铸造工艺 设计
打箱
钢水冶炼
浇注
去应力及均 匀化热处理
组织及力学 性能检测
精加工
差硬热处理
无损检测
粗加工
铸钢支承辊生产流程图
铸件和铸型的 几何造型
对铸件作网格剖分，离 散到所需的单元尺寸， 修正表面形状 边界条件与初始条件 求解能量、动量等 控制方程及缺陷预 测的各种判据函数
金属与铸型材料热物 性参数数据的输入
检验 粗加工
精加工
检验
零件
热加工过程是极其复杂的高温、动态、瞬时过程，难以 直接观察。 材料经液态流动充型、凝固结晶、固态流动变形、相变、 再结晶和重结晶等多种微观组织变化及缺陷的产生与消失 等一系列复杂的物理、化学、冶金变化而最后成为毛坯或 构件。要控制这个过程使材料的成分、组织、性能最后处 于最佳状态，必须使缺陷（如缩孔、缩松、热裂等）减到 最小或将它驱赶到危害最小的地方去。但这一切很难直接 观察到，间接测试也十分困难。
；冲压件的回弹；焊接件的变形、冷裂、 热裂；淬火中的 变形等常见缺陷的预防和消除方法的研究。
3） 重视提高数值模拟精度和速度的基础性研究
数值模拟是热加工工艺模拟的重要方法，提高数值模拟 的精度和速度是当前数值模拟的研究热点，为此非常重视在 热加工基础理论、新的数理模型、新的算法、前后处理、精 确的基础数据获得与积累等基础性研究，为此需要多个专业 学科的研究人员通力合作才能有所突破。
美国金属加工先进技术研究中心(NCEMT)在海军资助下，正在 开展并行工程环境下的RP2D(Rational Product/process Design) 技术。将铸造工艺模拟与产品、模具设计和加工结合起来。
(2) 与零件加工制造系统集成 在零件加工制造系统中，工艺模拟作为重要的支撑技术，并 朝着将模拟结果作为系统的过程闭环控制的参数这一方向努力
4） 重视物理模拟及精确测试技术 物理模拟揭示工艺过程本质，得到临界判据，检验、校核 数值模拟结果的有力手段，越来越引起研究工作者的重视。
5）工艺模拟与生产环节集成 在并行环境下，工艺模拟与生产系统其它技术环节实现集 成，成为先进制造系统的重要组成部分。起初，工艺模拟多是 孤立进行的，结果只用于优化工艺设计本身，且多用于单件小 批量毛坯件生产。近年来，已逐步进入大量生产的先进制造系 统中，实现以下三种不同方式的集成。 (1) 与产品、模具CAD/CAE/CAM系统集成
计算结果显示与分析
工艺是 否合理
否 修改工艺设计
是
确定工艺
铸造工艺自然冒口， 从底部到顶 部的顺序凝 固方式
整个工装有9m高，总 重约130吨。
整体铸造工艺装配图
应用计算机模拟技术进行工艺设计 设计冒口 •验证浇注系统设计是否合理 •设计铸型 •确定浇注工艺参数 •确定打箱时间
4. 微观组织模拟
随着铸件宏观凝固模拟技术的进一步完善，人们开始将目光转向 铸件微观组织的模拟。铸件微观组织是决定铸件产品最终质量的一个关 键因素, 它直接影响到铸件的使用性能。
微观组织模拟中的固液界面
纯金属：温度场，因过冷而长大，受潜热释放控制。 如果熔体温度低于平衡凝固温度，熔体产生过冷，如果此时有微 小固相质点或受到压力等干扰，凝固开始，固液界面向液相移动，同 时释放潜热，其移动驱动力是界面的过冷度，凝固界面移动存在固有 的不平衡性，如果一些界面周围过冷度大，生长快，凸起产生，直到 驱动力受到如表面张力、界面动力学效应等其他因素的平衡作用。 合金：浓度场，温度场。受潜热释放及溶质扩散控制 对于小于1的溶质平衡分配系数，溶质被排斥在界面附近，随着枝晶的
2.1 工艺初步设计及其计算机验证
2.1.1 计算机模拟方法设计冒口
模数法 传统冒口设计方法 比例法 补缩液量法 三次方程法
计算机模拟方法 计算无冒口铸 件的凝固过程 计算冒口
冒口计算结果
计算的高径比为1.5的冒口
计算的高径比为1的冒口
选用高径比 为1.5 冒口
2.1.2 浇注系统设计 控制浇注速度 控制浇注时间 控制金属液流入铸型时的线速度
缩孔深964mm
充型凝固后产生的缩孔
2.2 根据凝固过初次模拟结果确定铸型设计方案
方案一：下辊颈金 属型直径2500mm. 方案二：下辊颈金 属型直径2167mm.
