低压铸造金属型设计方案与生产工艺的制定在整个低压铸造生产过程中占有极其重要的地位，它直接 决定着产品质量及生产效率。许多铸造缺陷，诸如浇不足、冷隔、裂纹、内缩孔、缩松等都与金属 型的设计及生产工艺有关。进行合理的金属型设计、优化生产工艺来改进低压铸造的充型和结晶冷 却过程是解决这些问题的关键。为了达到这一目的，在传统的生产过程中，工程技术人员凭经验， 设计与制造低压铸造金属型要经过反复地试型、修型，才能完成金属型和生产工艺的最终优化与定 案，这不仅消耗了大量的人力、财力，而且直接导致了整个产品的生产周期大大延缓，使生产厂家 在激烈竞争的市场上处于不利的地位。计算机数值模拟技术能够分析低压铸造连续生产过程中金属 型的状态，分析金属型的预热工艺，优化金属型壁厚，判断金属型的热平衡状态，预测开型时间， 优化金属型冷却工艺。使铸造技术人员能够完全在计算机上完成金属型设计及生产工艺的制定，无 疑大大提高了设计效率，缩短了新产品的开发周期，具有显著的社会与经济效益。１理论基础低压 铸造金属型的设计及生产工艺制定的计算机辅助分析是基于数值模拟技术的，因此首先要进行低压 铸造连续生产过程数值模拟的研究。低压铸造连续生产过程涉及到动量、质量与能量的传递，因此 其数学模型由动量守恒方程、质量守恒方程和能量守恒方程组成。动量守恒方程（Ｎａｖｉｅｒ－ Ｓｔｏｋｓ方程）：ｕｔ＋ｕｕｘ＋ｖｕｙ＋ｗｕｚ＝－１ρｐｘ＋ｇｘ＋ γ×（２ｕｘ２＋２ｕｙ２＋２ｕｚ２）ｖｔ＋ｕｖｘ＋ｖｖｙ＋ｗ ｖｚ＝－１ρｐｙ＋ｇｙ＋γ×（２ｖｘ２＋２ｖｙ２＋２ｖｚ２）ｗｔ ＋ｕｗｘ＋ｖｗｙ＋ｗｗｚ＝－１ρｐｚ＋ｇｚ＋γ×（２ｗｘ２＋２ｗ ｙ２＋２ｗｚ２）（１）质量守恒方程（连续性方程）：Ｖ→＝０（２）能量守恒方程： Ｃｐρ（Ｔ／ｔ）＝－ＣｐρＶ→·Ｔ－ｑ→（３）式中Ｖ→——网格点（ｘ、ｙ、ｚ） 的速度矢量，ｍ／ｓρ——流体的密度，ｋｇ／ｍ３ｔ——时间，ｓγ——流体的运动粘度，ｍ２ ／ｓ——微分算子Ｃｐ——比热容，Ｊ／（ｋｇ·Ｋ）Ｔ——温度，Ｋｑ→——热流量，Ｊ／（ ｍ２·ｓ）Ｐ——压强，Ｐａｇｘ、ｇｙ、ｇｚ——重力加速度在三个坐标轴方向上的分量，ｍ／ ｓ２ｕ、ｖ、ｗ——网格点（ｘ、ｙ、ｚ）的速度矢量在三个坐标轴方向上的分量，ｍ／ｓ一般情 况下低压铸造一个生产周期分为升液、充型、保压、静止和空冷五个阶段，各阶段对金属型的影响 程度不同，应分别加以处理。升液阶段对金属型状态影响甚小，无需对升液阶段的流动与传热进行 准确数值模拟，只用数值法求解伯努利方程［１］来确定升液阶段液态金属的速度与压力分布情况 ，为充型阶段提供初始条件即可。充型阶段对金属型有着显著的作用，必须利用上述式（１）～（ ３）数学模型对该阶段的流动场和温度场进行耦合计算。充型完成后即进入保压阶段，该阶段流体 运动速度非常缓慢，因此对流换热对金属型影响可以忽略不计，而将结晶凝固的温度场模拟作为该 阶段的重点。如果忽略掉保压阶段的对流换热，则该阶段的换热为纯传导传热问题，能量守恒方程 式（３）变为：Ｃｐρ·Ｔｔ＝－·ｑ→（４）与保压阶段类似，静止阶段的模拟主要是温 度场的计算分析，而且也同样是纯传热问题，故处理方法与上一阶段类似，这里不再赘言。唯一与 上一阶段不同的是由于卸压，升液管内在该阶段已不再为液态金属而是气体，计算时需要更换材质 以及边界条件。