特种铸造及有色合金２００８年第２８卷第１期
铸造模拟软件ＪＳＣＡＳＴ在挤压铸造中的应用
骆国建１
罗继相１
江玉华２
陈
云１
冯福贵３
（１．武汉理工大学物流工程学院；２．万丰奥特科技发展有限公司；３．温岭仪华仪表厂）
摘要以汽车空调器壳体尺寸为依据，建立铸件三维实体模型，结合实际生产工艺，运用ＪＳＣＡｓＴ软件对铸件成形过程进行计算机模拟。结果表明，铸件充填良好，无气孔缺陷发生，但在进口的端部到壳体的连接处因厚度差较大，易于产生缩孔（缩松）缺陷，这与实际生产情况相符。针对缺陷，提出移动浇道位置，使之尽量靠近缺陷部位，以强化浇道补缩效果；同时通过缩短型芯长度等措施优化零件结构。有效地避免了上述部位缩孔缺陷的发生，实现了利用计算机数值模拟来改进工艺方案，达到提高产品质量、获得优质挤压铸件的目的。关键词ＪＳＣＡｓＴ；挤压铸造；汽车空调器壳体；缩孔
中图分类号
ＴＧ２４９．２；ＴＰ３９１．９
文献标志码
Ａ文章编号
１００１—２２４９（２００８）０１—００２６一０３
产业的全球化导致了铸造产品竞争的日益激烈，铸造产业都在向高品质、高可靠性、质量轻、节能、低成本方向发展ｕｊ。挤压铸造在工业生产中得到了广泛的应用，已成为生产高品质铸造毛坯的重要手段［２］。但在挤压铸造生产过程中，由于多种因素的影响，往往会导致铸件产生冷隔、裂纹、缩孔、缩松等缺陷¨ｊ。这些缺陷的形成与铸造过程有着密切的关系，通过对铸造充填凝固过程的数值模拟解析，可以快速得出改进产品结构和生产工艺的措施，避免缺陷的发生［４］。ＪＳＣＡＳＴ软件是对熔融金属在铸型内的充填、流动、冷却、凝固等过程进行数值模拟的软件［５］。本课题运用ＪＳＣＡＳＴ软件对汽车空调器壳体挤压铸造工艺的充填和凝固过程进行了模拟分析，预测了可能发生的缺陷及其位置，结合模拟结果，提出了消除这些缺陷的方法。１
用增加／删除的网格修改方法将铸型部分的网格尺寸适当放宽，见图２。模拟中使用的铸件材料为ＡＣ４Ｃ，其物理性能参数分别为：密度妒＝２．６８０ｇ／ｃｍ３，比热容ｃ一
０．９６１４
Ｊ／（ｇ・℃），液相线温度为６１３℃，固相线温度
为５５７℃，导热系数尼一１．５５Ｊ／（ｃｍ・ｓ・ｏｃ），凝固潜热Ｈ一３８８．？４Ｊ／ｇ；铸型材料为ＳＫＤ６１，其物理性能参数为：密度ｐ一７．８００
ｇ／ｃｍ３，比热容ｃ—Ｏ．５４３
Ｊ／（ｇ・℃），导热系数尼一ｏ．２７２Ｊ／（ｃｍ・ｓ・℃）；计算中采用的浇注温度为６８０℃，模具预热２００℃，浇注速度
为Ｏ．５ｍ／ｓ。
ＪＳＣＡＳＴ的数学模型
ＪＳＣＡＳＴ对温度场（Ｆｏｕｒｉｅｒ方程）及流场（Ｎａｖｉｅｒ—
Ｓｔｏｋｅｓ方程和连续性方程）的数值计算，均采用直接差分法［６］。直接差分法与有限差分法相比，导入各种物理量和适应于各种边界条件的协调性较好；与有限元法相比，其数值离散化过程更简单且直观口１。流场与温度场的耦合，采用热焓法，凝固过程中，潜热的释放处理，采用温度回升法口舟］。另外，自由表面的移动推算，采用了独自开发的８法Ｌ１２
０｜。
图１零件的实体造型图２网格剖分
模拟过程及结果分析
３．１
充型过程
汽车空调器壳体的整个充填过程在ｏ．７４６ｓ内完
零件实体模型的建立与参数的确定
使用３Ｄ软件Ｐｒｏ／Ｅ对零件进行实体造型，见图１，
成，各时问充填状态见图３。
充型开始，金属液以较高的速度进入型腔，由于液
流向上的运动速度远远大于向四周扩散的速度，故刚开
然后以ＳＴＬ格式导入ＪＳＣＡＳＴ中进行铸型的定义及网格的剖分。为保证模拟的精度和计算的速度，选用等间隔的剖分方法将整体模型（铸件和铸型）剖为细网格，再
牧稿日期：２∞７
０９
１２
始液流向四周扩散的趋势不明显（见图３ａ）。但由于截
面积的迅速增大和重力作用，液流向上的速度降低，向
基金项嗣：交通部交通行业港口装卸重点实验室资助项目（２００５００３）
第一作者简介：骆国建，男，１９８４年出生，硕士研究生，武汉理工大学物流工程学院，武汉（４３００６３），电话：１３４７６０７７８２３，Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｕｏｇｕｏｊｉａｎ３＠１６３．ｃ。ｍ
