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1 引言
低壓鑄造是一種精確鑄造成型工藝方法，由于其壓力可控，充型比較平穩(wěn)，且在壓力下凝固而越來越適合于生產(chǎn)內(nèi)部質(zhì)量和尺寸精度要求較高的鋁鎂合金鑄件。鑄造過程數(shù)值模擬的目的主要在于優(yōu)化生產(chǎn)工藝，使鑄件的各種性能滿足使用要求，而微觀組織直接決定著鑄件的力學(xué)性能，因此模擬鑄件微觀組織具有重要意義[1]。
本文針對低壓鑄造的某鋁硅合金鑄件，以鑄造專業(yè)仿真軟件PorCAST為工具，對該鑄件晶粒結(jié)構(gòu)形成過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬過程描述如下：首先假設(shè)充型過程瞬間完成，對多個(gè)循環(huán)周期模擬得到處于熱平衡狀態(tài)的模具溫度場；然后以平衡態(tài)的模具溫度場為模具的初始條件，模擬該鑄件的充型過程；最后利用CAFE方法以型腔剛充滿時(shí)刻為初始時(shí)刻模擬該鑄件的晶粒結(jié)構(gòu)形成過程。
2 模型的建立及求解條件
2.1 模型的建立
在I-DEAS軟件中完成幾何建模，劃分表面網(wǎng)格后以UNV格式輸出，在MeshCAST模塊完成體網(wǎng)格劃分。有限元模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為64119，單元數(shù)為322883，其中鑄件節(jié)點(diǎn)數(shù)為16690，單元數(shù)為75187。鑄件和模具的有限元模型參見圖1。
圖1（a）下模的有限元模型 圖1（b）上模的有限元模型 圖1（c） 鑄件的有限元模型
2.2 材質(zhì)屬性
鑄件材質(zhì)A380，模具材質(zhì)H13，熱物性參數(shù)采用ProCAST材料庫提供的參數(shù)。
2.3 其它參數(shù)
在低壓鑄造成型條件下，鑄造過程是一個(gè)周期性的循環(huán)生產(chǎn)過程。每一生產(chǎn)周期又可分為不同的操作階段，在各操作階段模具被不斷的加熱和冷卻。經(jīng)過一定周期循環(huán)后，每個(gè)周期模具吸收的總熱量和釋放的總熱量相當(dāng)，達(dá)到熱平衡狀態(tài)。這時(shí)才能穩(wěn)定生產(chǎn)。一個(gè)完整的低壓鑄造周期包括以下操作：合模、充型、保壓凝固、卸壓凝固、冷卻、開模等。本文對低壓工藝的循環(huán)過程描述如表1，為了簡化計(jì)算過程，不考慮升液階段，并且在計(jì)算平衡態(tài)的模具溫度場時(shí)假設(shè)充型瞬間完成。壓力時(shí)間曲線如圖2。
表1 低壓工藝的循環(huán)過程描述
圖2 壓力-時(shí)間曲線
在傳熱計(jì)算過程中，要考慮鑄件與模具間的換熱，模具外表面與環(huán)境間的換熱，開模后模具內(nèi)表面與環(huán)境間的換熱及模具內(nèi)表面與涂料間的換熱，對以上換熱系數(shù)分別設(shè)為2000 W/M2/℃、100 W/M2/℃、500 W/M2/℃和3000 W/M2/℃。環(huán)境和涂料的初始溫度均為25℃。鑄件和模具的初始溫度分別為685℃和150℃。
計(jì)算平衡態(tài)的模具溫度場時(shí)，假設(shè)充型過程瞬間完成，計(jì)算15個(gè)循環(huán)周期。
模擬充型過程時(shí)，在澆口處施加速度邊界條件，以平衡態(tài)的模具溫度場為模具的初始條件，其他條件不變，僅計(jì)算一個(gè)循環(huán)周期。
模擬晶粒結(jié)構(gòu)時(shí)，采用ProCAST的CAFE模塊[2，3]。該方法采用連續(xù)形核的方法處理液態(tài)金屬的異質(zhì)形核現(xiàn)象，采用高斯分布函數(shù)描述形核質(zhì)點(diǎn)密度隨溫度的分布關(guān)系，晶粒生長模型考慮枝晶尖端生長動(dòng)力學(xué)和擇優(yōu)生長方向[4-6]。以型腔剛充滿時(shí)刻為初始時(shí)刻，CA參數(shù)設(shè)置如表2所示。
表2 CA參數(shù)設(shè)置
3 結(jié)果與分析
3.1 平衡態(tài)的模具溫度場
