基于ProCAST的鋁合金吸閥殼體鑄造模擬

李維俊 黃耀光 陸致金 邱戈(百色學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 百色 533000)

0 引言

普通鑄造生產(chǎn)主要依靠鑄造設(shè)計師的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)品試制周期較長、成本較高，且不能保證質(zhì)量。而鑄造模擬軟件的應(yīng)用，有效的改善了這一現(xiàn)狀，對于缺乏經(jīng)驗(yàn)的年輕鑄造工程師而言，是一個重要的輔助工具[1-2]。為了生產(chǎn)出合格的鑄件，需要對各個影響因素進(jìn)行有效控制，ProCAST軟件采用有限元方法進(jìn)行模擬計算，可以進(jìn)行傳熱計算、充型流動過程計算、熱場耦合應(yīng)力場計算、微觀組織模擬及縮孔縮松預(yù)測模擬，因此，ProCAST軟件是一款功能強(qiáng)大的鑄造工藝模擬軟件[3-5]。

砂型鑄造是傳統(tǒng)的鑄造方法，適用于各種形狀、大小及用途鑄件的生產(chǎn)，工藝過程包括混砂、造型、造芯、烘干、合箱、澆注等，研究其中影響成品率的影響因素有著重要意義[6-7]。本文針對鋁合金吸閥殼體的砂型鑄造工藝進(jìn)行模擬研究，并根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行工藝改進(jìn)，對實(shí)踐生產(chǎn)具有一定借鑒作用。

1 鑄件及造型材料

圖1為鑄件吸閥殼體三維實(shí)體模型，其工作時內(nèi)腔主要承受正壓及負(fù)壓壓力，法蘭連接處受固定螺栓約束。殼體質(zhì)量約為30.0kg，輪廓尺寸為721×352×352mm，壁厚最厚位置將近30.6mm，最薄位置將近10.0mm，平均壁厚為12.2mm。

圖1 吸閥殼體三維實(shí)體模型

鑄件材質(zhì)為 ZL114A合金，其力學(xué)性能較高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到310MPa，伸長率大于3%，布氏硬度大于95HBS，鑄造性能優(yōu)良，同時具有較好抗氧化和抗腐蝕能力。其物理性能、化學(xué)成分分別見表1、表2。

表1 ZL101A合金的物理性能

表2 ZL114A合金的化學(xué)成分

鋁合金鑄件容易產(chǎn)生氣孔、針孔等缺陷，且本次鑄件平均壁厚為12.2mm，容易導(dǎo)致鑄造問題，因此型砂還需考慮發(fā)氣量是否足夠、流動性是否好、是否易緊實(shí)等一系列問題。所以為了能獲得高精度、表面光潔、強(qiáng)度高的鑄件，經(jīng)過全面的對比和分析后，最終選擇了堿性酚醛樹脂自硬砂。

2 鑄造工藝設(shè)計

澆注位置是指澆注時鑄件在鑄型中的空間位置，對鑄件的凝固有著重要影響，主要考慮鑄件的重要部位、重要加工面應(yīng)朝下或者呈直立狀態(tài)；使鑄件的大平面朝下；保證鑄件充型正常；有利于鑄件補(bǔ)縮等。鋁合金凝固實(shí)際過程比較復(fù)雜，且很有可能發(fā)生氧化反應(yīng)，由此產(chǎn)生氧化膜，在充型過程中在某處聚集，導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)缺陷。綜合考慮，為使金屬液能夠平穩(wěn)充型，減少氧化，決定選擇底注式澆注系統(tǒng)進(jìn)行水平傾注。

由于吸閥殼體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，所以選用一箱一件方案。按照鑄件的技術(shù)要求，其尺寸公差應(yīng)該達(dá)到GB/T 6414—1999的CT11-12級，根據(jù)鑄件毛坯尺寸，對照國標(biāo)，確定鑄件尺寸公差為3.6mm。機(jī)械加工余量等級取F-H級，所以法蘭盤取5mm。材料為鋁硅合金，且收縮時受到一定阻力，所以鑄造收縮率取1%。造型時使用木模，型砂為自硬樹脂砂，起模斜度取0°35′。吸閥殼體上的螺栓孔直徑小于20mm，所以選擇不鑄出。砂芯較大，采用芯骨作為支撐。

澆注時間對充型過程及鑄件質(zhì)量有著重要影響，可以通過下式進(jìn)行確定：

式中：τ為澆注時間；G為包括冒口在內(nèi)的鑄件總重量；δ為鑄件壁厚；s1為澆注金屬的系數(shù)。帶入吸閥殼體數(shù)據(jù)，計算出澆注時間約為15s。

本次模擬將采用兩個方案進(jìn)行澆注，方案一為立做平澆，澆注系統(tǒng)采用開放式，各單元截面比為∑F直：∑F橫：∑F內(nèi)=1:2:3，如圖2。澆注系統(tǒng)設(shè)置在砂芯中，底注反雨淋式，采用埋管造型。澆注時對砂型沖擊較小，充型均勻平穩(wěn)，可減少金屬液氧化和飛濺。但由內(nèi)澆道位于底部，鑄件大部位于上側(cè)，所以上部較遠(yuǎn)的部分可能會產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。