该阶段的最后计算结果将用来作为空冷阶段的初始条件。空冷阶段是指铸件完全凝 固后，开型、脱型将铸件取出，金属型在空气中冷却的阶段。由于铸件已经取出，空冷阶段的模拟 分析对象主要是金属型，计算金属型温度在该阶段的变化情况，为下一个生产周期的模拟奠定基础 。该阶段模拟的关键是要处理好开型、脱型前后金属型各部分位置发生变化的问题。空冷阶段结束 时，金属型温度分布的模拟结果，正是一个周期计算分析所需的初始条件。２软件系统的研制基于 上述分析，成功研制了低压铸造金属型设计与生产工艺计算机分析软件系统。在对低压铸造连续生 产过程进行模拟的基础上，该软件系统能够跟踪实际生产过程中金属型的状态，分析金属型的预热 工艺，优化金属型壁厚，判断金属型的热平衡状态，预测开型时间，优化金属型冷却工艺，绘制多 周期金属型温度曲线，为实际生产提供强有力的帮助。整个软件系统采用Ｃ＋＋语言编写，可在微 机ＷＩＮ９５及ＷＩＮＤＯＷＳ３．１下运行。图１所示为该软件系统的低压铸造金属型冷却工艺 分析型块，该型块可根据对金属型温度的监控，自动给出金属型冷图１低压铸造金属型冷却工艺分 析却工艺，也可以将工程技术人员设计的冷却工艺输进电脑，进行分析、计算，判断现有方案的合 理性。该型块可同时分析、计算六个冷却通道的冷却情况。而且每个通道可以有自己的开始冷却时 间及不同的冷却阶段，每个阶段又可以有不同的冷却介质。利用该型块可以方便地分析、优化低压 金属型冷却工艺。３实际应用８３６６０车轮是中南铝合金轮毂有限公司采用低压金属型铸造方式 生产出的轿车用铝合金车轮，该车轮材质为Ａ３５６铝硅合金。金属型主要由上下型、上下型芯、 侧型、浇口套等组成，其中上下型、上下型芯、浇口套的材质为Ｈ１３耐热钢，侧型为球墨铸铁。 图２所示为８３６６０车轮金属型组成及多周期生产时金属型的预热工艺。图２８３６６０车轮金 属型预热工艺根据当前金属型预热工艺，对整个低压铸造连续生产过程进行模拟，可以得到金属型 各部分在生产过程中的温度分布，图３为８３６６０车轮保压阶段图３保压阶段金属型的温度分布 情况（５０．０４ｓ）温度场的计算结果。根据这些结果，反过来又可以评价金属型预热工艺的合 理性。该软件系统能够根据模拟结果，绘制多周期金属型温度曲线，图４即为８３６６０车轮的上 下型、上下型芯以及侧型生产六个周期的温度曲线。可以发现，前几个周期金属型各部分温度波动 大，随着生产进行，温度波动幅度逐渐减小。图４多周期金属型温度曲线低压铸造模拟软件系统还 可以追踪金属型各部分任一时刻温度的变化，给出多周期型温预警信息。如图５所示，软件系统就 可以绘出型温状态图。以下图５多周期型温预警型为例：开始时下型为３００℃（预热温度），到 １９８ｓ时为３４０℃，这期间系统认为下型温度偏低；而从１９８ｓ到４４８ｓ温度在３４０～ ３６０℃之间，金属型温度适宜；４４８ｓ之后，型温超过３６０℃，系统则给出温度过高的预警 信息。这时技术人员就要考虑采用何种冷却工艺对下型进行冷却，以使下型温度达到最佳工作状态 。并且系统能够实时追踪冷却工艺的合理性，及时提供预警信息。实际生产中，型温平衡（金属型 达到热平衡）状态是工程技术人员较为关心的工艺参数之一，低压铸造模拟系统可以准确地提供金 属型热平衡状态信息预报。如图６所示，软件系统在每个周期静止阶段图６多周期型温平衡状态预 报（第五个周期）结束时，即给出金属型各部位的温度以及其波动幅度，并发出金属型是否达到热 平衡状态的信息。