消失模閥體鑄造工藝的優化

□ 曹志強 □ 陳 興

寧波大學 機械工程與力學學院 浙江寧波 315211

1 研究背景

隨著鑄造行業朝專業化、智能化、綠色化方向發展,消失模鑄造技術與傳統的砂型鑄造相比,可獲得高質量、高精度和高性能的鑄件,被國內外鑄造界譽為“鑄造工業的綠色革命”和“21世紀的鑄造技術”[1-2]。隨著消失模鑄件被廣泛應用于火電設備、汽車和航空航天及兵器等軍工領域,對消失模鑄造產品的開發成本、鑄件質量和經濟效益提出了越來越高的要求[3-4]。

鑄造過程中諸多缺陷與工藝過程的設計優化密切相關。隨著鑄造過程模擬仿真研究的不斷發展,越來越多的計算機模擬仿真技術應用于鑄造行業中[5-7]。蔣夢麒等[8]以渦輪熔模鑄件澆注系統設計為例,將Box-Behnken試驗設計和遺傳算法結合,得到無缺陷且工藝出品率達到80.53%的渦輪鑄件。王豆豐等[9]采用Anycasting軟件,并采用正交試驗方法,對鋁合金發火座進行了優化,并分析不同條件下合金的充填和凝固,預測縮松、縮孔的位置及大小。高浩斐等[10]基于ProCAST軟件對閥體零件鑄造的充型和凝固進行了模擬,預測了鑄造過程中可能產生的縮松、縮孔等缺陷,根據模擬結果,優化了工藝方案,進而改善了熔模鑄件的品質。Wang Donghong等[11]將耦合數值模擬技術與響應面分析法相結合,利用建立的二階響應方程尋求最優工藝參數組合,實現了熔模鑄件模擬的快速優化。Li Junhong等[12]采用ProCAST軟件對壓力鑄造過程進行模擬,用Box-Behnken法設計了數值仿真研究方案,記錄了變速箱蓋收縮孔隙度的響應,有效地探索了消除缺陷的最優工藝參數。Dong Changchun等[13]采用InteCAST軟件,對同一鑄鋼件使用三種不同試驗方法,比較了遺傳算法、果蠅算法和內點算法的優化效果,數值模擬分析結果表明,采用三種算法都可以較好地提高鑄件的質量。蔡慶等[14]運用ProCAST軟件研究了ZL205A在金屬型鑄造過程的熱裂行為,使用溫度場、應力場模型對鑄件熱裂部位進行了模擬預測,提高了鑄件質量。Liu Shanshan等[15]利用ProCAST軟件研究了連鑄過程生產的雙相不銹鋼的熱裂問題,根據熱撕裂指標準則,分析了操作參數對熱撕裂敏感性的影響規律。趙會彬等[16]采用ProCAST軟件對真空整體精密鑄造中不同澆注溫度下鑄件的凝固過程進行對比分析,結合模擬結果對熱裂進行預測,結果表明,數值模擬預測與鑄件熱裂產生相契合。

筆者采用ProCAST軟件對消失模鑄造閥體進行數值模擬,通過優化澆注系統,消除了縮松、縮孔缺陷問題,在此基礎上采用Box-Behnken試驗設計進行工藝優化,選取不同的澆注溫度、真空度和澆注速度進行模擬,分析不同工藝條件下的閥體消失模鑄件的熱裂傾向,得到最優工藝參數組合。

2 建模

2.1 充模控制方程

鑄件充型過程中,液態金屬的流動需滿足流體動力學規律,可通過完全的納維-斯托克斯流動方程進行計算。首先需要滿足質量守恒連續性方程[17],為:

(1)

式中:u、v、w依次為速度矢量在坐標系中x、y、z方向上的分量。

假設流體為不可壓縮且密度不變,則簡化的動量方程表達式為[18]:

(2)

(3)

(4)

式中:t為時間;P為壓強;gx、gy、gz依次為x、y、z三個方向上的重力加速度分量;γ為運動黏度;ρ流體密度。

在鑄件金屬液充型過程中,采用能量方程描述溫度變化,為[19]:

(5)

式中:C為材料比熱容;T為溫度;λ為導熱系數;L為凝固潛熱;f為固相分數;?2為拉普拉斯算子。

充型過程中,金屬液前沿與模樣之間有著復雜的熱力學和動力學變化,模樣在高溫金屬液的熱輻射作用下受熱燃燒氣化,在金屬液前沿與模樣之間存在一層間隙稱為氣隙層。魏尊杰等[20]教授提出充型過程中的氣隙壓力模型,為:

(6)

氣隙尺寸Δδ為:

(7)

式中:Pi、Pi+1分別為i、i+1時刻的氣隙壓力;δi、δi+1分別為i、i+1時刻的氣隙厚度;P0為大氣壓力;Ti、Ti+1分別為i、i+1時刻的金屬液溫度;LP為模樣的氣化潛熱;Tm為模樣的溫度;Vp為發氣量;K為透氣性;xc為厚度;S為鑄件的截面積;F為鑄件的周長;Δt為時間步長;αp為金屬液與模樣之間的有效對流換熱系數;ρp為模樣的密度。

在消失模鑄造充型中,如不考慮模樣內部導熱,則自由表面換熱邊界條件為:

(8)

式中:?T/?n為沿自由表面法線方向的液態金屬的溫度梯度;Ls為模樣的潛熱;u1為沿自由表面法線方向的液態金屬的流動速度;k為傳熱系數;ds為一個計算單位的自由表面積。

2.2 鑄件幾何模型

高壓閥閥體鑄件材料為碳鋼ZG230-450,韌性及塑性好,鑄造性能優。閥體的輪廓尺寸為300 mm×170 mm×82 mm,體積為2 912 290 mm3,局部最大厚度為51 mm,整體結構較復雜,呈非對稱結構。閥體的三維模型如圖1所示。

▲圖1 閥體三維模型

2.3 材料模型

如果視高溫金屬液為不可壓縮的牛頓流體[21],那么應力應變關系為:

τij=-ηdui/dxj

(9)

式中:τij為切應力;dui/dxj為剪切變形速率;η為流體黏度。

ZG230-450材料黏度與溫度的關系如圖2所示。

▲圖2 ZG230-450黏度與溫度關系

2.4 網格劃分

通過SolidWorks軟件建立的模型,可導入ProCAST軟件中的MeshCAST模塊對閥體鑄件進行網格劃分與修復,采用四面體網格進行劃分。劃分完成后,面網格有41 558個,體網格有529 446個。網格劃分結果如圖3所示。

▲圖3 鑄件模型網格劃分

2.5 邊界條件與熱物性參數

消失模泡沫模樣與金屬液接觸會產生大量的氣體,這些氣體可通過砂型排出。泡沫模樣與砂型熱物性參數的正確選擇,能夠有效地提高消失模鑄造模擬的精度,其熱物性數據分別見表1、表2。ProCAST軟件模擬參數設定如下:澆口杯材料賦予ZG230-450,砂型材料為Sand Permeable Foam,應力類型定義為剛體,泡沫模樣材料賦予FOAM。金屬與泡沫接觸面類型為EQUIV,泡沫與砂型、金屬與砂型接觸面類型為COINC,泡沫與砂型的換熱系數為150 W/(m2·K),金屬與砂型的換熱系數為500 W/(m2·K),澆注位置的冷卻方式選擇空冷,初始澆注溫度設置為1 580 ℃,泡沫模樣和砂型初始溫度設置為25 ℃,澆注速度設置為89 mm/s,真空度設置為0.05 MPa,模擬類型參數切換為消失模模式。