初始条件：浇注温度为1540℃，铸型 预热温度为150℃，铸件/铸型的界面 换热系数为1000W/m2 · K，剖分200万
方案一的装配图
传统的热加工工艺设计只能凭经验，采用试错法(Test and Error Method)，无法对材料内部宏观、微观结构的 演化进行理想控制。
如三峡水电机组，单机容量达70万千瓦，五大部件(转轮 、蜗壳、主轴、座环、顶盖)的重量和尺寸均居世界第一。其 转轮直径达9.8米，重量达500吨，由于大件形大体重，品种 多，批量小，生产周期长，造价高，迫切要求“一次制造成 功”，一旦报废，在经济和时间上都损失惨重，无法挽回。 总之，热加工工艺经历了从技艺→手册指导→专家系统的 过程，要达到更为完善的水平，必须进行过程/工艺模拟。因 为只有通过模拟仿真，人们才能认识过程的本质，预测并优 化过程的结果，并快速对瞬息万变的市场变化作出设计及工 艺的改变。
单元
(a) t=3745s
(b) t=7320s
(c) t=14471s
方案一温度场模拟结果
缩孔深 1046mm
方案一缩孔模拟结果
(a) t=3625s
(b) t=9013s
(c) t=16237s
方案二温度场模拟结果
缩孔深度 为948mm
优先选用第二种方案 金属型重量减轻20吨
方案二缩孔模拟结果
模拟目的主要是解释事物的本质，根据经验及凝固理论，推 测产生缺陷的位臵，并验证理论的正确性。工艺模拟可以做到 事前预测，防止缺陷发生。由于材料形成过程的复杂性，要真 正做到仿真还是有一定的距离。
2、宏观工艺过程模拟（以支承辊为例）
零件净重26吨
铸件：重40吨 φ1435mm×1615mm×4926 mm
(1) 解决特种热加工工艺模拟及工艺优化问题 铸造专业中的压铸、低压铸造、金属型铸造、实型铸造、 连续铸造、电渣熔铸等；锻压专业中的液压胀形、楔横轧、辊 锻等；焊接专业中的电阻焊、激光焊等。
(2) 解决热加工件的缺陷消除问题 大型铸钢件的缩孔、缩松，模锻件的折叠及冲压件的断
裂、起皱问题，铸件的热裂、气孔、偏析；大型锻件的混晶
热加工工艺过程
模拟与仿真
河南理工大学: 米国发 王狂飞 中科院金属所: 李 殿中 夏立军
报告内容
1. 意义 2. 工艺模拟 3. 工艺模拟研究方向 4. 微观组织模拟 5. 微观研究方向
6. 结论
1、意义
热加工是装备制造业的基础，热加工产品的质量和成本直 接影响着后道工序的产品质量和经济效益。
热加工
•辊身采用厚大金 属型+薄挂砂层 凝固速度最快，定向 向辊身凝固，圆弧处 快速建立起强度 获得柱状晶组织，提 高金属型使用寿命
金属型挂砂工艺
•上辊颈采用 厚的挂砂层
•自然保温冒口
保证顺序凝固
减少人为因 素的影响
2.1.4 铸型材料的选用
铸铁 金属型
铬铁矿砂
砂型
碱性酚醛树脂
锆英粉涂料
保温材料
保温板
发热覆盖剂
浇注系统的作用
铸件型腔
铸件型腔
直浇道 内浇道
直浇道 内浇道
横浇道
横浇道
开放式浇注系统
封闭式浇注系统
平稳充型浇注 系统
v控制充型过程的平稳性 v防止气体和夹杂物卷入金属液中 v提高工艺出品率
浇口杯
浇注系 统包括
直浇道 横浇道 内浇口
2.1.3 铸型设计
顺序凝固原则
•下辊颈采用厚大 金属型+薄挂砂层
计算机模拟预测缩孔位臵
2.4 生产实践
大型铸钢件实际浇注过程
铸钢支承辊毛皮粗检
轧辊的铸造毛坯
铸件整体表面质量完好,粗加
工后探伤内部没有缩孔缺陷
应力场模拟及热裂预测
铸造过程应力模拟的数学模型
•热弹性模型 •热弹塑性模型 •热粘弹塑性模型 •Heyn模型 •Perzyna模型 •内部统一变量模型 •准固相区间的流变学模型
（3) 与零件的安全可靠性能实现集成
美国西北大学在航空重要复杂铸件的研究中，将模拟结果与铸 件的性能，特别是安全可靠性联系起来，开发了铸件的安全临界设 计系统 (Safety critical casting design system) ，用于指导铸 件的损伤容限设计。
常用软件
• 经多年研究开发，已经形成一批热加工工艺商业软件 • 主要有ProCast、Simulor、SolDIA、SolSIAR、AFS Solidification System3D(铸造)、ViewCAST、EForm、 AutoForge、SuperForge (体积塑性成形)、DYNA3D、 PAM-Stamp、ANSYS (板料塑性成形)、ABAQUS 等。
模拟的初始条件：浇注 温度为 1540℃，铸型预 热 温 度 为 150℃, 剖 分 网 格数为100万单元。
带浇注系统铸钢支承辊
铸钢支承辊组装图
(a)t=2s
(c)t=565
(a)t=3s
流场模拟结果
2. 温度场模拟（计算机验证冒口设计是否合理）
(a)
(b)
(c)
(d)
温度场模拟结果
缩孔位臵模拟验 证初次工艺设计 思想是否合理
(b) t=13.5h
第一次浇注工艺的轴向应力模拟结果
两种工艺方 案的最大应 力相同，但 改进方案作 用时间短
(a) t=5h
(b) t=6.8h
改进工艺方案的轴向应力模拟结果
第一次浇注 工艺的热裂 倾向是改进 工艺的2.5倍