经过对８３６６０车轮的低压生产金属型计算分析表明，当生产到第五个车轮时 ，各部位温度波动范围不大，处于热平衡状态，至此，生产进入稳定阶段。４结论利用低压铸造连 续生产过程数值模拟技术，本研究开发成功了低压铸造金属型设计及生产工艺计算机辅助分析软件 系统，该软件系统能够计算低压铸造连续生产过程中金属型的状态，分析金属型的预热工艺，优化 金属型壁厚，判断金属型的热平衡状态，预测开型时间，优化金属型冷却工艺，绘制金属型多周期
温度曲线，使在计算机上完成金属型设计及生产工艺的制定成为可能。应用表明该软件系统能够显 著提高设计效率，缩短新产品的开发周期，具有显著的社会与经济效益。低压铸造金属型设计与生 产工艺计算机辅助分析@陈立亮@刘瑞祥@林汉同$华中理工大学@潘增源@刘金蕾@支前明$中 南铝合金轮毂有限公司低压铸造,计算机辅助分析,
金属型设计,生产工艺低压铸造金属型设计方 案的好坏以及金属型现场生产工艺的合理性直接影响到产品质量和生产效率。利用计算机数值模拟 技术，对低压铸造金属型在整个连续生产过程中的状态进行分析，能够有效指导金属型设计，优化 金属型现场生产工艺，具有重要的实用价值。１陈立亮．低压铸造连续生产过程数值模拟及其质量 控制．华中理工大学博士学位论文，１９９７．２陈立亮．低压铸造三维流动场数值模拟．现代铸 铁，１９９７（２）∶１０～１２３ＣｈｉｅｓａＦ．ＳｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＭｏｄｅｌ ｉｎｇｏｆＣａｓｔＡｌｕｍｉｎｕｍＷｈｅｅｌｓ．ＭｏｄｅｒｎＣａｓｔｉｎｇ，１９９１， １２∶２６～２８４ＣｈｏｉＪＫ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｏｌｄＦｉｌｉｎｇａｎｄＳ ｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎＳｉｍｕｌｔｉｏｎｔｏＡｌｕｍｉｎｕｍＷｈｅｅｌＣａｓｔｉｎ ｇｓ．Ｐｒｏｃｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ６１ｓｔｗｏｒｌｄＦｏｕｎｄｒｙＣｏｎｇｒｅｓｓ． Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ，１９９５∶１３～２７冷却介质。利用该型块可以方便地分析、优 化低压金属型冷却工艺。３实际应用８３６６０车轮是中南铝合金轮毂有限公司采用低压金属型铸 造方式生产出的轿车用铝合金车轮，该车轮材质为Ａ３５６铝硅合金。金属型主要由上下型、上下 型芯、侧型、浇口套等组成，其中上下型、上下型芯、浇口套的材质为Ｈ１３耐热钢，侧型为球墨 铸铁。图２所示为８３６６０车轮金属型组成及多周期生产时金属型的预热工艺。图２８３６６０ 车轮金属型预热工艺根据当前金属型预热工艺，对整个低压铸造连续生产过程进行模拟，可以得到金属型各部分在生产过程中的温度分布，图３为８３６６０车轮保压阶段图３保压阶段金属型的温度分布情况（５０．０４ｓ）温度场的计算结果。根据这些结果，反过来又可以评价金属型预热工艺的合理性。该软件系统能够根据模拟结果，绘制多周期金属型温度曲线，图４即为８３６６０车