不銹鋼是現(xiàn)代社會(huì)重要的工程材料之一，304（0Cr18Ni9）不銹鋼兼顧了室溫力學(xué)性能、高溫強(qiáng)度、低溫韌性和耐蝕性等多方面的優(yōu)良性能以及經(jīng)濟(jì)性，其產(chǎn)量、用量占不銹鋼總產(chǎn)量的50%以上，廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油化工、建筑以及食品加工領(lǐng)域。閥門是流體管路的控制裝置，用于切斷和接通管路介質(zhì)，調(diào)節(jié)介質(zhì)壓力和流量，改變介質(zhì)流動(dòng)方向，保護(hù)管路系統(tǒng)或設(shè)備安全運(yùn)行。雖然閥門主體材料是根據(jù)使用條件選用的，但閥門主體零件（閥體、閥蓋）的毛坯一般采用鑄件、鍛件和焊接件，而鑄鋼件應(yīng)用較廣。由于不銹鋼鑄件體收縮大，易產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋等缺陷，為滿足服役要求，防止缺陷的產(chǎn)生，其鑄造工藝設(shè)計(jì)希望達(dá)到順序凝固，*大限度保證鑄件致密度。熔模鑄造作為一項(xiàng)材料近凈成形技術(shù)，在高精度、復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件，特別是高熔煉溫度、高化學(xué)活性金屬的成形中起著不可替代的作用。計(jì)算機(jī)的發(fā)展為鑄造過程的模擬計(jì)算提供了硬件基礎(chǔ)。通過數(shù)值模擬技術(shù)人們不僅可以“看到”鑄件的充型及凝固過程，還能通過各種判據(jù)如Niyama判據(jù)來(lái)進(jìn)行鑄件縮孔、縮松缺陷預(yù)測(cè)，從而使改進(jìn)工藝的試驗(yàn)次數(shù)大大減少，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本。
某企業(yè)采用304不銹鋼熔模鑄造的方法進(jìn)行高壓閥殼零件的生產(chǎn)，但由于鑄造工藝方案不夠合理，鑄件出現(xiàn)了縮松、縮孔等缺陷，造成鑄件打壓試驗(yàn)滲漏，鑄件質(zhì)量不合格。本課題基于Experto-ViewCast軟件，采用CAE方法對(duì)高壓閥殼的熔模鑄造工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，分析鑄件的凝固過程與鑄件凝固收縮產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，預(yù)測(cè)縮孔、縮松等缺陷的位置，調(diào)整工藝參數(shù)，確定了*佳工藝方案。
1 鑄件結(jié)構(gòu)與分析
該高壓閥殼材質(zhì)為304不銹鋼，采用熔模鑄造。該閥殼的結(jié)構(gòu)如圖1所示，輪廓尺寸：長(zhǎng)度166mm，寬度147mm，高度120mm，鑄件要求內(nèi)外表面不得有粘砂、氣孔、裂紋等表面缺陷，內(nèi)部不得有縮孔、縮松等缺陷。
圖1 鑄件實(shí)體模型
鑄件的閥殼口環(huán)處是孤立局部熱節(jié)，易于在此位置產(chǎn)生縮松縮孔，且304不銹鋼的凝固特點(diǎn)給鑄件的補(bǔ)縮設(shè)計(jì)帶來(lái)一定難度，致使該鑄件的致密性始終沒能得到很好地保證，試壓時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，更為嚴(yán)重的是產(chǎn)品在使用過程中時(shí)常發(fā)生泄漏問題，造成事故。按照某生產(chǎn)企業(yè)原工藝生產(chǎn)的高壓閥殼缺陷如圖2。可以看出，圖2（a）的圈中出現(xiàn)了縮松和裂紋等缺陷，圖2（b）的圈中出現(xiàn)了縮孔、裂紋等缺陷。
（a）縮松、裂紋 （b）縮孔、裂紋
圖2 實(shí)際生產(chǎn)中閥殼缺陷位置
2 鑄造CAE工藝設(shè)計(jì)
2.1 凝固缺陷位置的確定
