鋁合金靶上腔體鑄件鑄造方案設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化

宋佳男，黃健，楊弋濤（上海大學(xué)，上海 200072）

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鋁合金靶上腔體鑄件鑄造方案設(shè)計(jì)及模擬優(yōu)化

宋佳男，黃健，楊弋濤
（上海大學(xué)，上海 200072）

摘要：對(duì)現(xiàn)有的一種離子注入機(jī)的鋁合金腔體鑄件進(jìn)行鑄造工藝設(shè)計(jì)，借助ADSTEFAN模擬軟件對(duì)其充型過(guò)程和凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬與方案優(yōu)化確認(rèn)。通過(guò)修改澆注方式，可以明顯改善初始工藝方案中的沖砂、卷氣、夾雜等缺陷。通過(guò)合理設(shè)置冒口和冷鐵，充分實(shí)現(xiàn)冒口的補(bǔ)縮作用，可望有效減少縮孔、縮松缺陷。

關(guān)鍵詞：鋁合金；腔體；方案設(shè)計(jì)；模擬優(yōu)化

稿件編號(hào):1512-1149

離子注入機(jī)是集成電路制造工序中的關(guān)鍵設(shè)備，用于對(duì)半導(dǎo)體表面附近區(qū)域進(jìn)行離子摻雜工藝，可以滿足淺結(jié)、低溫和精確控制等要求，已成為集成電路制造工藝中必不可少的關(guān)鍵設(shè)備。通常由離子源、質(zhì)量分析器、加速器、四級(jí)透鏡、掃描系統(tǒng)、靶室和真空系統(tǒng)等部分組成。其原理是將所要注入的元素進(jìn)行電離，并將正離子分離和加速，形成高能離子流，轟擊工件表面，成為置換原子或晶格間的縫隙原子，使材料的化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)、性能產(chǎn)生變化[1]。靶上腔體作為高能量離子進(jìn)行離子注入的場(chǎng)所，關(guān)系到離子注入工藝質(zhì)量的好壞，因此要求腔體鑄件具有高精度及高的真空密封性。基于對(duì)高質(zhì)量鑄件的需求，鑄造生產(chǎn)環(huán)節(jié)就提出了對(duì)于鑄造工藝方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的必然要求。

1 腔體鑄件結(jié)構(gòu)分析

腔體鑄件的結(jié)構(gòu)如圖1所示，材料牌號(hào)為ZL114A。鑄件輪廓尺寸為579×579×948（mm），鑄件質(zhì)量約119 kg，最小壁厚為16 mm，最大壁厚為38.5 mm。腔體主要呈左右軸對(duì)稱狀，頂面（如圖1.b）為主要裝配面，也是重要加工面，不允許有縮孔縮松、氧化夾雜等鑄造缺陷存在。

圖1 腔體鑄件的三維模型

2 鑄造工藝設(shè)計(jì)及分析

鋁合金質(zhì)量輕，熱熔小，導(dǎo)熱快，極易氧化吸氣；由于氧化物的密度近似于鋁合金的密度，易引起夾雜；且凝固體收縮率較大，因此易產(chǎn)生縮孔、縮松[2]。該鋁合金腔體鑄件屬于中大型鑄件，壁較薄且高度較高，因此設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)對(duì)鑄件品質(zhì)的保證非常重要。

本文采用砂型重力鑄造，型砂選用樹(shù)脂砂。根據(jù)腔體結(jié)構(gòu)尺寸，采用一箱一件，手工造型的方式，機(jī)械加工余量取5 mm。考慮到順序凝固原則及便于下芯操作[3]，將腔體的大平面置于下部，選擇大圓空腔的直徑部位作為分型面，內(nèi)澆道設(shè)置在分型面，如圖2所示。

圖2 分型面與澆注位置選擇

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為鑄造工藝設(shè)計(jì)的重要組成部分，它的合理與否可直接決定鑄造工藝設(shè)計(jì)水平。澆注系統(tǒng)是引導(dǎo)液態(tài)金屬進(jìn)入型腔的通道，它能保證鑄型充滿以及鑄件凝固時(shí)的補(bǔ)縮。另外，還要保證液態(tài)金屬流動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生飛濺、沖擊和紊流，且具防氧化，擋渣的能力，這一點(diǎn)對(duì)鋁合金鑄造尤為重要[4]。

