精鑄連接體工藝模擬及改進

宋廣，接金川，張蓬，李廷舉

(1.大連國運興鑄造有限公司，遼寧大連 116104；2.大連理工大學，遼寧大連 116024)

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精鑄連接體工藝模擬及改進

宋廣1，接金川2，張蓬1，李廷舉2

(1.大連國運興鑄造有限公司，遼寧大連 116104；2.大連理工大學，遼寧大連 116024)

摘要：精密鑄造是生產近凈成形金屬零件的重要方法之一，在制造業中有著廣泛應用。然而受到精鑄生產設備尺寸限制，工藝出品率低等因素的影響，其鑄件重量及尺寸范圍受到限制，所生產的精密鑄件大多屬于小型件，重量范圍從幾克至幾千克。本文采用ProCAST模擬軟件分析連接體精鑄件（毛坯質量360 kg）鑄造過程，改進鑄造工藝，并最終成功制備出連接體精鑄件。

關鍵詞：精密鑄造；工藝出品率；ProCAST；鑄造工藝模擬

稿件編號:1511- 1121

現代工業的不斷發展對鑄件質量也提出更高要求，特別是在航空航天，車輛制造、機械設備等領域，其鑄件結構復雜，趨向于輕量化、精密化、薄壁化。硅溶膠精密鑄造工藝由于可有效滿足上述需求而得到廣泛應用，其產品具有尺寸精度高（可達CT4-6），表面光潔度高（可達Ra1.6～3.2 μ m）的特點，并且鑄造過程對環境污染和人體危害小。但其工藝也存在一定的局限性，一般鑄件質量只有幾克到幾千克，對于尺寸較大的鑄件，在壓制蠟模，制殼及脫蠟等工藝環節，都存在一定的難度。對于有優質的內在質量，大批量生產質量穩定性高的厚大鑄件，對鑄造工藝及方法提出了更高的要求。

在傳統的硅溶膠鑄造澆注系統設計過程中，主要依靠工程技術人員的工作經驗確定相關參數，缺乏科學的理論依據，特別是對于厚大精鑄件的熱節部位補縮，由于精鑄工藝不如普通砂鑄工藝靈活（如添加冷鐵或鉻礦砂），這種基于“經驗+試驗”的方法，在生產中往往要反復地修改流道尺寸和工藝方案來達到質量要求，導致鑄件的研制周期長，成本高，質量不可靠，已不能適應工業發展的要求。本文以連接體精鑄件為例，利用ProCAST有限元鑄造模擬軟件對其鑄造過程進行數值模擬，通過對鑄件的溫度場進行仿真分析，從而協助澆注系統設計并消除縮孔缺陷。

1 鑄件描述及結構分析

該連接體鑄件為化工行業用零部件，零件結構如圖1所示。該鑄件用于高溫酸性工作環境，故該鑄件采用CN7M材質，其成分如表1所示。CN7M是一種高鉻鎳奧氏體不銹鋼，對氧化性和中等還原性腐蝕有很好的抵抗能力，在很多化工介質中有良好的耐腐蝕特性，同時具有優異的高溫力學性能，因此它既可以用于耐腐蝕部件又可以用于耐高溫部件。同時，該鑄件對精度要求也較高，鑄件公差等級需按GB/T6414-1999標準中CT7進行驗收，故采用硅溶膠精密鑄造工藝生產。

圖1 鑄件3D結構圖

此外，該鑄件內部質量要求也較高，需100%進行無損探傷并且符合ASME標準要求，同時還要進行水壓實驗，鑄件承壓能力須大于4 MPa，打壓過程中鑄件不得有滲漏現象。其外形尺寸為650 mm×650 mm×400 mm，產品中間連接部位的壁厚為12 mm，內腔結構較為復雜，其毛坯質量約為360 kg。

表1 CN7M不銹鋼材質化學成分 w%

2 原鑄造工藝及模擬參數設置

該鑄件采用硅溶膠中溫蠟精鑄工藝生產，其原始蠟模組工藝方案如圖2.a所示，頂部中間冒口為澆冒口，周邊6個冒口除補縮6個側直澆道還可起排氣作用，側直澆道相當于側壓冒口。根據此方案試制作1件產品，其型殼如圖2.b所示。為了驗證其方案合理性，利用ProCAST軟件對該方案進行模擬，為了保證模擬的真實性，其參數設定完全依照實際生產執行，其具體數值如下。

