原标题：镁合金隔板铸件低压铸造工艺数值模拟

镁合金隔板铸件作为水下兵器的组成部分，对铸件性能有着严格的要求。镁合金因较低的密度在轻量化材料中具有较高的优势。传统的砂型铸造造型困难、不易清砂、难以保证铸件的尺寸精度及表面粗糙度，而低压铸造能够保证在充型过程中金属液的平稳充型,减少缺陷产生，生产出尺寸精度较高的铸件。采用低压铸造工艺，满足隔板性能需求，能更好地保证铸件的品质。

传统铸造工艺设计主要依靠实际经验，尤其是复杂件，需要反复试模，修改铸造工艺，需要花费较多的人力物力。随着计算机技术的发展，数值模拟技术在铸造生产中的应用越来越广泛。对铸造过程模拟的网格划分方式和求解算法也有了长足的进展，从最初的差分网格,再到四面体网格、自适应六面体网格甚至混合网格。当前，ProCAST、FLOW-3D、MAGMA以及NovaCast等铸造软件已得到广泛应用。自主开发的EasyCast是一套集三维实体造型文件接口、计算网格剖分、铸造过程仿真、铸造缺陷预测及结果VTK显示为一体的集成软件系统。
利用EasyCast软件和NovaCast软件，针对低压铸造镁合金隔板中缺陷的产生部位和特点进行模拟分析，研究其缺陷产生的机理，并通过对低压铸造工艺设计的改进，消除铸造缺陷，改善镁合金隔板铸件的品质。

图文结果

图1为镁合金隔板铸件实体模型及浇注系统。铸件直径为314.8mm, 最小壁厚为7.2mm, 顶端有直径约为30mm的冒口。可以看出，隔板属于大平板薄壁铸件，采用低压铸造工艺生产，浇注系统见图1b。在计算中对最小壁厚都保证2～3层网格，因此，选用4mm作为网格尺寸，对应网格数量约为160万个，以保证数值模拟计算的准确性。

图1 铸件实体模型及浇注系统

表1 ZM5合金的化学成分（%）

图2 EasyCast凝固过程温度场模拟

图3 NovaCast凝固过程温度场模拟

图4 缩孔缺陷位置预测

图5 冷铁设置

可以看出，缩孔存在于铸件顶端。两款软件的模拟结果基本一致，缩孔产生的位置大致相同，而且都没有完全集中于冒口处，不同的是缩孔的形状尺寸。从图4a可以看出，铸件顶端的缩孔呈现上小下大的形貌，而图4b呈现上大下小的状态。为了解决缩孔问题，考虑在铸件顶端设置冷铁，从而改变其凝固速度，形成顺序凝固使缩孔集中于顶端冒口处，提高过冷度，增加更多的晶核，细化晶粒尺寸。通过分析得知，缩孔产生于铸件顶端，为了增强补缩能力，添加冷铁。已知铸件顶端设置了直径约为30mm的冒口，于是设置冷铁将铸件顶端凸起处上下包围，上表面放置约8mm的冷铁，下表面放置12mm厚的冷铁，并且在隔板四周下端添加冷铁，尽可能使缩孔集中于冒口处，以避免铸件缩孔，见图5。

图6 EasyCast凝固过程温度场模拟

图7 Novacast凝固过程温度场模拟

图8 缩孔缺陷预测位置

(1)在凝固温度场模拟过程中，发现镁合金隔板铸件的圆形薄壁处先于顶端壁厚部分凝固，EasyCast和NowaCast两款软件的模拟，都得到了初始方案在铸件顶端可能形成缩孔缺陷。

(2)采用EasyCast和NowaCast软件对镁合金隔板缩孔预测，结果是隔板顶端存在缩孔缺陷，添加冷铁将缩孔的位置集中于冒口顶端，且缩孔尺寸减小。但由于边界条件、充型参数、网格计算方式不同，导致在缩孔预测时存在着尺寸上的微小差异。

(3)通过在镁合金隔板添加冷铁改进了工艺，改善凝固过程，保证了铸件的品质。

本文作者：

李静怡1 赵宇宏1 陈利文1 牛晓峰2 侯华1

1.中北大学材料科学与工程学院；2.太原理工大学材料科学与工程学院

本文转载自：《特种铸造及有色合金》