針對(duì)鋁合金的特性，采用開(kāi)放式澆注系統(tǒng)，截面比選取為Σ A直∶Σ A橫∶Σ A內(nèi)=1∶4∶6。使用阻流截面設(shè)計(jì)法，根據(jù)奧贊公式[3]計(jì)算澆道最小截面積：

式中，Asmin為澆道最小截面積（cm2），GL為澆注所需金屬液的總質(zhì)量（kg），K為流量因數(shù)，范圍為0.04~0.07，這里取0.06，HP為平均靜壓頭（cm），澆注時(shí)間t采用公式（2）：

式中，s′為流量系數(shù)，可算得，t=23.5 s。由此求出Asmin=15.3 cm2，即為直澆道的截面積。為增加水力學(xué)阻力，降低流速，減小紊流程度，初步考慮采用片狀直澆道，片數(shù)為3。根據(jù)所選用的截面比，得到單個(gè)內(nèi)澆道截面積為23 cm2，橫澆道截面積為30.6 cm2。

將鑄件三維模型導(dǎo)入ADSTEFAN軟件中，通過(guò)劃分網(wǎng)格、設(shè)置工藝參數(shù)等，進(jìn)行數(shù)值模擬[5,6]，設(shè)置澆注溫度為720 ℃，樹(shù)脂砂的溫度為20 ℃，砂型與外界環(huán)境之間的熱阻為2 500 s·cm2·K·J-1，鑄件和砂型之間的熱阻為25 s·cm2·K·J-1。 在無(wú)冒口情況下的縮孔預(yù)測(cè)情況如圖3.a所示。針對(duì)易產(chǎn)生縮孔部位，在其上端或旁側(cè)設(shè)置了相應(yīng)的冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，如圖3.b所示。其中4個(gè)頂冒口的尺寸為D=74 mm，h=100 mm，4個(gè)澆道側(cè)暗冒口尺寸為D=106 mm，h=188.5 mm，2個(gè)中間暗冒口尺寸為D=50 mm， h=76.5 mm。

圖3 參考初步縮孔預(yù)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)的冒口方案

側(cè)冒口體積較大，且離鑄件較近，凝固過(guò)程中對(duì)鑄件的熱輻射作用將影響鑄件的凝固順序，因此在側(cè)暗冒口上設(shè)置厚度為8 mm的保溫套筒。

利用ADSTEFAN模擬軟件對(duì)鑄件的充型過(guò)程和凝固過(guò)程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，顯示不同時(shí)間充型與排氣狀況的結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 初始方案的充型過(guò)程

由圖4可見(jiàn)，離直澆道近的兩個(gè)內(nèi)澆道先開(kāi)始充型。金屬液沿著型壁向下流動(dòng)沖刷，充填過(guò)程中容易造成沖砂。之后金屬液自下而上充滿型腔。從圖5所示的排氣過(guò)程可以看出，充型初期較不平穩(wěn)，易造成卷氣，從而引起氧化夾雜等缺陷的產(chǎn)生。

3 方案優(yōu)化及分析

根據(jù)初始方案內(nèi)澆道所存在的問(wèn)題，金屬液有較明顯沖刷現(xiàn)象，易造成沖砂、卷氣以及型腔內(nèi)部的氧化夾雜，作者進(jìn)行了多次改進(jìn)與嘗試，因篇幅所限無(wú)法一一敘述。

圖5 初始方案的排氣過(guò)程

考慮到澆注時(shí)的沖砂、卷氣與中注式澆注方式有關(guān)，內(nèi)澆道位置較高，金屬液向下流動(dòng)的時(shí)將對(duì)底部型砂造成沖擊，且液面不平穩(wěn)，易飛濺卷氣，故將內(nèi)澆口位置改為底注式，同時(shí)調(diào)整截面比為ΣA直∶ΣA橫∶ΣA內(nèi)=1∶2∶4，分型面的位置不變?？紤]到后續(xù)拔模問(wèn)題，澆注系統(tǒng)均采用尺寸為D內(nèi)=50 mm，D外=62 mm的陶瓷管澆道，澆注位置如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)

