基于ProCAST的拖车连杆头铸造工艺优化研究

　　0　引　言

　　当前,铸件充型凝固过程数值模拟是最具竞争力的铸造工艺研究方法。通过充型凝固过程的数值模拟,可以预测铸造缺陷,优化铸造工艺参数,确保铸件质量,缩短试制周期,降低生产成本[1]。

　　本研究利用该方法对拖车连杆头铸件进行工艺优化,以得到高质量的铸件。

　　1　铸件特点及原工艺介绍

　　拖车连杆头铸件是一个复杂小型铸件。铸件长160 mm,宽110mm,高210mm,重量9. 6 kg,铸件结构如图1(a)所示。从图中可以看出:该铸件外形多为光滑曲面,下部环与法兰底部过渡部分表面结构复杂,铸件空腔较大,壁厚不均匀,上部薄,中部厚。最大壁厚为40 mm,最小壁厚仅为10 mm。在铸件的法兰根部容易形成热节。

　　为提高工艺出品率,并保证铸件有一定的质量,原工艺采用了一箱两件的方式,浇注系统为阶梯型浇注，因为熔模铸造通常不方便放置冒口和冷铁,对铸件的补缩也要利用浇道来进行。其工艺如图1(b)所示,工艺出品率能达到68%。

　　2　铸造数值模拟的前处理

　　2. 1　模型转换与网格划分

　　本研究利用Pro/E软件进行三维造型,然后通过专用的接口文件Parasolid格式,将实体模型数据在MeshCAST中实现转换,并由该模块进行有限元网格的划分[2]。有限元网格模型如图2所示。

　　2. 2　热物性参数的设置

　　铸造过程数值模拟的准确与否,与热物性参数密切相关。铸件凝固过程的热物性参数的值多随温度的变化而变化,反映到数值模拟方程中,表现为每一时间步长都可能包含多个物性值,如果没有一个准确的热物性参数,很难保证模拟结果的准确性[3]。

　　DataCAST中的参数数据库主要包括:材料数据库(MaterialDatabase)、界面换热系数数据库( InterfaceDatabase)和边界条件数据库(BoundaryDatabase)[4]。

　　铸件所使用的材料为优质碳素结构钢25Mn,查阅相关资料[5]可得到对应的美国牌号为ASTM/AISI1026,ProCAST材料库对此材料建立了完整的热物性参数值数据库,其热物性参数分别如表1~表3所示。

　　(1)导热系数如表1所示。

　　(2)密度如表2所示。

　　(3)比热容如表3所示。

　　(4)固相线、液相线温度。固相线温度为1 494.85℃,液相线温度为1 524.85℃,碳素钢的结晶范围区间相对较窄,△T=30℃。

　　(5)固相率。碳素钢的固相率是由固相线温度和液相线温度所决定的。当为固相线温度(1 494.85℃)时,固相率fs=1;当为液相线温度(1 524. 85℃)时,固相率fs=0。

　　(6)凝固潜热为277 kJ/kg。