• 分類：應用項目
• 發佈時間：2023-03-13 14:33
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【概要描述】摘 要
針對鋁合金薄壁殼體生產中，縮松、縮孔缺陷多，力學性能差的問題，本研究設計了底注式和縫隙式相結合的澆注系統，綜合運用鑄造數值模擬仿真、回應面分析等手段，優化了鑄造工藝方案。結果表明：優化後的鋁合金薄壁殼體無縮松、縮孔缺陷，二次枝晶間距減小了10.87%，顯著提升了鑄件的力學性能。通過金相分析，驗證了本低壓鑄造工藝方案的正確性。

 

隨著碳中和概念的提出，節能環保再一次成為人們關注的熱點問題。這也促使機械製造業朝著輕量化發展，鋁合金鑄造作為製造業重要的一環，為了達到輕量化的要求，鑄件的壁厚越來越薄也是必然的趨勢。但鋁合金薄壁件具有難以成形、缺陷多的特點，造成這類零件良品率低的問題。

本文以鋁合金薄壁殼體為研究對象，在建模軟體CATIA中建立帶有澆注系統的三維模型，應用Procast對鑄件鑄造成形過程進行數值模擬計算。根據計算結果，優化設計澆注系統，再利用Design-expert軟體設計回應面試驗，優化鑄造工藝方案，最後進行冷卻系統設計。最終獲得了成形品質高且力學性能良好的鋁合金薄壁殼體鑄件。

 

01 原工藝分析

 

1.1 鑄件結構與原始澆注系統

本文研究對象為鋁合金薄壁殼體，鋁合金牌號為A356。其外觀如圖1所示，鑄件特徵為形狀細而長，縱向高度差異大，壁厚較薄的異型鋁合金殼體。鑄件尺寸為：733.5 mm×230.6 mm×495 mm；鑄件壁厚大多在6 mm，且存在大量加強筋和肋板，鑄件左側高度明顯高於右側，使得鑄件左側相比右側難以補縮。根據鑄件幾何特徵，初步設計澆注系統如圖2所示。



圖1 鋁合金薄壁殼體三維模型



圖2 初步澆注系統三維模型

1.2 原澆注系統數值模擬結果分析

數值模擬結果預測鑄件會產生如圖3所示的縮松、縮孔缺陷，通過分析得出，產生縮松、縮孔缺陷的原因可能有以下兩個：①鑄件中段以及右端某些位置離內澆道的距離過遠導致補縮路徑過長，使鑄件難以得到補縮產生縮松、縮孔；②鑄件結構上存在一些難以順序凝固的複雜結構。針對以上兩個問題，提出如下兩點解決方案：優化設計鑄件的澆注系統，設計保溫與冷卻措施確保鑄件可以順序凝固。



圖3 原始澆注系統縮松、縮孔預測圖

02 澆注系統優化設計

根據圖3所示，縮松、縮孔缺陷大多分佈在鑄件中後段，中段缺陷產生的主要原因是金屬液從鑄件左右兩端充入，使得內澆道離鑄件中段距離過遠，進而補縮通路過長。所以應在鑄件中段添加如圖4所示鑄件中部的兩個內澆道。後端產生的缺陷是因為鑄件後端高度過高，這也使得充型和補縮困難。因此，設計了縫隙式澆注通道如圖4所示。根據澆道的分佈，設計了T型橫澆道。



圖4 優化後的澆注系統圖

綜上所述，設計了如圖4的澆注系統，用此澆注系統在Procast中模擬得到如圖5所示的結果。通過澆注系統優化，鑄件缺陷從3.84 cm 3 減少到0.68 cm 3 ，使鑄件缺陷減少了82.29%，大幅度減少了鑄件鑄造缺陷。



圖5 優化澆注系統後縮松縮孔預測圖

03 保溫措施與冷卻系統設計

由於鋁合金薄壁殼體結構複雜，鑄造過程中必然會產生熱節與冷節，難以順序凝固產生縮松、縮孔缺陷，為了使鋁合金薄壁殼體能夠順序凝固，需要對鑄件冷節處進行保溫，以及對與鑄件熱節處接觸的模具部位進行冷卻。

