筒型鑄坯缺陷改性工藝的研究

雷建波，楊顯紅，鄭曉凱

（1.海軍重慶局，重慶 400042；2.重慶大學(xué)，重慶 400044）

由于在鑄造生產(chǎn)過程中常出現(xiàn)的縮孔和縮松缺陷存在于鑄件的內(nèi)部，嚴(yán)重影響著鑄件的使用性能與壽命。目前對(duì)此類缺陷的改性往往以研究單個(gè)孔洞的閉合效果來(lái)進(jìn)行分析，而缺少整體改性的方法和分析。

本文針對(duì)鑄造生產(chǎn)中常見的筒型鑄坯件提出采用擠壓的方法來(lái)達(dá)到縮孔縮松空洞缺陷整體改性的效果，并采用Deform-3d軟件對(duì)在不同變形量、入模角β條件下環(huán)形鑄坯件整體改性效果進(jìn)行了分析和研究，結(jié)果表明該種方法對(duì)筒型鑄件縮孔、縮松類孔洞缺陷的整體改性具有指導(dǎo)意義。

1 模型的建立

筒型鑄件的內(nèi)外表面往往帶有毛刺，表面光潔度低，因而在進(jìn)行擠壓前，需要對(duì)其進(jìn)行機(jī)加工，使其能夠順利的進(jìn)行擠壓變形，以達(dá)到塑性改性的效果。其缺陷主要出現(xiàn)在從鑄件中心靠上端面處，模擬過程中假設(shè)缺陷處于坯料沿縱向方向向上部分，而其它區(qū)域處于優(yōu)質(zhì)材料區(qū)域。分析中采用了相對(duì)密度比較法來(lái)判斷缺陷的消除情況。設(shè)鑄件中部至上端面為缺陷區(qū)域，相對(duì)密度為0.8，中部至下端面的相對(duì)密度為1，擠壓消除缺陷法如圖2所示，坯料通過正擠壓，在凹模刃口區(qū)處產(chǎn)生塑性變形，以達(dá)到整體改性的目的。

圖2 模型示意圖

2 有限元模擬結(jié)果分析

消除鑄件內(nèi)部的縮孔、縮松類孔洞缺陷，是一個(gè)孔洞閉合的過程，主要包含兩個(gè)階段。首先是孔洞發(fā)生塑性變形和閉合，其次在三向壓應(yīng)力、高溫條件下，孔隙兩壁金屬焊合成一體。基于這一特點(diǎn)，數(shù)值模擬分析過程中沒有分析溫度對(duì)擠壓改性效果影響，而直接選擇了高溫模擬分析。

為了分析不同工藝參數(shù)對(duì)鑄件缺陷區(qū)改性的影響，分別在坯料縱向方向和徑向方向選取不同的點(diǎn)作為比較對(duì)象，如圖3所示。

2.1 不同入模角的影響分析

圖3 坯料縱向剖面上選取參考點(diǎn)

本文以坯料單邊壓縮率15%，坯料溫度為800℃，凸模與凹模的溫度分別為260℃和300℃，并分別設(shè)入模角 β 為 6°、5°、4°、3°、2°進(jìn)行模擬分析，模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4-a、4-b表明隨著入模角的減小，坯料在縱向和徑向的改性效果越來(lái)越好。模擬結(jié)果表明，在相同壓縮率的情況下，隨著入模角的減少，與之相對(duì)應(yīng)的凹模斜角處的斜面長(zhǎng)度逐漸增加，導(dǎo)致有效擠壓時(shí)間增長(zhǎng)，而在擠壓改性過程中，坯料處于三向受壓的狀態(tài)，這就意味著坯料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)的時(shí)間變長(zhǎng)，坯料的相對(duì)密度改變?cè)酱?，即具有鑄造孔洞類缺陷坯料改性的效果越好。

2.2 不同壓縮率下影響分析

本文分別進(jìn)行了單邊壓縮率為15%、13%、12%、10%、9%的模擬分析，其中坯料溫度為800℃、凸模溫度為260℃、凹模溫度為300℃、入模角β為2°；其模擬結(jié)果如圖5所示。

不同壓縮率下，縱向和徑向的相對(duì)密度變化如圖5-a、5-b所示，毛刺的最大厚度和平均高度變化情況如圖5-c、5-d所示。從圖可知，隨壓縮率增加坯料在縱向和徑向的擠壓改性效果越來(lái)越好，同時(shí)毛刺的最大厚度和平均高度逐漸增加，與此同時(shí)所產(chǎn)生的廢料也隨之增加。如圖所示，當(dāng)壓縮率達(dá)到15%時(shí)，縱向和徑向的相對(duì)密度接近1，毛刺的最大厚度達(dá)到2.6mm、平均高度達(dá)到35.5mm。

2.3 整體擠壓改性效果模擬分析

為了分析擠壓工藝對(duì)鑄件孔洞類缺陷整體改性的效果，本文把缺陷區(qū)域看作一個(gè)整體，并以距上端面距離為參考，在坯料的缺陷區(qū)域縱向剖面上均勻的選取4×5個(gè)點(diǎn)，如圖6所示。

圖7是根據(jù)圖6中的參考點(diǎn)，借助Deform-3d軟件中的點(diǎn)追蹤法得到各個(gè)區(qū)域的相對(duì)密度，其單邊壓縮率為12%、坯料溫度為800℃、凸模溫度為260℃、凹模溫度為300℃，入模角β為2°。從圖7可知，鑄件缺陷的各個(gè)區(qū)域的相對(duì)密度改變很大，其密度改變最小的達(dá)0.93，最大的達(dá)到1，充分說明正擠壓可有效改善鑄件縮孔、縮松類的缺陷。此外，從圖7可知，鑄件縱向方向上，離凸模臺(tái)階接觸的上端面越遠(yuǎn)，擠壓改性的效果越差；鑄件的徑向方向上，越靠近與凹模接觸的坯料外表面缺陷，擠壓改性的效果越好；此特點(diǎn)和力傳遞有關(guān)，縱向方向上凸模臺(tái)階處對(duì)坯料的力F1，通過坯料上端部傳遞到坯料下端部，在此過程中，由于存在缺陷，會(huì)抵消一部分力，進(jìn)而離上端面越近，其擠壓改性的效果越好；同理，坯料厚度方向上坯料的外表面直接受力，隨著力F2從外到內(nèi)的傳遞，擠壓改性的效果越來(lái)越不明顯。

圖4 不同入模角下密度變化圖

圖5 不同壓縮率下密度變化圖

圖6 坯料縱向剖面上選取參考點(diǎn)

3 總結(jié)

（1）通過數(shù)值模擬的方法分析了筒型鑄造坯件縮孔、縮松類孔洞缺陷整體改性的效果。并驗(yàn)證采用高溫?cái)D壓塑性方法可以有效消除鑄件縮孔、縮松類孔洞缺陷。

圖7 整體密度變化圖

（2）通過模擬分析可知對(duì)筒型鑄造坯件縮孔、縮松類孔洞缺陷整體改性的效果的最佳壓縮率為15%、入模角β為2°。

（3）采用高溫?cái)D壓塑性方法對(duì)筒型鑄造坯件縮孔、縮松類孔洞缺陷較其它整體改性方式有著明顯的優(yōu)勢(shì)，能有效提高材料利用率、生產(chǎn)效率。

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