復(fù)雜薄壁橫梁鑄件的鑄造工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

非點(diǎn)源廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程領(lǐng)域，通常用作加工床、銑床和懸臂鎖的重要件。橫梁通常在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中起著固定以及支撐的作用、要求必須具有一定的強(qiáng)度，承載一定的載荷，同時(shí)導(dǎo)軌面表面質(zhì)量高ZL114A屬于Al-Si系亞共晶合金，是在ZL101A合金基礎(chǔ)上增加鎂元素的含量發(fā)展起來(lái)的Al-Si-Mg系高強(qiáng)度鑄造鋁合金，具有高強(qiáng)度、高韌性、收縮率低、良好的流動(dòng)性、氣密性和抗熱裂性以及較好的機(jī)械加工性能等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件精密復(fù)雜薄壁件本文將以ZL114A為材料，根據(jù)鑄造工藝?yán)碚撝R(shí)，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，利用鑄造模擬軟件ADSTEFAN對(duì)澆注過(guò)程中的金屬液充型、凝固傳熱以及縮松縮孔進(jìn)行模擬分析。通過(guò)模擬結(jié)果來(lái)推測(cè)、預(yù)防和消除縮孔縮松等鑄造缺陷。利用仿真模擬技術(shù)可以縮短生產(chǎn)研發(fā)周期與成本，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)能為工藝優(yōu)化提供理論依據(jù)，旨在最終得到最佳的鑄造工藝方案1梁式鑄鐵鑄造技術(shù)的設(shè)計(jì)理念1.1zol114a鑄橫梁的三維實(shí)體圖如圖1所示。外輪廓尺寸為2480mm×540mm×278mm，最大壁厚40mm，最小壁厚5mm，平均壁厚僅為6.83mm，重要導(dǎo)軌面長(zhǎng)為2200mm。鑄件質(zhì)量約為85kg。外部結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但內(nèi)腔存在大量肋板結(jié)構(gòu)，易產(chǎn)生冷隔、欠鑄等情況；兩端支座處截面積突變嚴(yán)重，壁厚差較大，熱節(jié)較多且分散。這都給金屬液充滿型腔造成了較大的難度。技術(shù)要求表面不允許有冷隔、裂紋、欠鑄、穿透性疏松等缺陷。ZL114A鑄件材料的化學(xué)成分如表1所示。樹脂自硬砂相比于粘土砂尺寸精度高，表面粗糙度低，廢品率低，因此選擇樹脂自硬砂作為橫梁件的造型材料1.2澆注方案篩選根據(jù)零件特點(diǎn)初步擬定了兩種澆注位置，如圖2所示。方案一的厚大面朝上，重要工作面位于底面和側(cè)面，質(zhì)量易保證；但最大壁厚、大平面處在上部，易造成夾砂等缺陷。方案二的最大壁厚處位于下部，質(zhì)量容易保證；造型、拔模較為容易；但重要工作面在上部，質(zhì)量難以控制。考慮到兩種方案各有各的優(yōu)缺點(diǎn)，因此決定對(duì)兩種方案進(jìn)行模擬試驗(yàn)后再次篩選。由于鑄件某一維度尺寸比另外兩個(gè)維度尺寸相差較大，故沿此維度方向設(shè)置多個(gè)內(nèi)澆道，預(yù)防鑄件薄壁結(jié)構(gòu)對(duì)金屬液充填可能造成的不利影響。澆注系統(tǒng)采用開放式，澆注系統(tǒng)各單位截面比為ΣA式中t———澆注時(shí)間（s);H根據(jù)計(jì)算得到澆注時(shí)間t=13.91s，實(shí)際模擬選擇澆注時(shí)間為14s。將各個(gè)參數(shù)帶入公式中可演算得出內(nèi)澆道、橫澆道、直澆道的總面積分別為46.29cm2鑄造模擬的數(shù)值模擬通過(guò)三維建模軟件UG繪制出三維實(shí)體圖，同時(shí)導(dǎo)出STL格式文件，并導(dǎo)入ADSTEFAN軟件進(jìn)行鑄造工藝數(shù)值模擬。考慮到模擬的精確度以及初期模擬的時(shí)間成本，網(wǎng)格劃分的數(shù)量控制在106個(gè)左右。