(1)型殼實際厚度約為30 mm，共計18層，第1、2層采用320目鋯粉，第3、4層采用120目鋯砂，第5～18層采用粒度逐漸增大的莫來砂。利用ProCAST軟件meshing模塊進行網格剖分，鑄件及澆注系統的4面體網格數為79萬；利用shelling 功能自動生成型殼網格，其網格數為85萬。

(2)鑄件材質為CN7M不銹鋼，液相線溫度為1 346 ℃，固相線溫度為1 147 ℃。為此，初始澆注溫度選擇1 420 ℃；型殼經焙燒后，初始溫度為800 ℃。

熱傳導率定義，根據所選型殼種類及鑄件材質，確定熱導率500 W/mK。

(3)根據澆包的大小及澆注條件，確定初始澆注速度為0.7 m/s，澆注時間約為43 s，與實際澆注情況基本一致。

圖2 原工藝方案圖及型殼

3 初始鑄造工藝模擬結果分析

采用以上工藝參數生產連接體鑄件，在切割澆注系統時發現該產品存在縮孔缺陷，這些缺陷分布在澆注系統與鑄件連接部位，縮孔直徑范圍15～40 mm，大小不等，具體如圖3方框標注所示，可以看到鑄件上部及下部均存在鑄造缺陷。

為了找出縮孔缺陷的成因，對ProCAST模擬結果進行分析，其上部及下部缺陷部位凝固溫度場分布如圖4.a、b所示，上部及下部缺陷部位凝固比例分數分布如圖5.a、b所示。由圖4.a溫度分布場可發現在鑄件上部內澆口與鑄件連接處形成熱節點，其位置恰好位于鑄件邊緣上；圖4.b顯示鑄件下部冒口頸與鑄件連接處形成了孤立液相區，與鑄件實際缺陷位置一致，這說明側壓冒口不足以補縮鑄件，無法將熱節點從鑄件移開至冒口。圖5.a、b凝固比例分數與圖4.a、b取自鑄件相同部位，可清晰的看到鑄件上、下部的熱節點周邊部位的凝固速度較快，溫度場形成圓環狀逐層包圍鑄件上的熱節點，使金屬液無法對鑄件進行有效補縮，隨著凝固時間的增加，體積收縮加大，孤立的液相區即會產縮松、縮孔缺陷。

圖3 連接體原工藝縮孔缺陷分布

圖4 原工藝上部和下部缺陷部位凝固溫度場分布

圖5 原工藝上部和下部缺陷部位凝固比例分數分布

4 改進后的鑄造工藝

由上述分析可找到缺陷形成的原因，即采用“經驗法”所選用的冒口尺寸偏小及澆注系統不合理，從而造成對鑄件補縮不良。為此，合理的布置澆口并適當增加冒口尺寸，去除鑄件上部對應的側澆口，以免其對鑄件形成“反抽”，加大上部內澆口的尺寸并使其與側直澆道連成一體；對于鑄件下部，增加側壓冒口的尺寸，由100×100(mm)改為100×120(mm)，對應冒口頸的厚度也增加至120 mm，并且改變冒口頸的形狀以充分增加冒口頸與側壓冒口的接觸面積。改進以后的蠟模組立方案3D網格如圖6.a所示，型殼如圖6.b所示，其它工藝參數按原工藝執行。

圖6 連接體改進后澆注工藝及型殼

5 改進后鑄造工藝模擬結果及產品照片

鑄件上部及下部缺陷位置凝固溫度場分布如圖7.a、b所示，上部及下部缺陷位置凝固比例分數分布如圖8.a、b所示。改進工藝后，由于冒口的模數增加及冒口頸的尺寸增加，顯著的改變了熱節點的位置，鑄件上部的孤立液相區由鑄件移至冒口，即實現該部位率先凝固，冒口最后凝固；鑄件下部的孤立液相區由鑄件移至冒口與冒口頸交匯處，即實現該部位先凝固，冒口頸隨之凝固，最后是冒口與冒口頸交匯處凝固。這說明改進的工藝較為合理，冒口可有效對鑄件進行補縮，消除縮松和縮孔等鑄造缺陷。

