鋁合金耳罩鑄造工藝仿真設(shè)計(jì)

李晶晶，呂三雷，司金梅，孔軟芹，陳菊意

(1.河南平原光電科技有限公司，河南 焦作 454000；2.河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用仿真軟件對(duì)鑄造凝固充型過程進(jìn)行仿真，可預(yù)測(cè)鑄件中出現(xiàn)的缺陷類型及位置，克服了試制周期長、成本高、鑄件品質(zhì)難以保證等缺點(diǎn)[1-2]。鋁合金鑄件具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，在各行各業(yè)都有著廣泛的應(yīng)用[3]。

在實(shí)際生產(chǎn)中，鋁合金鑄件容易產(chǎn)生缺陷，合理的鑄造工藝設(shè)計(jì)和鑄造方案對(duì)生產(chǎn)出合格的鑄件有著很大的影響[4-6]。本文以鋁合金耳罩鑄件為研究對(duì)象進(jìn)行鑄造工藝的仿真設(shè)計(jì)。鋁合金耳罩采用砂型重力鑄造工藝，首先采用三維設(shè)計(jì)軟件完成三維工藝的設(shè)計(jì)，再用仿真軟件Flow3D進(jìn)行仿真和優(yōu)化，最后按仿真的工藝進(jìn)行模型的制造和鑄件生產(chǎn)。

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 鑄件結(jié)構(gòu)

該鑄件的外形輪廓為半球殼體(見圖1)，最大直徑為510 mm，平均壁厚為9 mm，最厚部位達(dá)24 mm。材料為ZL101A，質(zhì)量為7.3 kg。內(nèi)部質(zhì)量要求II類GB/T 9438—1999。

圖1 鑄件實(shí)體模型

1.2 鑄造工藝方案的確定

為保證金屬液順利充型和鑄件質(zhì)量，綜合考慮采用底注開放式澆注系統(tǒng)，兩內(nèi)澆口，兩冒口，底平面平鋪冷鐵，澆注系統(tǒng)方案如圖2所示。澆注系統(tǒng)各組元尺寸應(yīng)用阻流截面設(shè)計(jì)法計(jì)算而得[7]。

圖2 耳罩澆注系統(tǒng)

2 仿真過程

2.1 仿真參數(shù)

仿真參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真參數(shù)

2.2 充型過程仿真

鑄件的充型過程是鑄件生產(chǎn)的重要階段，鑄件質(zhì)量的好壞與充型過程有著直接關(guān)系[8]。如果液態(tài)金屬充型過程不平穩(wěn)、金屬液在型腔中的充填順序不合理以及充填時(shí)間過長等，容易產(chǎn)生卷氣、澆不足等缺陷，可對(duì)鑄件凝固過程和缺陷分布產(chǎn)生較大的影響；因此，對(duì)充型工藝進(jìn)行模擬計(jì)算可以預(yù)測(cè)在充型過程中產(chǎn)生的鑄造缺陷，進(jìn)而優(yōu)化充型工藝，消除缺陷[9]。

充型過程仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，金屬液平穩(wěn)地向上填充，充型效果比較好，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本合理。

圖3 充型過程仿真

2.3 凝固仿真

凝固仿真宏觀縮松缺陷如圖4所示。由圖4可以看到，鑄件縮松缺陷主要分布在球面下半段。

圖4 宏觀縮松缺陷

2.4 工藝改進(jìn)

2.4.1 第1次工藝改進(jìn)

根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化鑄造工藝，對(duì)球面下半段增加冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，中心厚大部位放置4個(gè)大冒口，周圍放置8個(gè)小冒口(見圖5)。

圖5 優(yōu)化后的鑄造工藝

優(yōu)化后缺陷預(yù)測(cè)分析如圖6所示。從圖6可以看出，縮松缺陷明顯減少，但靠近底平面處仍有縮松缺陷，原因應(yīng)為底平面法蘭處壁厚較厚，達(dá)到18 mm，與側(cè)壁9 mm壁厚相差較大。

圖6 第1次鑄造工藝改進(jìn)后缺陷預(yù)測(cè)

2.4.2 第2次工藝改進(jìn)

在第1次工藝改進(jìn)的基礎(chǔ)上內(nèi)側(cè)一周增加冷鐵，如圖7箭頭所示。

圖7 內(nèi)側(cè)增加冷鐵

經(jīng)過凝固仿真后，缺陷預(yù)測(cè)分布如圖8所示。從圖8可以看出，鑄件無縮松缺陷。最終按此工藝生產(chǎn)。

圖8 第2次鑄造工藝改進(jìn)后縮松缺陷分布

3 實(shí)際生產(chǎn)鑄件

實(shí)際生產(chǎn)的鑄件如圖9所示。清理后進(jìn)行X光探傷檢測(cè)，結(jié)果顯示，鑄件內(nèi)部質(zhì)量較好，滿足II類鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求。

圖9 實(shí)際生產(chǎn)鑄件

4 結(jié)語

通過上述研究可以得出如下結(jié)論。

1)與實(shí)際澆注的鑄件相比，內(nèi)部質(zhì)量預(yù)測(cè)結(jié)果基本準(zhǔn)確，數(shù)值仿真對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有較好的指導(dǎo)作用。

2)采用數(shù)值仿真工藝對(duì)設(shè)計(jì)的鑄造工藝進(jìn)行優(yōu)化，可代替實(shí)際試模，減少試模次數(shù)，節(jié)省試制費(fèi)用。