1、虛擬鑄造成型王歡 何斌鋒西安文理學院，物理與機械電子工程學院，陜西西安 71006摘要：由于零件性能要求較高，因此在方案選用上，以達到技術要求且節約成本為前提，進行工藝方案的設計。最初設計是選用樹脂砂，采用兩箱造型的方法；確定零件的加工余量和公差為HB6103-2004 CT10的航空標準，起模斜度為5°，鑄造收縮率為1%；零件中的孔的均不予鑄出，確定出鑄件和砂芯的結構尺寸，因此可知此鑄件為薄壁件，壁厚分布非常不均，鑄造時很容易產生缺陷，因此采用加冒口和冷鐵的方法，使鑄件進行順序凝固。由鑄件的工藝參數做出鑄造工藝圖，用Pro/E軟件畫出鑄件的三維實體圖，再用View Cast鑄造模擬

2、軟件對鑄件進行凝固模擬，再分析模擬結果，對產生的缺陷進行優化，最終達到鑄件無缺陷的結果。最后對優化后的工藝方案進行充型模擬，模擬結果表明充型過程平穩，不產生飛濺，沖擊和紊流，鑄件無缺陷且充型過程平穩。關鍵詞：鑄造工藝；工藝優化；數值模擬；鋁合金；1 緒論鑄造在我國有著悠久的歷史，但至今仍是一門充滿活力的產業，在國民經濟中占有重要的地位。近年來，我國鑄造業正向鑄造強國的方向發展，鑄造產業也將迎來一次新的變革，在鑄造工藝設計上趨向于對計算機技術的應用，在鑄造材料上也趨于高強度輕量化特點。其中鑄造鋁合金是我國鑄造業重點發展的新型材料，同時它也將被廣泛用于其他行業，尤其在汽車，航空等行業，有很大的發展

3、前景。鋁合金為傳統的金屬材料，密度小，高強度，流動性好，熔煉溫度低，特別適用于金屬型鑄造、壓鑄、擠壓鑄造。所以大多數論文以壓鑄為題，進行鑄造工藝的設計，但對于單件小批生產，若采用金屬造型或壓鑄，會增加鑄造成本，使產品變得很不經濟。而砂型鑄造因不受零件大小，形狀，復雜程度及合金種類的限制，造型材料來源廣，生產準備周期短，成本低而被廣泛應用。本文以鋁硅合金砂型鑄造為例，設計了零件的鑄造工藝。2 鑄件要求及工藝設計2.1 鑄件要求此零件為ZL101的封閉開關外體，是用于航空業的壓力閥，在滿足正常使用的情況下，對鑄件要求在的煤油壓力下進行滲漏試驗，保持5分鐘不得有滲漏，鑄件如圖1所示。2.2 鑄造工藝

4、系統設計圖1 鋁合金鑄件的三維實體圖 圖2 澆注位置和鑄件的分型面該封閉開關外體零件質量為0.81，屬于小型壁厚不均的薄壁件，鑄造難度較大。在此擬定為用樹脂砂手工造型的鑄造方法，其型芯為干砂，冷鐵為45鋼，鑄造材料為ZL101，澆注溫度為720，生產類型為單件小批生產。根據鑄件的厚大部分應放在上部或側面的分型原則，確定出分型面。根據鑄件的結構特點確定澆鑄位置。澆注位置及分型面的位置如圖2所示。鑄造材料為鋁合金極易氧化吸氣，凝固體積收縮率大，易產生縮孔縮松，且混入鋁液中的氧化物很難浮起，使鋁液中存有夾雜。因此對澆注系統的要求有：快速；平穩充型；不產生飛濺、沖擊和渦流；有強的擋渣能力；并使鑄件進行

5、順序凝固。故此選擇開放式澆注系統，澆注系統各部分比例為：。根據公式計算出澆注系統的阻流截面。因此直澆道的最小直徑為=1.5957，取整得=16。根據比例分別求出其他部分的截面面積，,面積為，則，規格如圖3所示。 (a) 內澆道 (b) 橫澆道 圖4澆注系統及補縮系統 圖3 澆注系統各部分截面及尺寸2.3冷鐵和冒口的設計根據鑄件的結構特點，對于下箱的厚大部位采用增加冷鐵方法（如圖2所示），而上箱（如圖2所示）則采用加冒口的方法，進行順序凝固。根據圓柱體模數的計算公式5所以公式計算對采用冷，則冷鐵激冷面積計算公式為：所以，則冷鐵的厚度為10；由于激冷面積過大，則選用仿形冷鐵，以提高激冷面積。同理可

