基于AnyCasting的葉輪鑄造模擬及工藝設(shè)計(jì)優(yōu)化*

蒲 生 邢世雄

(①黃岡師范學(xué)院機(jī)電與汽車工程學(xué)院，湖北 黃岡 438000；②湖北省中科產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，湖北 黃岡 438000)

鑄造鋁合金具有優(yōu)良的力學(xué)性能：無熱裂傾向、鑄造性能好、線收縮率小、易回收再生并且環(huán)保、氣密性高等特點(diǎn)，在工業(yè)中應(yīng)用前景廣泛[1]。但在鋁合金鑄件的實(shí)際生產(chǎn)中，會有諸多缺陷產(chǎn)生[2]，因此鑄造工藝方案設(shè)計(jì)對鑄件實(shí)際生產(chǎn)至關(guān)重要[3]。鑄造工藝方案的優(yōu)劣[4]，成為了鑄件在實(shí)際生產(chǎn)中品質(zhì)和效率的關(guān)鍵影響因素[5]。與傳統(tǒng)鑄造工藝方案的確定相比，鑄造CAE技術(shù)具有成本低、試制周期短、可以有效提高鑄件質(zhì)量[6]。近些年來，數(shù)值模擬技術(shù)越來越被國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用于鑄造工藝仿真[7-10]。

數(shù)值模擬軟件AnyCasting被廣泛應(yīng)用于分析鑄造過程中金屬液充型和凝固的信息,并預(yù)測鑄造過程中出現(xiàn)的鑄造缺陷以及其產(chǎn)生的位置等。而基于AnyCasting軟件，可以通過優(yōu)化鑄造工藝系統(tǒng)，合理配置冷鐵和冒口，來降低缺陷出現(xiàn)的概率，從而達(dá)到提高鑄件質(zhì)量的目的[11]。

本文以AnyCasting軟件為數(shù)值模擬分析平臺，針對材質(zhì)為鋁硅合金ZAlSi9Cu2Mg的某葉輪的鑄造工藝方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了鑄件的凝固順序和概率缺陷參數(shù)分布圖，預(yù)測了鑄造中可能產(chǎn)生缺陷的位置。由此通過對鑄造工藝系統(tǒng)方案的改進(jìn)和優(yōu)化，從而獲得了葉輪的最優(yōu)工藝方案。

1 鑄件材質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

某葉輪材質(zhì)為鋁硅合金ZAlSi9Cu2Mg，鑄件在實(shí)際生產(chǎn)中不允許存在裂紋、氣孔、砂眼、縮松、縮孔等缺陷，根據(jù)國標(biāo)GB/T 1173-1995[12]可知其化學(xué)成分見表1。

表1 ZL111鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

圖1為葉輪的3D實(shí)物圖，其外形最大尺寸為920 mm，平均壁厚為7 mm，且上下部位與葉片接觸部分以及葉片的壁厚均勻，小壁厚為葉輪的葉片處為6 mm；中間與回轉(zhuǎn)軸配合部位為壁厚最大處，最大壁厚90 mm，最大孔徑為580 mm，最小孔徑為110 mm；由于葉輪是中型鑄件，澆注溫度比較低，所以在澆注和凝固的過程中容易產(chǎn)生澆不足、縮孔、縮松以及變形等缺陷。根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)及工藝性，且需單件大批量生產(chǎn)，所以綜合考慮選用呋喃樹脂砂通過熱芯盒的方式機(jī)械造型制芯，這樣得到的鑄件的尺寸精度相對較高，其加工表面光潔而且生產(chǎn)效率高。