將鑄件的三維實(shí)體模型導(dǎo)入Experto-ViewCast軟件，鑄件的法蘭口朝下放置，選用熔模鑄造方式，計(jì)算鑄件容易出現(xiàn)凝固缺陷的位置，如圖3所示。在鑄件的上半部分，壁厚較厚的位置容易出現(xiàn)收縮缺陷，對(duì)應(yīng)圖中標(biāo)尺，顏色較淺的地方凝固較好、致密，沒有收縮缺陷，顏色較深的地方存在收縮缺陷，顏色越深代表縮孔縮松越嚴(yán)重。確定了缺陷出現(xiàn)的位置之后，可以針對(duì)缺陷位置設(shè)計(jì)鑄造工藝，并保證設(shè)計(jì)的工藝能有目的的、準(zhǔn)確的消除鑄件的收縮缺陷。
圖3 鑄件容易出現(xiàn)缺陷的部位
2.2 補(bǔ)縮工藝的設(shè)計(jì)
為完全消除鑄件的縮松縮孔缺陷，解決高壓閥殼的滲漏問題，設(shè)計(jì)的補(bǔ)縮系統(tǒng)如圖4所示。法蘭口朝下澆注，直接由一個(gè)大冒口代替澆注系統(tǒng)來(lái)發(fā)揮補(bǔ)縮作用，冒口頸作為澆注系統(tǒng)的內(nèi)澆道，實(shí)現(xiàn)鑄件由下而上的順序凝固，利用大冒口的高度提供足夠的補(bǔ)縮壓力，使鑄件*后凝固的部位可以得到冒口的充分補(bǔ)縮，徹底消除鑄件的縮松縮孔缺陷。
圖4 鑄造工藝模型圖
根據(jù)設(shè)計(jì)，對(duì)鑄件進(jìn)行了凝固過程模擬，如圖5所示?？梢钥闯?，當(dāng)凝固時(shí)間t=1200s時(shí)，鑄件和冒口大概有1/3已經(jīng)凝固，但3個(gè)冒口頸尚未凝固，冒口仍能對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，如圖5（a）所示。當(dāng)t=2000s時(shí)，鑄件和冒口已經(jīng)凝固了2/3，3個(gè)冒口頸仍然暢通，冒口可以繼續(xù)發(fā)揮對(duì)鑄件的補(bǔ)縮作用，如圖5（b）所示。當(dāng)t=2400s時(shí)，左右兩邊的冒口頸已經(jīng)凝固，且這時(shí)的鑄件也已經(jīng)基本凝固完畢，只有與中間冒口頸接口處的一小部分還未完全凝固，而中間冒口頸也未凝固，冒口仍然能對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)縮，如圖5（c）所示。綜上所述，針對(duì)收縮缺陷位置所設(shè)計(jì)的補(bǔ)縮工藝中，冒口能夠源源不斷的對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，徹底消除了鑄件的縮松縮孔缺陷，如圖5（d）所示。
圖5 凝固過程模擬結(jié)果
2.3 應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)分析
Experto-ViewCast軟件應(yīng)力模塊可以模擬鑄件凝固過程中由于溫度變化、收縮等原因而引起的應(yīng)力、應(yīng)變狀況?；阼T件高溫應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)的模擬，根據(jù)牛頓**強(qiáng)度理論、第二強(qiáng)度理論來(lái)判斷熱裂是否產(chǎn)生，即以鑄件在接近固相線溫度時(shí)的熱應(yīng)力值是否達(dá)到或超過對(duì)應(yīng)溫度下材料的抗拉強(qiáng)度極限為形成裂紋的判據(jù)。目前熱應(yīng)力數(shù)值模擬主要采用熱彈塑性模型，該模型不直接計(jì)入黏性效應(yīng)，它認(rèn)為材料屈服前為彈性，屈服后為塑性，彈性模量與屈服應(yīng)力是溫度的函數(shù)，且當(dāng)材料接近熔點(diǎn)時(shí)，彈性模量與屈服應(yīng)力均變?yōu)榱恪?/P>
