鋁合金耳罩鑄造工藝仿真設計

李晶晶，呂三雷，司金梅，孔軟芹，陳菊意

(1.河南平原光電科技有限公司，河南 焦作 454000；2.河南平原光電有限公司，河南 焦作 454001)

隨著計算機技術的發展，應用仿真軟件對鑄造凝固充型過程進行仿真，可預測鑄件中出現的缺陷類型及位置，克服了試制周期長、成本高、鑄件品質難以保證等缺點[1-2]。鋁合金鑄件具有質量輕、導熱性能好等優點，在各行各業都有著廣泛的應用[3]。

在實際生產中，鋁合金鑄件容易產生缺陷，合理的鑄造工藝設計和鑄造方案對生產出合格的鑄件有著很大的影響[4-6]。本文以鋁合金耳罩鑄件為研究對象進行鑄造工藝的仿真設計。鋁合金耳罩采用砂型重力鑄造工藝，首先采用三維設計軟件完成三維工藝的設計，再用仿真軟件Flow3D進行仿真和優化，最后按仿真的工藝進行模型的制造和鑄件生產。

1 鑄造工藝設計

1.1 鑄件結構

該鑄件的外形輪廓為半球殼體(見圖1)，最大直徑為510 mm，平均壁厚為9 mm，最厚部位達24 mm。材料為ZL101A，質量為7.3 kg。內部質量要求II類GB/T 9438—1999。

圖1 鑄件實體模型

1.2 鑄造工藝方案的確定

為保證金屬液順利充型和鑄件質量，綜合考慮采用底注開放式澆注系統，兩內澆口，兩冒口，底平面平鋪冷鐵，澆注系統方案如圖2所示。澆注系統各組元尺寸應用阻流截面設計法計算而得[7]。

圖2 耳罩澆注系統

2 仿真過程

2.1 仿真參數

仿真參數設置見表1。

表1 仿真參數

2.2 充型過程仿真

鑄件的充型過程是鑄件生產的重要階段，鑄件質量的好壞與充型過程有著直接關系[8]。如果液態金屬充型過程不平穩、金屬液在型腔中的充填順序不合理以及充填時間過長等，容易產生卷氣、澆不足等缺陷，可對鑄件凝固過程和缺陷分布產生較大的影響；因此，對充型工藝進行模擬計算可以預測在充型過程中產生的鑄造缺陷，進而優化充型工藝，消除缺陷[9]。

充型過程仿真結果如圖3所示。由圖3可知，金屬液平穩地向上填充，充型效果比較好，澆注系統設計基本合理。

圖3 充型過程仿真

2.3 凝固仿真

凝固仿真宏觀縮松缺陷如圖4所示。由圖4可以看到，鑄件縮松缺陷主要分布在球面下半段。

圖4 宏觀縮松缺陷

2.4 工藝改進

2.4.1 第1次工藝改進

根據仿真結果優化鑄造工藝，對球面下半段增加冒口進行補縮，中心厚大部位放置4個大冒口，周圍放置8個小冒口(見圖5)。

圖5 優化后的鑄造工藝

優化后缺陷預測分析如圖6所示。從圖6可以看出，縮松缺陷明顯減少，但靠近底平面處仍有縮松缺陷，原因應為底平面法蘭處壁厚較厚，達到18 mm，與側壁9 mm壁厚相差較大。

圖6 第1次鑄造工藝改進后缺陷預測

2.4.2 第2次工藝改進

在第1次工藝改進的基礎上內側一周增加冷鐵，如圖7箭頭所示。

圖7 內側增加冷鐵

經過凝固仿真后，缺陷預測分布如圖8所示。從圖8可以看出，鑄件無縮松缺陷。最終按此工藝生產。

圖8 第2次鑄造工藝改進后縮松缺陷分布

3 實際生產鑄件

實際生產的鑄件如圖9所示。清理后進行X光探傷檢測，結果顯示，鑄件內部質量較好，滿足II類鑄件內部質量要求。

圖9 實際生產鑄件

4 結語

通過上述研究可以得出如下結論。

1)與實際澆注的鑄件相比，內部質量預測結果基本準確，數值仿真對實際生產具有較好的指導作用。

2)采用數值仿真工藝對設計的鑄造工藝進行優化，可代替實際試模，減少試模次數，節省試制費用。