鋁合金箱體鑄造工藝設(shè)計及數(shù)值模擬

孟凡奇

摘要：隨著社會的發(fā)展，我國的各行各業(yè)的發(fā)展也有了很大的改善。鑄造鋁合金因具有密度小、比強(qiáng)度高等優(yōu)點，在現(xiàn)代航空、飛機(jī)制造、汽車、拖拉機(jī)、儀器儀表、電力等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但鋁合金質(zhì)輕、熱容量小、導(dǎo)熱快、極易氧化和吸氣，在鑄造時有較多工藝難點。根據(jù)模擬結(jié)果分析了鑄件產(chǎn)生缺陷的部位和原因，進(jìn)而改進(jìn)原始方案，通過工藝優(yōu)化，消除了鑄件缺陷，克服了砂型鑄造鋁合金的許多工藝難點，提高了鑄件品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：鋁合金箱體 鑄造工藝設(shè)計 數(shù)值模擬

鑄件充型凝固過程計算機(jī)模擬已經(jīng)成為鑄造行業(yè)以及材料加工工程學(xué)科發(fā)展的前沿領(lǐng)域，也是改造傳統(tǒng)鑄造產(chǎn)業(yè)的必由之路。經(jīng)過幾十年的努力，鑄件充型凝固過程計算機(jī)模擬發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入工程實用化階段，鑄造生產(chǎn)正在由憑經(jīng)驗走向科學(xué)理論指導(dǎo)。鑄件充型凝固過程的數(shù)值模擬可以幫助工程技術(shù)人員在進(jìn)行鑄造投產(chǎn)前對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時間予以有效地預(yù)測，以便在制定鑄造工藝方案和澆注前采取對策，確保鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本。

1零件鑄造工藝性分析

箱體的最大壁厚為40mm，要求精度高，為防止零件厚大部位在鑄造過程中出現(xiàn)縮孔和縮松等鑄造缺陷，需要結(jié)合鋁合金鑄造特點進(jìn)行補(bǔ)縮系統(tǒng)設(shè)計，這是一處難點。由于樹脂砂具有較好的流動性、易緊實、脫模時間可調(diào)節(jié)、硬化后強(qiáng)度高、在其后的搬運及合箱過程中不變形;并且樹脂砂的剛度高，在澆注和凝固過程基本上無形壁位移現(xiàn)象，因此樹脂砂工藝能使砂型（芯）達(dá)到高的尺寸精度;同時樹脂砂不用烘干，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)省了能源。省去了烘干工序，型砂易緊實，潰散性好易清理等。因此我們選擇呋喃自硬樹脂砂來造型和制芯。殼體零件的材質(zhì)是ZL101合金，鑄件要求組織致密，不能有縮松、縮孔、裂紋等缺陷，在0.5MPa煤油的壓力下進(jìn)行氣密性試驗，保持5min不滲透。

2鑄造工藝設(shè)計

2.1澆注位置與分型面

殼體的重量約為810g，屬于小型鑄鋁件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，最小壁厚為3mm，最大壁厚為8mm，且薄壁部分占較大比例，整體零件屬于薄壁件。采用自硬呋喃樹脂砂水平造型，一模兩件，冷芯盒制芯，傾轉(zhuǎn)澆注工藝。由圖1可見，該件在軸向是對稱結(jié)構(gòu)，因此，為了形成鑄件的內(nèi)腔，設(shè)計鑄件有四個需要鑄出的孔。

2.2澆注系統(tǒng)設(shè)計

鑄鋁件的澆注系統(tǒng)通常推薦使用底注開放式結(jié)構(gòu)，以避免鋁液澆注時發(fā)生飛濺而氧化，同時底注式能夠確保充型平穩(wěn)，減少鋁液的吸氣。阻流截面設(shè)置在直澆道下方，采用澆注系統(tǒng)的水力學(xué)方法，得到單個鑄件的阻流截面積的理論值為3.4cm2。由鋁鑄件的澆注重量與直澆道截面積的經(jīng)驗關(guān)系，得到直澆道的直徑范圍為14～20mm，實際取20mm。澆注時間為6.2s。根據(jù)鋁合金澆注系統(tǒng)各組元常用截面比，選擇F直：F橫：F內(nèi)=1：2：2。由于是一模兩件，所以單個鑄件的內(nèi)澆道和橫澆道的理論截面積都為3.4cm2。因扁平內(nèi)澆道能有效防止金屬液吸渣，并能調(diào)節(jié)鑄件溫度和凝固順序，所以內(nèi)澆道采用扁平型。設(shè)計內(nèi)澆道的高度為9mm，上、下寬為38mm。將橫澆道設(shè)計為圓形，直徑為20mm。

