ZL201合金艙段鑄件的鑄造工藝設計及優化

謝懿 邵軍 陳寅 劉健

摘要：采用鑄造凝固模擬軟件對ZL201合金艙段復雜鑄件凝固過程進行模擬分析，找出鑄造工藝薄弱環節，完善鑄造工藝，提高鑄件出品率和一次合格率，減少工藝試制成本和周期。

主題詞：鋁合金；艙段；鑄造模擬；應用

1 引言

鋁合金艙段壓差鑄造是在高溫下進行的壓力鑄造生產過程，由于條件限制無法直觀的查看鑄件凝固情況，所以無法獲取準確的鑄造工藝數據。所以傳統鋁合金艙段鑄造生產大多依靠工作經驗，模糊的進行鑄件凝固狀況分析，對不同類型的鋁合金艙段鑄件鑄造工藝沒有科學定型的依據，鑄造產品質量完全取決于鑄造工藝人員的工作經驗，鑄件的生產完全采用生產修改法，既延長了試制周期，又增加了生產成本，達不到快速投入生產的要求[1]。通過采用鑄造工藝數值模擬分析法（ProCAST鑄造仿真軟件）對艙段鑄件進行模擬分析，預測鑄件可能出現的缺陷及其位置、大小和發生的時間，以便在澆注前采取對策，確保鑄件質量，縮短試制周期，降低生產成本[2-4]。

2 鑄造計算機數值模擬原理

鑄件的計算機數值模擬技術主要包括鑄件及其工藝的幾何造型，三維傳熱數值計算技術和缺陷判據三部分，評判鑄造工藝設計的合理性，以減少工藝試驗的次數，提高工藝出品率和合格率。

現實生產為不穩定溫度場，鑄件熱傳導按照三維傅里葉熱導微分方程（公式1），邊界條件執行更貼近現實凝固的第三類邊界條件（公式2），采用微觀差分法或者有限元法進行運算[5]。

公式（1）

式中：α——導溫系數，

——拉普拉斯運算符號，

公式（2）

3 模擬鑄件類型

本項目采用Procast鑄造模擬仿真軟件模擬艙段鑄件砂型差壓鑄造，通過模擬結果（溫度場、固相分數，縮孔判據）有效地分析艙段鑄件的氣孔、縮孔縮松等缺陷的形成原理。

某艙段殼體鑄件：材質采用ZL201合金（HB962-86），尺寸Φ610mm×220mm，壁厚11mm，該鑄件鑄造難點為上端框內外部法蘭較厚（45），連接上端框內外部端面僅15mm厚，鑄件整體X射線檢驗要求滿足一類鑄件，即不能有2級疏松和1級氣孔，鑄件形狀和工藝布局見圖1-5。

5 模擬

5.1 模擬參數設置

根據ProCAST軟件要求，對該產品鑄件模擬參數進行設置，設置內容見表1。

鑄件采用壓差澆注，澆注參數如表2。

5.2 模擬方案

根據鑄件結構特點，設計鑄造工藝模擬方案如下：

方案一：上端框為分型面，采用8根Φ75的縫隙澆道避開加強筋澆注，放置冷鐵。

方案二：上端框為分型面，采用8根Φ75的縫隙澆道避開加強筋澆注，放置冷鐵，澆道升高80mm（圖5）。

方案三：上端框為分型面，采用8根Φ75的縫隙澆道避開加強筋澆注，放置冷鐵，頂部放置6個冒口。（圖3）

5.3 模擬結果分析

對比圖6-7發現：鑄件溫度場與正對澆道澆注有所不同；其中筋板處溫度與平面一致，未出現高溫現象，澆道連接處也未出現高溫點，凝固趨于導熱方向，添加冷鐵和冒口后，該平面在冒口和冷鐵的作用下出現明顯的凝固溫度梯度，冒口對筋板補縮起到一定作用，鑄件縮松和與正對澆道澆注產生的位置、大小有所不同，其中筋板和澆道連接處未出現孤島，僅澆道連接處出現明顯補縮通道鎖死跡象，凝固趨于導熱方向。根據圖片分析發現第四、五種方案澆道連接處由于出現明顯的補縮通道鎖死，在凝固后期該部位將無法得到有效地補縮，故該處縮松趨勢明顯（縮松等級0.011），第七種方案筋板處由于冒口共熱導致出現大面積補縮通道鎖死的情況，由于得不到有效補縮故該部位縮松嚴重（縮松等級0.011），第六種方案中鑄件凝固梯度明顯，過熱凝固孤島能進入澆道內，故該處鑄件質量要求（縮松等級0.006）。

6 結論

通過該艙段鑄件按模擬方案五至方案七進行生產檢驗，其中方案五澆道連接處出現直徑Φ10mm縮孔，深度大約10mm，與模擬結果吻合，方案七在加強筋部位出現大面積內部2級疏松，面積大約100mm2，澆道連接處無缺陷，方案六內部質量滿足要求，澆道內出現縮孔，與模擬結果吻合。后按照方案六生產了7臺艙段鑄件，7臺內部質量完全滿足用戶要求，現已交付用戶。

參考文獻

[1]李殿中，康秀紅，夏立軍，等.可視化鑄造技術的研究與應用[J].鑄造，2005

[2]Xiong Shoumei，Liu Baicheng.Study on numerical simulation of mold—filling and solidification processes ofshaped casting[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering（English Edition），1999

[3]Liu Baicheng，Qiu Wei，Shen Hou fa，et a1.Study and application of mold filling simulation of shaped casting [J]. Mater.J.Sci.Technol，1997

[4]熊守美，柳百成，許慶彥，等.鑄件充型凝同過程數值模擬研究[J].現代鑄鐵，2002（1）

[5]雷文光，于蘭蘭，毛小南，羅 雷，張英明，侯智敏.電子束冷床熔煉TC4鈦合金連鑄凝固過程數值模擬[J].中國有色金屬學報，2010