上傾倒框鑄鋁件鑄造工藝設(shè)計及模擬優(yōu)化

（上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

上傾倒框是傾倒機(jī)構(gòu)的重要組成部分，一般安裝在基座上，并由軸帶動其工作，是機(jī)構(gòu)中主要的受力零件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造對整個傾倒機(jī)構(gòu)的承載能力有很大影響，所以要求上傾倒框的重量輕、強(qiáng)度高，同時鑄件整體無裂紋、冷隔及澆不足等穿透類缺陷，縮松及針孔缺陷不得超過4級。鑄件的壁厚小、尺寸大，金屬液的充型阻力大；鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為框架結(jié)構(gòu)，澆注時金屬液流程長，熱量散失快；鑄件澆注成形存在一定難度[1—3]。數(shù)值模擬技術(shù)是一種有效節(jié)約試制成本、縮短試制周期的工具，可避免傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗進(jìn)行試錯的盲目性[4—6]。文中借助計算機(jī)模擬技術(shù)，對上傾倒框鑄件的鑄造工藝方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以確保鑄件具有良好的質(zhì)量與工藝性。

1 鑄造工藝分析

上傾倒框鑄鋁件的三維模型見圖1，鑄件的材料為ZL114A，其具有較高的力學(xué)性能和良好的鑄造性、焊接性和耐腐蝕性，收縮率小[7—9]。鑄件輪廓尺寸1375 mm×1150 mm×440 mm，質(zhì)量約375 kg，最大壁厚為50 mm，最小壁厚為25 mm，主要壁厚為30 mm。鑄件頂面圓盤面積最大且厚度較厚，為鑄件的熱節(jié)位置。鑄件要求無裂紋、冷隔及澆不足等缺陷，圓盤面等重要的部分不能出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷。

圖1 鑄件三維模型Fig.1 Three-dimensional model of casting

2 鑄造工藝設(shè)計及分析

2.1 分型面的選擇

分型面的選擇應(yīng)盡量與澆注位置一致，一般設(shè)置在鑄件的最大截面處，但是為方便起模及下芯，結(jié)合鑄件的結(jié)構(gòu)特點，調(diào)整了分型面的位置，將其設(shè)置在框體與圓盤的連接處，如圖2所示，以減少活塊與砂芯的數(shù)量。

圖2 分型面設(shè)計Fig.2 Design of parting surface

2.2 澆注位置的選擇

根據(jù)澆注位置選擇的原則：① 鑄件的主要加工面、主要工作面和受力面應(yīng)盡量放在底面或側(cè)面；②大平面應(yīng)置于下部或傾斜位置，以防夾砂等缺陷[10]?？紤]將鑄件倒放進(jìn)行澆注，又由于鑄件厚實部分應(yīng)盡可能置于上方，利于設(shè)置冒口補(bǔ)縮，此鑄件壁厚最大處為頂面上的圓盤，凝固最為緩慢，易產(chǎn)生縮孔縮松，為便于設(shè)置冒口，應(yīng)將鑄件正放，故設(shè)計了正放與倒放兩種方案進(jìn)行對比分析，兩種方案的模型見圖3。

圖3 兩種澆注方案的模型Fig.3 Models of two casting schemes

利用ADSTEFAN軟件對這兩種方案進(jìn)行鑄造過程的模擬，分別模擬其充型與凝固過程，得到的結(jié)果見圖4及圖5。

由圖4充型過程中自由表面（%）的計算結(jié)果可見，倒放方案中金屬液從底部圓盤的一側(cè)流入，并產(chǎn)生了一定的旋轉(zhuǎn)，易吸氣氧化。正放方案金屬液先流入框體，并均勻進(jìn)入圓盤，沒有金屬液的渦流、飛濺、卷氣等現(xiàn)象。兩種方案的充型過程都較為平穩(wěn)，且底注方式有利于排氣，但都需要在頂面添加排氣孔。總體來說充型效果都較為良好，正放方案稍占上風(fēng)。