2.3冒口的設(shè)計

殼體鑄件的不均勻壁厚有三個熱節(jié)部位。但因產(chǎn)生的熱節(jié)部位都在下箱，且集中在鑄件兩端。因此在殼體遠(yuǎn)離澆口末端設(shè)置一個明冒口，直徑為64mm，高度為90mm，冒口的斜度按照1：10設(shè)計。在靠近橫澆道末端設(shè)置一個暗冒口，在澆注時也可起到集渣作用，其直徑為38mm，高度為60mm。由于采用傾轉(zhuǎn)澆注工藝，在澆注完成后將砂箱直立起來，鑄件末端的冒口可以補(bǔ)縮熱節(jié)部位。

3鑄造過程數(shù)值模擬

采用Pro/E軟件分別畫出鑄件、澆注系統(tǒng)和冒口三維圖，并將其裝配在一起，然后導(dǎo)入ProCast中劃分網(wǎng)格，鑄件和澆注系統(tǒng)的網(wǎng)格大小為15mm，砂箱和砂型的網(wǎng)格大小為30mm，然后在ProCast中進(jìn)行充型模擬。通過模擬發(fā)現(xiàn)，在充型過程中，金屬液在重力的作用下由澆口杯通過直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道，然后進(jìn)入了型腔，液面從下向上依次充滿型腔，實現(xiàn)了緩流的目的。但厚大部位熱量過于集中，容易形成縮孔、縮松等缺陷。因此，在厚大部位處增設(shè)冒口，將縮松轉(zhuǎn)移至冒口。隨著澆注的進(jìn)行，鑄型由水平位置轉(zhuǎn)動到豎直位置，金屬液平穩(wěn)充填型腔，6.2s完成充型。充型結(jié)束時液態(tài)金屬溫度都在結(jié)晶溫度以上，并未出現(xiàn)澆不足和冷隔現(xiàn)象。在傾轉(zhuǎn)澆注過程中金屬液的充型動力除了自身的重力外，主要來自于傾轉(zhuǎn)引起的靜壓頭的增加。然而，與重力澆注最大的區(qū)別在于傾轉(zhuǎn)澆注時金屬液的充型速度是緩慢增加的，因此金屬液流充型平穩(wěn)，對型腔的沖刷力較小，能實現(xiàn)金屬液流在型腔中的層流充填和順序排氣，避免了金屬液流在型腔內(nèi)的紊流或飛濺。表面缺陷主要集中分布在鑄件頂部的冒口區(qū)，這些表面缺陷是由于鋁液在充型過程中流動前沿被氧化形成的氧化物留在了充型末端區(qū)。由于該鑄件上的冒口區(qū)均為充型末端區(qū)，因此表面缺陷主要集中在冒口中。鑄件上的兩處冒口區(qū)的溫度最高，鑄件溫度較低，表明鑄件是按照順序凝固的方式進(jìn)行，冒口能夠起到補(bǔ)縮作用。收縮類缺陷都留在冒口中，只有極少的收縮缺陷分布于鑄件中。由此可見，本文中設(shè)計的傾轉(zhuǎn)澆注工藝方案較為合理，達(dá)到了鑄件的質(zhì)量要求。采用開放式澆注系統(tǒng)，使用集渣包進(jìn)行擋渣及排氣，能使鑄件平穩(wěn)充型。通過充型模擬可以看到，采用此澆口形式，既避免了金屬液對鑄件型芯的沖擊，同時分散了澆注過程熱量，充型平穩(wěn)，冒口也起到了很好的補(bǔ)縮效果。

4結(jié)語

分析了鑄件的結(jié)構(gòu)及鑄造特點，采用砂型鑄造，對澆注系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，運用AnyCasting軟件對鑄件的充型過程、凝固過程以及缺陷分布進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果，分析鑄件產(chǎn)生缺陷的部位和原因，通過設(shè)置冷鐵和冒口，改進(jìn)澆注系統(tǒng)等方法，有效的減少了縮松、縮孔等缺陷，達(dá)到了工藝優(yōu)化的目的。

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（作者單位：中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機(jī)有限公司）