浅谈几种典型筋板设计对熔模铸件缩孔的影响

栾林波，王 丹

（东风精密铸造有限公司，湖北武当山 442714）

熔模铸造是生产高精度铸件的一种铸造方法，工序冗长，影响铸件质量因素很多。而缩孔是铸件生产中常见的铸件缺陷之一，形成缩孔的基本原因是合金在液态收缩和凝固时，铸件某部位（通常是最后凝固的热节处）不能及时得到液态金属的补缩而产生缩孔[1-2]。产品结构的设计决定了零件的铸造工艺性，而均匀的壁厚设计更是能有效减少热节集中程度，从而防止铸件产生缩孔（松）、热裂等缺陷[3]。随着轻量化的趋势发展，腹板壁厚极致轻量化，而筋板则成为降低结构应力的一种有效手段。而熔模铸件一般形状复杂，热节和转角部位较多，这些部分通常凝固较慢且铸件收缩应力集中[4]。多筋交叉结构结合了凝固较慢且铸件收缩应力集中两个特点，增加了产生缩孔（松）、缩裂的倾向。结合铸造CAE 分析、实物验证，本文主要介绍几种典型筋板设计，旨在从源头预防缩孔缺陷。

1 多筋交叉结构缩孔分析及预防

1.1 “平板式多筋交叉”结构优化

某后副车架整体腹板厚度仅5 mm，轮廓尺寸达460 mm.而在零件远端A 处（见图1a）），形成由三个筋板交叉组成的孤立热节，补缩不足，导致缩孔缺陷并延伸至产品表面，形成缩裂。

图1 “平板式多筋交接”结构及缩裂实物

通过分析，缩裂产生主要原因为结构设计不合理产生的孤立热节。通过优化改进，最终通过“反向凹槽”结构设计，消除了图1 所示的缩孔缺陷。表1为通过Procast 软件对原结构及优化结构进行应力模拟分析，结果表明优化结构与原结构应力相当，优化工艺筋对结构强度无明显影响。在此前提下同步进行铸造CAE 缺陷分析如图2 所示，与原结构相比，铸件缩孔倾向基本一致。但优化工艺筋部位改变铸件凝固顺序，消除了缩孔外漏和缩裂产生，并最终消除热裂缺陷。

表1 平板式多筋交接结构优化前后应力分析对比

图2 改进前后Procast 缺陷模拟分析对比

针对此类“平板式多筋交接”结构对应给出“筋板交错”和反向凹槽两种结构设计建议，可有效避免多筋交叉热结部位，使得整体壁厚均匀，是一种提升铸造工艺性的铸件结构设计思路，如图3 所示。

图3 “平板式多筋交接”结构设计建议

1.2 “直角式多筋交叉”结构优化

某横梁铸件在图4a）标记处位置多个筋板交接处形成热节，同时出现拐角区域，散热不良。且该位置属于孤立热节，产生缩孔缺陷。

图4 “直角式多筋交叉”结构优化

针对“直角式多筋交叉”结构，多采用在多面交接位置设计工艺孔，用于抵消拐角位置在凝固过程中产生的补缩不良，如图4b）所示。对于工艺孔尺寸，本文通过大量实物效果验证，结合实物铸造工艺性给出工艺孔参考尺寸为D≥12 mm.

2 两筋交接产生缩孔分析及预防

某横梁两筋板交接，在交接拐角处形成热节，同时内圆角处散热不良，而产生缩孔缺陷。如图5 a）所示。

图5 “两筋交接”结构优化

横梁底座通过优化改进，最终通过两面之间采用大圆弧过渡，形成图5b）“壳体”结构设计，消除了图5 a）“两筋交接”结构缩孔缺陷。表2 为通过Procast 软件对原两筋交接结构及优化结构进行应力模拟分析，结果表明优化结构与原结构相比，“壳体”结构设计对结构强度有正向作用。在此前提下同步进行铸造CAE 缺陷分析如图6 所示。优化结构与原结构相比，“壳体”结构设计两筋交接处铸件缩漏倾向消除，同步对实物进行无损X 光探伤显示无缩孔。

表2 两筋交接结构优化前后应力对比

图6 “两筋交接”与“壳体”结构Procast 缺陷模拟分析对比

针对此类结构设计，尤其是浇注系统难以补缩到的位置，应尽量避免两筋交叉的结构设计，可采用如图5b）所示壳体结构设计，两面之间采用大圆弧过渡，形成壳体来消除交接处热节。

3 “筋+板”结构产生缩孔缺陷分析及预防

基于极致轻量化的产品设计导向，部分产品最小壁厚达到2 mm.在浇注过程中薄壁腹板位置瞬间凝固，使浇注系统失去补缩作用，孤立热节位置缺少液态收缩时足够的金属液补充，形成缩孔缺陷。此时筋不仅仅起到加强结构的作用，同时良好的筋位置的布局可以充当补缩通道的角色。有研究表明筋板的补缩作用在薄壁腹板铸件上的作用尤为重要。某腹板铸件如图7 结构所示，试验结果如表3所示。此时筋充当了有效补缩通道的角色。增加“筋”（补缩通道）后，能够明显降低缩孔倾向。从CAE 仿真分析的凝固状态可以看出，增加“筋”（补缩通道）后，薄壁区域凝固时间延长，使浇注系统能够提供孤立热节区域液态收缩时需要的液态补缩量。

图7 某2 mm 腹板模型

表3 筋+板的结构模型验证情况

在浇注过程中薄壁腹板位置由于壁较薄会瞬间凝固，使浇注系统失去补缩作用。加筋后不仅仅起到加强结构的作用，同时良好的筋位置布局可以充当补缩通道的角色。因此，在薄壁腹板结构中，合理的设计筋的位置能有效降低缩孔缺陷。

4 结论及建议

缩孔是铸造中常见和危害最大的缺陷之一，随着产品功能的多样化，其结构也将日益复杂，缩孔缺陷的风险随之增加。本文通过多筋交叉结构、两筋交接结构、筋+板结构等典型结构的结构改进优化和缩孔缺陷的预防，证明在产品设计开发阶段巧妙设计筋板，结合结构及铸造CAE 仿真模拟工具，充分兼顾产品的铸造工艺性，能够很大程度降低缩孔风险。