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

本文主要工作集中在MagmaSoft與Novacast這兩款軟件的模擬結果精度對比上。主要目的是使用相同的鑄件，從結果的準確性方面比較兩個模擬軟件在金屬液流動、凝固以及預測缺陷等仿真結果。仿真結果對比表明，金屬液在模具型腔中流動、凝固過程、鑄造缺陷的發(fā)生和機械性能等方面，Novacast軟件模擬結果精確可靠。下一個目標是比較技術人員使用兩個模擬軟件的時間消耗，這也是準備模擬、模擬計算和評估所獲得結果的必要條件。

1、 引言

對于今天的鑄造廠來說，模擬軟件的應用變得越來越重要。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、最佳的澆鑄時間、凝固和冷卻時間，最佳的澆鑄溫度，鑄件凝固后縮孔的產生、鑄件結構、最終機械性能以及殘余應力。

所有這些都有助于快速解決生產前階段的技術問題，包括鑄件設計、澆注系統(tǒng)的設計、系統(tǒng)的消除技術錯誤，縮短生產前階段的時間，技術人員的教育，并極大地降低生產成本。

本文的目的是比較MAGMAsoft和Novacast這兩款模擬軟件。在執(zhí)行模擬的過程中，將對所取得的結果的準確性、模擬程序的運行時間進行檢驗。對比的結果包括了熔融金屬的流動和模具型腔的填充，凝固過程中的液相分布，凝固后的縮孔和布氏硬度預測。

2、 實驗部分

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。一個鑄件模型上有12個鑄件。在整個模擬過程中，通過改變Connor內澆口尺寸和形狀，生產出致密的鑄件。鑄件的材料為灰口鑄鐵，牌號EN-GJL-15。初始澆鑄溫度設置為1350℃，充填時間9秒。沙型材料為濕砂，初始溫度20℃。邊界條件保持默認正常狀態(tài)，環(huán)境溫度設置為20℃，計算過程考慮熱輻射。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）

使用這兩個模擬軟件在第一組澆口尺寸參數(shù)計算完成后，將得到的結果放在一起比較。圖2為凝固過程中的液相分布對比



圖2 液相分布對比（A為MagmaSoft軟件計算，B為Novacast，凝固時間320秒）
圖中從左向右液相體積分數(shù)分別為70%、50%、30%、20%、10%、0/5%

從圖中可以看出，兩個軟件的凝固過程得到的結果幾乎相同。液相體積分數(shù)為20%和10%時存在一些細微差別，這可能是因為兩個模擬軟件中使用了不同的網格劃分方式和網格類型造成的。MagmaSoft軟件的最后一張圖片，型腔中的液相體積分數(shù)為0%，而Novacast軟件在同一時刻可以看到液相體積分數(shù)為5%，并且液相位于鑄件中。結果表明了當前這組工藝設計是不合理的，因為鑄件上會有潛在的縮孔縮松風險。

圖3上顯示了在鑄件和Connor內澆口中的縮孔現(xiàn)象。兩個仿真軟件計算結果相同。



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內澆口的形狀和尺寸的重新進行模擬，從圖4中顯示了包含澆注系統(tǒng)的的鑄件網格。



圖4 （A）MagmaSoft網格劃分



圖4 （B ）Novacast網格劃分

這兩款軟件在網格劃分方面有很大的不同。MagmaSoft采用有限差分法進行網格劃分和模擬計算，但在模型的外側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型腔的過程。兩個模擬軟件都表明了在填充過程金屬液流動時沒有任何飛濺，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

模擬得到的另一個結果是縮孔的分布。從圖6中清楚的看出，不同于第一組模擬參數(shù)得到的結果，兩個軟件得到的縮孔位置都在Connor澆口內，而不是在鑄件中。雖然兩個軟件的結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上顯示了預期的布氏硬度分布。兩個模擬軟件顯示的硬度分布大致相同，都在210HB~230HB之間

3、 結論

這兩個仿真軟件都屬于全球市場上頂級的仿真軟件，流動和凝固過程模擬都非常準確。兩個軟件的充填模擬過程結果顯示是完全相同的，凝固過程模擬結果幾乎相同，縮孔率的預測結果相同，縮孔位置的稍有差異（幾毫米）。由于兩個軟件采用的方法不同（MagmaSoft——有限差分法，Novacast——控制體積法），模擬過程中使用的網格也有區(qū)別。

兩個軟件模擬的最大的差異在于計算時間上。MagmaSoft完整計算一次該模擬需要約14個小時，而Novacast軟件只需要花費5個小時，這主要是因為兩個軟件采用了上述不同的算法所致。