6、得，對于上箱的厚大部位采用暗冒口，則選用標準圓冒口，取冒口頸長度取5。計算如下：則對于有，對于，則有： 對于處，根據以上方法可得； ，此處仍采用仿形冷鐵，根據要求冷鐵的厚度取10。根據以上參數可，確定鑄件澆注系統及補縮系統，如圖4所示3 鑄件充型及凝固過程的數值模擬3.1 鑄件的凝固過程模擬如圖5為凝固過程模擬結果，圖中透明的部分表明此部位的金屬已經凝固。從模擬結果可以看出，冒口先于鑄件凝固，因此基本沒有起到補縮作用，那么在這些區域肯定會產生鑄造其缺陷。圖6為缺陷預測圖，從預測結果可以看出，在鑄件在安放冒口位置出現了鑄造缺陷。圖5凝固過程 圖6凝固缺陷 圖7砂芯的裝配 圖8鑄件的整體裝配3.2

7、 工藝優化根據圖6的預測結果，進行以下優化：1）將扁平狀截面的內澆道改為高梯形截面，但不改變截面積；2)將進行適當的增大如下：；將增大如下:; 將出改為冒口規格為：，如圖8所示3）在砂芯上添加冷鐵，如圖7所示對優化后的工藝進行凝固過程，模擬結果凝固過程如圖9所示，缺陷預測凝固結果如圖10所示。9圖9鑄件的凝固過程 圖10優化的結果 3.3 對第一次優化結果進行分析并優化根據圖10的預測結果，進行如下優化：1）處冒口高度過于短小，則改為；2）將內澆道模數增大，規格如圖12所示；3）將在砂芯上加冷鐵改為在鑄件外部加冷鐵的方法，如圖11所示；圖11 砂芯的裝配 圖12 整個鑄件的裝配根據此次改動，凝

8、固過程如圖13 所示，凝固結果如圖14所示：由圖14 可知經過兩次優化設計，鑄件最終達到無缺陷的結果。圖13 凝固結果圖 圖14 凝固過程3.4 充型過程模擬其充型過程模擬結果如圖14所示。圖15 優化設計后的充型模擬整個充型過程歷時4.9秒，充型時間不會過長，符合此鑄件生產要求。充型過程中，金屬液由分型面處開始填充，液面上升平穩，沒有出現金屬液間的碰撞和紊流現象。結 論(1) 根據零件的結構特點和技術要求，確定了造型方法、分型面、澆注位置和鑄造工藝參數等，設計了砂芯的結構和澆注系統，并根據鑄件的特點計算出冒口的大小和冷鐵的激冷面積，但未計入薄壁處的補縮和冷鐵的加入使冒口的補縮能力增強等因素，

9、使冒口體積過小，冒口補縮效果不佳。在用冷鐵方面，雖然計算出冷鐵的激冷面積，但是由于鑄件的結構限制，使能用于安放冷鐵的面積大受限制。所以產生很多的缺陷。(2) 針對第一次的模擬結果，在處的有效激冷范圍內再添加冷鐵，在圓角處也使用冷鐵，將處改用冒口補縮，和的冒口適當的增大，將內澆道改為高梯形。最終結果表明，由于冷鐵的增加，加大了冒口補縮范圍，使缺陷的移動有了明確的方向，但其結果還是有缺陷。(3) 針對第二次模擬結果，將內澆道的截面改為模數適量增大，將處冒口進行了優化，在處也做了一些調整。最總結果表明，由于內澆道和處冒口的共同補縮，使鑄件最終達到無缺陷的結果。(4) 對優化后的工藝方案進行充型模擬，

10、模擬的結果顯示，充型平穩，沒有產生飛濺，沖擊和渦流，驗證了優化工藝的合理性。參考文獻1李傳栻. 鑄造工程師手冊. 北京. 機械工業出版社（第二版）. 2002.12. 第四章鑄造有色金屬和合金及其熔煉（339352）與第六章鑄造工藝。2劉喜俊. 鑄造工藝學. 北京. 機械工業出版社. 1999.10. 第六章第五節其他合金鑄件澆注系統的特點。3 中國機械工程學會鑄造分會鑄造手冊：第五卷 鑄造工藝（第二版）M北京：機械工業出版社，2003。4 葉榮茂鑄造工藝設計簡明手冊M北京：機械工業出版社，1997。5 王文清，李魁盛鑄造工藝學M北京：機械工業出版社，2002。6 李弘英，趙成志鑄造工藝設計M北京：機械工業出版社，2005。7 李魁盛，侯福生鑄造工藝學M北京：中國水利水電出版社2005。8 HB 6103-2004鑄件尺寸公差和機械加工余量。9 荊濤凝固過程數值模擬M北京：電子工業出版社，2002。10 李依依，李殿中，朱苗勇等金屬材料制備工藝的計算機模擬M北京：科學出版社，2006。11 柳百成，荊濤鑄造工程的模擬仿真與質量控制M北京：機械工業出版社，2002。12