方案二采用平做平澆方式，澆注系統(tǒng)采用開放式，各單元截面比為∑F直：∑F橫：∑F內(nèi)=1:2:3，如圖3。澆注系統(tǒng)采用埋管造型，布置在鑄件外側(cè)，底部澆注，造型、下芯比較方便，鑄件上部遠(yuǎn)離內(nèi)澆口，可能產(chǎn)生澆不足等缺陷。

圖2 立做平澆

圖3 平做平澆

3 鑄造模擬

3.1 網(wǎng)格劃分

通過UG NX8.0軟件建立三維實(shí)體模型，將導(dǎo)出的igs格式的文件提供給ProCAST的Mesh模塊，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。在保證計算精度的前提下，為了提高計算速度，將對鑄件、砂芯、澆注系統(tǒng)和砂箱采用不同的單元尺寸。重點(diǎn)分析的鑄件、砂芯和澆注系統(tǒng)采用4mm，砂箱采用30mm。

方案一立做平澆底注式經(jīng)過網(wǎng)格劃分，最終劃分二維網(wǎng)格218212個，三維網(wǎng)格6094124個，如圖4所示。

圖4 方案一鑄件及澆注系統(tǒng)三維網(wǎng)格示意圖

方案二平做平澆底注式經(jīng)過網(wǎng)格劃分，得到二維網(wǎng)格147876個，三維網(wǎng)格3951294個，如圖5。

圖5 方案二鑄件及澆注系統(tǒng)三維網(wǎng)格示意圖

3.2 鑄造參數(shù)設(shè)置

砂型和砂芯為樹脂砂，砂型、砂芯與鋁合金鑄件間換熱系數(shù)取300W/m2·K，砂型與空氣的換熱系數(shù)取10W/m2·K[8]。根據(jù)ZL114A合金性能與澆注條件，澆注溫度取740℃，澆注時間為15s。

3.3 模擬結(jié)果及分析

圖6 方案一充型速度分布圖

圖7 方案一充型時間與缺陷分布圖

從充型時間分布圖(圖7)可以看出，在16.42s完成充型，與計算結(jié)果相近。從充型速度分布圖(圖6)來看，最大充型速度不超過1.8m/s，整個充型過程比較平穩(wěn)，沒有對砂型造成大的沖擊。但是在第三個法蘭處，存在充型滯后問題，有可能造成氣體排出不暢，引起縮松縮孔缺陷。從缺陷分布圖可以看出，在閥殼下部外表殼處，較大概率出現(xiàn)縮松與縮孔缺陷，而在內(nèi)澆道所連接的法蘭處也有叫小概率出現(xiàn)縮松現(xiàn)象。這是由于鑄件在該處是由外向內(nèi)冷卻，且為糊狀凝固，造成金屬液從內(nèi)部向外部補(bǔ)縮，形成縮松縮孔[9]。

從充型時間分布圖(圖9)可以看出，在15.41s完成充型，與計算結(jié)果比較接近。從充型速度分布圖(圖8)來看，最大充型速度不超過1.6m/s。到6.55s時，型腔底部已充滿金屬液，整個充型過程比較平穩(wěn)，沒有對砂型造成大的沖擊。從缺陷分布圖可以看出，此方案缺陷較少，主要集中在較厚法蘭處，這是由于壁厚處冷卻較慢，向先冷卻凝固的部分進(jìn)行了補(bǔ)縮，造成缺陷。

圖8 方案二充型速度分布圖

圖9 方案二充型時間與缺陷分布圖

4 工藝優(yōu)化

綜合來看，方案一縮松分布較為分散，要進(jìn)行工藝優(yōu)化涉及的部分較多，工作量偏大。方案二設(shè)計的更合理，充型過程更平穩(wěn)，缺陷更少，主要問題在于厚法蘭處。此處問題可以添加明冒口，進(jìn)行金屬液的補(bǔ)縮來解決。從結(jié)構(gòu)及工藝的簡潔性來考慮，將冒口設(shè)置在法蘭上部，采用腰圓柱形明冒口，這樣設(shè)置不僅能滿足順序凝固的需要，也加強(qiáng)了鑄型的排氣，有利于缺陷的解決[10]。

圖10 冒口設(shè)置

圖11 改進(jìn)工藝后缺陷分布圖

添加冒口后，壁厚較厚的法蘭一側(cè)的內(nèi)部縮孔得到了上部金屬液的補(bǔ)縮，法蘭內(nèi)部缺陷得到消除，縮松上移至冒口處。由此可見，工藝改進(jìn)是成功的。

5 結(jié)語

合理地使用鑄造數(shù)值模擬軟件對指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計有著重要的輔助作用，能夠?qū)Σ煌脑O(shè)計方案進(jìn)行近似分析，預(yù)判工藝的合理性及問題所在，并可以根據(jù)速度場、溫度場、應(yīng)力場等結(jié)果，給出工藝改進(jìn)的方向。