表1 泡沫模樣熱物性參數

表2 砂型熱物性參數

3 鑄件充模模擬分析

3.1 頂注式與側注式澆注

消失模鑄造澆注系統與傳統的砂型鑄造不同,盡可能以簡單為主。因閥體結構內孔多,且分布較為復雜,壁厚不均勻,可采用頂注式和側注式澆注。頂注式澆注結構簡單且無橫澆道,為確保充型過程能順利完成,充型過程中澆注溫度要高于其液相線溫度。頂注式澆注充型結束后鑄件模擬結果如圖4所示。可以發現,鑄件的溫度場分布呈現非均勻分布,各處的溫度差異明顯,鑄件右上方靠近定位孔附近區域溫度較高,進而影響鑄件凝固,難以滿足順序凝固原則。這種不均勻的凝固會引起鑄件的非均勻體積收縮,可導致鑄件內產生縮松、縮孔。縮松、縮孔在鑄件內部呈散亂分布,且出現在鑄件壁厚較大的區域,這是因為此處溫度較高,凝固時冷卻較慢,難以補縮。

▲圖4 頂注式澆注鑄件模擬結果

由于澆注類型、位置的確定對鑄件的平穩充型和凝固影響較大,合理的澆注方式應該能夠消除縮松、縮孔。如前所述,頂注式澆注系統鑄件難以補縮,易出現縮松、縮孔。通過對閥體結構的分析,在鑄件局部壁厚較大處,采用設計三個橫澆道的側注式澆注系統,并根據鑄件可能熱節位置和結構設置三個冒口。側注式澆注充型結束后鑄件模擬結果如圖5所示。可以看出,鑄件溫度整體較低,冒口及冒口附件區域是最后凝固的位置,基本滿足鑄件順序凝固原則。由于冒口和澆注方式的改進,該澆注方案鑄件中縮松、縮孔缺陷殘留在冒口內部,得到無缺陷的鑄件。

▲圖5 側注式澆注鑄件模擬結果

3.2 澆注溫度影響

不同澆注溫度的影響如圖6所示。澆注溫度對鑄件有一定的影響,應力集中部位發生在靠近冒口附近的圓孔處。當澆注溫度分別為1 600 ℃和1 560 ℃時,有效應力最大值分別為232 MPa和230 MPa。可知,隨著澆注溫度的提高,鑄件的有效應力增大。為了更加深入地研究應力變化,在鑄件上選取了圖3所示點16765、點18046、點23060、點30796四個觀察點。不同澆注溫度下各點的溫度曲線趨勢基本一致,遠離澆冒口處的點18046溫度下降最快,點16765和點30796較為接近。各點的應力曲線的趨勢不同,結合溫度曲線可知,點18046遠離澆冒口最先凝固,應力最小,點30796在冒口附近,應力最大。對比模擬結果可知,由于冒口附近凝固較慢,是應力集中容易產生的部位。

▲圖6 不同澆注溫度的影響

3.3 真空度影響

不同真空度的影響如圖7所示。當真空度分別為0.04 MPa和0.06 MPa時,有效應力最大值分別為210 MPa和232 MPa。應力較大的部位整體分布在冒口附近,其余部分呈低應力狀態。不同真空度下各點的溫度曲線先升高再降低,遠離澆冒口處的點18046最先凝固,溫度下降最快。真空度0.04 MPa和0.06 MPa時,所取點的應力曲線變化趨勢相差較大。真空度較低時,橫澆道與鑄件連接處的點23060與冒口附近的點30796在一定范圍內應力波動較大,說明真空度對應力的影響較大。對比模擬結果,采用降低真空度的工藝,可以減小冒口與鑄件結合部位的應力值。

▲圖7 不同真空度的影響

3.4 澆注速度影響

不同澆注速度的影響如圖8所示。當澆注速度分別為74 mm/s和104 mm/s時,有效應力最大值分別為221 MPa和202 MPa。不同澆注速度下,各點的溫度曲線呈現先升高再降低的趨勢,靠近澆冒口處的點最先凝固,溫度下降較為緩慢。同一節點不同澆注速度下應力曲線變化接近,說明澆注速度的變化不會出現復雜的應力波動。保持其它條件不變,經模擬計算得出,提高澆注速度可以降低應力的增幅。

