不銹鋼是現(xiàn)代社會重要的工程材料之一，304（0Cr18Ni9）不銹鋼兼顧了室溫力學性能、高溫強度、低溫韌性和耐蝕性等多方面的優(yōu)良性能以及經(jīng)濟性，其產量、用量占不銹鋼總產量的50%以上，廣泛應用于航空、航天、石油化工、建筑以及食品加工領域。閥門是流體管路的控制裝置，用于切斷和接通管路介質，調節(jié)介質壓力和流量，改變介質流動方向，保護管路系統(tǒng)或設備安全運行。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，而鑄鋼件應用較廣。由于不銹鋼鑄件體收縮大，易產生縮孔、縮松、裂紋等缺陷，為滿足服役要求，防止缺陷的產生，其鑄造工藝設計希望達到順序凝固，*大限度保證鑄件致密度。熔模鑄造作為一項材料近凈成形技術，在高精度、復雜結構鑄件，特別是高熔煉溫度、高化學活性金屬的成形中起著不可替代的作用。計算機的發(fā)展為鑄造過程的模擬計算提供了硬件基礎。通過數(shù)值模擬技術人們不僅可以“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)來進行鑄件縮孔、縮松缺陷預測，從而使改進工藝的試驗次數(shù)大大減少，縮短試制周期，降低生產成本。
某企業(yè)采用304不銹鋼熔模鑄造的方法進行高壓閥殼零件的生產，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，造成鑄件打壓試驗滲漏，鑄件質量不合格。本課題基于Experto-ViewCast軟件，采用CAE方法對高壓閥殼的熔模鑄造工藝方案進行設計，分析鑄件的凝固過程與鑄件凝固收縮產生的應力應變狀態(tài)，預測縮孔、縮松等缺陷的位置，調整工藝參數(shù)，確定了*佳工藝方案。
1 鑄件結構與分析
該高壓閥殼材質為304不銹鋼，采用熔模鑄造。該閥殼的結構如圖1所示，輪廓尺寸：長度166mm，寬度147mm，高度120mm，鑄件要求內外表面不得有粘砂、氣孔、裂紋等表面缺陷，內部不得有縮孔、縮松等缺陷。
圖1 鑄件實體模型
鑄件的閥殼口環(huán)處是孤立局部熱節(jié)，易于在此位置產生縮松縮孔，且304不銹鋼的凝固特點給鑄件的補縮設計帶來一定難度，致使該鑄件的致密性始終沒能得到很好地保證，試壓時經(jīng)常出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，更為嚴重的是產品在使用過程中時常發(fā)生泄漏問題，造成事故。按照某生產企業(yè)原工藝生產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 實際生產中閥殼缺陷位置
2 鑄造CAE工藝設計
2.1 凝固缺陷位置的確定
將鑄件的三維實體模型導入Experto-ViewCast軟件，鑄件的法蘭口朝下放置，選用熔模鑄造方式，計算鑄件容易出現(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，對應圖中標尺，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重。確定了缺陷出現(xiàn)的位置之后，可以針對缺陷位置設計鑄造工藝，并保證設計的工藝能有目的的、準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 補縮工藝的設計
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，設計的補縮系統(tǒng)如圖4所示。法蘭口朝下澆注，直接由一個大冒口代替澆注系統(tǒng)來發(fā)揮補縮作用，冒口頸作為澆注系統(tǒng)的內澆道，實現(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縮壓力，使鑄件*后凝固的部位可以得到冒口的充分補縮，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)設計，對鑄件進行了凝固過程模擬，如圖5所示?？