孫 浩，崔恩強(qiáng)，張 娜，劉穎卓，陳俊杰，朱 輝，卜華鋒，王財(cái)華

(上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201600)

0 引言

近年來，鋁合金由于其密度小、比強(qiáng)度高、比剛度高、阻尼性能好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、汽車、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。ZL205A合金屬于Al-Cu系鑄造鋁合金，其力學(xué)性能與Al-Si系合金相比提高較多，塑性及沖擊韌性好，焊接性能和切削加工性能良好。因此，ZL205A合金被廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)件和功能件[3-4]。但ZL205A合金中含有4.6%～5.3%的Cu元素，結(jié)晶溫度區(qū)間寬，縮松傾向嚴(yán)重；從液態(tài)到固態(tài)的收縮率大，鑄件容易產(chǎn)生縮松、裂紋等鑄造缺陷。

隨著鑄造工藝技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在鑄造領(lǐng)域的應(yīng)用不斷加強(qiáng)。孫錦玉等[5]對(duì)復(fù)雜泵體的流場、溫度場、縮孔縮松分布情況進(jìn)行模擬，分析比較了底注式與頂注式澆注系統(tǒng)的區(qū)別。馬升等[6]采用Magma對(duì)采煤機(jī)搖臂鑄件鑄造缺陷的分布進(jìn)行預(yù)測并優(yōu)化其工藝，提高了鑄件的出品率，降低了生產(chǎn)成本。針對(duì)航天艙體鑄件，傳統(tǒng)的鑄造工藝基于經(jīng)驗(yàn)試制法，研制周期長，合格率高。本文采用ProCast數(shù)值仿真軟件(后簡稱ProCast)對(duì)鑄造工藝進(jìn)行仿真計(jì)算，預(yù)測鑄造缺陷的形成位置，并對(duì)鑄造工藝采取優(yōu)化措施，達(dá)到降低研制成本、縮短研制周期的目的。

1 艙體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

艙體為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該鑄件高度340 mm，內(nèi)徑200 mm，端框壁厚20 mm，其余位置壁厚8 mm；外圓上均勻分布12個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)厚度25 mm。

圖1 艙體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of shell casting

2 工藝設(shè)計(jì)

該艙體鑄件為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)件，壁厚尺寸較小，所用ZL205A合金鑄造性能較差，導(dǎo)致鑄件極易形成澆不足、冷隔、縮孔等缺陷。外圓上分布有12個(gè)凸臺(tái)，造成鑄件壁厚差異大，也給澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來困難。

在充分分析材料及結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，決定采用樹脂砂制作泥芯，黏土砂制作鑄型，以及低壓底注式鑄造工藝方案。

2.1 模具設(shè)計(jì)

圖2 艙體模具Fig.2 Mould of shell casting

艙體模具設(shè)計(jì)如圖2所示。模具采用木質(zhì)，12個(gè)凸臺(tái)設(shè)計(jì)成活塊，便于造型時(shí)取模。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖3所示。采用兩處立筒縫隙澆道，為了更好地控制和分配合金液的流量，縫隙內(nèi)澆口設(shè)計(jì)如圖4所示。立筒縫隙澆注系統(tǒng)在澆注過程中首先將合金液充填至澆注系統(tǒng)，當(dāng)縫隙澆道的液面高于鑄件型腔底部時(shí)，合金液開始向鑄型型腔流入，在合金液的充型過程中一直保持這種狀態(tài)，直到充型全部完成。這樣就能保證縫隙澆道的合金液溫度高于鑄型型腔內(nèi)合金液的溫度，以及縫隙澆道下部合金液的溫度高于上部合金液的溫度，確保凝固過程中補(bǔ)縮通道的暢通。如此，既有利于補(bǔ)縮，又可保持充足的補(bǔ)縮壓力，使鑄件按照順序凝固的方式凝固，降低了縮松產(chǎn)生的傾向，提高了鑄件的組織致密度，從而保證鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。