圖7 陶瓷管澆道示意圖

由于冒口的補(bǔ)縮距離有限，針對(duì)冒口難于補(bǔ)縮的部位設(shè)置冷鐵，以加速個(gè)別熱節(jié)的冷卻，從而彌補(bǔ)冒口的不足[7]。冷鐵分布如圖8所示，在頂冒口和側(cè)冒口之間設(shè)置兩個(gè)L型冷鐵，將有效幫助冒口實(shí)現(xiàn)分工補(bǔ)縮。

圖8 冷鐵分布示意圖

根據(jù)砂芯設(shè)計(jì)原則，為簡(jiǎn)化砂芯結(jié)構(gòu)，方便芯模設(shè)計(jì)制造，最終設(shè)計(jì)為一個(gè)整體的大砂芯，其余部分采用活塊配合造出。芯盒采用木質(zhì)芯盒，四周設(shè)有加強(qiáng)板，以增加芯盒強(qiáng)度。如圖9所示。

圖9 砂芯及芯盒示意圖

將優(yōu)化后的鑄件模型導(dǎo)入模擬軟件，各工藝參數(shù)設(shè)置不變，求解結(jié)果如圖10所示。可以看出金屬液從底部?jī)?nèi)澆道充入型腔，再逐步自下而上依次充滿型腔，充型過(guò)程非常平穩(wěn)，型腔內(nèi)氣體順暢排出，最大限度減少?zèng)_砂、卷氣等缺陷的產(chǎn)生幾率。

從圖11的固相率分布圖可以看出，冒口部位為最后凝固區(qū)域。鑄件縮孔分布趨勢(shì)的求解結(jié)果如圖12所示，也表明縮孔產(chǎn)生于冒口之內(nèi)。本方案所設(shè)計(jì)的冷鐵和冒口均達(dá)到預(yù)期效果，故判斷此方案為合理工藝，推薦作為企業(yè)的鑄造生產(chǎn)工藝方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用ADSTEFAN數(shù)值模擬軟件對(duì)鋁合金靶上腔體鑄件的充型和凝固過(guò)程進(jìn)行了模擬分析，并不斷優(yōu)化改進(jìn)，尋求最佳工藝方案。通過(guò)調(diào)整澆注位置以及合理選擇截面比，可確保充型過(guò)程平穩(wěn)，有效避免了沖砂、卷氣等缺陷。冒口和冷鐵的配合使用，使鑄件具有合理的凝固順序，冒口為最后凝固部位，確認(rèn)可充分發(fā)揮其補(bǔ)縮作用，避免了縮孔和縮松的產(chǎn)生，達(dá)到鑄件工藝優(yōu)化的要求。

圖10 改進(jìn)方案充型過(guò)程

圖11 固相率分布圖

圖12 縮孔分布圖

參考文獻(xiàn)

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Casting design and simulation optimization for aluminum alloy casting of target cavity

SONG JiaNan, Huang Jian, Yang YiTao
(Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Abstract:The casting process of an existing aluminum alloy target cavity was designed.The fi lling process and solidifi cation process were simulated and optimized by ADSTEFAN system.Defects such as sand cut, gasentrapment, and inclusion, could be eliminated greatly by modifying the casting plan.The feeding action of riser was fully realized through setting reasonable riser and cold iron, which eliminated the shrinkage defects.

Keywords:aluminum; cavity; process design; simulation optimization

中圖分類號(hào)：TG244；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

文章編號(hào):1006-9658（2016）03-0020-04

DOI：10.3969/j.issn.1006-9658.2016.03.006

收稿日期:2015-12-03

作者簡(jiǎn)介：宋佳男（1993—），女,在讀碩士，從事鑄造合金領(lǐng)域的研究工作；通信作者：楊弋濤（1960—），博士生導(dǎo)師.