當(dāng)今世界，鑄造模擬仿真軟件是任何一個(gè)興盛的鑄造廠的必備技術(shù)工具。在全球市場(chǎng)上有很多鑄造工藝模擬軟件，主要功能是模擬金屬液流動(dòng)、凝固過(guò)程，以及在凝固冷卻過(guò)程中鑄件的機(jī)械性能和應(yīng)力，提前預(yù)測(cè)鑄造工藝缺陷。目前全球最好的三個(gè)鑄造模擬軟件分別是MagmaSoft、Novacast和Procast。在鑄造產(chǎn)品試生產(chǎn)階段，使用這些鑄造模擬軟件能夠節(jié)省大量時(shí)間和成本，并可以使技術(shù)人員更深入的了解金屬液在模具型腔中流動(dòng)和凝固情況。

本文主要工作集中在MagmaSoft與Novacast這兩款軟件的模擬結(jié)果精度對(duì)比上。主要目的是使用相同的鑄件，從結(jié)果的準(zhǔn)確性方面比較兩個(gè)模擬軟件在金屬液流動(dòng)、凝固以及預(yù)測(cè)缺陷等仿真結(jié)果。仿真結(jié)果對(duì)比表明，金屬液在模具型腔中流動(dòng)、凝固過(guò)程、鑄造缺陷的發(fā)生和機(jī)械性能等方面，Novacast軟件模擬結(jié)果精確可靠。下一個(gè)目標(biāo)是比較技術(shù)人員使用兩個(gè)模擬軟件的時(shí)間消耗，這也是準(zhǔn)備模擬、模擬計(jì)算和評(píng)估所獲得結(jié)果的必要條件。

1、 引言

對(duì)于今天的鑄造廠來(lái)說(shuō)，模擬軟件的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。使用鑄造模擬軟件，我們能夠容易地、更加快速地確定鑄件最合適的形狀、冒口、冒口與鑄件的連接、最佳的澆鑄時(shí)間、凝固和冷卻時(shí)間，最佳的澆鑄溫度，鑄件凝固后縮孔的產(chǎn)生、鑄件結(jié)構(gòu)、最終機(jī)械性能以及殘余應(yīng)力。

所有這些都有助于快速解決生產(chǎn)前階段的技術(shù)問(wèn)題，包括鑄件設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的消除技術(shù)錯(cuò)誤，縮短生產(chǎn)前階段的時(shí)間，技術(shù)人員的教育，并極大地降低生產(chǎn)成本。

本文的目的是比較MAGMAsoft和Novacast這兩款模擬軟件。在執(zhí)行模擬的過(guò)程中，將對(duì)所取得的結(jié)果的準(zhǔn)確性、模擬程序的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)比的結(jié)果包括了熔融金屬的流動(dòng)和模具型腔的填充，凝固過(guò)程中的液相分布，凝固后的縮孔和布氏硬度預(yù)測(cè)。

2、 實(shí)驗(yàn)部分

用于模擬的鑄件如圖1所示，它是用于采礦用水泵的組成部分。鑄件的重量是0.8千克。一個(gè)鑄件模型上有12個(gè)鑄件。在整個(gè)模擬過(guò)程中，通過(guò)改變Connor內(nèi)澆口尺寸和形狀，生產(chǎn)出致密的鑄件。鑄件的材料為灰口鑄鐵，牌號(hào)EN-GJL-15。初始澆鑄溫度設(shè)置為1350℃，充填時(shí)間9秒。沙型材料為濕砂，初始溫度20℃。邊界條件保持默認(rèn)正常狀態(tài)，環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，計(jì)算過(guò)程考慮熱輻射。澆注類型選擇底漏包澆鑄，金屬液的流入量為1,5 kg/s。在縮孔計(jì)算模型中，考慮重力的影響。



圖1 鑄件（EN GJL 15，直徑88毫米，高度43毫米，重0.8千克）

使用這兩個(gè)模擬軟件在第一組澆口尺寸參數(shù)計(jì)算完成后，將得到的結(jié)果放在一起比較。圖2為凝固過(guò)程中的液相分布對(duì)比