2 葉輪澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

因?yàn)槿~輪是中型鑄件，結(jié)構(gòu)相對簡單，且為批量生產(chǎn)，其分型面選擇位于鑄件最大斷面處，厚實(shí)圓柱體都位于上方，方便設(shè)置冒口以便于鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括對澆注系統(tǒng)類型的選擇，內(nèi)澆道在鑄件位置上的選擇，對阻流截面、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道的截面積計(jì)算。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)和材料的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)可以使充型相對平穩(wěn)，而且對型腔沖刷能力以及發(fā)生卷氣可能性小，硅鋁合金不容易發(fā)生氧化。因此，葉輪的澆注系統(tǒng)選擇中注開放式的澆注系統(tǒng)，從而可確定各組元截面積比例：Σ直∶Σ橫∶Σ內(nèi)=1∶2∶3，故可以確定各澆道的大小如圖2。

冒口的位置應(yīng)位于鑄件最高和最后凝固的部位，應(yīng)避免放在鑄件應(yīng)力集中處，這樣可以有效避免熱差造成鑄件變形或開裂；同時(shí)應(yīng)盡量位于加工面上，可減少鑄件不必要的加工修整[11]。故由鑄造手冊可以確定冒口的尺寸，這樣就得到了葉輪的鑄造工藝3D圖，如圖3所示。

查閱鑄造工藝手冊[11]和文獻(xiàn)可知硅鋁合金的固相線溫度是520 ℃，液相線溫度是590 ℃，同時(shí)采用流體流動模型以CSF表面張力模型和標(biāo)準(zhǔn)k-e湍流模型作為標(biāo)準(zhǔn)[13]；硅鋁合金的溫度和熱傳導(dǎo)系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

3 鑄件工藝數(shù)值模擬

首先，在PRO/E軟件中繪制出葉輪鑄造工藝3D澆注模型，并輸出STL文件，并導(dǎo)入數(shù)值模擬軟件Anycasting中進(jìn)行數(shù)值模擬。鑄件、型芯及砂型均選用DBASE材料庫中相應(yīng)的材料，澆注時(shí)間為14 s，澆注溫度720 ℃，呋喃樹脂砂和初始溫度設(shè)定為25 ℃；預(yù)計(jì)劃分可變網(wǎng)格的數(shù)量為1 000萬，雖然網(wǎng)格劃分的數(shù)量越多數(shù)值模擬的結(jié)果越精確，但是網(wǎng)格數(shù)量越多求解過程就越復(fù)雜，求解時(shí)間就越長，所以網(wǎng)格數(shù)量劃分要合理；表2和表3分別給出了呋喃樹脂砂和硅鋁合金ZL111的熱物性參數(shù)，相關(guān)參數(shù)完成設(shè)定后，采用SOR迭代法對葉輪進(jìn)行數(shù)值模擬求解。

表2 呋喃樹脂砂的熱物性參數(shù)

表3 鋁合金ZL111的熱物性參數(shù)

圖5是鑄件葉輪充型過程的溫度場的分布圖，其中圖5a為充型時(shí)間為4.35 s時(shí)的充型過程圖，葉輪底部溫度超過液相線溫度且高達(dá) 700 ℃以上，此時(shí)逐漸仍保持液體狀態(tài)。

隨著充型的繼續(xù)，鑄件型腔內(nèi)的金屬液面逐漸上升，如圖5b充型時(shí)間為10.74 s時(shí)鑄件的底部溫度已降低至650 ℃，底部遠(yuǎn)端溫度仍處在700 ℃以上。當(dāng)充型率到達(dá)14 s時(shí)，如圖5c，鑄件型腔已全部充型，液面上升至頂部冒口區(qū)域；該鑄件采用頂注式澆注，在充型過程中自下而上效果較好且遠(yuǎn)端先充型、金屬液流速快且穩(wěn)定，雖然金屬液液面存在一定的波動，但是在整個過程中并未發(fā)生飛濺、無明顯澆不足的現(xiàn)象，符合葉輪鑄造工藝技術(shù)要求。