２６
万方数据
一铸造模拟软件ＪｓｃＡｓＴ在挤压铸造中的应用
图３
骆国建等
壳体的充填状态
左右扩散速度增大，这样液流向上的趋势得到遏制，开始向四周扩散（见图３ｂ）。当液流完全覆盖底面后，液层开始逐步向上充填，该过程液流运动较为缓和，有助于气体的排出（见图３ｃ），图３ｄ为充填结束状态。
从整个充填过程来看，金属液是自底向上、逐步充满型腔的，而排气孔正好开在最后填充的部位，这样能
保证排气良好，从而大大降低了铸件内部产生气孔的可能性。
３．２
凝固过程
整个凝固时间耗时１０．７６５ｓ，各时段的部分凝固状
态见图４，其中空网格表示已经凝固的区域，而实体部位则表示铝合金仍处于液态或半固态，没有完全凝固。
（ａ）ｆ—Ｏ．４７５
ｓ
（ｂ）￡一２．３５２
ｓ
（ｃ）￡一３．１９５
ｓ
（ｄ）￡一５．Ｏｌ
７８
图４不同时段的凝固状态
凝固开始时，薄壁部位先凝固，靠近浇道部位后凝固，总体趋势为由四周向浇道的顺序凝固过程（图４ａ）。
２．３５２
着补缩的作用，在不影响整体质量的前提下，将浇道设置在靠近缩孑Ｌ缺陷的位置，将有助于消除缺陷；③优化零件结构，在不影响零件使用的基础上对零件结构进行优
化，使得壁厚尽量均匀，壁厚差大的部位尽量平滑过渡。
就本产品而言，由于结构所限，仅能在头部添加少许的几个浇道，经模拟，浇道冷却效果极不明显，不能达到消除缺陷的目的。同样单独运用第２种措施也不能
ｓ时，铸件头部与壳体相接处的薄壁部位开始凝
固，使顺序凝固通道变窄。３．１９５ｓ时通道完全隔断，铸件头部出现孤立的熔池，形成了潜在的缩孔或缩松发生
区。５．０１７ｓ时孤立熔池完全凝固，浇道部位开始凝固。
从整个凝固过程来看，凝固的整体趋势是由边缘向浇道方向的定向凝固方式，但零件头部与壳体相接部位出现了早期凝固，将金属液分为两个孤立的熔池，头部熔池得不到浇道的补缩，所以该部位存在着潜在的缩孔缺陷。从缩孔缺陷分析的断面图，可以看出缩孔缺陷发生的具体位置，见图５。
去除缺陷。经过多次反复模拟，发现第２和第３种措施
的结合是解决缺陷的最佳途径。对于图６中的１号区域，通过移动浇道位置来减慢其凝固速度，对于图６中２号区域，由于铸件头部中间孔还需机加工，其深度可调，所以将该孔深度减少３ｍｍ（见图７）。进行再次模
拟，发现此次模拟的凝固过程为比较理想的顺序凝固过程，头部出现的孤立熔池与浇道连在一起，从而消除了
缩孔缺陷，其凝固过程见图８。
图５缩孔（缩松）发生的部位
消除缺陷的措施有口卜１４］：①改进模具的冷却系统，通过添加冷却水道，使铸件头部在凝固通道凝固之前提前凝固，从而达到顺序凝固的目的；②移动浇道位置，对于挤压铸造来说，一般不会设置冒口，所以浇道就起
图６缩孔缺陷位置实体模型
图７实体模型结构的改进
万方数据
２７
——半固态加工——特种铸造及有色合金
２００８年第２８卷第１期
ＡＺ９１Ｄ镁合金触变铸造件热处理前后的组织与性能
王开刘昌明翟彦博（重庆大学机械工程学院）
摘要将降低浇注温度法制坯技术与压铸成形技术相结合，直接在压铸机中成功制备了摩托车发动机支架镁合金件。试验结果表明，半固态成形件试样微观组织是由孤岛状的未熔口一Ｍｇ相和由网状的次生口－Ｍｇ及７ＬＭｇ，，Ａｌ，。形成的共晶相组成，组织结构致密。经过Ｔ４处理以后，零件试样的硬度和抗拉强度分别降低了４．５％和３．１％；而经过Ｔ６处理之后，零件的硬度与抗拉强度比没有热处理的试样提高了３０．１％和１４．ｏ％；两种热处理工艺均使材料的伸长率比没有热处理的试样分别提高１７．６％和４０．５％。
关键词半固态；ＡＺ９１Ｄ镁合金；触变铸造；微观组织；力学性能中图分类号
ＴＧ２４９．２；ＴＧｌ４６．２＋２
文献标志码Ａ文章编号１００１～２２４９（２００８）０１一００２８一０３
镁合金被广泛用作结构零件，尤其是汽车零部件［１］。镁合金压铸，在成形厚大铸件时存在孔洞缺陷，从而降低了零件的力学性能［２’３］。半固态高压成形能够避免此类缺陷，可以通过热处理改善零件内部组织结构，提高力学性能［４’５］。