體現(xiàn)固相分?jǐn)?shù)的凝固模擬結(jié)果表明，兩種方案的澆注方式不同，對鑄件的凝固有一定的影響，但影響不大。兩種方案鑄件前方橫板及肋板的交叉處，即圖5a及圖5b中紅圈圈出的區(qū)域，最先成為孤立區(qū)域，易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷。圖5c及圖5d中圓盤中心處最晚凝固，在凝固的最后階段，沒有足夠的液態(tài)金屬流入，最終會在這些區(qū)域形成收縮缺陷[11]。其余部位都可以得到金屬液的補(bǔ)充，不易產(chǎn)生大型的縮孔缺陷，但可能會出現(xiàn)一些縮松。

圖4 兩種澆注方案充型過程的模擬結(jié)果（自由表面/%）Fig.4 Simulation results for filling process of two casting schemes

圖5 兩種澆注方案凝固過程的模擬結(jié)果（固相分?jǐn)?shù)分布）Fig.5 Simulation results for solidification process of two casting schemes

綜合上述兩種方案的充型及凝固過程的模擬結(jié)果，可以看出倒放方案雖然將大平面置于下方，可防止夾砂等缺陷，但存在充型過程中金屬液在圓盤內(nèi)旋轉(zhuǎn)，易被氧化的問題；并且圓盤處為熱節(jié)部位，易產(chǎn)生縮孔縮松缺陷，鑄件倒放難以設(shè)置冒口對其進(jìn)行補(bǔ)縮，如果不能消除縮孔缺陷，就很難獲得致密的鑄件[12]。而正放方案雖然澆注系統(tǒng)略為復(fù)雜，但是充型過程更為平穩(wěn)，并且圓盤置于頂部，利于設(shè)置冒口對其進(jìn)行補(bǔ)縮，出于對鑄件質(zhì)量的考慮，故最終選擇正放方案并對其進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.3 澆注系統(tǒng)尺寸的確定

鋁合金輕、熱容量小、導(dǎo)熱快、溫度降低速度快，極易產(chǎn)生氧化和吸氣，導(dǎo)致在鑄造過程中產(chǎn)生氣孔夾雜與一些氧化物薄膜等鑄造缺陷[13]。鋁合金的凝固體收縮率大，易產(chǎn)生縮孔和縮松，因此，對澆注系統(tǒng)的要求是保證充型過程平穩(wěn)，不發(fā)生飛濺、沖擊和渦流，撇渣能力要強(qiáng)，并有利于補(bǔ)縮[14]。

根據(jù)鋁合金的特性，通常采用開放式澆注系統(tǒng)，且多為底注式或垂直縫隙式。為了減少沖擊、吸氣，直澆道通常做成10°～15°傾斜式或蛇形。綜合考慮，本次鑄造方案采用底注開放式澆注系統(tǒng)，鑄件質(zhì)量約375 kg，屬中型鑄件，根據(jù)《鑄造工藝設(shè)計》中各澆道常用截面積比[10]，最終確定各澆道截面積比為：

在確定了鑄件澆注系統(tǒng)的類型和各組元的截面積比后，需要計算澆注系統(tǒng)各組元的具體尺寸。根據(jù)《鑄造工藝設(shè)計》中鋁合金鑄件的澆注重量與直澆道截面積的關(guān)系[10]，選取單個圓錐形直澆道，下端直徑為64 mm，上端直徑為90 mm，最小截面積為32.2 cm2。

根據(jù)各澆道的截面積比與直澆道的尺寸，可確定橫澆道與內(nèi)澆道的尺寸。本次設(shè)計方案采用梯形截面橫澆道，數(shù)量為兩根，單個橫澆道截面積為32.4 cm2，梯形下底50 mm，上底40 mm，高72 mm。

由于正放方案的分型面不在底面上，又需要使用底注式澆注系統(tǒng)，使內(nèi)澆道難以拔模，故采用埋設(shè)陶管的方式，采用12根直徑為30 mm的陶管，總截面積為84.8 cm2。

