陳元芳，關(guān)國(guó)華，江華德，湯 萌，袁親松

(1.重慶理工大學(xué)，重慶 400054;2.重慶高金實(shí)業(yè)有限公司，重慶 400054)

本文的研究對(duì)象是由重慶高金實(shí)業(yè)有限公司提供的型號(hào)為K50的一種大型發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，主要應(yīng)用于船體和大型重載汽車中，屬于半封閉耐壓殼體。該部件的材質(zhì)為A356，屬于日系鋁合金，為AI－SI合金、A356鋁合金。由于該材料具有充型質(zhì)量好、機(jī)械加工性能高、強(qiáng)度和硬度較高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車和輪船零部件制造領(lǐng)域。K50外形尺寸為1000 mm×320 mm×568 mm，體積為7022564 mm3，平均壁厚為6 mm，屬于大型薄壁鋁合金鑄造件，故壓鑄工藝采用砂型低壓鑄造，有利于工件成型且容易控制缺陷產(chǎn)生。相比重力金屬型鑄造，采用低壓鑄造的材料在壓力下充型和結(jié)晶凝固，可改善鑄件內(nèi)部質(zhì)量，提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本［1－7］。該技術(shù)目前處于試模研究階段。本文將對(duì)充型速度進(jìn)行研究，最后確定最佳充型速度。

1 鑄造成型數(shù)值模擬

1.1 模擬前處理參數(shù)設(shè)定

將模具系統(tǒng)中的鑄件、澆道和溢流槽分別導(dǎo)入anyPRE中，利用其自動(dòng)生成模具進(jìn)行數(shù)值模擬。本文中由于K50殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁較薄且不均勻，故采用非均勻網(wǎng)格劃分。為保證模擬精度，確定網(wǎng)格數(shù)為15000000。模具材料為H13鋼。H13是美國(guó)的合金牌號(hào)，為常用的熱作模具鋼。模具預(yù)熱溫度為200℃，澆注溫度為670℃，界面換熱系數(shù)設(shè)定為:與模具接觸為0.001;與空氣接觸為0.05。本文針對(duì)充型速度，將其分別設(shè)置為5，7，10，15，20 cm/s進(jìn)行模擬比較。

1.2 鑄件充型和凝固過(guò)程的數(shù)值模擬

金屬液的充型過(guò)程在整個(gè)模擬過(guò)程中是非常重要的環(huán)節(jié)。鑄件的很多缺陷都可能在充型過(guò)程中產(chǎn)生，例如金屬液填充型腔的狀態(tài)是否良好，是否存在大量的卷氣、渦流、澆不足等鑄造缺陷［8－11］。同樣，在金屬液凝固過(guò)程中也會(huì)因鑄件的凝固先后順序或孤立液相區(qū)的出現(xiàn)導(dǎo)致鑄件無(wú)法充分補(bǔ)縮而出現(xiàn)的縮孔縮松。這些缺陷都會(huì)對(duì)鑄件造成致命傷害，極大地降低成品率。圖1～3是在充型速度為15 cm/s時(shí)的模擬結(jié)果。

圖1 充型過(guò)程

由圖1～3可知:充型過(guò)程基本平穩(wěn)，缺陷大多產(chǎn)生于流道匯流處，極易出現(xiàn)卷氣現(xiàn)象，進(jìn)而出現(xiàn)氧化夾雜等缺陷;凝固過(guò)程則產(chǎn)生較多缺陷，由于充型速度控制不當(dāng)，導(dǎo)致凝固沒(méi)有按照基本的順序進(jìn)行，在殼體上端出現(xiàn)大片灰色區(qū)域。經(jīng)分析得知:此缺陷主要是縮孔和縮松，產(chǎn)生的主要原因是在凝固過(guò)程中沒(méi)有得到充分補(bǔ)縮。

圖2 凝固過(guò)程

圖3 缺陷概率參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

充型速度作為基本的工藝參數(shù)，對(duì)鑄件質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。充型速度過(guò)小會(huì)造成金屬液在充型過(guò)程中的溫度下降速度過(guò)快，出現(xiàn)金屬液還未充型型腔的時(shí)候金屬液就開(kāi)始凝固，鑄件會(huì)產(chǎn)生大量的液相孤立區(qū)和縮孔縮松缺陷;而速度過(guò)快則會(huì)出現(xiàn)大量的卷氣和氧化夾雜，同樣會(huì)對(duì)鑄件造成巨大傷害［12－15］。

圖4 充型時(shí)間隨充型速度的變化

圖5 凝固率隨充型時(shí)間的變化

圖6 缺陷面積隨充型速度的變化

由圖4可知:隨著充型速度的提高，充型時(shí)間不斷減少，但速度超過(guò)10 cm/s后，再提高充型對(duì)充型時(shí)間影響不大。由圖5可知:充型速度小于10 cm/s時(shí)，充型過(guò)程中存在大量凝固現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致充型過(guò)后孤立液相區(qū)大大增加，不利于鑄件補(bǔ)縮，產(chǎn)生大量的縮孔縮松現(xiàn)象。但由圖6的趨勢(shì)可以看到:充型速度越快，越易出現(xiàn)充不滿的情況，殘缺面積隨著速度的增大而增大。

綜上可知:充型速度不是越大越好，也不是越小越好，要提高產(chǎn)品成品率和最大限度地提高生產(chǎn)效率，就必須合理地控制充型速度。

由模擬結(jié)果(圖7～9)可知:充型速度在10 cm/s時(shí)，充型和凝固過(guò)程最為理想。但由概率缺陷參數(shù)分析可知:在充型過(guò)程中仍存在大量的結(jié)晶凝固，故建議在模具中加裝保溫裝置，保證金屬液在充型過(guò)程中不進(jìn)行過(guò)多的溫度耗散，保證金屬液在流動(dòng)過(guò)程中溫度始終大于液相線溫度，避免出現(xiàn)過(guò)早凝固的現(xiàn)象。

圖7 充型過(guò)程

圖8 凝固過(guò)程

圖9 概率缺陷參數(shù)

3 結(jié)論

本次模擬主要基于ANYCASTING中的ANYPSOT模塊，對(duì)K50的充型凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究了充型速度對(duì)鑄件的影響。結(jié)果表明:在模具預(yù)熱溫度為200℃，澆注溫度為670℃，界面換熱系數(shù)設(shè)定為與模具接觸為0.001，與空氣接觸為0.05的情況下，較為合理的充型速度是10 cm/s。

1)在充型速度較小的時(shí)候(5 cm/s)，金屬液充型平穩(wěn)，基本上不存在卷氣的現(xiàn)象。金屬液充型表面基本上一直保持平穩(wěn)直到充型結(jié)束，但在充型過(guò)程中出現(xiàn)了大量的結(jié)晶凝固現(xiàn)象。

2)隨著充型速度的增大(10 cm/s)，充型過(guò)程中的凝固現(xiàn)象顯著減少，但由于充型速度過(guò)快，導(dǎo)致充型不平穩(wěn)、卷氣增加、充不滿等現(xiàn)象出現(xiàn)。

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