1、铸造工艺设计
1.1工艺方案的确定
根据星轮的结构特点和使用要求，确定其浇注位置及分型面。浇注时轮毂水平放置，分型面选在中间最大截面处，金属液从铸件底部引入型腔，在铸件厚大部位上部设置冒口对铸件的体收缩进行补足，以实现自下而上的顺序凝固，造型材料为水玻璃砂，浇注温度1580℃。工艺方案如图1所示。
1.2浇注系统的设计
铸钢的铸造性能较差，浇注系统结构应尽量简单，保证充型快而平稳，确定为底注式浇注系统：采用漏包浇注，其保温性能好，流出的钢液夹杂物少，无需采用结构复杂的浇洼系统撇渣。选用包孔的直径∮40 mm;采用一个直浇道，尺寸为∮60 mm;一个横浇道，尺寸为∮60 mm；一个内浇道，尺寸为∮60 mm。
1.3冒口设计
根据模数法计算出铸件模数，确定在星轮四个热节位置上部各采用一个圆柱形冒口，尺寸为∮190 mm×190 mm，保证对铸件补缩。
2、凝固过程的计算机模拟
2.1工艺I模拟结果及分析
凝固过程对铸件的最终品质具有重要作用，缩孔、缩松等缺陷都是在铸造的凝固过程中产生的。将铸件的STL格式文件导入Z-Cast模拟软件，进行网格划分、参数设置，使用水玻璃砂造型，铸型初始温度25℃。对初始工艺进行凝固模拟，其结果如图2所示，深色表示未凝固或半固态，浅色表示已经完全凝固。可以看出，当凝固时间进行到t=510 s时，星轮四个侧臂、浇注系统蓄热量少，首先凝固，见图2(a)；当t=1 321 s时，浇注系统结束凝固，四个侧臂已有明显凝固，见图2(b)；当t=2 228 s时，凝固过程向铸件中部延伸，四个冒口开始对铸件的凝固收缩进行补缩，凝固过程进一步进行，见图2(c)；当t=2 450 s时，液相区还未延伸到冒口根部，冒口上部已经明显凝固，见图2(d)；当t=2 600s时，铸件内出现四部分孤立液相区，分别由四个冒口进行补缩，但冒口根部只残留有少量液态金属，见图2(e)；当t=3 500 s时，冒口结束凝固，铸件内还有大量液态金属，由于这四部分孤立液相区的凝固收缩得不到额外金属液的补足，在凝固的最后阶段，必然会出现缩孔、缩松缺陷，见图2(f)。初始工艺缩孔、缩松分布预测如图3所示。工艺I中，冒口的补缩能力不能满足铸件凝固收缩的要求，缺陷主要产生于冒口下部四部分孤立液相区部位。缩孔、缩松延伸到了铸件内部，由于缩孔、缩松面积过大，必然严重影响铸件的使用性能，造成铸件报废，需进行工艺改进。
2.2工艺11模拟结果及分析
根据工艺I模拟结果分析，原工艺中铸件实现了自下而上的顺序凝固，冒口也起到了补缩作用，只是由于冒口的补缩能力不足，导致其先于铸件凝固，在最后凝固阶段铸件内还残留有大量液态金属，造成铸件不能得到很好的补缩，形成严重的缩孔、缩松缺陷。为保证获得致密铸件，加大冒口模数，将冒口尺寸改为∮210 mm×210 mm，使热节上移，促使冒口最后凝固，将缺陷留在冒口之中，其他参数不变，工艺Ⅱ模型如图4所示
将工艺II三维模型转化为STL格式文件，导入Z-Cast软件，对其进行网格划分和参数设置，对铸件的凝固过程再次进行模拟，结果见图5。可以看出，凝固时间t=997 s时，浇注系统、星轮四个侧臂前端已经凝固，见图5(a); t=2 262 s时，凝固过程向铸件中部延伸，冒口开始补缩，见图5(b); t=2 895 s时，凝固过程继续向铸件中间部位延伸，四个冒口持续对铸件进行补缩，见图5(c); t=3 527 s时，铸件内的液态金属即将分割为四部分孤立液相区，由四个冒口分别补缩，见图5(d): t=4 371 s时，孤立液相区延伸至四个冒口根部，冒口即将结束对铸件的补缩，见图5(e)；t=4 845 s时，冒口结束凝固，铸件内还残留少量液态金属，冒口的补缩能力仍然不够，仍需进行工艺改进，见图5(f)。
2.3工艺Ⅲ模拟结果及分析
根据工艺II模拟结果可知，由于冒口的补缩能力略小造成铸件缺陷，只需继续增加冒口尺寸，便可使工艺II中出现的微小孤立液相区转移到冒口中。但这样势必造成金属液的大量浪费。在保证铸件品质前提下，为进一步提高工艺出品率，根据铸件结构，决定采用两个对称的大冒口对铸件进行补缩，每个冒口负责补缩两个热节，冒口尺寸为∮260 mm×310 mm，工艺IⅡ如图6所示。
对工艺III进行凝固模拟，其结果如图7所示。可以看出，t=2 643 s时，铸件的热节位置转移到了两大冒口根部区域，凝固过程向热节部位延伸，见图7(b): t=2 926 s时，铸件内的液态金属即将分割为两部分孤立液相区，见图7(c): t=3 493 s时，两个大冒口负责对两部分孤立液相区分别补缩，见图7(d); t=4 513 8时，孤立液相区延伸到了冒口根部，冒口继续进行补缩，见图7(e)；t=5 589 s时，工艺I、工艺II中铸件出现的孤立液相区已经消失，铸件已经全部凝固，孤立液相区延伸到了大冒口，缺陷将出现在冒口中，见图7(f)。
工艺ni模拟的缺陷预测如图8所示，铸件内部没有发现缩孔、缩松缺陷，缩孔、缩松已经成功转移到了冒口中。冒口内金属温度始终处于铸件的最高状态，实现了从铸件到冒口的顺序凝固，节约了金属，保证了铸件品质。采用工艺III进行了试生产，一年来生产了100多件星轮，没有发现缩松、缩孔、气孔等缺陷，得到了致密铸件。实际生产的铸件如图9所示。
3、结论
1)工艺I采用分散冒口不能很好地补缩铸件，冒口先于铸件凝固，冒口的补缩能力不足，造成了工艺I中缩孔、缩松缺陷的产生。
2)工艺II将冒口尺寸适当增大，但仍不能实现对铸件的圆满补缩。此时，工艺II已不适合继续增大冒口尺寸。
3)工艺IⅡ采用两个对称大冒口对铸件进行补缩，每个冒口负责两个热节。模拟结果显示铸件实现了顺序凝固，无缺陷产生，经实际生产验证，工艺IⅡ是比较合适的。
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