淺談幾種典型筋板設(shè)計對熔模鑄件縮孔的影響

欒林波，王 丹

（東風(fēng)精密鑄造有限公司，湖北武當(dāng)山 442714）

熔模鑄造是生產(chǎn)高精度鑄件的一種鑄造方法，工序冗長，影響鑄件質(zhì)量因素很多。而縮孔是鑄件生產(chǎn)中常見的鑄件缺陷之一，形成縮孔的基本原因是合金在液態(tài)收縮和凝固時，鑄件某部位（通常是最后凝固的熱節(jié)處）不能及時得到液態(tài)金屬的補縮而產(chǎn)生縮孔[1-2]。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的設(shè)計決定了零件的鑄造工藝性，而均勻的壁厚設(shè)計更是能有效減少熱節(jié)集中程度，從而防止鑄件產(chǎn)生縮孔（松）、熱裂等缺陷[3]。隨著輕量化的趨勢發(fā)展，腹板壁厚極致輕量化，而筋板則成為降低結(jié)構(gòu)應(yīng)力的一種有效手段。而熔模鑄件一般形狀復(fù)雜，熱節(jié)和轉(zhuǎn)角部位較多，這些部分通常凝固較慢且鑄件收縮應(yīng)力集中[4]。多筋交叉結(jié)構(gòu)結(jié)合了凝固較慢且鑄件收縮應(yīng)力集中兩個特點，增加了產(chǎn)生縮孔（松）、縮裂的傾向。結(jié)合鑄造CAE 分析、實物驗證，本文主要介紹幾種典型筋板設(shè)計，旨在從源頭預(yù)防縮孔缺陷。

1 多筋交叉結(jié)構(gòu)縮孔分析及預(yù)防

1.1 “平板式多筋交叉”結(jié)構(gòu)優(yōu)化

某后副車架整體腹板厚度僅5 mm，輪廓尺寸達(dá)460 mm.而在零件遠(yuǎn)端A 處（見圖1a）），形成由三個筋板交叉組成的孤立熱節(jié)，補縮不足，導(dǎo)致縮孔缺陷并延伸至產(chǎn)品表面，形成縮裂。

圖1 “平板式多筋交接”結(jié)構(gòu)及縮裂實物

通過分析，縮裂產(chǎn)生主要原因為結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理產(chǎn)生的孤立熱節(jié)。通過優(yōu)化改進(jìn)，最終通過“反向凹槽”結(jié)構(gòu)設(shè)計，消除了圖1 所示的縮孔缺陷。表1為通過Procast 軟件對原結(jié)構(gòu)及優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)應(yīng)力相當(dāng)，優(yōu)化工藝筋對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度無明顯影響。在此前提下同步進(jìn)行鑄造CAE 缺陷分析如圖2 所示，與原結(jié)構(gòu)相比，鑄件縮孔傾向基本一致。但優(yōu)化工藝筋部位改變鑄件凝固順序，消除了縮孔外漏和縮裂產(chǎn)生，并最終消除熱裂缺陷。

表1 平板式多筋交接結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力分析對比

圖2 改進(jìn)前后Procast 缺陷模擬分析對比

針對此類“平板式多筋交接”結(jié)構(gòu)對應(yīng)給出“筋板交錯”和反向凹槽兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計建議，可有效避免多筋交叉熱結(jié)部位，使得整體壁厚均勻，是一種提升鑄造工藝性的鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計思路，如圖3 所示。

圖3 “平板式多筋交接”結(jié)構(gòu)設(shè)計建議

1.2 “直角式多筋交叉”結(jié)構(gòu)優(yōu)化

某橫梁鑄件在圖4a）標(biāo)記處位置多個筋板交接處形成熱節(jié)，同時出現(xiàn)拐角區(qū)域，散熱不良。且該位置屬于孤立熱節(jié)，產(chǎn)生縮孔缺陷。

圖4 “直角式多筋交叉”結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對“直角式多筋交叉”結(jié)構(gòu)，多采用在多面交接位置設(shè)計工藝孔，用于抵消拐角位置在凝固過程中產(chǎn)生的補縮不良，如圖4b）所示。對于工藝孔尺寸，本文通過大量實物效果驗證，結(jié)合實物鑄造工藝性給出工藝孔參考尺寸為D≥12 mm.

