李建軍,鄭凱峰,杜曉明
(沈陽理工大學(xué),遼寧沈陽 110159)
鑄件充型凝固過程計(jì)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(jì)算機(jī)模擬發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入工程實(shí)用化階段,鑄造生產(chǎn)正在由憑經(jīng)驗(yàn)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(shí)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。
從20世紀(jì)60年代開始凝固過程數(shù)值模擬,80年代初開始充型過程數(shù)值模擬和鑄件應(yīng)力應(yīng)變數(shù)值模擬,90年代興起鑄件微觀組織數(shù)值模擬的研究,到21世紀(jì)全流程的鑄造專家系統(tǒng),發(fā)展到今天的以互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)和增材制造為代表的智能化鑄造,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鑄件成形制造過程的工藝優(yōu)化,預(yù)測鑄件組織、性能與使用壽命。數(shù)值模擬技術(shù)已深入到鑄件成形過程的各個(gè)方面,成為多功能、高保真、高效率的多學(xué)科模擬與仿真技術(shù)[1-5]。然而鑄件成形過程的影響因素繁多,且同一鑄件可同時(shí)有多種不同的工藝方案。因此鑄造過程的模擬與仿真往往也包括鑄造工藝計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD,鑄件凝固過程數(shù)值模擬CAE等多項(xiàng)技術(shù),為工藝及裝備設(shè)計(jì)與優(yōu)化、過程仿真以及質(zhì)量預(yù)測與檢測等提供服務(wù)。
本文設(shè)計(jì)了鋁合金殼體的傾轉(zhuǎn)鑄造工藝并用Flow—3D軟件模擬鋁合金殼體的充型與凝固過程,從而驗(yàn)證了工藝設(shè)計(jì)的合理性,為該鑄件的實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。
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(yàn),保持5 min不滲透,圖1是殼體零件圖。
圖1 零件圖
圖2 澆注位置和分型面方案
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,確定澆注位置和分型方案如圖2所示。為了形成鑄件的內(nèi)腔,設(shè)計(jì)了如圖3所示的1#砂芯。由于鑄件有四個(gè)需要鑄出的孔,而1#砂芯不能形成該孔,設(shè)計(jì)了2#砂芯(圖3)。
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(shí)發(fā)生飛濺而氧化,同時(shí)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(gè)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(yàn)關(guān)系,得到直澆道的直徑范圍為14~20 mm,實(shí)際取20 mm[6]。澆注時(shí)間為6.2s。根據(jù)鋁合金澆注系統(tǒng)各組元常用截面比[7],選擇F直∶F橫∶F內(nèi)=1∶2∶2。由于是一模兩件,所以單個(gè)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(jì)內(nèi)澆道的高度為9mm,上、下寬為38mm。將橫澆道設(shè)計(jì)為圓形,直徑為20mm。
由圖1可知,殼體鑄件的不均勻壁厚有三個(gè)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(gè)明冒口,直徑為64mm,高度為90mm,冒口的斜度按照1∶10設(shè)計(jì)。在靠近橫澆道末端設(shè)置一個(gè)暗冒口,在澆注時(shí)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。完整的鑄造工藝圖如圖4所示。
采用三維造型軟件UG(Unigraphics NX)將鑄件、芯子、砂箱的三維實(shí)體進(jìn)行裝配。通過Flow—3D軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,鑄件、芯子和砂箱的網(wǎng)格大小分別為1.5mm、5mm和20mm,網(wǎng)格單元總數(shù)為4810346個(gè)。
圖3 砂芯示意圖
圖4 鑄造工藝圖
鑄件材質(zhì)為ZL101,砂型為呋喃樹脂砂,砂型的密度為1.52×103kg/m3,導(dǎo)熱系數(shù)為0.53W/(m·K),比熱為1.22kJ/(kg·K)。鋁合金澆注溫度為973K,砂型初始溫度為 293K。根據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果[8,9],砂型與鑄件界面換熱系數(shù)500W/(m2·K),砂型與空氣換熱系數(shù)10W/(m2·K),鑄件與砂型界面換熱系數(shù)300W/(m2·K)。澆注時(shí)鑄型傾轉(zhuǎn)角速度為0.262rad/s。
鑄件的充型過程模擬結(jié)果如圖5所示。從圖可以看出,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(shí)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(shí)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(shí)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。圖6給出了充型結(jié)束后鑄件表面缺陷分布情況,由圖6可見,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。
圖5 鑄件充型過程
圖6 充型結(jié)束后的表面缺陷
圖7 凝固結(jié)束后的鑄件的溫度分布
圖8 收縮缺陷的預(yù)測結(jié)果
圖7 給出了鑄件凝固完成后的溫度分布,由圖可見,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。圖8給出了鑄件凝固后的收縮缺陷的預(yù)測結(jié)果。從圖中可知,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(jì)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。
(1)設(shè)計(jì)了殼體鑄鋁件的的傾轉(zhuǎn)鑄造工藝方案。
(2)采用數(shù)值模擬方法對鑄造工藝方案進(jìn)行了模擬驗(yàn)證,充型結(jié)果表明,采用傾轉(zhuǎn)鑄造工藝金屬液能平穩(wěn)地進(jìn)行充型,且表面缺陷主要集中在冒口中;凝固結(jié)果表明,鑄件按照順序凝固方式進(jìn)行,冒口能夠有效發(fā)揮補(bǔ)縮作用,收縮類缺陷都留在冒口中。本文中設(shè)計(jì)的傾轉(zhuǎn)澆鑄造工藝方案是合理可行的,達(dá)到了鑄件的質(zhì)量要求。