基于数值模拟的横梁铝合金铸件铸造工艺方案的优化设计

殷子豪，林增煌，杨弋涛

（上海大学 材料科学与工程学院，上海 200444）

横梁件在机械工程领域内的应用十分广泛，常作为加工机床、吊车的的重要结构件。横梁通常在设备运行过程中起着固定以及支撑的作用、要求必须具有一定的强度，承载一定的载荷，同时导轨面表面质量高[1,2]。当作为加工机床横梁时，则对横梁的尺寸精度、强度都提出了更高的要求。

ZL114A 属于Al-Si 系亚共晶合金，是在ZL101A 合金基础上增加镁元素的含量发展起来的Al-Si-Mg 系高强度铸造铝合金，具有高强度、高韧性、收缩率低、良好的流动性、气密性和抗热裂性以及较好的机械加工性能等特点，广泛应用于结构件精密复杂薄壁件[3]。但重力铸造条件下，铝液在充型过程中，金属液易产生紊流，引起氧化膜裹着气泡卷入铸件使铸件产生缩松和气孔，氧化膜本身形成折叠膜片状、团絮状夹杂物[4]，是承载时断裂的裂纹源。因此，金属液充型过程平稳与否是铸件质量的关键因素之一。

本文将以ZL114A 为材料，根据铸造工艺理论知识，结合实际生产条件，利用铸造模拟软件ADSTEFAN 对浇注过程中的金属液充型、凝固传热以及缩松缩孔进行模拟分析。通过模拟结果来推测、预防和消除缩孔缩松等铸造缺陷。利用仿真模拟技术可以缩短生产研发周期与成本，提高生产效率，同时能为工艺优化提供理论依据，旨在最终得到最佳的铸造工艺方案[5-7]。

1 横梁铸件的铸造工艺设计思路

1.1 零件工艺性分析

横梁的三维实体图如图1 所示。外轮廓尺寸为2480mm×540mm×278mm，最大壁厚40mm，最小壁厚5mm，平均壁厚仅为6.83mm，重要导轨面长为2200mm。铸件质量约为85kg。外部结构较为简单，但内腔存在大量肋板结构，易产生冷隔、欠铸等情况；两端支座处截面积突变严重，壁厚差较大，热节较多且分散。这都给金属液充满型腔造成了较大的难度。技术要求表面不允许有冷隔、裂纹、欠铸、穿透性疏松等缺陷。ZL114A 铸件材料的化学成分如表1 所示。

表1 ZL114A 铸造铝合金化学成分 ωB/%

图1 横梁的三维外观图

树脂自硬砂相比于粘土砂尺寸精度高，表面粗糙度低，废品率低，因此选择树脂自硬砂作为横梁件的造型材料[8]。根据铸件技术要求，铸造工艺参数选择如下：铸件尺寸公差等级为CT11，铸件重量公差等级为MT11，机械加工余量为F，铸件收缩率为1%[9]。

1.2 浇注方案及分型面设计

根据零件特点初步拟定了两种浇注位置，如图2 所示。方案一的厚大面朝上，重要工作面位于底面和侧面，质量易保证；但最大壁厚、大平面处在上部，易造成夹砂等缺陷。方案二的最大壁厚处位于下部，质量容易保证；造型、拔模较为容易；但重要工作面在上部，质量难以控制。考虑到两种方案各有各的优缺点，因此决定对两种方案进行模拟试验后再次筛选。

图2 浇注位置方案

由于铸件某一维度尺寸比另外两个维度尺寸相差较大，故沿此维度方向设置多个内浇道，预防铸件薄壁结构对金属液充填可能造成的不利影响。

浇注系统采用开放式，浇注系统各单位截面比为ΣA直：ΣA横：ΣA内=1：2：4。对于铝合金铸件，其浇注时间可以参考经验公式(1)[10]；对于四单元浇注系统的铝合金铸件，各单元截面积的确定，采用截面积比设计法，经查阅手册[9]得公式（2）、（3）。

式中 t——浇注时间（s）；

GL——铸件质量（kg），取GL=125kg；

S——经验常数，取S=2.5；

A内——内浇道总截面积（cm2）；

ρL——金属液密度（kg·cm-3）；

μ——流量损耗系数，取=0.5；

g——重力加速度（981cm·s-2）；

hp——内浇道处压力高度（cm）；

Hp——平均计算压头高度（cm），取Hp=53cm；

k1——直浇道截面积与横浇道截面积之比，取k1=0.5；

k2——直浇道截面积与内浇道截面积之比，取k2=0.25。

根据计算得到浇注时间t=13.91s，实际模拟选择浇注时间为14s。将各个参数带入公式中可演算得出内浇道、横浇道、直浇道的总面积分别为46.29cm2、30.86cm2和15.43cm2。