从２０世纪７０年代半固态金属成形技术提出开始，人们对半固态成形技术过程中料坯的制备技术、重熔工艺、重熔过程中的组织演化以及半固态合金浆料的触变性和微观组织之间的关系等方面的研究都较多瞄￣１¨，北京有色金属研究总院等采用半固态成形技术制备铝合金汽车与摩托车零件［１２’１３］，则是半固态成形技术的
实际应用。镁合金作为轻型结构材料，其成形技术受到人们的重视。本课题采用新的半固态坯料制备方法，结
合现有的压铸设备成形摩托车发动机支架镁合金件，对半固态压铸镁合金摩托车发动机支架热处理前后微观
组织结构、力学性能进行了研究。１
１．１
试验过程
试验材料
试验采用的材料是ＡＺ９１Ｄ铸造镁合金，其合金成
分见表１，其液相线和固相线温度分别为５９６℃和
４６８℃．
收稿日期：２００７一０９２６
第一作者简介：王开，男，１９７６年出生，博士研究生，重庆大学机械工程学院，重庆（４０００４４），电话：０２３—６０６１７３１８，Ｅ—Ｍａｉｌ：ｗａｎｇｋａｉ．ｃｋｎａ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ
（ｂ）￡一２．００７
ｓ
（ｃ）￡一３．１５６
ｓ
图８改进后的模拟结果
Ｚ００６（９）：９２—９４．
４
结语
以ＪＳＣＡＳＴ软件为工具对汽车空调器壳体的挤压
［５］大中逸雄．了二／匕＝一夕信熟・凝固解析入朗一铸造７０口七灭～ｏ
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孙小波，安阁英．用直接差分法实现铸件凝固进程三维数值模拟及软件研究［Ｊ］．铸造，１９９６（８）：２３［８］［９］［１０］
参
考
文
献
２６．
铸造过程进行了计算机数值模拟，通过对模拟结果和铸件内部产生的缩孔缺陷的分析，提出了改变浇道位置与优化零件结构相结合的解决措施，实现了利用计算机数值模拟来改进工艺方案，提高产品品质的目的。
荆涛凝固过程数值模拟［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００２，熊守美．铸造过程模拟仿真［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．
ＺＨＵＪＤ，０ＨＮＡＫＡＩ．Ｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆ
ｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅＥｄｂｙ
ｆｒｅｅ
ｓｕｒｆａｃｅｂｏｕｎｄａｒｖｃｏｎｄｉ—
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｍｏｌｄ
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Ｌ４］张良，赵旭平．计算机模拟技术在铸造中的应用［Ｊ］．石油机械，
（编辑：张正贺）
２８
万方数据
铸造模拟软件JSCAST在挤压铸造中的应用
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
骆国建， 罗继相， 江玉华， 陈云， 冯福贵， Luo Guojian， Luo Jixiang， JiangYuhua， Chen Yun， Feng Fugui
骆国建,罗继相,陈云,Luo Guojian,Luo Jixiang,Chen Yun(武汉理工大学物流工程学院)，江玉华,Jiang Yuhua(万丰奥特科技发展有限公司)， 冯福贵,Feng Fugui(温岭仪华仪表厂)特种铸造及有色合金
SPECIAL CASTING & NONFERROUS ALLOYS2008,28(1)7次
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引用本文格式：骆国建.罗继相.江玉华.陈云.冯福贵.Luo Guojian.Luo Jixiang.Jiang Yuhua.Chen Yun.FengFugui 铸造模拟软件JSCAST在挤压铸造中的应用[期刊论文]-特种铸造及有色合金 2008(1)