凝固過程中無明顯孤立液相區。
圖27 凝固50%
圖28 凝固100%
金屬液在型腔內的填充動態情況如下圖29。
從仿真結果可以看出，在原壓力閥轉角處易發生縮孔的部位縮孔基本消除，優化效果較為明顯，圖（33a、b）是優化前后縮松縮孔情況對比。
五、不銹鋼壓力閥縮孔缺陷優化方法
第1步：分析產生縮孔缺陷的可能原因。形成縮孔的基本原因是合金在液態收縮和凝固時，鑄件某部位(通常是凝固的熱節)不能及時得到金屬液的補縮，就在該處產生縮孔。對于共晶合金或凝固溫度范圍較窄的合金，其鑄件容易產生縮孔。在合金成分已定時，熱節過多、過大，澆冒口系統設計不當，不利于順序凝固，導致熱節處不能得到液態金屬的補縮，或澆注溫度過高也可導致縮松縮孔。
第2步：重新優化設計澆注系統。改變鑄件結構、改進熔煉工藝等其它優化方法或許對修復縮孔缺陷有幫助，但是結構現有條件的實際情況，及方案實施的難易程度，從優化澆注系統入手來消除壓力閥的縮孔缺陷是較為可行的方法。
第3步：確定澆注系統的布置形式和尺寸參數。合理確定澆注位置，并設計出一套完整的澆注系統，嚴格按照設計要求設置內澆口、直澆道、橫澆道、澆口杯、緩沖器，并根據設計要求確定其尺寸參數。
第4步：調整工藝參數進行模擬分析。適當調整不銹鋼金屬液的澆注溫度為1180℃，澆注速度為1kg/s，型殼預熱溫度為1120℃，設置金屬液填充的重力方向，檢查各參數是否設置正常，進行仿真運算。
第5步：仿真結構分析。對Procast仿真結果進行分析，在縮松縮孔率一欄查看縮松縮孔率為2%時，即致密度達98%時的鑄件縮孔情況，并通xy、xz、yz方向的切片圖查看鑄件是否有縮孔缺陷。
六、結論
根據上述分析及仿真結果可以得出以下結論：
（1）由于壓力閥的結構具有回轉體特性，將內澆道設置在一側極易造成另一側閥體轉角處出現縮松縮孔缺陷，建議在設置內澆道時保持兩端面對稱分布的特點。
（2）金屬液在進入型腔后的流動性好壞會影響鑄件的成型質量，在仿真過程中，將澆注溫度從1550℃調整到1580℃時金屬流動性變好，鑄件轉角處補縮情況改善，縮孔率減小。
（3）鑄件在優化后的凝固過程中，型腔內金屬液順序凝固，且無明顯熱節、孤立液相區出現，凝固完成后，壓力閥無明顯縮松縮孔現象。