2.4 澆注時間的確定

澆注時間對鑄件的質(zhì)量有重要影響，合理的澆注時間與鑄件的結(jié)構(gòu)、材料、澆注系統(tǒng)有關(guān)。澆注時間t的計算見式(1)。

式中：GL為澆注質(zhì)量（kg）；S'為經(jīng)驗系數(shù)。

本次鑄件的澆注質(zhì)量約600 kg，鑄件的平均壁厚為30 mm，根據(jù)《鑄造工藝設(shè)計》中鋁合金鑄件澆注系統(tǒng)中最小截面積的計算[10]，選取經(jīng)驗系數(shù)為4.0，代入式(1)得到澆注時間約為34 s。

2.5 冒口設(shè)計

鋁合金的凝固體收縮率大，易產(chǎn)生縮孔和縮松。根據(jù)試制的參數(shù)以及模型進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示缺陷位置因壁厚過大，相對凝固時間較長，形成了較大的熱節(jié)，最后導(dǎo)致縮孔、縮松[15]。主要分布在圓盤處以及前方橫板及肋板的交叉處，故需要添加冒口對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮，減少或消除缺陷。

針對鑄件前方橫板及肋板的交叉處的缺陷采用側(cè)冒口對其進(jìn)行補(bǔ)縮，在兩個交叉處各放置一個側(cè)冒口。針對圓盤上的缺陷采用頂冒口對其進(jìn)行補(bǔ)縮，在圓盤上均勻放置4個頂冒口。側(cè)冒口與頂冒口是在標(biāo)準(zhǔn)側(cè)冒口與頂冒口的基礎(chǔ)上略作調(diào)整，并且添加冒口頸，便于冒口的切割。添加冒口后的鑄件模型見圖6。

圖6 含冒口的鑄件模型Fig.6 Model of casting with risers

設(shè)置冒口后，對其進(jìn)行數(shù)值模擬，主要為評估冒口補(bǔ)縮效果，故模擬其凝固過程，得到的結(jié)果見圖7。從圖7a可以看出，側(cè)冒口比鑄件凝固要慢，故其補(bǔ)縮效果較好，可以解決此前鑄件前方橫板及肋板的交叉處的缺陷問題。但是頂冒口比鑄件圓盤處先凝固，如圖7b所示，補(bǔ)縮效果不好，無法解決圓盤上的收縮缺陷問題。

2.6 二次優(yōu)化

針對前述4個頂冒口補(bǔ)縮不佳的結(jié)果，對方案進(jìn)行二次優(yōu)化，增大冒口體積或添加冷鐵，又考慮到工藝出品率及操作的便捷性，最終決定，鑄件圓盤中心的孔洞不鑄出，采用后期機(jī)加工，則在圓盤中心可以設(shè)置一個較大冒口對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。二次優(yōu)化后的鑄件模型見圖8。

圖7 冒口系統(tǒng)凝固過程的模擬結(jié)果（固相分?jǐn)?shù)分布）Fig.7 Simulation results of solidification process in riser system

圖8 二次優(yōu)化后的鑄件模型Fig.8 Model of casting after quadratic optimization

3 模擬結(jié)果與綜合分析

使用ADSTEFAN模擬軟件，對鑄件的充型過程、凝固過程及缺陷預(yù)測進(jìn)行模擬。為保證鑄件形狀的精度，將網(wǎng)格數(shù)劃分在5000萬個左右。綜合分析模擬結(jié)果，分析其鑄造方案的合理性。