2 工艺仿真模拟及优化分析设计

通过三维建模软件UG 绘制出三维实体图，同时导出STL 格式文件，并导入ADSTEFAN 软件进行铸造工艺数值模拟。考虑到模拟的精确度以及初期模拟的时间成本，网格划分的数量控制在106 个左右。浇注温度设置为715℃，浇注时间取14s。

2.1 流场模拟分析

图3 两种浇注位置的充型模拟过程

图4 孤立液相区分布

如图3 所示为两种方案的流场模拟充型过程。对应方案一的结果为图3a～d，其中由图中液面颜色分布可以看出液面紊乱。a 图中当充型28.5%时，铸件内部的高度差导致金属液冲砂、飞溅等。对应方案二的为图3e～h，底注式的优势明显，液面呈平稳上升；e 图中金属液从薄壁处流向支座的截面积突变处时依旧能保持平稳，未发生飞溅情况。

2.2 凝固模拟分析

从图4a 中可以看出，在凝固过程中，在壁厚突变处以及远离内浇道的铸件下端尤其是导轨面处产生了液相孤立区，即铸件最后凝固的区域没有得到液态金属或合金的补缩，容易形成缩松、缩孔缺陷，所以要通过补缩系统对其进行金属液的补充。从图4b 中可以看出，孤立液相区出现的部位与方案一类似，都是出现在支耳处和上部的导轨面处，但是，方案二的铸件放置位置使其便于设计补缩系统，支座处以及导轨面朝上，有较大面积可以安放冒口，冷铁的设置也可以避开内浇道。

2.3 工艺选择及优化方案

通过以上初步分析，决定对浇注方案二进行进一步优化设计及模拟验证。

2.3.1 冒口设计

缩松缩孔较严重处采用圆柱形冒口，根据冒口设计的Q 参数法，在Creese R.C 提出改进后，该方法既适应于铸钢件冒口设计，也适应于非铁合金铸件的冒口设计。冒口体积VR的计算如式（4）[9]所示：

式中 a——凝固调节系数，取a=100；

b——金属补缩调节系数，取b=0.171；

MC——铸件补缩位置模数；

VC——铸件补缩位置体积。

针对不同的补缩位置，VC值通过UG 三维制图软件经过对补缩位置的切割划分后直接读取，MC值通过制图软件读取的体积与散热面积之比计算得来。

基于模拟结果，在保证铸件质量的前提下考虑提高金属收得率的问题，因此铸件的顶部采用暗顶冒口，并在冒口上端插入大气压砂芯，使之成为大气压暗冒口，由于砂芯被金属液加热，故金属液不会在小砂芯周围结壳，当铸件和冒口表层结壳以后，外面空气通过小砂芯进入冒口，防止冒口处于负压状态，达到利用大气压力提供补缩压力的目的。

由于导轨面顶部塌陷严重，而且面积较大。因此，采用8 个圆柱形大气压暗冒口进行补缩，顶部相对于导轨的另一侧，热节较小，但下方有一处壁厚突变处导致产生液相孤立区，采用方形压边补贴暗冒口，而在这一侧的两端工艺肋处也有热节，采用两个暗冒口补缩，而支座处热节相对集中，采用4 个暗冒口进行补缩。由于铝合金冒口补缩通道有限，且支座处热节内径较大，故将支座处暗冒口均设置成保温冒口。

2.3.2 冷铁设计

设计冷铁的目的是为了把液相孤立区“赶”到冒口或者铸件其他有利于补缩的位置。根据初步模拟结果的分析，如图5 所示，A 处冷铁安放在横梁底部有壁厚突变处的内部，此处设置冷铁可以改善铸件的凝固顺序，使该突变处的凝固速度趋于一致并且该处上方正对冒口，可以形成一段自下而上的凝固顺序，得到致密的组织，保证铸件质量；B 处冷铁安放在一侧内浇道间隔的中间，此处壁厚较大，且通过模拟结果可以看到，此处出现了液相孤立区，在下侧增加冷铁有助于增加此处的冷却速度，把液相往内浇口处“赶”，从而有助于浇道起补缩作用；C 处在铸件顶部工艺孔处，该处冷却速度较慢，加了冷铁之后将该处液相区往两边冒口处驱赶，不仅解决塌陷问题，也能够得到致密的组织；D 处冷铁安放在半高处导轨面外，此处内部截面积突变严重，周围均为薄壁结构，金属液补缩困难，通过冷铁激冷作用让此处率先凝固，同时与顶部大气压冒口形成自下而上的顺序凝固。

