謝懿 邵軍 陳寅 劉健

摘要：采用鑄造凝固模擬軟件對ZL201合金艙段復雜鑄件凝固過程進行模擬分析，找出鑄造工藝薄弱環(huán)節(jié)，完善鑄造工藝，提高鑄件出品率和一次合格率，減少工藝試制成本和周期。

主題詞：鋁合金；艙段；鑄造模擬；應用

1 引言

鋁合金艙段壓差鑄造是在高溫下進行的壓力鑄造生產(chǎn)過程，由于條件限制無法直觀的查看鑄件凝固情況，所以無法獲取準確的鑄造工藝數(shù)據(jù)。所以傳統(tǒng)鋁合金艙段鑄造生產(chǎn)大多依靠工作經(jīng)驗，模糊的進行鑄件凝固狀況分析，對不同類型的鋁合金艙段鑄件鑄造工藝沒有科學定型的依據(jù)，鑄造產(chǎn)品質(zhì)量完全取決于鑄造工藝人員的工作經(jīng)驗，鑄件的生產(chǎn)完全采用生產(chǎn)修改法，既延長了試制周期，又增加了生產(chǎn)成本，達不到快速投入生產(chǎn)的要求[1]。通過采用鑄造工藝數(shù)值模擬分析法（ProCAST鑄造仿真軟件）對艙段鑄件進行模擬分析，預測鑄件可能出現(xiàn)的缺陷及其位置、大小和發(fā)生的時間，以便在澆注前采取對策，確保鑄件質(zhì)量，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本[2-4]。

2 鑄造計算機數(shù)值模擬原理

鑄件的計算機數(shù)值模擬技術主要包括鑄件及其工藝的幾何造型，三維傳熱數(shù)值計算技術和缺陷判據(jù)三部分，評判鑄造工藝設計的合理性，以減少工藝試驗的次數(shù)，提高工藝出品率和合格率。

現(xiàn)實生產(chǎn)為不穩(wěn)定溫度場，鑄件熱傳導按照三維傅里葉熱導微分方程（公式1），邊界條件執(zhí)行更貼近現(xiàn)實凝固的第三類邊界條件（公式2），采用微觀差分法或者有限元法進行運算[5]。

公式（1）

式中：α——導溫系數(shù)，

——拉普拉斯運算符號，

公式（2）

3 模擬鑄件類型

本項目采用Procast鑄造模擬仿真軟件模擬艙段鑄件砂型差壓鑄造，通過模擬結果（溫度場、固相分數(shù)，縮孔判據(jù)）有效地分析艙段鑄件的氣孔、縮孔縮松等缺陷的形成原理。

某艙段殼體鑄件：材質(zhì)采用ZL201合金（HB962-86），尺寸Φ610mm×220mm，壁厚11mm，該鑄件鑄造難點為上端框內(nèi)外部法蘭較厚（45），連接上端框內(nèi)外部端面僅15mm厚，鑄件整體X射線檢驗要求滿足一類鑄件，即不能有2級疏松和1級氣孔，鑄件形狀和工藝布局見圖1-5。

5 模擬

5.1 模擬參數(shù)設置

根據(jù)ProCAST軟件要求，對該產(chǎn)品鑄件模擬參數(shù)進行設置，設置內(nèi)容見表1。

鑄件采用壓差澆注，澆注參數(shù)如表2。

5.2 模擬方案

根據(jù)鑄件結構特點，設計鑄造工藝模擬方案如下：

方案一：上端框為分型面，采用8根Φ75的縫隙澆道避開加強筋澆注，放置冷鐵。

方案二：上端框為分型面，采用8根Φ75的縫隙澆道避開加強筋澆注，放置冷鐵，澆道升高80mm（圖5）。

方案三：上端框為分型面，采用8根Φ75的縫隙澆道避開加強筋澆注，放置冷鐵，頂部放置6個冒口。（圖3）

5.3 模擬結果分析

對比圖6-7發(fā)現(xiàn)：鑄件溫度場與正對澆道澆注有所不同；其中筋板處溫度與平面一致，未出現(xiàn)高溫現(xiàn)象，澆道連接處也未出現(xiàn)高溫點，凝固趨于導熱方向，添加冷鐵和冒口后，該平面在冒口和冷鐵的作用下出現(xiàn)明顯的凝固溫度梯度，冒口對筋板補縮起到一定作用，鑄件縮松和與正對澆道澆注產(chǎn)生的位置、大小有所不同，其中筋板和澆道連接處未出現(xiàn)孤島，僅澆道連接處出現(xiàn)明顯補縮通道鎖死跡象，凝固趨于導熱方向。根據(jù)圖片分析發(fā)現(xiàn)第四、五種方案澆道連接處由于出現(xiàn)明顯的補縮通道鎖死，在凝固后期該部位將無法得到有效地補縮，故該處縮松趨勢明顯（縮松等級0.011），第七種方案筋板處由于冒口共熱導致出現(xiàn)大面積補縮通道鎖死的情況，由于得不到有效補縮故該部位縮松嚴重（縮松等級0.011），第六種方案中鑄件凝固梯度明顯，過熱凝固孤島能進入澆道內(nèi)，故該處鑄件質(zhì)量要求（縮松等級0.006）。

6 結論

通過該艙段鑄件按模擬方案五至方案七進行生產(chǎn)檢驗，其中方案五澆道連接處出現(xiàn)直徑Φ10mm縮孔，深度大約10mm，與模擬結果吻合，方案七在加強筋部位出現(xiàn)大面積內(nèi)部2級疏松，面積大約100mm2，澆道連接處無缺陷，方案六內(nèi)部質(zhì)量滿足要求，澆道內(nèi)出現(xiàn)縮孔，與模擬結果吻合。后按照方案六生產(chǎn)了7臺艙段鑄件，7臺內(nèi)部質(zhì)量完全滿足用戶要求，現(xiàn)已交付用戶。

參考文獻

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[2]Xiong Shoumei，Liu Baicheng.Study on numerical simulation of mold—filling and solidification processes ofshaped casting[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering（English Edition），1999

[3]Liu Baicheng，Qiu Wei，Shen Hou fa，et a1.Study and application of mold filling simulation of shaped casting [J]. Mater.J.Sci.Technol，1997

[4]熊守美，柳百成，許慶彥，等.鑄件充型凝同過程數(shù)值模擬研究[J].現(xiàn)代鑄鐵，2002（1）

[5]雷文光，于蘭蘭，毛小南，羅 雷，張英明，侯智敏.電子束冷床熔煉TC4鈦合金連鑄凝固過程數(shù)值模擬[J].中國有色金屬學報，2010