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        基于ProCAST的大型鋁合金橫梁鑄造過程模擬及工藝方案優(yōu)化

        2019-10-18 00:58:54邢甜甜王桂青田長文
        山東科學 2019年5期
        關(guān)鍵詞:充型冒口鑄件

        邢甜甜,王桂青,田長文

        (1.山東建筑大學材料科學與工程學院,山東 濟南 250100;2.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院),山東省科學院新材料研究所,山東 濟南 250014)

        激光切割機中搭載切割頭的橫梁部件采用鋁合金ZL114A材料制造,橫梁的質(zhì)量直接影響到激光切割機的定位精度、加工精度、加工質(zhì)量等[1]。橫梁屬于結(jié)構(gòu)復雜的大尺寸鑄件[2],在生產(chǎn)時,易產(chǎn)生冷隔、裂紋、穿透性疏松等缺陷。依賴于經(jīng)驗設(shè)計橫梁的鑄造工藝,可能要經(jīng)過多次的工藝試驗使設(shè)計的合理性和鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定性得到完善。由于影響鑄造凝固過程和鑄件質(zhì)量的因素較多,若考慮不周全,可能需要調(diào)整或推翻原來的工藝方案,導致已投產(chǎn)的模具及工裝報廢。因此,這種傳統(tǒng)的新產(chǎn)品試制方法存在周期長和成本高等缺點。

        計算機技術(shù)的高速發(fā)展促進了鑄造模擬仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用[3-4],提升了鑄造水平,對于縮短試制周期、降低試制成本、減少工藝設(shè)計的重大失誤具有顯著作用[5-6]。ProCAST是法國ESI公司開發(fā)的用于熱物理綜合解決方案的有限元軟件,自推出以來受到世界各地眾多用戶的青睞,廣泛應(yīng)用于鑄件澆注系統(tǒng)設(shè)計、充型及凝固過程模擬,從而縮短了產(chǎn)品設(shè)計周期,降低了成本[7]。近年來,基于ProCAST,許多科技工作者對橫梁鑄件的數(shù)值模擬和工藝優(yōu)化開展了一系列研究。劉晨等[8]等研究了橫梁鑄鋼件砂型重力鑄造工藝,設(shè)置了合理的補縮系統(tǒng)和工藝參數(shù);郭凱等[9]對龍門式HT300機床橫梁鑄件鑄造過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進行跟蹤分析,預測了縮孔、縮松等缺陷的產(chǎn)生;衛(wèi)東海等[10]從橫梁結(jié)構(gòu)剛度的有限元分析、鑄造變形數(shù)值模擬等方面介紹了高精度保持性QT600-3橫梁的鑄造技術(shù),得出基于數(shù)值模擬優(yōu)化的鑄造工藝是生產(chǎn)高質(zhì)量橫梁鑄件的重要技術(shù)手段。因此,模擬對于橫梁鑄件優(yōu)化鑄造工藝、提高鑄件質(zhì)量、減少生產(chǎn)成本具有重要意義,而利用ProCAST對于ZL114A鋁合金橫梁鑄件的砂型重力鑄造過程模擬研究及工藝優(yōu)化的相關(guān)文獻未見報道。

        本文利用ProCAST軟件,對ZL114A鋁合金橫梁砂型重力鑄造的充型和凝固過程進行了模擬和分析,實現(xiàn)了鑄造工藝方案的優(yōu)化設(shè)計。

        1 橫梁結(jié)構(gòu)特征分析

        本文所研究橫梁零件三維實體圖如圖1所示。零件外形輪廓尺寸為2480 mm×540 mm×278 mm,質(zhì)量74 kg,材質(zhì)為Zl114A,主體截面尺寸303 mm×259 mm,壁厚6 mm,兩端支耳壁厚40 mm,內(nèi)部加強筋較多且縱橫交錯,筋厚度5 mm,內(nèi)部由橫隔板分成多個空腔,屬于狹長、多腔類復雜鋁合金薄壁鑄件。

        圖1 橫梁實體模型Fig.1 Solid model of the beam

        2 初始鑄造工藝方案及模擬分析

        2.1 初始鑄造工藝方案

        根據(jù)鋁合金橫梁的結(jié)構(gòu)特點和鑄造工藝設(shè)計原則,初始鑄造工藝方案如圖2所示,采用砂型重力鑄造工藝,鑄型及砂芯均采用堿性酚醛樹脂自硬砂。為保證充型平穩(wěn),采用底注+縫隙式澆注系統(tǒng),鑄件兩側(cè)設(shè)置對稱的4個直澆道、2個橫澆道和12個縫隙式內(nèi)澆道,其中直澆道截面積A直為365 mm2,橫澆道截面積A橫為1460 mm2,縫隙式內(nèi)澆道截面寬度9 mm,圓柱形暗冒口直徑45 mm。縫隙式內(nèi)澆道設(shè)置在橫梁環(huán)筋處且與鑄件同高,并且內(nèi)澆道的形狀和尺寸要求兼具補縮作用,在兩端支耳處設(shè)置4個冒口用于此處補縮。

        1 冒口;2 橫澆道;3 直澆道;4 圓柱形暗冒口及縫隙式內(nèi)澆道;5 導軌面;6 支耳

        2.2 充型過程模擬結(jié)果與分析

        將上述模型導入ProCAST的網(wǎng)格生成模塊Visual-mesh中,對鑄件進行有限元網(wǎng)格劃分,得到節(jié)點數(shù)118 224個,四面體網(wǎng)格數(shù)1 468 781個,如圖3所示。