圖2 液相分布對(duì)比（A為MagmaSoft軟件計(jì)算，B為Novacast，凝固時(shí)間320秒）
圖中從左向右液相體積分?jǐn)?shù)分別為70%、50%、30%、20%、10%、0/5%

從圖中可以看出，兩個(gè)軟件的凝固過(guò)程得到的結(jié)果幾乎相同。液相體積分?jǐn)?shù)為20%和10%時(shí)存在一些細(xì)微差別，這可能是因?yàn)閮蓚€(gè)模擬軟件中使用了不同的網(wǎng)格劃分方式和網(wǎng)格類型造成的。MagmaSoft軟件的最后一張圖片，型腔中的液相體積分?jǐn)?shù)為0%，而Novacast軟件在同一時(shí)刻可以看到液相體積分?jǐn)?shù)為5%，并且液相位于鑄件中。結(jié)果表明了當(dāng)前這組工藝設(shè)計(jì)是不合理的，因?yàn)殍T件上會(huì)有潛在的縮孔縮松風(fēng)險(xiǎn)。

圖3上顯示了在鑄件和Connor內(nèi)澆口中的縮孔現(xiàn)象。兩個(gè)仿真軟件計(jì)算結(jié)果相同。



圖3 （A） Magma軟件中的縮孔分布



圖3 （B）Novacast軟件中的縮孔分布

由于鑄件上存在縮孔，改變Connor內(nèi)澆口的形狀和尺寸的重新進(jìn)行模擬，從圖4中顯示了包含澆注系統(tǒng)的的鑄件網(wǎng)格。



圖4 （A）MagmaSoft網(wǎng)格劃分



圖4 （B ）Novacast網(wǎng)格劃分

這兩款軟件在網(wǎng)格劃分方面有很大的不同。MagmaSoft采用有限差分法進(jìn)行網(wǎng)格劃分和模擬計(jì)算，但在模型的外側(cè)可以看到很多小立方體。而另一方面，Novacast采用控制體積法，使鑄件表面更加光滑，更適合于高精度仿真。



圖5（A ） MagmaSoft中充填至9秒的模擬顯示



圖5（B） Novacast中充填至9秒的模擬顯示
（填充體積率間隔10%）

從圖5可以看到金屬液填充整個(gè)型腔的過(guò)程。兩個(gè)模擬軟件都表明了在填充過(guò)程金屬液流動(dòng)時(shí)沒(méi)有任何飛濺，都順利完成。



圖6（A）MagmaSoft得到的縮孔位置分布



圖6（B） Novacast得到的縮孔位置分布

模擬得到的另一個(gè)結(jié)果是縮孔的分布。從圖6中清楚的看出，不同于第一組模擬參數(shù)得到的結(jié)果，兩個(gè)軟件得到的縮孔位置都在Connor澆口內(nèi)，而不是在鑄件中。雖然兩個(gè)軟件的結(jié)果在縮孔的位置上有些小區(qū)別，但最重要的都是在鑄件上都沒(méi)有凝固缺陷。



圖7（A）MagmaSoft軟件得到的硬度分布



圖7（B） Novacast得到的硬度分布

在圖7上顯示了預(yù)期的布氏硬度分布。兩個(gè)模擬軟件顯示的硬度分布大致相同，都在210HB~230HB之間

3、 結(jié)論

這兩個(gè)仿真軟件都屬于全球市場(chǎng)上頂級(jí)的仿真軟件，流動(dòng)和凝固過(guò)程模擬都非常準(zhǔn)確。兩個(gè)軟件的充填模擬過(guò)程結(jié)果顯示是完全相同的，凝固過(guò)程模擬結(jié)果幾乎相同，縮孔率的預(yù)測(cè)結(jié)果相同，縮孔位置的稍有差異（幾毫米）。由于兩個(gè)軟件采用的方法不同（MagmaSoft——有限差分法，Novacast——控制體積法），模擬過(guò)程中使用的網(wǎng)格也有區(qū)別。

兩個(gè)軟件模擬的最大的差異在于計(jì)算時(shí)間上。MagmaSoft完整計(jì)算一次該模擬需要約14個(gè)小時(shí)，而Novacast軟件只需要花費(fèi)5個(gè)小時(shí)，這主要是因?yàn)閮蓚€(gè)軟件采用了上述不同的算法所致。