基于ProCAST的鎂合金慣組支架砂型鑄造工藝研究

王先飛，肖 旅，鄒文兵，李中權(quán)，張小龍，陳 舸

(1.上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600；2.上海金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心，上海 201600)

0 引言

輕量化是航天構(gòu)件材料的重要發(fā)展方向[1-2]。減小構(gòu)件質(zhì)量，能夠提高飛行器機(jī)動(dòng)性能，降低飛行器發(fā)射成本[3-4]。慣組支架用于安裝飛行器慣性組件，是飛行器導(dǎo)航控制精度的重要結(jié)構(gòu)保障，在滿足輕量化的前提下，其變形量在受力條件下需控制在角分級水平，故對材料比剛度的要求較高。

鎂合金作為最輕的工程金屬材料，具有比強(qiáng)度及比剛度高、導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)，以及阻尼性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[5]，能滿足航空航天、現(xiàn)代武器裝備對減重、節(jié)能的需求。在航天領(lǐng)域，鎂合金已被廣泛應(yīng)用于制造導(dǎo)彈、飛船、衛(wèi)星上的重要構(gòu)件，能夠滿足對慣組支架制備材料的需求。

慣組支架為三角形框架結(jié)構(gòu)，整體薄壁；構(gòu)件內(nèi)表面存在大量安裝凸臺，壁厚突變嚴(yán)重。采用鍛造+機(jī)加工存在材料利用率低、內(nèi)表面機(jī)加難度大等問題；而采用分塊加工+焊接工藝則存在焊接區(qū)域大、精度難以保證等問題。因此，采用整體鑄造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)慣組支架的近凈成形，但由于構(gòu)件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)難度大，精確成形存在困難。

利用軟件模擬仿真鑄造過程，對于優(yōu)化鑄造工藝、降低研制周期和費(fèi)用，具有重要意義[6]。鑄造計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，又稱鑄造CAE技術(shù)，是傳統(tǒng)鑄造與計(jì)算數(shù)字化高新技術(shù)相結(jié)合的典范[7-8]。近20年來，全流程制造模擬技術(shù)已成為該領(lǐng)域的重要前沿，英國羅羅航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司、美國通用汽車公司等著名企業(yè)均已開展相關(guān)研究[9]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，商品化軟件系統(tǒng)已在很多重要的工礦企業(yè)應(yīng)用，著名的商品化軟件有德國的MAGMASOFT，法國PROCAST、FLOW-3D等[10]。國內(nèi)的沈陽鑄造研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等單位先后開展了卓有成效的研究，取得了可喜的成果[11]。鑄造模擬技術(shù)被認(rèn)為是熱加工模擬發(fā)展較為成功的領(lǐng)域，為鑄造水平的提高發(fā)揮了重要作用。

本文采用ProCAST軟件，模擬某鎂合金慣組支架的鑄造工藝，通過分析鑄件充型和凝固過程，以及預(yù)測縮孔、縮松等缺陷的位置，優(yōu)化工藝，制備出滿足要求的合格鑄件。

1 仿真模型的建立

1.1 模型結(jié)構(gòu)

慣組支架澆注系統(tǒng)三維模型如圖1所示。鎂合金慣組支架鑄件形狀為三角框形結(jié)構(gòu)，外部尺寸達(dá)900 mm×500 mm×450 mm，最薄壁厚為6 mm，鑄件內(nèi)部有3條薄壁筋板，圓弧面內(nèi)側(cè)有1條厚壁筋條，要求II類鑄件，需100%進(jìn)行X射線檢測。由于該鑄件尺寸大，內(nèi)部存在薄壁筋板，金屬液在充型過程中要有足夠的充型速度。同時(shí)，該鑄件存在壁厚較厚的筋條，須保證鑄件在凝固時(shí)具有流暢的補(bǔ)縮通道。為此，選用底注式澆注系統(tǒng)，在鑄件厚壁筋條上側(cè)設(shè)置冒口。