        圖3 橫梁鑄件網(wǎng)格模型Fig.3 Casting mesh model of the beam

        鑄型初始溫度25 ℃,澆注溫度710 ℃,澆注時間10.73 s。充型過程模擬結(jié)果如圖4所示:t=2.1 s充型20%時(圖4a),金屬液體經(jīng)由12個縫隙式內(nèi)澆道流入鑄型型腔,流量均衡,流速平穩(wěn);t=3.8 s充型30%時(圖4b),鑄型底部型腔全部充滿;隨著充型時間的增加,金屬液面逐漸平穩(wěn)上升(圖4c);t=10.73 s時(圖4d),充型結(jié)束。整個充型過程較為平穩(wěn),沒有出現(xiàn)飛濺、噴射現(xiàn)象,也未出現(xiàn)冷隔、澆不足的現(xiàn)象。因此,澆注系統(tǒng)和參數(shù)的初始工藝方案能夠滿足鑄件的充型要求。

        圖4 充型過程Fig.4 Filling process

        2.3 凝固過程模擬結(jié)果與分析

        圖5為初始工藝方案的不同時刻的凝固結(jié)果,由圖中可以看出,橫梁鑄件的凝固順序為橫梁主體部分(圖中紫色區(qū)域)先凝固,接著是縫隙式內(nèi)澆道,兩端支耳及冒口處最后凝固。整個凝固過程完成需要468.5 s。圖6為固相體積分數(shù)的計算模擬,固相體積分數(shù)取值為0~1,表示由液相到固相的轉(zhuǎn)變過程,其中0.7為鑄件縮孔、縮松等缺陷的臨界固相體積分數(shù)值[11]。圖6中鑄件兩端黃色區(qū)域固相體積分數(shù)較周圍低,形成孤立液相區(qū),該區(qū)域由于最后凝固而又得不到有效的液體補縮,因此會產(chǎn)生收縮缺陷。

        圖5 凝固時間Fig.5 Solidification time

        圖6 固相體積分數(shù)Fig.6 Fraction solid

        圖7為橫梁收縮缺陷分布圖,從圖中可以看出,在鑄件加強筋處出現(xiàn)孔隙率約5%的小范圍收縮缺陷(圖7a),在橫梁鑄件兩端支耳出現(xiàn)了孔隙率約20%且范圍較大的收縮缺陷(圖7b)。這是由于在冷卻凝固的過程中,支耳凹槽處冷卻速度較快而優(yōu)先凝固,圖7b缺陷產(chǎn)生部位處的壁厚較周圍區(qū)域厚,冷卻速度慢,而設(shè)置的兩處冒口距離較遠,未能對此處進行有效補縮,因此形成收縮缺陷。

        圖7 橫梁收縮缺陷分布圖Fig.7 Beam shrinkage defect distribution

        3 鑄造工藝方案的優(yōu)化及模擬分析

        3.1 工藝方案優(yōu)化

        根據(jù)以上分析可知,初始鑄造工藝方案產(chǎn)生缺陷的原因是局部區(qū)域壁厚尺寸較大,容易產(chǎn)生熱節(jié)點,且凝固過程不能有效補縮,因此對初始工藝方案進行了優(yōu)化。改進后的冒口補縮系統(tǒng)見圖8,在兩端支耳凸臺處各增設(shè)兩處腰圓冒口,為了增大冒口補縮的末端效應(yīng),在腰圓冒口下方加置冷鐵,縫隙式內(nèi)澆道寬度由9 mm增至12 mm,以增強對加強筋的補縮效果。

        1 腰圓冒口;2 冷鐵

        3.2 改進工藝方案后鑄件模擬結(jié)果分析

        改進后鑄件的凝固模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9a可知,橫梁鑄件的凝固順序為橫梁主體部分先凝固,接著是澆注系統(tǒng)、兩端支耳及腰圓冒口,改進工藝方案中設(shè)置的腰圓冒口最后凝固。由圖9b可知,增加冷鐵后腰圓冒口下部的支耳部位先于腰圓冒口凝固,調(diào)整了此處凝固順序,達到了針對性補縮的目的。

        圖9 改進后凝固模擬結(jié)果Fig.9 Improved solidification simulation results

        改進后缺陷預測分布如圖10所示,可以看出縫隙式內(nèi)澆道截面尺寸的改變,消除了橫梁加強筋處的缺陷;腰圓冒口和冷鐵的增加,消除了橫梁支耳凸臺處的缺陷,橫梁鑄件內(nèi)部無明顯縮孔、縮松缺陷,這表明此工藝方案可以獲得合格鑄件。

        圖10 改進后收縮缺陷分布Fig.10 Improved shrinkage defect distribution

        4 結(jié)論

        (1)采用ProCAST軟件,在澆注溫度710 ℃、澆注時間10.73 s、鑄型溫度25 ℃的條件下,模擬了大型ZL114A鋁合金橫梁的砂型重力鑄造充型和凝固過程,較直觀地觀察和分析了澆冒口系統(tǒng)設(shè)置的合理性,優(yōu)化了鑄造工藝方案,為工藝實施奠定了理論基礎(chǔ)。

        (2)模擬結(jié)果表明,采用底注式+縫隙式澆注系統(tǒng),鑄件充型平穩(wěn)。在合理調(diào)整澆冒口系統(tǒng)的設(shè)計并配合使用冷鐵后,可消除鑄件局部縮孔、縮松缺陷,獲得合格鑄件。

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