图5 冷铁位置分布

采用铸铁外冷铁，冷铁厚度根据热节圆法计算取10mm，冷铁接触面积ACh计算则采用模数法，如公式（5）[9]所示：

式中 V0——设置冷铁部位铸件的体积；

M0——设置冷铁部位铸件的几何模数；

Mr——与设置冷铁部位相邻部位的铸件模数。

V0、M0、Mr的数值通过绘图软件直接从绘制的三维铸件图中读取，通过计算得到一处冷铁的工作面积应为3000mm2，依照此方法同样计算其他位置的冷铁面积，并将冷铁形状依照铸件形状优化，冷铁分布如图5 所示。

2.4 初步优化方案模拟及分析

从图6 的计算结果可见，在支耳处设置暗冒口后，该处缩松缩孔得到了明显的改善，而导轨面处的缩松缩孔也在多个暗冒口的作用下有显著减少。

图6 优化前后缩孔缩松分布

图7 初步优化后孤立液相区分布

初步考虑采用明冒口是由于铝合金金属液密度较小，在重力铸造的条件下，如果是暗冒口难以提供有效的压力对抗大气压，实现有效补缩，但在模拟后发现，明冒口的效果虽好，但由于一开始因为铸件较长难以充型完整，所以选择了较大的计算静压头高度，即剩余高度Hm（直浇道和铸件最高点之差）比较大。因此，选用明冒口将使金属收得率明显下降，综合考虑决定采用大气压暗冒口。依据图6 中改进工艺缺陷分布的结果，铸造工艺质量有了较大改善。通过切片图可以看出，加上冒口之后，顶部导轨面处凝固时出现的缩松缩孔基本被消除，但还存在一些贯穿表面的缺陷，支耳处的缩松缩孔情况也类似；对比未改进工艺中缩松缩孔缺陷，缺陷得到了很大的改善，但并未完全消除。因此，对凝固时间与温度场进行分析，如图7所示。

从图中可以看出，凝固时，虽然冒口成为了最后凝固的位置，但冒口和铸件之间的补缩通道凝固得较早，铸件温度较高的区域以及壁厚较厚的地方，周围的位置凝固较快，金属液补缩通道断绝，最后凝固形成金属液“孤岛”，不能得到来自其他未凝固部分金属的补缩，最终仍然可能形成缩孔或缩松缺陷。

2.5 二次优化方案及模拟分析

而针对铸件中最终存在的液相孤立区如图8所示，该位置正好在一侧内浇道进入铸件的位置，在这样的位置设置冷铁，相当于金属液进入型腔后便会急速冷却，可能使铸件产生裂纹等，将对浇注质量有不好的影响，因此，在该位置，我们决定采用缝隙式浇注系统，以达到排除夹杂、使金属液平稳充型的目的，另一方面使得该处铸件温度场分布均匀，可避免或明显减轻冷隔、夹杂、浇不足等铸造缺陷，同时可望起到较好的浇注系统辅助补缩效果，缝隙浇道的尺寸如表2 所示。

图8 正面机加面缺陷分布

最终铸件浇冒口系统设计如图9 所示，采用底注缝隙式浇注系统，每条环筋前设置一个缝隙浇口，保证金属液在充型过程中的流量均布并可缩短流动行程；同时可加强环筋处补缩，还能使氧化夹杂顺利浮起排出，防止氧化夹杂进入型腔，同时在另一侧，有两端的内浇道在进入铸件时由于结构的原因，并不能设置在环筋前，考虑到浇道在注入铸件时的对称性，并且避免金属液对铸件的冲刷，该侧内浇道改用埋陶瓷管的形式，从铸件下方对着环筋进入型腔。相应的铸件缩松缩孔模拟结果如图10 所示。

表2 缝隙式浇道尺寸

图9 二次优化后浇冒系统优化方案

图10 优化后模拟结果

从图中可以看出，优化前存在的缩松缩孔处的缺陷几乎完全消失，这说明使用保温套以后，冒口补缩效果得到有效提升，而使用了缝隙式浇注系统，也对原本的液相孤立区形成了良好的补缩，同时缝隙式浇注系统集渣筒可较好地发挥挡渣和集渣的功能。

3 结语

利用ADSTEFAN 软件对铸件充型及凝固过程进行数值模拟，不断优化改善浇注冒口系统，最终制定了合理的优化工艺方案，即底注缝隙式浇注。模拟技术为实际的工艺优化提供了理论依据，是今后的工艺设计的有力辅助工具。经优化后的最终方案浇注过程平稳，未产生卷气、冲砂和飞溅等缺陷；凝固时保证了理想的凝固顺序，实现了良好的补缩效果。从而实现了对铸铝横梁铸件铸造工艺的优化设计，为保证铸件质量提供了可靠的技术保障。