圖1 慣組支架澆注系統(tǒng)三維模型Fig.1 Three-dimensional model of pouring system for bracket

1.2 邊界條件和熱物性參數(shù)設(shè)置

將上述三維模型導(dǎo)入ProCAST軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置。該支架鑄件選用ZM5鎂合金，液相線溫度為595 ℃，固相線溫度為470 ℃，密度為1 730 kg/m3；采用砂型鑄造，砂型材料為樹脂砂，密度為1 520 kg/m3。鑄件合金與砂型材料的熱物性參數(shù)見表1，2。鑄件與砂型之間的傳熱系數(shù)設(shè)置為300 W/(m2·℃)，合金澆注溫度為700 ℃，砂型初始溫度為25 ℃，砂型散熱條件為外部空冷，充型速度設(shè)置為1.0 m/s(澆口處)。

表1 ZM5合金的熱物性參數(shù)

表2 砂型的熱物性參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 充型過程分析

鎂合金慣組支架鑄造充型過程如圖2所示(圖中不同顏色代表鑄件不同區(qū)域的溫度，下同)。金屬液通過澆注系統(tǒng)進(jìn)入鑄件底部，見圖2(a)。液面沿筋板和平板面開始平穩(wěn)上升，內(nèi)部3條薄壁筋板的外側(cè)邊在充填約60%后停止填充，見圖2(b)，其他區(qū)域繼續(xù)填充鑄件，并進(jìn)入厚壁筋條鑄件。同時(shí)，金屬液從薄壁筋板的內(nèi)側(cè)填充，并回流至筋板外側(cè)邊，見圖2(c)，最后充滿部位為上部圓弧面，待冒口充滿后，充型結(jié)束。整個(gè)充型過程中，最大問題在于薄壁筋板外側(cè)邊的回流填充，見圖2(d)，此處極易出現(xiàn)澆不足或冷隔。

圖2 慣組支架充型過程Fig.2 Filling process of bracket

2.2 凝固過程分析

鑄件在凝固過程中，由于合金的體積收縮，往往在最后凝固部位出現(xiàn)孔洞，稱為縮孔(縮松)。圖3為鎂合金慣組支架凝固過程。由標(biāo)示區(qū)域可知，在凝固前期，3條薄壁筋板外側(cè)邊凝固最快，見圖3(a)。厚壁筋條上側(cè)鑄件存在熱節(jié)區(qū)域，易形成孤立液相區(qū)，見圖3(b)。凝固過程中，冒口優(yōu)先凝固，厚壁筋條上側(cè)2處鑄件為最后凝固區(qū)域，無法得到補(bǔ)縮，凝固后易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，見圖3(c)。采用上述澆注系統(tǒng)進(jìn)行澆注，實(shí)際鑄件見圖3(d)。由圖可知：內(nèi)部3條薄壁筋板均出現(xiàn)澆不足問題。經(jīng)X射線檢測分析，發(fā)現(xiàn)厚壁筋條上側(cè)2處鑄件(圖3(d)中黑色箭頭所指)，存在超標(biāo)縮孔缺陷。實(shí)際缺陷種類、缺陷位置與模擬結(jié)果類似。

圖3 慣組支架凝固過程與實(shí)際鑄件Fig.3 Solidification process of bracket and casting

慣組支架鑄件內(nèi)部3條薄壁筋板的初始設(shè)計(jì)厚度均為6 mm，且內(nèi)澆道位置沒有正對薄壁筋板，鎂合金液流入筋板所需時(shí)間較長，溫度下降較多，導(dǎo)致合金液在填充內(nèi)部筋板初期即發(fā)生凝固，阻礙了其進(jìn)一步填充，最終出現(xiàn)澆不足問題。在現(xiàn)有冒口設(shè)計(jì)條件下，模擬結(jié)果顯示厚壁筋條為最后凝固區(qū)域，冒口沒有起到有效的補(bǔ)縮作用，使得厚壁筋條形成了超標(biāo)縮孔缺陷。因此，支架鑄件的結(jié)構(gòu)、澆道與冒口等鑄造工藝設(shè)計(jì)對鑄件精確成形至關(guān)重要，而模擬仿真技術(shù)能夠充分展示上述特征對鑄件最終質(zhì)量的影響，有效指導(dǎo)工藝優(yōu)化。

