長筒形鋁合金鑄件鑄造工藝模擬仿真及工藝優(yōu)化

貝偉明

（常德煙草機械有限責(zé)任公司，湖南 常德 415000）

公司某零部件輥為長筒形零件，材料為ZL107，采用砂型重力澆注制造鑄件毛坯后加工而成。其鑄件結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，最大直徑為210mm，高度為1080mm，最大壁厚為50mm，最小壁厚為20mm。加工過程中發(fā)現(xiàn)筒壁處常出現(xiàn)縮松缺陷如圖1(b)所示，嚴重產(chǎn)生報廢。本文通過蕓峰CAE軟件對此鑄件凝固過程模擬仿真，預(yù)測了缺陷可能出現(xiàn)的位置并分析了原因，最后將澆注系統(tǒng)改為帶集渣筒的縫隙式澆注系統(tǒng)并設(shè)置冷鐵和陶瓷過濾器，在實際生產(chǎn)中取得了很好的效果。

圖1 輥鑄件結(jié)構(gòu)圖及縮松缺陷

1 原始工藝數(shù)值模擬

輥的原鑄造工藝如圖2所示，采用三層圓環(huán)形橫澆道，每層配5個扁內(nèi)澆口，頂部放置三個腰型冒口。通過Creo軟件制作三維模型并導(dǎo)出STL文件，輸入蕓峰CAE軟件中設(shè)置相關(guān)參數(shù)后進行模擬仿真。圖3(a)為充型后型腔中液體溫度分布，可看出下部溫度高，頂部溫度低，形成自下而上的溫度梯度，這是底注式澆注系統(tǒng)的特點[1，2]；此外從圓環(huán)形橫澆道可看出其靠近直澆道一側(cè)溫度較高，遠離直澆道一側(cè)溫度相對較低，型腔內(nèi)部在同一水平面上的溫度分布也具有此特征；圖3(b)顯示凝固先從輥靠上部位開始，此時冒口已出現(xiàn)部分凝固，而輥頂部厚壁（50mm）處仍未凝固，說明冒口尺寸偏小；圖3(c)顯示輥靠上部位大部分凝固完成，靠近冒口根部剩下小部分液相，而輥靠下部位仍處于液相，頂部冒口與輥靠下部位補縮通道斷開；圖3(d)顯示輥頂部完全凝固，底部小部分呈液相；圖3(e)顯示整體凝固完成，輥在靠近直澆道的一側(cè)由于凝固較晚，又沒有得到補縮，最后形成縮松，系統(tǒng)顯示鑄件孔松總體積為，孔11.15cc，松214.81cc。輥形成縮松的位置特征為靠近同一側(cè)，在中間略上及下部出現(xiàn)可能性最大，頂部附近由于有冒口補縮，出現(xiàn)概率較小。模擬結(jié)果與實際生產(chǎn)相符。

圖2 輥原始鑄造工藝

圖3 原工藝仿真結(jié)果

2 改進工藝及數(shù)值模擬

針對輥的結(jié)構(gòu)特點及原始工藝仿真結(jié)果，采取以下改進措施：①采用縫隙式澆注系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)取值[1，2]為，縫隙厚度a=0.5δ（鑄件壁厚）=10mm，集渣筒直徑D=6a～8a，取值75mm，直澆道直徑d取值25mm；②加大冒口尺寸；③在遠離縫隙澆道一側(cè)設(shè)置冷鐵，其參數(shù)[3]為頂部厚壁（50mm）處冷鐵厚度為30mm,其余厚度為15mm；④直澆道底座處設(shè)置陶瓷過濾器，減少渣進入型腔并起到整流作用[4]。

在蕓峰CAE軟件中使用相同的參數(shù)對新的鑄造方案進行仿真分析，圖5(a)為充型終了時整體溫度分布，可看出靠近縫隙澆口底部溫度最高，有冷鐵處溫度較低；圖5(b)可看出輥有冷鐵一側(cè)已經(jīng)凝固；圖5(c)顯示鑄件進一步凝固，部分頂帽口也開始凝固，剩下的液相區(qū)為靠近縫隙澆口部分；圖5(d)顯示鑄件靠近縫隙澆口處剩余少量液相，而縫隙澆口及集渣筒大部分處于液相，可見其仍能對鑄件未凝固部分具有補縮作用；圖5(e)顯示鑄件及澆注系統(tǒng)均完成凝固，系統(tǒng)顯示鑄件孔松總體積為0，孔（顯示為黑色）及縮松（顯示為品紅色）分布在集渣筒及直澆道內(nèi)部，以及冒口處。仿真結(jié)果可看出該方案鑄件凝固順序較原始工藝更優(yōu)，凝固過程鑄件內(nèi)部未出現(xiàn)孤立液相區(qū)，集渣筒能對鑄件最后凝固部分充分補縮。

圖4 新工藝方案

圖5 新工藝方案仿真結(jié)果

圖6 采用新工藝方案生產(chǎn)的輥精加工后表面情況

3 生產(chǎn)試制

車間按新工藝方案進行生產(chǎn)試制，鑄件加工后在筒壁及厚壁處表面光亮，均沒有明顯的縮松缺陷，達到了產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

4 結(jié)論

（1）通過蕓峰CAE軟件分析了輥最后凝固區(qū)域是靠近直澆道一側(cè)的筒壁，因凝固后期得不到補縮易形成縮松缺陷；輥的頂冒口尺寸偏小，對頂部厚壁處補縮作用不足；

（2）在凝固過程中縫隙式澆注系統(tǒng)的集渣筒對鑄件具有補縮效果，配合冷鐵并適當(dāng)增加頂帽口尺寸，同時直澆道底部附近設(shè)置泡沫陶瓷過濾器，生產(chǎn)的輥沒有明顯的縮松缺陷，達到質(zhì)量要求。