▲圖8 不同澆注速度的影響

4 Box-Behnken試驗設計

消失模鑄造過程中澆注溫度、澆注速度、真空度、鑄型溫度等這些工藝因素,對鑄件成型均有影響。根據鑄件結構選擇合適的澆注工藝參數,最終確定澆注溫度、澆注速度和真空度這三個主要工藝條件作為影響因素。筆者試驗的目的主要是探究在澆注溫度為1 560～1 600 ℃,真空度為0.04～0.06 MPa,澆注速度為74～104 mm/s時,鑄件熱裂缺陷傾向。選用側注式澆注系統,分析鑄件熱裂傾向較大的部位,根據熱裂指數最大值,采用Box-Behnken效應面法,通過對試驗結果分析,尋求最優工藝參數組合,最大程度提高鑄件質量。

Box-Behnken試驗設計可以評價指標和因素間的非線性關系,尋找出優化區域,建立優化區域的模型,從而找出響應的最優值。采用熱裂指數Y作為響應值。在ProCAST軟件中,基于應力應變的熱裂判據定義了熱裂指數,該指數定性地說明了鑄件發生熱裂的傾向[22]。澆注溫度T、真空度M、澆注速度V三個因素的水平見表3。評價指標為鑄件中熱裂指數的大小。熱裂指示器中熱裂指數的大小能直接反映鑄件的熱裂缺陷傾向,熱裂指數越大,熱裂發生的概率越大。

表3 試驗因素水平

采用Design-expert軟件進行Box-Behnken試驗設計,試驗方案共由17組試驗構成。利用ProCAST軟件對各組試驗進行模擬,試驗結果見表4。

通過Design-expert軟件對表4數據進行擬合,得到回歸方程:

表4 試驗結果

Y=8.475 07-0.010 795T+6.309 18M

-0.001 611 72V-0.003 525TM

+1.233 3×10-6TV+4.333 3×10-4MV

+3.428 75×10-6T2-6.585M2

-2.26×10-6V2

(10)

根據試驗結果,構建二階響應模型,并對建立的數學模型進行顯著性檢驗和方差分析。模型的顯著性以P表示,P越小,代表模型越顯著。回歸方程的擬合度用R2表示,R2越大,表明擬合度越大。整體模型P為0.000 8,失擬項P為0.135 3,大于0.05,不顯著,回歸方程R2為0.951 6,表明該回歸二次方程極其顯著,即可用此模型進行預測和分析。模型真實值與預測值如圖9所示,橫坐標為真實值,縱坐標為二階回歸方程擬合得到的預測響應值,斜線表示預測值與真實值相等。由圖9可知,擬合點在斜線周圍,說明二階模型的可信度較高。

▲圖9 模型真實值與預測值

響應曲面圖可以直觀地反映各試驗因素交互作用對響應值的影響,所選范圍內的最高點代表最優值,整體曲面坡度陡峭程度越大,表示兩因素交互作用對響應值影響越大。熱裂預測值三維響應曲面圖如圖10所示。

圖10(b)在三組圖中顯示最為陡峭,且等高線較為密集,說明真空度和澆注速度交互作用對熱裂缺陷傾向影響較大,在所選范圍內隨真空度和澆注速度的降低而下降。圖10(a)在三組圖中顯示最為平緩,說明當澆注速度一定時,真空度和澆注溫度二者的交互作用對熱裂缺陷的影響較小。

▲圖10 熱裂預測值三維響應曲面圖

響應面試驗優化得到的最佳工藝條件為澆注溫度1 576.01 ℃、真空度0.04 MPa、澆注速度104 mm/s,在此工藝參數下預測的熱裂指數為0.010 11。

5 優化分析

5.1 試驗結果分析

確定最優工藝參數,試驗結果澆注溫度為1576.01 ℃,真空度為0.04 MPa,澆注速度為104 mm/s。Box-Behnken試驗設計通過對響應面試驗的分析和評價,更加形象直觀,而且通過Design-expert軟件的輔助處理,提高了試驗結果的可靠性。因此,在試驗條件尋優過程中,Box-Behnken試驗設計可以連續對試驗水平進行分析。