3.1 保溫措施設計

保溫措施設計一種思路是降低鑄件與模具之間的傳熱係數，使散熱變慢，從而達到保溫的效果，尤其是上模、下模、側模的傳熱係數對鑄件品質的影響十分顯著 ，因此本文將使用回應面法來探究傳熱係數對研究對象的影響規律。將上模與鑄件傳熱係數A，下模與鑄件傳熱係數B，側模與鑄件傳熱係數C作為試驗因數，縮松、縮孔孔隙體積作為回應指標。通過Design-expert軟體中的Box-Behnken方法設計了17組試驗，其因素水準設計如表1所示。根據試驗得到的數據，通過回應面分析，提出降低下模與鑄件傳熱係數來改善鑄件成形品質的方法。在實際生產中可以通過改變下模鑄型塗料的方式，來達到降低下模與鑄件傳熱係數的目的。



表1 回應面試驗因素水準表

在Procast軟體中可選取鑄件底部的網格，設置使其與底部模具之間的介面傳熱係數比其他模具與鑄件之間介面傳熱係數低，結合之前優化後的澆注系統，得到如圖6所示的預測結果。可以明顯看出，使用保溫措施後，鑄件出現縮松、縮孔的部位減少，主要缺陷分佈在鑄件底部結構比較複雜的位置，鑄件該位置結構類似工字梁，另一處處在鑄件厚度突變處。



圖6 保溫措施後縮松、縮孔預測圖

3.2 冷卻系統設計

針對圖6左側的缺陷採取點冷的方式，運用試錯法經過多次嘗試不難獲得此位置的冷卻管道的佈置。對於圖6右側的縮松、縮孔缺陷，由於其處於非常複雜的結構中，如圖7所示，冷卻系統難以設計與佈置。由於鑄件在該處有四個表面要向模具傳熱，且四個表面圍成的空間也十分狹小，導致模具在此處會過熱。並且產生縮松、縮孔的位置明顯比其他位置厚度更厚。所以要想消除該處缺陷，首先需要改變四個面同時向模具傳熱的現狀，需對圖中深色的面進行保溫處理，降低其傳熱係數，對與該面對稱的面進行同樣的操作。這樣可以顯著減少此處的過熱，接下來就是設計此處的冷卻系統，綜合此處結構等一系列因素，設計了如圖8深色部分的冷卻系統，最終在冷卻系統的幫助下，鑄件的縮松、縮孔缺陷全部被消除。



鑄件局部冷卻系統

04 優化工藝方案後對鑄件力學性能的影響

在鑄造數值模擬領域，一般用二次枝晶間距值來反映鑄件的力學性能。工藝方案優化之前，鑄件的二次枝晶間距最大值為58.90 μm，經過以上優化步驟之後，鑄件的二次枝晶間距最大值為52.50 μm，優化前後二次枝晶間距值對比，如圖9所示。二次枝晶間距值減小了10.87%，顯著提高了鑄件的力學性能，後續可以通過優化澆注工藝參數的方式進一步減小鑄件二次枝晶間距值，繼續提升鑄件力學性能。



化前後二次枝晶間距值對比圖

鑄造工藝方案優化前，工廠反應鑄件成形品質不佳，力學性能較差。鑄造工藝方案優化後，在試製殼體數值模擬缺陷最嚴重處取樣，具體處在圖7表示的位置，該位置的金相圖如圖10所示。根據該圖可以推斷出殼體內部組織均勻，無明顯縮松、縮孔現象，鑄件力學性能明顯改善，驗證了工藝方案的正確性。



圖10 鑄件數值模擬缺陷最嚴重處金相圖

05 結論

（1）通過優化澆注系統，鑄件缺陷從3.84 cm 3 減少到0.34 cm 3 ，大幅度提高了鑄件的成形品質。

（2）鑄件與模具之間的換熱係數會顯著影響鑄件成形品質，對於本文研究對象來說，合理降低下模與鑄件的傳熱係數有助於改善鑄件的成形品質。

（3）綜合利用保溫和冷卻措施改善了鑄件結構複雜、難以順序凝固處的成形品質。

（4）使鑄件二次枝晶間距值降低了10.87%，提高了鑄件的力學性能。

 

作者：
王宇航 蘇小平
南京工業大學 機械與動力工程學院

源文來自： 鑄造雜誌