基于ProCAST的铝合金吸阀壳体铸造模拟

2020-11-26李维俊黄耀光陆致金邱戈百色学院材料科学与工程学院广西百色533000

化工管理 2020年32期

李维俊黄耀光陆致金邱戈(百色学院材料科学与工程学院，广西百色 533000)

0 引言

普通铸造生产主要依靠铸造设计师的经验，产品试制周期较长、成本较高，且不能保证质量。而铸造模拟软件的应用，有效的改善了这一现状，对于缺乏经验的年轻铸造工程师而言，是一个重要的辅助工具[1-2]。为了生产出合格的铸件，需要对各个影响因素进行有效控制，ProCAST软件采用有限元方法进行模拟计算，可以进行传热计算、充型流动过程计算、热场耦合应力场计算、微观组织模拟及缩孔缩松预测模拟，因此，ProCAST软件是一款功能强大的铸造工艺模拟软件[3-5]。

砂型铸造是传统的铸造方法，适用于各种形状、大小及用途铸件的生产，工艺过程包括混砂、造型、造芯、烘干、合箱、浇注等，研究其中影响成品率的影响因素有着重要意义[6-7]。本文针对铝合金吸阀壳体的砂型铸造工艺进行模拟研究，并根据模拟结果进行工艺改进，对实践生产具有一定借鉴作用。

1 铸件及造型材料

图1为铸件吸阀壳体三维实体模型，其工作时内腔主要承受正压及负压压力，法兰连接处受固定螺栓约束。壳体质量约为30.0kg，轮廓尺寸为721×352×352mm，壁厚最厚位置将近30.6mm，最薄位置将近10.0mm，平均壁厚为12.2mm。

图1 吸阀壳体三维实体模型

铸件材质为 ZL114A合金，其力学性能较高，抗拉强度达到310MPa，伸长率大于3%，布氏硬度大于95HBS，铸造性能优良，同时具有较好抗氧化和抗腐蚀能力。其物理性能、化学成分分别见表1、表2。

表1 ZL101A合金的物理性能

表2 ZL114A合金的化学成分

铝合金铸件容易产生气孔、针孔等缺陷，且本次铸件平均壁厚为12.2mm，容易导致铸造问题，因此型砂还需考虑发气量是否足够、流动性是否好、是否易紧实等一系列问题。所以为了能获得高精度、表面光洁、强度高的铸件，经过全面的对比和分析后，最终选择了碱性酚醛树脂自硬砂。

2 铸造工艺设计

浇注位置是指浇注时铸件在铸型中的空间位置，对铸件的凝固有着重要影响，主要考虑铸件的重要部位、重要加工面应朝下或者呈直立状态；使铸件的大平面朝下；保证铸件充型正常；有利于铸件补缩等。铝合金凝固实际过程比较复杂，且很有可能发生氧化反应，由此产生氧化膜，在充型过程中在某处聚集，导致铸件出现缺陷。综合考虑，为使金属液能够平稳充型，减少氧化，决定选择底注式浇注系统进行水平倾注。

由于吸阀壳体结构相对复杂，所以选用一箱一件方案。按照铸件的技术要求，其尺寸公差应该达到GB/T 6414—1999的CT11-12级，根据铸件毛坯尺寸，对照国标，确定铸件尺寸公差为3.6mm。机械加工余量等级取F-H级，所以法兰盘取5mm。材料为铝硅合金，且收缩时受到一定阻力，所以铸造收缩率取1%。造型时使用木模，型砂为自硬树脂砂，起模斜度取0°35′。吸阀壳体上的螺栓孔直径小于20mm，所以选择不铸出。砂芯较大，采用芯骨作为支撑。

浇注时间对充型过程及铸件质量有着重要影响，可以通过下式进行确定：

式中：τ为浇注时间；G为包括冒口在内的铸件总重量；δ为铸件壁厚；s1为浇注金属的系数。带入吸阀壳体数据，计算出浇注时间约为15s。

本次模拟将采用两个方案进行浇注，方案一为立做平浇，浇注系统采用开放式，各单元截面比为∑F直：∑F横：∑F内=1:2:3，如图2。浇注系统设置在砂芯中，底注反雨淋式，采用埋管造型。浇注时对砂型冲击较小，充型均匀平稳，可减少金属液氧化和飞溅。但由内浇道位于底部，铸件大部位于上侧，所以上部较远的部分可能会产生冷隔、浇不足等缺陷。

方案二采用平做平浇方式，浇注系统采用开放式，各单元截面比为∑F直：∑F横：∑F内=1:2:3，如图3。浇注系统采用埋管造型，布置在铸件外侧，底部浇注，造型、下芯比较方便，铸件上部远离内浇口，可能产生浇不足等缺陷。

图2 立做平浇

图3 平做平浇

3 铸造模拟

3.1 网格划分

通过UG NX8.0软件建立三维实体模型，将导出的igs格式的文件提供给ProCAST的Mesh模块，进行网格划分。在保证计算精度的前提下，为了提高计算速度，将对铸件、砂芯、浇注系统和砂箱采用不同的单元尺寸。重点分析的铸件、砂芯和浇注系统采用4mm，砂箱采用30mm。

方案一立做平浇底注式经过网格划分，最终划分二维网格218212个，三维网格6094124个，如图4所示。

图4 方案一铸件及浇注系统三维网格示意图

方案二平做平浇底注式经过网格划分，得到二维网格147876个，三维网格3951294个，如图5。

图5 方案二铸件及浇注系统三维网格示意图

3.2 铸造参数设置

砂型和砂芯为树脂砂，砂型、砂芯与铝合金铸件间换热系数取300W/m2·K，砂型与空气的换热系数取10W/m2·K[8]。根据ZL114A合金性能与浇注条件，浇注温度取740℃，浇注时间为15s。

3.3 模拟结果及分析

图6 方案一充型速度分布图

图7 方案一充型时间与缺陷分布图

从充型时间分布图(图7)可以看出，在16.42s完成充型，与计算结果相近。从充型速度分布图(图6)来看，最大充型速度不超过1.8m/s，整个充型过程比较平稳，没有对砂型造成大的冲击。但是在第三个法兰处，存在充型滞后问题，有可能造成气体排出不畅，引起缩松缩孔缺陷。从缺陷分布图可以看出，在阀壳下部外表壳处，较大概率出现缩松与缩孔缺陷，而在内浇道所连接的法兰处也有叫小概率出现缩松现象。这是由于铸件在该处是由外向内冷却，且为糊状凝固，造成金属液从内部向外部补缩，形成缩松缩孔[9]。

从充型时间分布图(图9)可以看出，在15.41s完成充型，与计算结果比较接近。从充型速度分布图(图8)来看，最大充型速度不超过1.6m/s。到6.55s时，型腔底部已充满金属液，整个充型过程比较平稳，没有对砂型造成大的冲击。从缺陷分布图可以看出，此方案缺陷较少，主要集中在较厚法兰处，这是由于壁厚处冷却较慢，向先冷却凝固的部分进行了补缩，造成缺陷。

图8 方案二充型速度分布图

图9 方案二充型时间与缺陷分布图

4 工艺优化

综合来看，方案一缩松分布较为分散，要进行工艺优化涉及的部分较多，工作量偏大。方案二设计的更合理，充型过程更平稳，缺陷更少，主要问题在于厚法兰处。此处问题可以添加明冒口，进行金属液的补缩来解决。从结构及工艺的简洁性来考虑，将冒口设置在法兰上部，采用腰圆柱形明冒口，这样设置不仅能满足顺序凝固的需要，也加强了铸型的排气，有利于缺陷的解决[10]。