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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，且在壓力下凝固而越來越適合于生產內部質量和尺寸精度要求較高的鋁鎂合金鑄件。鑄造過程數值模擬的目的主要在于優化生產工藝，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，以鑄造專業仿真軟件PorCAST為工具，對該鑄件晶粒結構形成過程進行了數值模擬。模擬過程描述如下：首先假設充型過程瞬間完成，對多個循環周期模擬得到處于熱平衡狀態的模具溫度場；然后以平衡態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刻為初始時刻模擬該鑄件的晶粒結構形成過程。

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，劃分表面網格后以UNV格式輸出，在MeshCAST模塊完成體網格劃分。有限元模型的節點數為64119，單元數為322883，其中鑄件節點數為16690，單元數為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 材質屬性

鑄件材質A380，模具材質H13，熱物性參數采用ProCAST材料庫提供的參數。

2.3 其它參數

在低壓鑄造成型條件下，鑄造過程是一個周期性的循環生產過程。每一生產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。經過一定周期循環后，每個周期模具吸收的總熱量和釋放的總熱量相當，達到熱平衡狀態。這時才能穩定生產。一個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過程描述如表1，為了簡化計算過程，不考慮升液階段，并且在計算平衡態的模具溫度場時假設充型瞬間完成。壓力時間曲線如圖2。

表1 低壓工藝的循環過程描述

圖2 壓力-時間曲線

在傳熱計算過程中，要考慮鑄件與模具間的換熱，模具外表面與環境間的換熱，開模后模具內表面與環境間的換熱及模具內表面與涂料間的換熱，對以上換熱系數分別設為2000 W/M2/℃、100 W/M2/℃、500 W/M2/℃和3000 W/M2/℃。環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℃。

計算平衡態的模具溫度場時，假設充型過程瞬間完成，計算15個循環周期。

模擬充型過程時，在澆口處施加速度邊界條件，以平衡態的模具溫度場為模具的初始條件，其他條件不變，僅計算一個循環周期。

模擬晶粒結構時，采用ProCAST的CAFE模塊[2，3]。該方法采用連續形核的方法處理液態金屬的異質形核現象，采用高斯分布函數描述形核質點密度隨溫度的分布關系，晶粒生長模型考慮枝晶尖端生長動力學和擇優生長方向[4-6]。以型腔剛充滿時刻為初始時刻，CA參數設置如表2所示。

表2 CA參數設置

3 結果與分析

3.1 平衡態的模具溫度場

圖3為模具上某些點經15次循環的溫度時間歷程曲線。可看出經歷8次循環以后，曲線大致呈周期性變化，說明模具基本達到熱平衡狀態，即在一個周期內模具吸收的熱量與釋放的熱量相當；在每一周期內，部分點的溫度有明顯的升高然后降低，而部分點的溫度變化非常不明顯，進一步對照這些點在模具上的位置，發現僅在型腔附近的區域溫度隨時間變化較大，說明模具在型腔附近存在一個“瞬態層”

圖3 模具上某些點的溫度時間歷程曲線

3.2 充型過程模擬

圖4（a）-（d）為充型過程中不同時刻的速度矢量圖。從圖中可看出，充型時金屬液分三股填充型腔，大多數金屬液從鑄件頂部向四周擴展，少量的金屬液沿鑄件邊沿弧形流動，在最后填充的區域形成小的漩渦，易發生卷氣，因此在上模對應位置應設置排氣孔。采用粒子跟蹤法發現金屬液中密度較小的夾雜物最終可以運動到溢流槽中，這與實際情況一致。

3.3 晶粒結構模擬

由于CA單元長度在微米數量級，因此在模擬過程中僅取所關心區域的較小體積進行計算，否則計算時間不可接受（在上面的設定中，計算體積僅為1mm3，但CA單元數已達到八百萬）。本次計算中，對5塊小區域的微觀組織進行了計算，限于篇幅，僅給出鑄件頂部中心位置的結果。由圖5可看出晶粒的形狀與邊界，紅點表示粒子的核心；由圖6可知晶粒的大小分布；由圖7可知晶粒生長時晶向選擇的分布；由圖8可知粒子形狀的分布。

4 結論

（1）對低壓鑄造連續生產過程的模擬，應首先得到處于熱平衡狀態的模具溫度場；
（2）在低壓鑄造充型過程中，壓力規范對金屬液的流動形式影響最大；
（3）通過對鑄件微觀組織模擬技術的研究，確定CAFE是一種有效模擬晶粒結構的方法；
（4）采用CAFE方法模擬某鋁硅合金鑄件的晶粒結構，得到了該鑄件的晶粒結構分布、晶粒度和平均半徑等結果，與實驗結果符合較好。

參考文獻
[1] 柳百成等編著.鑄造工程的模擬仿真與質量控制[M].機械工業出版社，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.