圖3 澆注系統(tǒng)Fig.3 Gating system

圖4 立筒縫隙澆道Fig.4 Vertical slot runner

2.3 冷鐵設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)候充分考慮艙體的結(jié)構(gòu)，在端框等厚大部位及凸臺(tái)處放置成形冷鐵，增加厚大部位及凸臺(tái)處的冷卻速度，保證厚大部位先凝固，使鑄件按照順序凝固的方式進(jìn)行凝固，從而避免縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生，降低組織疏松程度，提高鑄件的內(nèi)部質(zhì)量。

2.4 低壓澆注工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

低壓鑄造介于“重力鑄造”和“壓力鑄造”之間，是利用較低氣體壓力將金屬液壓入鑄型，并在一定壓力下結(jié)晶凝固，從而獲得鑄件的一種鑄造方法[7-9]。

低壓鑄造采用底注充型，通過設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)和選擇合適的澆注工藝參數(shù)，使合金液由下向上平穩(wěn)充入型腔。合金液呈層流充型，鑄件在壓力下結(jié)晶凝固，有利于得到組織致密的鑄件。低壓鑄造提供了平穩(wěn)充型和壓力補(bǔ)縮條件。

艙體鑄件鑄型采用黏土砂，砂型強(qiáng)度差；泥芯采用樹脂砂，砂型強(qiáng)度高，在較短的保壓時(shí)間能提供較高的增壓，有利于在壓力下進(jìn)一步加強(qiáng)鑄件的補(bǔ)縮能力。

在結(jié)晶保壓階段，鑄件開始大面積凝固。在保證鑄型或砂箱強(qiáng)度足夠高，以及壓鐵質(zhì)量充足的情況下，提供較大的結(jié)晶增壓值，以提高鑄件凝固時(shí)的最后補(bǔ)縮能力，改善鑄件的冶金質(zhì)量。低壓澆注工藝參數(shù)設(shè)計(jì)見表1。

3 數(shù)值仿真

3.1 仿真模型建立與材料參數(shù)設(shè)定

采用UG進(jìn)行三維建模，并以igs格式導(dǎo)入到ProCast的Visual-Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分出102 056個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 622 971個(gè)單元格。

ProCast可根據(jù)給定材料的化學(xué)成分計(jì)算出該材料的物理性能參數(shù)。艙體鑄件材料為ZL205A合金，其化學(xué)成分見表2，物理性能參數(shù)如圖5所示。

表1 低壓澆注工藝參數(shù)

表2 ZL205A合金化學(xué)成分

圖5 ZL205 A合金物理性能參數(shù)Fig.5 Physical property parameters of ZL205 A alloy

3.2 鑄造參數(shù)設(shè)定

澆注溫度為720 ℃，鑄型與冷鐵初始溫度為50 ℃，澆注壓力隨時(shí)間變化見表3。鑄件與砂型間的傳熱系數(shù)取500 W·m-2·K-1，鑄件與冷鐵之間的傳熱系數(shù)取1 500 W·m-2·K-1，冷鐵與鑄型之間的傳熱系數(shù)取1 000 W·m-2·K-1，鑄型表面空冷[10-12]。

表3 仿真計(jì)算澆注壓力-時(shí)間

3.3 仿真結(jié)果與分析

在鑄造工藝設(shè)計(jì)與鑄造參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)艙體鑄件進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)可看出，合金液在壓力的作用下平穩(wěn)充填型腔，呈層流狀態(tài)，未出現(xiàn)紊流的情況，避免了“卷氣”的發(fā)生，確保鑄件不會(huì)產(chǎn)生氣孔、夾渣等鑄造缺陷。圖6(b)為鑄件的凝固時(shí)間場，從圖中可看出鑄件保持了自上而下、自兩側(cè)到縫隙澆道的凝固順序，有利于立筒中的合金液在壓力作用下對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。