梢钥闯觯斈虝r間t=1200s時，鑄件和冒口大概有1/3已經(jīng)凝固，但3個冒口頸尚未凝固，冒口仍能對鑄件進行補縮，如圖5（a）所示。當t=2000s時，鑄件和冒口已經(jīng)凝固了2/3，3個冒口頸仍然暢通，冒口可以繼續(xù)發(fā)揮對鑄件的補縮作用，如圖5（b）所示。當t=2400s時，左右兩邊的冒口頸已經(jīng)凝固，且這時的鑄件也已經(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，冒口仍然能對其進行補縮，如圖5（c）所示。綜上所述，針對收縮缺陷位置所設計的補縮工藝中，冒口能夠源源不斷的對鑄件進行補縮，徹底消除了鑄件的縮松縮孔缺陷，如圖5（d）所示。
圖5 凝固過程模擬結果
2.3 應力應變場分析
Experto-ViewCast軟件應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力、應變狀況?；阼T件高溫應力、應變場的模擬，根據(jù)牛頓**強度理論、第二強度理論來判斷熱裂是否產生，即以鑄件在接近固相線溫度時的熱應力值是否達到或超過對應溫度下材料的抗拉強度極限為形成裂紋的判據(jù)。目前熱應力數(shù)值模擬主要采用熱彈塑性模型，該模型不直接計入黏性效應，它認為材料屈服前為彈性，屈服后為塑性，彈性模量與屈服應力是溫度的函數(shù)，且當材料接近熔點時，彈性模量與屈服應力均變?yōu)榱恪?/P>
圖6所示為應力、應變的計算結果。圖6（a）為應力計算結果，圖片顯示鑄件的*大有效應力出現(xiàn)在冒口頸部位，且其應力大小沒有超過對應溫度下材料的抗拉強度極限，說明這個部位無熱裂缺陷出現(xiàn)。圖6（b）為應變計算結果，圖片顯示鑄件出現(xiàn)*大應變的部位是冒口和鑄件口環(huán)處，應變**值非常小，對鑄件質量的影響可以忽略。
（a）應力模擬結果 （b）應變模擬結果
圖6 凝固過程應力、應變模擬結果
3 生產應用結果
將模擬計算的結果與某生產企業(yè)進行交流，確定該鑄件的生產工藝參數(shù)。
蠟模制造采用商業(yè)蠟料。蠟料在110~150℃下保溫并攪拌，在54~70℃下保持24h之后用于壓制蠟模。采用硅溶膠和上淀粉配制涂料，莫來砂制作型殼。型殼焙燒溫度1050~1100℃，保溫2h。澆注溫度控制1500~1550℃。
圖7為實際生產中按照本文設計的工藝所澆注成的鑄件和補縮系統(tǒng)。可以看出，鑄件表面致密，沒有粘砂、裂紋等缺陷，內部結構致密，沒有收縮缺陷，經(jīng)水壓試驗后未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，試壓一次合格。此工藝即為某企業(yè)目前實際生產中所采用的工藝。
圖7 實際生產中采用的工藝和生產的鑄件
4 結論
（1）針對不銹鋼304熔模鑄造高壓閥殼滲漏問題，借助鑄造CAE技術對其原鑄造工藝進行了凝固過程數(shù)值模擬，分析了可能存在的缺陷，并預測了其缺陷出現(xiàn)的位置。
（2）針對鑄件凝固模擬顯示的缺陷位置設計鑄造工藝，將閥殼法蘭口朝下放置，澆注系統(tǒng)直接由一個大冒口代替，冒口頸作為澆注系統(tǒng)的內澆道。對新設計的工藝方案進行了凝固過程模擬，結果顯示其液態(tài)金屬實現(xiàn)了順序凝固，且冒口對鑄件產生了較好的補縮。
（3）對此工藝方案進行應力、應變場模擬，結果顯示鑄件凝固產生的*大有效應力出現(xiàn)在冒口頸部位，其應力大小并沒有超過對應溫度下材料的抗拉強度極限，不會造成熱裂缺陷；*大應變部位出現(xiàn)在冒口和鑄件口環(huán)處，應變**值非常小，對鑄件質量的影響可以忽略。
（4）某企業(yè)按照本文設計的鑄造工藝進行閥殼生產，產品沒有縮松、縮孔、裂紋等缺陷，經(jīng)水壓試驗未發(fā)現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，獲得了理想的鑄件。
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