2 兩筋交接產(chǎn)生縮孔分析及預(yù)防

某橫梁兩筋板交接，在交接拐角處形成熱節(jié)，同時內(nèi)圓角處散熱不良，而產(chǎn)生縮孔缺陷。如圖5 a）所示。

圖5 “兩筋交接”結(jié)構(gòu)優(yōu)化

橫梁底座通過優(yōu)化改進(jìn)，最終通過兩面之間采用大圓弧過渡，形成圖5b）“殼體”結(jié)構(gòu)設(shè)計，消除了圖5 a）“兩筋交接”結(jié)構(gòu)縮孔缺陷。表2 為通過Procast 軟件對原兩筋交接結(jié)構(gòu)及優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力模擬分析，結(jié)果表明優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，“殼體”結(jié)構(gòu)設(shè)計對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有正向作用。在此前提下同步進(jìn)行鑄造CAE 缺陷分析如圖6 所示。優(yōu)化結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)相比，“殼體”結(jié)構(gòu)設(shè)計兩筋交接處鑄件縮漏傾向消除，同步對實物進(jìn)行無損X 光探傷顯示無縮孔。

表2 兩筋交接結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后應(yīng)力對比

圖6 “兩筋交接”與“殼體”結(jié)構(gòu)Procast 缺陷模擬分析對比

針對此類結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是澆注系統(tǒng)難以補縮到的位置，應(yīng)盡量避免兩筋交叉的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可采用如圖5b）所示殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計，兩面之間采用大圓弧過渡，形成殼體來消除交接處熱節(jié)。

3 “筋+板”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生縮孔缺陷分析及預(yù)防

基于極致輕量化的產(chǎn)品設(shè)計導(dǎo)向，部分產(chǎn)品最小壁厚達(dá)到2 mm.在澆注過程中薄壁腹板位置瞬間凝固，使?jié)沧⑾到y(tǒng)失去補縮作用，孤立熱節(jié)位置缺少液態(tài)收縮時足夠的金屬液補充，形成縮孔缺陷。此時筋不僅僅起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用，同時良好的筋位置的布局可以充當(dāng)補縮通道的角色。有研究表明筋板的補縮作用在薄壁腹板鑄件上的作用尤為重要。某腹板鑄件如圖7 結(jié)構(gòu)所示，試驗結(jié)果如表3所示。此時筋充當(dāng)了有效補縮通道的角色。增加“筋”（補縮通道）后，能夠明顯降低縮孔傾向。從CAE 仿真分析的凝固狀態(tài)可以看出，增加“筋”（補縮通道）后，薄壁區(qū)域凝固時間延長，使?jié)沧⑾到y(tǒng)能夠提供孤立熱節(jié)區(qū)域液態(tài)收縮時需要的液態(tài)補縮量。

圖7 某2 mm 腹板模型

表3 筋+板的結(jié)構(gòu)模型驗證情況

在澆注過程中薄壁腹板位置由于壁較薄會瞬間凝固，使?jié)沧⑾到y(tǒng)失去補縮作用。加筋后不僅僅起到加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的作用，同時良好的筋位置布局可以充當(dāng)補縮通道的角色。因此，在薄壁腹板結(jié)構(gòu)中，合理的設(shè)計筋的位置能有效降低縮孔缺陷。

4 結(jié)論及建議

縮孔是鑄造中常見和危害最大的缺陷之一，隨著產(chǎn)品功能的多樣化，其結(jié)構(gòu)也將日益復(fù)雜，縮孔缺陷的風(fēng)險隨之增加。本文通過多筋交叉結(jié)構(gòu)、兩筋交接結(jié)構(gòu)、筋+板結(jié)構(gòu)等典型結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化和縮孔缺陷的預(yù)防，證明在產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)階段巧妙設(shè)計筋板，結(jié)合結(jié)構(gòu)及鑄造CAE 仿真模擬工具，充分兼顧產(chǎn)品的鑄造工藝性，能夠很大程度降低縮孔風(fēng)險。