澆注溫度設(shè)置為715℃，澆注時(shí)間取14s。2.1充型28.5%對(duì)鑄件內(nèi)部的影響如圖3所示為兩種方案的流場(chǎng)模擬充型過(guò)程。對(duì)應(yīng)方案一的結(jié)果為圖3a～d，其中由圖中液面顏色分布可以看出液面紊亂。a圖中當(dāng)充型28.5%時(shí)，鑄件內(nèi)部的高度差導(dǎo)致金屬液沖砂、飛濺等。對(duì)應(yīng)方案二的為圖3e～h，底注式的優(yōu)勢(shì)明顯，液面呈平穩(wěn)上升；e圖中金屬液從薄壁處流向支座的截面積突變處時(shí)依舊能保持平穩(wěn)，未發(fā)生飛濺情況。2.2金屬補(bǔ)縮系統(tǒng)從圖4a中可以看出，在凝固過(guò)程中，在壁厚突變處以及遠(yuǎn)離內(nèi)澆道的鑄件下端尤其是導(dǎo)軌面處產(chǎn)生了液相孤立區(qū)，即鑄件最后凝固的區(qū)域沒有得到液態(tài)金屬或合金的補(bǔ)縮，容易形成縮松、縮孔缺陷，所以要通過(guò)補(bǔ)縮系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行金屬液的補(bǔ)充。從圖4b中可以看出，孤立液相區(qū)出現(xiàn)的部位與方案一類似，都是出現(xiàn)在支耳處和上部的導(dǎo)軌面處，但是，方案二的鑄件放置位置使其便于設(shè)計(jì)補(bǔ)縮系統(tǒng)，支座處以及導(dǎo)軌面朝上，有較大面積可以安放冒口，冷鐵的設(shè)置也可以避開內(nèi)澆道。2.3工藝選擇和優(yōu)化方案通過(guò)以上初步分析，決定對(duì)澆注方案二進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬驗(yàn)證。2.3.1澆注管口充縮縮松縮孔較嚴(yán)重處采用圓柱形冒口，根據(jù)冒口設(shè)計(jì)的Q參數(shù)法，在CreeseR.C提出改進(jìn)后，該方法既適應(yīng)于鑄鋼件冒口設(shè)計(jì)，也適應(yīng)于非鐵合金鑄件的冒口設(shè)計(jì)。冒口體積V式中a———凝固調(diào)節(jié)系數(shù)，取a=100;V針對(duì)不同的補(bǔ)縮位置，V基于模擬結(jié)果，在保證鑄件質(zhì)量的前提下考慮提高金屬收得率的問題，因此鑄件的頂部采用暗頂冒口，并在冒口上端插入大氣壓砂芯，使之成為大氣壓暗冒口，由于砂芯被金屬液加熱，故金屬液不會(huì)在小砂芯周圍結(jié)殼，當(dāng)鑄件和冒口表層結(jié)殼以后，外面空氣通過(guò)小砂芯進(jìn)入冒口，防止冒口處于負(fù)壓狀態(tài)，達(dá)到利用大氣壓力提供補(bǔ)縮壓力的目的。由于導(dǎo)軌面頂部塌陷嚴(yán)重，而且面積較大。因此，采用8個(gè)圓柱形大氣壓暗冒口進(jìn)行補(bǔ)縮，頂部相對(duì)于導(dǎo)軌的另一側(cè)，熱節(jié)較小，但下方有一處壁厚突變處導(dǎo)致產(chǎn)生液相孤立區(qū)，采用方形壓邊補(bǔ)貼暗冒口，而在這一側(cè)的兩端工藝?yán)咛幰灿袩峁?jié)，采用兩個(gè)暗冒口補(bǔ)縮，而支座處熱節(jié)相對(duì)集中，采用4個(gè)暗冒口進(jìn)行補(bǔ)縮。由于鋁合金冒口補(bǔ)縮通道有限，且支座處熱節(jié)內(nèi)徑較大，故將支座處暗冒口均設(shè)置成保溫冒口。2.3.2凝固順序分析設(shè)計(jì)冷鐵的目的是為了把液相孤立區(qū)“趕”到冒口或者鑄件其他有利于補(bǔ)縮的位置。根據(jù)初步模擬結(jié)果的分析，如圖5所示，A處冷鐵安放在橫梁底部有壁厚突變處的內(nèi)部，此處設(shè)置冷鐵可以改善鑄件的凝固順序，使該突變處的凝固速度趨于一致并且該處上方正對(duì)冒口，可以形成一段自下而上的凝固順序，得到致密的組織，保證鑄件質(zhì)量；B處冷鐵安放在一側(cè)內(nèi)澆道間隔的中間，此處壁厚較大，且通過(guò)模擬結(jié)果可以看到，此處出現(xiàn)了液相孤立區(qū)，在下側(cè)增加冷鐵有助于增加此處的冷卻速度，把液相往內(nèi)澆口處“趕”，從而有助于澆道起補(bǔ)縮作用；C處在鑄件頂部工藝孔處，該處冷卻速度較慢，加了冷鐵之后將該處液相區(qū)往兩邊冒口處驅(qū)趕，不僅解決塌陷問題，也能夠得到致密的組織；D處冷鐵安放在半高處導(dǎo)軌面外，此處內(nèi)部截面積突變嚴(yán)重，周圍均為薄壁結(jié)構(gòu)，金屬液補(bǔ)縮困難，通過(guò)冷鐵激冷作用讓此處率先凝固，同時(shí)與頂部大氣壓冒口形成自下而上的順序凝固。