3 改進(jìn)方案

通過上述充型和凝固過程模擬研究，以及實(shí)際鑄件缺陷分析，進(jìn)行鎂合金慣組支架澆注工藝優(yōu)化，支架改進(jìn)澆注系統(tǒng)三維模型如圖4所示。針對鑄件內(nèi)部薄壁筋板出現(xiàn)的澆不足問題，將筋板厚度由6 mm增加至12 mm，見圖4(a)，以延長此處的凝固時(shí)間。同時(shí)，增加1個(gè)內(nèi)澆道，并將其中3個(gè)內(nèi)澆道的位置調(diào)整至與薄壁筋板對齊位置，以提高筋板充型能力，見圖4(b)。針對厚壁筋條易形成孤立液相區(qū)的問題，將冒口上側(cè)寬度由50 mm增加至80 mm，以提高冒口蓄熱和最終補(bǔ)縮能力，降低縮孔、縮松等缺陷的形成。

圖4 支架改進(jìn)澆注系統(tǒng)三維模型Fig.4 Three-dimensional model of modifiedpouring system for bracket

對改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，支架充型過程如圖5所示。由圖可知，支架初期充型過程與原澆注系統(tǒng)類似，金屬液通過澆注系統(tǒng)進(jìn)入支架鑄件底部，液面沿筋板和平板面開始平穩(wěn)上升，見圖5(a)。但在改進(jìn)工藝條件下，內(nèi)部3條薄壁筋板的外側(cè)邊未出現(xiàn)填充停止現(xiàn)象，見圖5(b)。金屬液沿筋板兩側(cè)平穩(wěn)上升、順序填充，見圖5(c)。隨后進(jìn)入厚壁筋條鑄件，見圖5(d)。最后充滿部位為上部圓弧面，待冒口充滿后，充型結(jié)束。因此，3條薄壁筋板未出現(xiàn)金屬液回流，消除了可能出現(xiàn)的澆不足現(xiàn)象。

圖5 支架改進(jìn)澆注系統(tǒng)的充型過程Fig.5 Filling process of modified pouring system for bracket

支架改進(jìn)澆注系統(tǒng)的凝固過程如圖6所示。內(nèi)部3個(gè)薄壁筋板的凝固時(shí)間明顯增加，相對原工藝提高約80%，降低了澆不足的可能性，見圖6(a)。在整個(gè)凝固過程中，熱量主要集中于冒口處，冒口為最后凝固區(qū)域，見圖6(c)，能夠?qū)崿F(xiàn)對鑄件的有效補(bǔ)縮，解決厚壁筋條縮孔等缺陷問題。采用改進(jìn)的澆注系統(tǒng)進(jìn)行澆注，獲得了致密度較高的鑄件，見圖6(d)。最后進(jìn)行X射線檢測分析，未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)氣孔、縮孔等缺陷，達(dá)到II類鑄件要求。

4 結(jié)論

數(shù)值模擬分析能夠有效指導(dǎo)鎂合金慣組支架鑄造工藝設(shè)計(jì)與鑄件研制。對于初始工藝，鑄件內(nèi)部3條薄壁筋板出現(xiàn)澆不足缺陷，圓弧面內(nèi)側(cè)厚壁筋條出現(xiàn)超標(biāo)縮孔缺陷；通過工藝優(yōu)化，鑄件內(nèi)部薄壁筋板充型完整，圓弧面內(nèi)側(cè)厚壁筋條未出現(xiàn)超標(biāo)缺陷。

現(xiàn)階段，針對大型復(fù)雜薄壁構(gòu)件的鑄造收縮類缺陷模擬準(zhǔn)確性還略低，下一步工作需準(zhǔn)確測量合金熱物性參數(shù)、合金與砂型界面換熱行為，并對冷鐵及涂層對鑄件凝固過程的影響等開展深入研究。