通過ProCAST軟件模擬消失模鑄造閥體的最優工藝參數組合,其余參數條件保持不變。響應面試驗優化中對最優工藝參數進行適當修正,做圓整處理,最終確定澆注溫度為1 576 ℃,真空度為0.04 MPa,澆注速度為104 mm/s,對應的熱裂指數為0.010 74,與模型預測值0.010 11較為一致。最優工藝參數下鋼液充型過程模擬結果如圖11所示。由模擬結果可以看出,合理的真空度設置使整個充型過程連續、平穩,不容易產生冷隔、澆不足等缺陷。

▲圖11 最優工藝參數下鋼液充型模擬結果

最優工藝參數下閥體凝固過程溫度場如圖12所示。在凝固前期,由于澆注系統體積小,較為均勻,所以澆注系統凝固較快,凝固率為22.3%時,小部分橫澆道鋼水溫度已經處于固相線溫度以下,大部分仍處于液相線以上。凝固率達到50.1%時,鑄件上方的冒口溫度仍高于液相線溫度,保證對鑄件進行補縮,鑄件接近冒口和內澆道區域開始緩慢凝固。凝固率達到80.7%時,鑄件表面大部分都已經凝固,鑄件內部凝固狀態良好,未出現孤立的液相區,冒口部分尚未完全凝固,并繼續對鑄件繼續進行補縮。隨著溫度降低,鋼液黏度逐漸增大,流動性降低,澆注系統、閥體鑄件和冒口全部凝固,金屬液不再具有流動性。

▲圖12 最優工藝參數下閥體凝固過程溫度場

最優工藝參數組合下的縮松、縮孔分布未留在鑄件內部,由于冒口部分材料溫度高,冷卻慢,縮松、縮孔最終殘留在冒口,說明該設計在滿足熱裂預測的同時,有效地消除了縮松、縮孔缺陷。

5.2 熱裂傾向分析

當鑄件中應力或變形超過該狀態下合金的強度極限或者應變能力時,鑄件便會產生熱裂紋,為了驗證熱裂預測結果,結合該部位的應力進行分析。鑄件應力如圖13所示。在圓孔處,即冒口附近鑄件的熱節部位,該部分散熱較慢,冒口部分最后凝固。較大溫度差引起此處的應力水平高于鑄件其他部分,在鑄件與冒口結合部位附近造成應力集中,達到一定界限后,促使熱裂紋產生。通過Box-Behnken試驗設計優化后,所選節點位置的溫度變化曲線如圖14所示,應力變化曲線如圖15所示。可以看出,所取點的應力曲線變化趨勢較為接近,初始一段時間,應力隨時間上升增大明顯,隨著溫度下降引起相變后,應力值有所下降,這是因為相變引起體積膨脹所致,隨著冷卻時間的進行,奧氏體相變引起應力值上升。由于最大應力遠小于該溫度下鑄件的強度極限,尚不足以導致熱裂的發生。

▲圖13 ProCAST軟件鑄件應力▲圖14 ProCAST軟件溫度變化曲線▲圖15 ProCAST軟件應力變化曲線▲圖16 ProCAST軟件熱裂預測結果

響應面優化方案鑄件的熱裂預測結果如圖16所示。原圖為彩色,圖中不同的顏色代表熱裂發生的概率。顏色由紫色到紅色,表明該部位熱裂傾向增大。當顏色靠近黃色或紅色時,可能發生熱裂。原圖顏色基本為紫色或藍色,表示熱裂發生的傾向較小。表明采用Box-Behnken試驗設計,熱裂傾向有所改善。

6 結束語

采用ProCAST軟件對頂注式和側注式澆注方案進行數值模擬,對溫度場和縮松、縮孔缺陷圖分析,發現側注式方案易滿足順序凝固原則,且可以得到無缺陷鑄件。

通過Box-Behnken試驗設計進行優化,發現各影響因素對鑄件缺陷的主次影響順序為真空度、澆注速度、澆注溫度。

對響應面優化方案中的熱裂預測結果進行分析,在澆注溫度為1 576 ℃,真空度為0.04 MPa,澆注速度為104 mm/s時,熱裂指數為0.010 74,熱裂傾向下降明顯。Box-Behnken優化設計對實際生產具有一定的指導意義。