基于ProCAST模流技術CAC702鋁青銅接觸網線夾套環壓鑄成型工藝研究

儲文平

（中鐵建電氣化局集團軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

壓鑄成型是鋁青銅產品成型的重要方法，具有充型快速、尺寸穩定等優點。本文以高鐵接觸網線夾套環為研究對象，通過對其鑄造成型過程的模擬分析，從而針對性地進行工藝優化，所得產品性能在使用過程中得以驗證。

1 零件結構及性能指標

1.1 結構分析

線夾套環為對稱結構的復雜零件，左端為實心圓柱，最大直徑為φ18mm，右端為不規則柱體，外徑為φ40mm，內徑為φ28mm，中部為L型凸型平臺，厚度為5mm。零件最大壁厚為20mm，最小壁厚為5mm，三維造型如圖1所示。

圖1 線夾套環三維圖

CAC702鋁青銅具有良好的鑄造性能，充型和流動性較強，適合鑄造形狀復雜的鑄件，主要化學成分如表1所示。

表1 CAC702鑄造鋁青銅主要化學成分

1.2 性能指標

線夾套環要求產品表面光潔，不應有凹凸、裂紋、縮松等缺陷。

2 壓鑄方案設計

2.1 工藝分析

采用一模一腔的壓鑄模具生產。壓鑄機鎖模力按下式計算：

式中，Fs為所需壓鑄機鎖模力（N)；K為系數，一般取1～1.3，壁薄復雜件取大值；Ff為壓鑄時的反壓力（N)；Ffa為有橫抽芯時作用于滑塊禊緊面上的法向反壓力（N)；p為壓鑄機壓射比壓；∑A為鑄件、澆注系統、余料、溢流槽在分型面上投影面積的總和；Fy為壓鑄機壓射力（N)；D2y為壓室直徑（mm）；∑A1為活動型芯成型端投影總面積；A為楔形塊的楔緊角。

結合實際，選取鎖模力為4000kN的臥式壓鑄機，壓室直徑為80mm，偏心距離為100mm。

2.2 澆注系統設計

本鑄件壁厚差距較大，冷卻凝固不確定性因素較多，因此將澆口選在靠近中部的位置,結合鑄件大小，根據經驗公式，初步設定澆口截面積為84.2mm2，澆注方式設定了兩種方案，如圖2所示。通過模流分析對兩種方案進行比較，擇優選取。

圖2 澆注系統設計

2.3 工藝參數設計

根據材料屬性，初步設置壓射比壓為32MPa，增壓比壓為45MPa，最快壓射速度為1.3m/s，最慢壓射速度為0.1m/s，澆注溫度1050～1100℃，并保持模具溫度280～320℃，填充時間0.2s，保壓時間5.5s。

3 模擬分析及優化設計

設置鑄件網格尺寸為2mm，模具最大網格尺寸為6mm，如圖3所示。

3.1 充型過程分析

兩方案的充型過程如圖4和圖5所示，方案1剛開始填充時流體比較紊亂，隨著填充的進行，流體逐漸趨于穩定，方案2在開始階段流體比較平穩，但在填充快結束時，尚有一部分未能填充完成。在時間t=0.08s時，方案1基本完成填充并開始保壓冷卻，而方案2尚未完成填充。

圖3 離散化網格劃分

圖4 方案1填充過程

圖5 方案2填充過程

從金屬液流動圖可以看出，方案1在0.02s之后具有更加穩定的狀態，鑄件產生裂紋與縮孔的概率較小，而方案2在填充后期金屬液流動較困難，存在縮孔縮松的風險。從冷卻曲線可以看出，方案1冷卻過程比較均勻且連續，方案2冷卻時鑄件和模具不同位置的冷卻速度相差較大，存在變形開裂與應力集中傾向?？傮w比較，方案2更加科學合理。

3.2 縮孔縮松傾向分析

分析兩種方案，由圖6可以看出，方案1最大縮孔縮松為4.005%，而方案2的最大縮孔縮松為5.269%，而方案2存在兩處潛在的縮孔縮松區域，綜合比較，方案1更具有合理性。

圖6 縮孔縮松分析

3.3 優化設計

在選擇方案1之后，進一步對工藝參數進行優化設計，故將填充時間改為0.1s，將保壓時間改為3.5s，壓射比壓調整為45MPa，增壓比壓調整為70MPa，澆注溫度與模具溫度保持不變，參數設置完成后，再次進行模流分析，結果如圖7所示。與優化前相比，優化后的鑄件填充時間更快，液流更加穩定，鑄件冷卻曲線更加平穩。

圖7 優化后的鑄件模擬結果

4 方案驗證

方案優化后，以方案中參數為基本參照，生產了批量的線夾套環，成品如圖8所示。該產品現已用于高鐵接觸網智能化在線監測項目，在使用過程中，充分驗證了鑄造工藝及產品強度的可靠性。

圖8 線夾套環鑄件成品

5 結語

鋁青銅CAC702材質的線夾套環通過ProCAST技術模流分析并優化工藝參數，鑄件在澆注溫度1050～1100℃，模具溫度280～320℃環境中，設置填充時間為0.1s，保壓時間為3.5s，壓射比壓為45MPa，增壓比壓為70MPa的參數時，具有優良的工藝性能與使用性能，滿足高鐵接觸網的使用要求。