凝固初始階段，鑄件的遠(yuǎn)端邊緣部分最先開始凝固，圖6a為固相率為30%時(shí)，鑄件上下邊緣中間尺寸小的薄壁葉片逐漸開始凝固；圖6b為固相率為30%時(shí)，此時(shí)隨著時(shí)間推移，頂部冒口也逐漸開始凝固，而葉輪中心區(qū)域溫度仍保持在620 ℃左右；圖6c為固相率為98%時(shí)，這時(shí)冒口已完成凝固，整個鑄件的中心區(qū)域的溫度梯度達(dá)到80 ℃，因此冒口失去補(bǔ)縮作用，隨著凝固過程即將結(jié)束，中心圓孔區(qū)域?yàn)樽詈竽虆^(qū)，出現(xiàn)縮松、縮孔等鑄造缺陷的概率大。因此鑄件葉輪的凝固順序?yàn)檫吘壊糠窒饶蹋翱谄浯危虚g厚部為最后凝固區(qū)域，完全凝固時(shí)間為3 538 s。

4 鑄件缺陷分析及工藝優(yōu)化

根據(jù)鑄件的凝固順序判定，在鑄件中間厚大部位無法得到冒口的及時(shí)補(bǔ)縮，而形成縮孔缺陷。由RMM判據(jù)得到葉輪鑄件的缺陷概率分布情況如圖7所示，在中間厚大區(qū)域金屬液因不能及時(shí)補(bǔ)縮而產(chǎn)生的縮孔，有接近90%的縮松、縮孔傾向性，這也驗(yàn)證了鑄件發(fā)生缺陷的部位的正確性。故因?qū)﹁T件的鑄造工藝方案進(jìn)行優(yōu)化，促進(jìn)鑄件的順序凝固合理化，避免出現(xiàn)鑄造缺陷。

在鑄件中間厚大部位的熱節(jié)部分放置冷鐵，改變冒口的尺寸和數(shù)量以達(dá)到更優(yōu)的補(bǔ)縮效率，消除熱節(jié)帶來的缺陷。本鑄件采用模數(shù)法計(jì)算外冷鐵，鑄造工藝方案確定后再次對鑄件進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果如圖7所示。

從圖8中可知，冒口區(qū)域和葉輪中間厚大部位最后凝固，葉輪鑄件的凝固順序已經(jīng)得到優(yōu)化；另外，鑄件厚大部位處凝固速度顯著提高，溫度場分布較優(yōu)化前更加均勻，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的凝固順序技術(shù)要求。

從圖9所示的模擬結(jié)果可知，采用優(yōu)化后的工藝方案，鑄件基本上無缺陷，鑄造質(zhì)量大幅度上升，經(jīng)過探傷測試儀的測試發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部無縮孔缺陷，鑄件組織致密，滿足實(shí)際使用要求，消除了縮松、縮孔缺陷的產(chǎn)生。

5 結(jié)語

本文基于AnyCasting對鋁硅合金大型鑄件葉輪進(jìn)行工藝模擬及優(yōu)化，對其砂型鑄造過程、產(chǎn)生缺陷展開研究，研究結(jié)果表明：

(1)葉輪鑄造工藝優(yōu)化前，數(shù)值仿真結(jié)果顯示鑄件的凝固順序?yàn)橹虚g厚大部位相對于冒口最后冷卻，概率缺陷參數(shù)分布圖也作了驗(yàn)證，所以在此區(qū)域得不到及時(shí)補(bǔ)縮，縮孔形成。

(2)工藝優(yōu)化后，實(shí)現(xiàn)預(yù)期理想凝固順序，補(bǔ)縮通道保持暢通，補(bǔ)縮功能得到改善，厚大部位的凝固速率變大，鑄件未出現(xiàn)縮松、縮孔缺陷。

(3)工藝優(yōu)化后生產(chǎn)的葉輪鑄件，經(jīng)過探傷發(fā)現(xiàn)表層無氣孔，內(nèi)部無縮松縮孔缺陷，組織致密，可以滿足生產(chǎn)及實(shí)際使用要求。