采用鑄鐵外冷鐵，冷鐵厚度根據(jù)熱節(jié)圓法計(jì)算取10mm，冷鐵接觸面積A式中VV2.4金屬液密度對(duì)模擬補(bǔ)縮效果的影響從圖6的計(jì)算結(jié)果可見，在支耳處設(shè)置暗冒口后，該處縮松縮孔得到了明顯的改善，而導(dǎo)軌面處的縮松縮孔也在多個(gè)暗冒口的作用下有顯著減少。初步考慮采用明冒口是由于鋁合金金屬液密度較小，在重力鑄造的條件下，如果是暗冒口難以提供有效的壓力對(duì)抗大氣壓，實(shí)現(xiàn)有效補(bǔ)縮，但在模擬后發(fā)現(xiàn)，明冒口的效果雖好，但由于一開始因?yàn)殍T件較長(zhǎng)難以充型完整，所以選擇了較大的計(jì)算靜壓頭高度，即剩余高度H從圖中可以看出，凝固時(shí)，雖然冒口成為了最后凝固的位置，但冒口和鑄件之間的補(bǔ)縮通道凝固得較早，鑄件溫度較高的區(qū)域以及壁厚較厚的地方，周圍的位置凝固較快，金屬液補(bǔ)縮通道斷絕，最后凝固形成金屬液“孤島”，不能得到來(lái)自其他未凝固部分金屬的補(bǔ)縮，最終仍然可能形成縮孔或縮松缺陷。2.5澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而針對(duì)鑄件中最終存在的液相孤立區(qū)如圖8所示，該位置正好在一側(cè)內(nèi)澆道進(jìn)入鑄件的位置，在這樣的位置設(shè)置冷鐵，相當(dāng)于金屬液進(jìn)入型腔后便會(huì)急速冷卻，可能使鑄件產(chǎn)生裂紋等，將對(duì)澆注質(zhì)量有不好的影響，因此，在該位置，我們決定采用縫隙式澆注系統(tǒng)，以達(dá)到排除夾雜、使金屬液平穩(wěn)充型的目的，另一方面使得該處鑄件溫度場(chǎng)分布均勻，可避免或明顯減輕冷隔、夾雜、澆不足等鑄造缺陷，同時(shí)可望起到較好的澆注系統(tǒng)輔助補(bǔ)縮效果，縫隙澆道的尺寸如表2所示。最終鑄件澆冒口系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖9所示，采用底注縫隙式澆注系統(tǒng)，每條環(huán)筋前設(shè)置一個(gè)縫隙澆口，保證金屬液在充型過(guò)程中的流量均布并可縮短流動(dòng)行程；同時(shí)可加強(qiáng)環(huán)筋處補(bǔ)縮，還能使氧化夾雜順利浮起排出，防止氧化夾雜進(jìn)入型腔，同時(shí)在另一側(cè)，有兩端的內(nèi)澆道在進(jìn)入鑄件時(shí)由于結(jié)構(gòu)的原因，并不能設(shè)置在環(huán)筋前，考慮到澆道在注入鑄件時(shí)的對(duì)稱性，并且避免金屬液對(duì)鑄件的沖刷，該側(cè)內(nèi)澆道改用埋陶瓷管的形式，從鑄件下方對(duì)著環(huán)筋進(jìn)入型腔。相應(yīng)的鑄件縮松縮孔模擬結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，優(yōu)化前存在的縮松縮孔處的缺陷幾乎完全消失，這說(shuō)明使用保溫套以后，冒口補(bǔ)縮效果得到有效提升，而使用了縫隙式澆注系統(tǒng)，也對(duì)原本的液相孤立區(qū)形成了良好的補(bǔ)縮，同時(shí)縫隙式澆注系統(tǒng)集渣筒可較好地發(fā)揮擋渣和集渣的功能。3u2004鑄造工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)利用ADSTEFAN軟件對(duì)鑄件充型及凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，不斷優(yōu)化改善澆注冒口系統(tǒng)，最終制定了合理的優(yōu)化工藝方案，即底注縫隙式澆注。模擬技術(shù)為實(shí)際的工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)，是今后的工藝設(shè)計(jì)的