鋁青銅鑄件低壓鑄造工藝參數(shù)的計算機模擬及優(yōu)化

王明娜，朱麗娟，董秀奇

(1 河北科技師范學(xué)院物理系，河北 秦皇島，066004；2 沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)

鋁青銅在航海、水下工程的應(yīng)用日益增多，對其鑄件的內(nèi)在質(zhì)量要求也越來越苛刻，迫使一些企業(yè)不得不采用低壓鑄造的方法來生產(chǎn)這類零件。數(shù)值模擬方法能很好的幫助研究人員理解低壓鑄造的充型、凝固過程，并預(yù)測潛在的缺陷[1,2]。鑄造數(shù)值模擬分析主要有有限差分法(FDM)和有限元法(FEM)，F(xiàn)EM能很好的適應(yīng)液體計算中的復(fù)雜幾何邊界[3～5]，Procast有限元軟件常被用來分析和優(yōu)化鑄件鑄造工藝[6,7]，分析鑄件充型過程、凝固過程[8,9]以及預(yù)測鑄件缺陷[10]等。筆者應(yīng)用有限元軟件Procast對某廠泵蓋零件選用低壓鑄造法生產(chǎn)的工藝進行模擬，生產(chǎn)中該零件存在合格率較低的問題。通過模擬比較了不同澆注速度、溫度在不同鑄型中凝固的縮松分布情況，期望優(yōu)化出該類零件較好的鑄造工藝參數(shù)，進而指導(dǎo)生產(chǎn)。

1 低壓鑄造鑄件介紹

以圖1所示泵蓋為例，用Procast軟件對其充型、凝固過程進行模擬，分析縮松缺陷的分布及大小。鑄件的化學(xué)成分見表1。該鑄件采用低壓鑄造勻速加壓，存在合格率不高的問題，主要在泵蓋上沿部位出現(xiàn)縮孔縮松。

圖1 泵蓋三維立體結(jié)構(gòu)

表1 鋁青銅鑄件的化學(xué)成分

2 低壓鑄造工藝

(1)勻速加壓曲線 分別對不同導(dǎo)熱系數(shù)的砂型、澆注溫度、加壓速度的工藝進行了模擬。砂型選擇硅砂型、鋯砂型，硅砂型的導(dǎo)熱系數(shù)小于鋯砂型；澆注溫度選擇1 150，1 350 ℃；加壓曲線由充型速度換算得到：工藝1，20 mm/s(1.3 kPa/s)；工藝2，70 mm/s(4.5 kPa/s)。加壓曲線見圖2。

圖2 低壓鑄造的勻速加壓曲線 (a) 充型速度20 mm/s；(b) 充型速度70 mm/s

圖3 低壓鑄造的3種充型方式壓力曲線

3 模擬結(jié)果分析

3.1 壓力勻速變化模擬結(jié)果

圖4～圖7分別給出了表2對應(yīng)情況時的集中縮孔縮松預(yù)測結(jié)果，可以看出縮松缺陷范圍的大小。各圖右側(cè)的色帶代表縮松孔隙度[12](孔隙度指該部位縮松的體積分數(shù)，如0.07表示該部位7%體積是縮松)。表2給出了不同砂型、充型溫度鑄造時，充型、凝固時間以及該工藝下的最大孔隙度。

表2 壓力勻速變化條件下不同澆注溫度、砂型的模擬結(jié)果

圖4 1 150 ℃澆注，硅砂型模擬縮松情況

對比模擬結(jié)果表明，型砂的導(dǎo)熱系數(shù)越小，澆注溫度越低，充型速度越慢，則鑄件內(nèi)的集中縮孔越少。其中，硅砂型，1 150 ℃澆注，充型速度20 mm/s的鑄件縮松最少(表2)。其原因：(1)型砂的導(dǎo)熱系數(shù)小，液態(tài)金屬凝固的慢會給補縮留出更充足的時間，型砂導(dǎo)熱系數(shù)小會把收縮的空間分散在整個鑄件體的體內(nèi)，是彌散分布，不易形成集中縮孔。(2)澆注溫度低使液態(tài)金屬的體收縮量減小，減少了補縮的負擔(dān)，因而集中縮孔減少。(3)澆注速度慢：①使上下的溫度梯度變大有利于補縮[13]；②使液態(tài)金屬流動時降溫嚴(yán)重，有利于減少補縮負擔(dān)；③慢速充型會出現(xiàn)邊流邊補的自然現(xiàn)象，進一步減少了充滿后再補的補縮負擔(dān)。

3.2 壓力按拋物線變化與壓力勻速變化比較模擬結(jié)果

1 150 ℃充型、硅砂型低壓鑄造，升壓充型階段的壓力按照拋物線型和勻速變化的模擬結(jié)果見表3；圖8為縮松預(yù)測圖片。分析對比結(jié)果表明，勻速充型并不是最好的選擇，充型速度由快變慢有利于減少集中縮孔縮松，其原因是：(1)由快變慢的充型速度增大了充型末端的溫度梯度，有利于減少補縮最困難的頂端的集中縮孔縮松。(2)由快變慢的充型速度使液態(tài)金屬在流到尾端時降溫嚴(yán)重，有利于減少補縮的負擔(dān)。(3)越來越慢的澆注速度會強化澆注末期的邊流邊補的自然現(xiàn)象，進一步減少了充滿后的補縮負擔(dān)。

表3 1 150 ℃充型、硅砂型模擬結(jié)果

圖6 1 350 ℃澆注，硅砂型模擬縮松情況

4 結(jié) 論

本次研究利用計算機模擬針對砂型、澆注溫度、澆注壓力曲線對鋁青銅泵蓋低壓鑄造縮孔縮松的影響進行了探討。本研究中所用鋁青銅鑄件為自行選擇的零件，目的在于優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，提高同類鑄件的合格率。通過對模擬結(jié)果分析，得出以下結(jié)論：

(1)澆注溫度、砂型相同時，澆注越慢縮松越少，其中20 mm/s充型速度最佳。

(2)澆注溫度、壓力相同時，砂型的導(dǎo)熱系數(shù)越小，縮松越少，其中硅砂型最好。

(3)澆注壓力、砂型相同時，澆注溫度越低縮松越少，1 150 ℃為最佳澆注溫度。