圖7 改進工藝后鑄件上部和下部位凝固溫度場分布圖

圖8 鑄件工藝改進后上部和下部凝固比例分數分布圖

為了驗證模擬結果的準確性，按改進工藝重新生產連接體鑄件，經切割噴砂處理后，鑄件如圖9所示。對其進行無損探傷，未發現鑄件內部存在孔洞類缺陷，結果完全符合ASME標準要求，打壓過程也未出現滲漏現象，這說明改進后的工藝完全能制備出合格的連接體鑄件。

圖9 連接體改進工藝后產品照片

6 結論

應用ProCAST數值模擬技術可有效地預測硅溶膠精鑄產品縮孔缺陷，為解決精鑄產品補縮問題提供依據，幫助工藝技術人員優化工藝方案。

受硅溶膠精密鑄造工藝的限制，及該連接體鑄件重量影響，該鑄件工藝出品率較低；對于同一種精鑄產品，當鑄件質量增大，工藝出品率會相應降低，因此大型鑄件不太適用硅溶膠精密鑄造工藝生產。

該連接體鑄件凝固過程中，溫度場的分布與凝固比例分數分布基本相同，都能反映出該鑄件熱節點分布狀態，但凝固比例分數僅限于對凝固過程進行分析，不能用于對純液態及純固態合金進行分析。

通過模擬得知，改變該鑄件型殼的初始溫度對鑄件熱節點的位置分布幾乎沒有影響，因此改變型殼焙燒溫度，在型殼外表增加保溫材料等措施不能有效的消除該鑄件的縮孔缺陷。

致謝：感謝中國一汽鑄造有限公司所提供的ProCAST軟件模擬支持和幫助。

參考文獻

[1] 姜不居．熔模精密鑄造[ M]．北京：機械工業出版社，2004：15-76．

[2] 章舟．熔模精密鑄造技術問答[M]．北京：化學工業出版社，2007：1- 45．

[3] 李玉觀，李偉峰，彭興玖，等．熔模精密鑄造缺陷與對策[M]．北京：化學工業出版社，2012：65- 98．

[4] 柳百成．鑄件凝固過程的宏觀及微觀模擬仿真研究進展[J]．中國工程科學，2000，2(9)：29- 34．

[5] 張春波，王峰，張冰，等．泵體的熔模鑄造工藝[J]．特種鑄造及有色合金，2009，29(4)：351- 352．

[6] 呂志剛，姜不居，周澤衡．中國熔模精密鑄造展望[J]．鑄造技術，2003，24(3)：163- 165．

[7] 安錦輝．硅溶膠在精密鑄造中的應用[J]．河北化工，2009，32(12)：32- 33．

[8] 湯彬，李雙壽，高精秀，等．不銹鋼熔模鑄造缺陷分析及質量控制[J]．特種鑄造及有色合金，2008，28(8)：624- 626．

[9] 王春歡，胡紅軍，羅靜，等．基于ProCAST軟件的熔模鑄造計算機模擬[J]．鑄造技術，2007，28(10)：1360- 1362．

[10] 柴增田. 計算機技術與熔模精密鑄造[J]. 中國鑄造裝備與技術,2002(5).

[11] 馬孝斌, 陳曉明, 左叢,等. 半環形薄壁不銹鋼鑄件的熔模鑄造工藝[J]. 中國鑄造裝備與技術,2011(5).

Investment casting process simulation and improvement of connector

SONG Guang1，JIE JinChuan2，ZHANG Peng1，Li TingJu2
(1 Dalian gyxcast Co., Ltd., Dalian 116104,Liaoning,China; 2. Dalian University of Technology，Dalian 116024,Liaoning,China)

Abstract：Silica solution precision casting is an important method for producing metal parts of near net shape, which is widely used in manufacturing industry. Owing to the limit of investment casting equipment size and the low product rate, the weight and size of casting is limited, most of precision castings are small and light, the weight range is from several grams to several kilograms. In this paper, ProCAST software is used to simulate the connector casting process which weight is about 360 kg and to solve feeding problems of big precision casting.

Keywords：Investment casting；Product rate；ProCAST；Casting process simulation

中圖分類號：TG249.5；

文獻標識碼：A；

文章編號:1006-9658（2016）02-0048-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.02.016

基金項目：國家自然科學基金項目 （編號：51471042）

收稿日期:2015- 11- 04

作者簡介：宋廣(1984—)，男，碩士，工程師，從事鑄造工藝設計與研究.