圖6所示為應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果。圖6（a）為應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，圖片顯示鑄件的*大有效應(yīng)力出現(xiàn)在冒口頸部位，且其應(yīng)力大小沒有超過對(duì)應(yīng)溫度下材料的抗拉強(qiáng)度極限，說(shuō)明這個(gè)部位無(wú)熱裂缺陷出現(xiàn)。圖6（b）為應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，圖片顯示鑄件出現(xiàn)*大應(yīng)變的部位是冒口和鑄件口環(huán)處，應(yīng)變**值非常小，對(duì)鑄件質(zhì)量的影響可以忽略。
（a）應(yīng)力模擬結(jié)果 （b）應(yīng)變模擬結(jié)果
圖6 凝固過程應(yīng)力、應(yīng)變模擬結(jié)果
3 生產(chǎn)應(yīng)用結(jié)果
將模擬計(jì)算的結(jié)果與某生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行交流，確定該鑄件的生產(chǎn)工藝參數(shù)。
蠟?zāi)Ｖ圃觳捎蒙虡I(yè)蠟料。蠟料在110~150℃下保溫并攪拌，在54~70℃下保持24h之后用于壓制蠟?zāi)！２捎霉枞苣z和上淀粉配制涂料，莫來(lái)砂制作型殼。型殼焙燒溫度1050~1100℃，保溫2h。澆注溫度控制1500~1550℃。
圖7為實(shí)際生產(chǎn)中按照本文設(shè)計(jì)的工藝所澆注成的鑄件和補(bǔ)縮系統(tǒng)。可以看出，鑄件表面致密，沒有粘砂、裂紋等缺陷，內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，沒有收縮缺陷，經(jīng)水壓試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，試壓一次合格。此工藝即為某企業(yè)目前實(shí)際生產(chǎn)中所采用的工藝。
圖7 實(shí)際生產(chǎn)中采用的工藝和生產(chǎn)的鑄件
4 結(jié)論
（1）針對(duì)不銹鋼304熔模鑄造高壓閥殼滲漏問題，借助鑄造CAE技術(shù)對(duì)其原鑄造工藝進(jìn)行了凝固過程數(shù)值模擬，分析了可能存在的缺陷，并預(yù)測(cè)了其缺陷出現(xiàn)的位置。
（2）針對(duì)鑄件凝固模擬顯示的缺陷位置設(shè)計(jì)鑄造工藝，將閥殼法蘭口朝下放置，澆注系統(tǒng)直接由一個(gè)大冒口代替，冒口頸作為澆注系統(tǒng)的內(nèi)澆道。對(duì)新設(shè)計(jì)的工藝方案進(jìn)行了凝固過程模擬，結(jié)果顯示其液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)了順序凝固，且冒口對(duì)鑄件產(chǎn)生了較好的補(bǔ)縮。
（3）對(duì)此工藝方案進(jìn)行應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)模擬，結(jié)果顯示鑄件凝固產(chǎn)生的*大有效應(yīng)力出現(xiàn)在冒口頸部位，其應(yīng)力大小并沒有超過對(duì)應(yīng)溫度下材料的抗拉強(qiáng)度極限，不會(huì)造成熱裂缺陷；*大應(yīng)變部位出現(xiàn)在冒口和鑄件口環(huán)處，應(yīng)變**值非常小，對(duì)鑄件質(zhì)量的影響可以忽略。
（4）某企業(yè)按照本文設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行閥殼生產(chǎn)，產(chǎn)品沒有縮松、縮孔、裂紋等缺陷，經(jīng)水壓試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，獲得了理想的鑄件。
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