3.1 充型結(jié)果分析

計算得到的充型結(jié)果見圖9。充型的結(jié)束時間約為32.0 s，與計算得出的澆注時間基本符合。從圖9b可以看出，充型初期金屬液面略有起伏，沒有金屬液的飛濺、卷氣等現(xiàn)象，之后趨于平穩(wěn)；并且充型達(dá)到8 s時，橫澆道與陶管都已充滿，開放式澆注系統(tǒng)澆道充滿較為緩慢，相對來說本方案的澆道充滿時間較為快速，可以更好地防止氧化等缺陷。排氣管與冒口的放置也較為合理，鑄件中沒有氣體殘留，金屬液由底部逐漸向上推進(jìn)，將氣體趕至排氣孔與冒口中，并排出型腔，如圖9c所示?？傮w上充型效果良好。

3.2 凝固結(jié)果分析

凝固過程固相分?jǐn)?shù)變化見圖10。鑄件的總凝固時間約3800 s。圖10a、圖10b中側(cè)冒口凝固晚于鑄件，側(cè)冒口的補(bǔ)縮效果良好，可以解決先前鑄件前方橫板及肋板的交叉處的缺陷。二次優(yōu)化后，頂冒口成為整個鑄件最后凝固的區(qū)域，補(bǔ)縮效果良好，可解決前一方案中圓盤處出現(xiàn)的缺陷，達(dá)到了預(yù)期的補(bǔ)縮目標(biāo)，結(jié)果見圖10c、圖10d?？傮w上凝固結(jié)果良好，各個部分的最終凝固區(qū)域都轉(zhuǎn)移到了冒口內(nèi)，可有效減少縮孔縮松等缺陷。

3.3 縮孔縮松分析

表征縮孔、縮松的填充比經(jīng)模擬求解后的結(jié)果見圖11。其中橙紅色、黃色部分表示形成縮孔傾向較大的區(qū)域。縮孔縮松預(yù)測的模擬結(jié)果與凝固過程的模擬結(jié)果較為吻合。圖11a、圖11b中先前鑄件前方橫板及肋板的交叉處沒有出現(xiàn)缺陷，缺陷已完全進(jìn)入側(cè)冒口中，總的來說側(cè)冒口達(dá)到了理想的補(bǔ)縮效果。從圖11c、圖11d可以看出，在采用了單個頂冒口后，可消除圓盤上的收縮缺陷，缺陷將被完全移入頂冒口中，單個頂冒口的補(bǔ)縮效果良好?？傮w來說，整個鑄件內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的縮孔、縮松缺陷，并由此判斷本次優(yōu)化后方案是合理可行的。

圖9 鑄件充型過程的模擬結(jié)果（自由表面/%）Fig.9 Simulation results for filling process of casting

圖10 鑄件凝固過程的模擬結(jié)果（固相分?jǐn)?shù)分布）Fig.10 Simulation results for solidification process of casting

圖11 鑄件縮孔縮松預(yù)測（填充比/%）Fig.11 Prediction of shrinkage porosity of casting

4 結(jié)論

1）在對上傾倒框鑄鋁件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后，設(shè)計了兩種不同的鑄造工藝方案。采用UG軟件對鑄件、澆注系統(tǒng)、冒口進(jìn)行建模，利用ADSTEFAN軟件進(jìn)行模擬，預(yù)測了可能存在的缺陷，并在此基礎(chǔ)上對鑄造工藝方案進(jìn)行優(yōu)化。

2）底注式澆注系統(tǒng)充型過程較為平穩(wěn)，并且利于鑄件的排氣，可避免卷氣、夾渣等缺陷。在正放澆注與倒放澆注的選擇中，正放澆注更利于實現(xiàn)鑄件的順序凝固，便于安放冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。

3）鑄件前方橫板及肋板交叉處的缺陷，可利用兩個側(cè)冒口，達(dá)到理想的補(bǔ)縮效果。頂部圓盤處的缺陷，使用單個頂冒口的效果要優(yōu)于4個頂冒口，基本消除了缺陷，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4）在整個方案優(yōu)化的過程中，都使用計算機(jī)軟件對鑄造的各個過程進(jìn)行模擬，從而得到最佳的工藝方案，可望節(jié)約試制成本，增加經(jīng)濟(jì)效益。