儲(chǔ)文平

（中鐵建電氣化局集團(tuán)軌道交通器材有限公司，江蘇 常州 213179）

壓鑄成型是鋁青銅產(chǎn)品成型的重要方法，具有充型快速、尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本文以高鐵接觸網(wǎng)線夾套環(huán)為研究對(duì)象，通過對(duì)其鑄造成型過程的模擬分析，從而針對(duì)性地進(jìn)行工藝優(yōu)化，所得產(chǎn)品性能在使用過程中得以驗(yàn)證。

1 零件結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)

1.1 結(jié)構(gòu)分析

線夾套環(huán)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)的復(fù)雜零件，左端為實(shí)心圓柱，最大直徑為φ18mm，右端為不規(guī)則柱體，外徑為φ40mm，內(nèi)徑為φ28mm，中部為L(zhǎng)型凸型平臺(tái)，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(huán)三維圖

CAC702鋁青銅具有良好的鑄造性能，充型和流動(dòng)性較強(qiáng)，適合鑄造形狀復(fù)雜的鑄件，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 CAC702鑄造鋁青銅主要化學(xué)成分

1.2 性能指標(biāo)

線夾套環(huán)要求產(chǎn)品表面光潔，不應(yīng)有凹凸、裂紋、縮松等缺陷。

2 壓鑄方案設(shè)計(jì)

2.1 工藝分析

采用一模一腔的壓鑄模具生產(chǎn)。壓鑄機(jī)鎖模力按下式計(jì)算：

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

結(jié)合實(shí)際，選取鎖模力為4000kN的臥式壓鑄機(jī)，壓室直徑為80mm，偏心距離為100mm。

2.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jié)合鑄件大小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，初步設(shè)定澆口截面積為84.2mm2，澆注方式設(shè)定了兩種方案，如圖2所示。通過模流分析對(duì)兩種方案進(jìn)行比較，擇優(yōu)選取。

圖2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3 工藝參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)材料屬性，初步設(shè)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(shí)間0.2s，保壓時(shí)間5.5s。

3 模擬分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

設(shè)置鑄件網(wǎng)格尺寸為2mm，模具最大網(wǎng)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(shí)流體比較紊亂，隨著填充的進(jìn)行，流體逐漸趨于穩(wěn)定，方案2在開始階段流體比較平穩(wěn)，但在填充快結(jié)束時(shí)，尚有一部分未能填充完成。在時(shí)間t=0.08s時(shí)，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(wǎng)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(dòng)圖可以看出，方案1在0.02s之后具有更加穩(wěn)定的狀態(tài)，鑄件產(chǎn)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(dòng)較困難，存在縮孔縮松的風(fēng)險(xiǎn)。從冷卻曲線可以看出，方案1冷卻過程比較均勻且連續(xù)，方案2冷卻時(shí)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(yīng)力集中傾向?？傮w比較，方案2更加科學(xué)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(qū)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(yōu)化設(shè)計(jì)

在選擇方案1之后，進(jìn)一步對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，故將填充時(shí)間改為0.1s，將保壓時(shí)間改為3.5s，壓射比壓調(diào)整為45MPa，增壓比壓調(diào)整為70MPa，澆注溫度與模具溫度保持不變，參數(shù)設(shè)置完成后，再次進(jìn)行模流分析，結(jié)果如圖7所示。與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的鑄件填充時(shí)間更快，液流更加穩(wěn)定，鑄件冷卻曲線更加平穩(wěn)。

圖7 優(yōu)化后的鑄件模擬結(jié)果

4 方案驗(yàn)證

方案優(yōu)化后，以方案中參數(shù)為基本參照，生產(chǎn)了批量的線夾套環(huán)，成品如圖8所示。該產(chǎn)品現(xiàn)已用于高鐵接觸網(wǎng)智能化在線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，在使用過程中，充分驗(yàn)證了鑄造工藝及產(chǎn)品強(qiáng)度的可靠性。

圖8 線夾套環(huán)鑄件成品

5 結(jié)語

鋁青銅CAC702材質(zhì)的線夾套環(huán)通過ProCAST技術(shù)模流分析并優(yōu)化工藝參數(shù)，鑄件在澆注溫度1050～1100℃，模具溫度280～320℃環(huán)境中，設(shè)置填充時(shí)間為0.1s，保壓時(shí)間為3.5s，壓射比壓為45MPa，增壓比壓為70MPa的參數(shù)時(shí)，具有優(yōu)良的工藝性能與使用性能，滿足高鐵接觸網(wǎng)的使用要求。