“永冠杯”第三届中国大学生铸造工艺设计大赛
4.2 初始条件及边界条件
进行初始条件以及边界条件参数设置，具体各参数设置如下表4.4所示： 表4.4 初始条件及边界条件设置参数 传热系重力加材料 冷却方式 浇注温度 浇注速度 初始温度 数 速度 球墨传热 1350℃ 4.73in/s 9.8m/s2 1350℃ 铸件 铸铁 500 W/m2/K 硅砂 空冷 25℃ 型砂 4.3 模拟结果分析
针对两种方案的模拟结果，就充型过程、凝固过程、缩松缩孔预测和裹气等方面进行了比较和分析。 4.3.1 金属液充型过程
方案一和方案二的金属液充型过程如下图4.5、图4.6所示： 方案一（1个铸件2个内浇道引入）：
图4.5 方案一金属液充型过程
图4.5显示的是方案一不同时刻的金属液充型状态图，从这些示意图中可以看出，金属液首先是从离直浇道最近的内浇口进入铸件型腔，且两个铸件的充型时间不同，其中一个铸件先于另外一个铸件被充满，且其中一个铸件最后充填的部位是两端，另外一个铸件则是一端先被充满，另一端后被充满。
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方案二（1个铸件1个内浇道引入）：
图4.6 方案二金属液充型过程
图4.6显示的是方案二的充型过程，从示意图可以看出，方案二同样也是一个铸件先充满，另一个铸件后充满，但是两个铸件都是两端处最后被金属液填充。 综上所述，由于两种方案内浇道的截面积之和不变，则方案二的1个内浇道截面积比方案一大，于是方案二比方案一的充填时所受到的阻力更小，更容易快速充满型腔，两个铸件的充填顺利相同，整体上方案二好于方案一。 4.3.2 凝固过程
由于该件为薄壁铸件，故不存在热节，这里只分析两种方案的凝固时间分布，如下图4.7所示：
方案一
方案二
图4.7 两种方案的凝固时间分布
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由上图可以看出，两种方案的凝固时间分布差不多，铸件的大部分凝固时间都较快，只有顶面凹槽转角附近凝固时间较长，这部分也就是铸件最后凝固位置。 4.3.3 缩松缩孔预测
两种方案的缩松缩孔预测如下图4.8所示：
图4.8 两种方案的缩松缩孔缺陷预测
从图中可以看出，铸件可能出现缩松缩孔的位置为上平面凹槽转角处，这也是最后凝固部位，从对比上来看，方案二的缺陷要少于方案一，但是还是无法消除此缺陷，因此在后期的优化中需注意。 4.3.4 充气裹气位置分布
两种方案的充气裹气位置分布如下图4.9所示：
方案一
方案二
图4.9 两种方案的充气裹气分布
由此对比图可以看出，两种方案均有裹气，而且都位于凹槽表面，但是方案一相对方案二来讲裹气少一些，因此在这方面，方案一略优于方案二。
综上所述，对比了方案一与方案二的模拟结果，发现方案二在充型能力、充型时间和缩松缩孔等方面都优于方案一，但是方案二在充气裹气方面又表现得比方案一差，而且无法消除缩松缩孔缺陷，此外，不管是方案一还是方案二，都没有实现两个铸件同时填充和同时凝固，因为两个铸件的内浇道相距较远，这一点将造成一个砂箱中两个铸件的质量差异，故也需要考虑。因此，在分析和综合了两种方案之后，提出了浇注系统的优化方案。
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4.4浇注系统优化
在方案二的基础上加以优化和改进，仍采用一个铸件一个内浇口引入，主要在两个方面有改变：一是改变了两个铸件的平面分布，使内浇道分布更合理，实现两个铸件同时充型；二是增加冒口，金属液经冒口引进型腔，减少甚至消除缩松缩孔，减少充气和裹气分布。
改进后浇注系统结构设计如下图4.10所示：
图4.10 改进后浇注系统结构示意图
4.4.1 冒口的计算
本次冒口的设计采用模数法计算，具体计算过程如下： （1）铸件模数
V1662.8 铸件的模数M件= = =0.49cm
A3386.1 （2）冒口尺寸计算
以下公式中：Dm为冒口模数，Ms为冒口颈模数，L为冒口颈长度，B为经验常数，当采用边冒口，且铁水经过冒口浇入型腔时取2.5-3.5，这里取的2.5，Hm为冒口高度，h为冒口窝高度，则： Dm=4.6Mj+B=4.6×0.49+2.5=4.75cm； Ms=0.8M件=0.8×0.49=0.39cm；
L=0.3Dm=0.3×4.75=1.42cm，取L=15mm； Hm=1.4Dm=1.4×4.75cm=66.5mm，取Hm=70mm； h=20mm；
冒口的体积Vr=176.6cm3，质量Gr=1.27kg 冒口补缩能力的验证：
取体收缩率ε=2%，冒口补缩效率η=30%，Ve=0，则： ε（V件+V冒）+Ve=0.02×（1662.8+176.6）=36.8cm3 V冒η=176.6×0.3=53cm3
满足冒口补缩验算公示：ε（V件+V冒）+Ve≦V冒η 故本次设计的冒口具有足够的补缩能力【2】。
根据铸造工艺设计手册【1】，可以查出冒口和冒口颈的尺寸，冒口直径D=Φ50mm，高度H=90mm，冒口颈截面积尺寸2a×a矩形=24×12mm，冒口颈代替内浇道，由冒口颈直接引入金属到型腔内。 4.4.2 方案三模拟结果
此次方案三的网格划分与初始条件设置与方案一和方案二相同，在此不再累述。具体结果如下图4.11、图4.12、图4.13和图4.14所示：
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图4.11 方案三金属液充型过程
图4.13 方案三缩松缩孔缺陷预测 图4.12 方案三凝固时间分布
图4.14 方案三充气裹气分布
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