圖6 艙體鑄件仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of shell casting

根據(jù)仿真結(jié)果的固相分?jǐn)?shù)、縮孔等判據(jù)可預(yù)測鑄件的縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生。固相分?jǐn)?shù)0～1表示液相到固相的轉(zhuǎn)變過程，而0.7則為縮孔、縮松形成的臨界值[13-14]。在凝固過程中，當(dāng)有孤立液相區(qū)形成時(shí)，由于周圍區(qū)域已經(jīng)凝固完畢，導(dǎo)致該區(qū)域得不到金屬液的補(bǔ)縮而形成縮孔、縮松。圖6(c)中凸臺(tái)根部區(qū)域固相分?jǐn)?shù)與周圍相比較低，形成孤立液相區(qū)，此區(qū)域在凝固后期得不到有效的補(bǔ)縮而有產(chǎn)生缺陷的可能。圖6(d)的縮孔判據(jù)也顯示了該區(qū)域有形成縮孔、縮松缺陷的趨勢(shì)。

4 工藝優(yōu)化與澆注

圖6中的仿真結(jié)果顯示凸臺(tái)根部有形成縮松、縮孔缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。該位置為凸臺(tái)與艙體外圓的過渡位置，為熱量集中的區(qū)域。一方面，在凝固過程中凝固時(shí)間較晚，周圍區(qū)域先行凝固，補(bǔ)縮通道被切斷，由于得不到有效的補(bǔ)縮而極易形成縮松、縮孔缺陷；另一方面，ZL205A合金收縮率大，鑄件在凝固收縮過程中，該位置在鑄造應(yīng)力的作用下可能形成裂紋缺陷。

基于ProCast仿真計(jì)算的結(jié)果與理論分析，對(duì)上述鑄造工藝采取優(yōu)化措施。在凸臺(tái)根部等鑄件壁厚過渡位置設(shè)計(jì)倒斜角過渡，使合金液在充型、凝固過程中流動(dòng)更加順暢，既有利于補(bǔ)縮，又減小了鑄造應(yīng)力。同時(shí)在造型過程中，壁厚過渡位置采用激冷砂代替黏土砂，增加該位置的冷卻速度，改善局部熱節(jié)特性，從而避免缺陷的產(chǎn)生。

在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)模具進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，經(jīng)過相應(yīng)表面處理及澆注后的艙體鑄件如圖7所示。鑄件沒有縮孔、縮松、裂紋等缺陷，內(nèi)部質(zhì)量良好。

圖7 澆注后的艙體鑄件Fig.7 Shell casting

5 結(jié)果與討論

ZL205A合金艙體采用低壓底注式澆注方式，合金液在壓力作用下實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)充填型腔，未出現(xiàn)紊流的情況，避免了卷氣、夾渣等缺陷的形成。同時(shí)設(shè)計(jì)了立筒縫隙澆注系統(tǒng)，厚大部位放置冷鐵，實(shí)現(xiàn)了鑄件自上而下、自兩側(cè)向縫隙澆道的凝固順序，合金液在壓力作用下對(duì)鑄件進(jìn)行有效補(bǔ)縮，防止了縮孔等缺陷的產(chǎn)生。

利用ProCast對(duì)鑄件的充型和凝固過程進(jìn)行了仿真計(jì)算，預(yù)測了鑄造缺陷產(chǎn)生的位置，并對(duì)其工藝進(jìn)行優(yōu)化。壁厚過渡位置采取倒斜角過渡，并用激冷砂進(jìn)行激冷，改善了該區(qū)域的補(bǔ)縮條件和熱節(jié)特性，最終成功澆注了鑄件，鑄件質(zhì)量良好。

6 結(jié)束語

目前國內(nèi)關(guān)于仿真計(jì)算中不同材質(zhì)之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)大多是憑借經(jīng)驗(yàn)來確定其數(shù)值，雖然仿真結(jié)果可靠程度較高，但缺乏一定的嚴(yán)謹(jǐn)性。實(shí)際上，界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是一個(gè)與溫度相關(guān)的參數(shù)，其數(shù)值大小隨著溫度的變化而變化，后續(xù)將開展相關(guān)的工程試驗(yàn)，測試出不同材質(zhì)間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)隨溫度變化的曲線，并用于仿真計(jì)算，進(jìn)一步提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，指導(dǎo)產(chǎn)品的研制生產(chǎn)工作。