圖3為模具上某些點(diǎn)經(jīng)15次循環(huán)的溫度時(shí)間歷程曲線。可看出經(jīng)歷8次循環(huán)以后，曲線大致呈周期性變化，說明模具基本達(dá)到熱平衡狀態(tài)，即在一個(gè)周期內(nèi)模具吸收的熱量與釋放的熱量相當(dāng)；在每一周期內(nèi)，部分點(diǎn)的溫度有明顯的升高然后降低，而部分點(diǎn)的溫度變化非常不明顯，進(jìn)一步對照這些點(diǎn)在模具上的位置，發(fā)現(xiàn)僅在型腔附近的區(qū)域溫度隨時(shí)間變化較大，說明模具在型腔附近存在一個(gè)“瞬態(tài)層”
圖3 模具上某些點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線
3.2 充型過程模擬
圖4（a）-（d）為充型過程中不同時(shí)刻的速度矢量圖。從圖中可看出，充型時(shí)金屬液分三股填充型腔，大多數(shù)金屬液從鑄件頂部向四周擴(kuò)展，少量的金屬液沿鑄件邊沿弧形流動(dòng)，在最后填充的區(qū)域形成小的漩渦，易發(fā)生卷氣，因此在上模對應(yīng)位置應(yīng)設(shè)置排氣孔。采用粒子跟蹤法發(fā)現(xiàn)金屬液中密度較小的夾雜物最終可以運(yùn)動(dòng)到溢流槽中，這與實(shí)際情況一致。
3.3 晶粒結(jié)構(gòu)模擬
由于CA單元長度在微米數(shù)量級，因此在模擬過程中僅取所關(guān)心區(qū)域的較小體積進(jìn)行計(jì)算，否則計(jì)算時(shí)間不可接受（在上面的設(shè)定中，計(jì)算體積僅為1mm3，但CA單元數(shù)已達(dá)到八百萬）。本次計(jì)算中，對5塊小區(qū)域的微觀組織進(jìn)行了計(jì)算，限于篇幅，僅給出鑄件頂部中心位置的結(jié)果。由圖5可看出晶粒的形狀與邊界，紅點(diǎn)表示粒子的核心；由圖6可知晶粒的大小分布；由圖7可知晶粒生長時(shí)晶向選擇的分布；由圖8可知粒子形狀的分布。
4 結(jié)論
（1）對低壓鑄造連續(xù)生產(chǎn)過程的模擬，應(yīng)首先得到處于熱平衡狀態(tài)的模具溫度場；
（2）在低壓鑄造充型過程中，壓力規(guī)范對金屬液的流動(dòng)形式影響最大；
（3）通過對鑄件微觀組織模擬技術(shù)的研究，確定CAFE是一種有效模擬晶粒結(jié)構(gòu)的方法；
（4）采用CAFE方法模擬某鋁硅合金鑄件的晶粒結(jié)構(gòu)，得到了該鑄件的晶粒結(jié)構(gòu)分布、晶粒度和平均半徑等結(jié)果，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。
參考文獻(xiàn)
[1] 柳百成等編著.鑄造工程的模擬仿真與質(zhì)量控制[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2001.
[2] UES Software. Pro/Cast User Manual.
[3] CalcoSoft 3D Stochastic Modelling of Microstructures User Manual.
[4] Ch.A.Gandin,M.Rappaz. A Three-Dimensional Cellular Automaton- Finite Element Model for the Prediction of Solidfication Grain Structures[J],metallurgical and Materials Transactions, 1999,Vol.30,No.10:pp.3153-3165.
[5] M.Rappaz, Ch.A.Gandin. Probablistic Modelling of Microstructure Formation in Solidfication Processes[J]. Acta metall,1993,Vol.41,No.2:pp.345-360.
[6] Ch.A.Gandin,M.Rappaz.A Coupled Finite Element-Cellular Automaton Model for the Prediction of Dendritic Grain Structures in Solidfication Processes[J]. Acta metall, 1994,Vol.42,No.7:pp.2233-2246.
