本文關(guān)鍵詞：熔模鑄造薄壁鑄件工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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摘要：以A356鋁合金葉輪為研究對(duì)象，對(duì)鑄件設(shè)計(jì)了側(cè)注式和頂注式澆注系統(tǒng)。利用Procast軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)分析了不同澆注方式下缺陷可能出現(xiàn)的位置。結(jié)果表明，側(cè)注式澆注系統(tǒng)充型過(guò)程平穩(wěn)，卷氣縮松縮孔現(xiàn)象較少，同時(shí)減小了葉片根部與殼體連接部位的有效應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：葉輪；澆注系統(tǒng)；數(shù)值模擬；有效應(yīng)力

中圖分類號(hào)：TG249.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-8365（2016）04-0805-04

熔模鑄造工藝，被稱為失蠟鑄造或者精密鑄造，是一個(gè)生產(chǎn)接近最終成型部件的完整體系。這種制造技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于鑄造各種殼體、飛機(jī)配件等承受載荷的零件。對(duì)零件縮減重量和提高效率的研究使部件形狀更加復(fù)雜，也更薄，也讓熔模鑄造變得更加復(fù)雜。復(fù)雜形狀的零件熔模鑄造的發(fā)展是通過(guò)嘗試錯(cuò)誤法或者是通過(guò)反復(fù)鑄造試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，鑄造參數(shù)在優(yōu)良品質(zhì)的鑄件生產(chǎn)出來(lái)之前一直是變化的，但是這種方法非常昂貴也很費(fèi)時(shí)[1-3]。數(shù)值模擬是另外一種確定鑄造參數(shù)的方法，如果加工材料的準(zhǔn)確性能數(shù)據(jù)已知，并且精確定義邊界條件，鑄造模擬將很可靠[4]。本文以某型鋁合金葉輪為例，對(duì)鑄件設(shè)計(jì)了側(cè)注式和頂注式澆注系統(tǒng)，利用ProCAST有限元鑄造模擬軟件對(duì)其鑄造過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，有效地預(yù)測(cè)了鑄造缺陷，從而為確定最佳工藝方案、優(yōu)化鑄造工藝參數(shù)，確保鑄件質(zhì)量，縮短產(chǎn)品試制周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率提供了科學(xué)的依據(jù)。

1鋁合金葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

所研究的鋁合金葉輪為薄壁零件，采用A356鋁合金熔模精鑄而成，其結(jié)構(gòu)如圖1。葉輪殼體內(nèi)徑108mm，，外徑112mm，厚度僅為2mm，8個(gè)葉片呈扭轉(zhuǎn)形狀均勻分布在殼體四周，葉片厚度不均勻，最薄處僅為1.2mm。因?yàn)槿~片結(jié)構(gòu)容易引起充型過(guò)程不平穩(wěn)，產(chǎn)生紊流，出現(xiàn)縮松縮孔影響力學(xué)性能，應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致裂紋缺陷，合格率較低，所以有必要對(duì)葉輪進(jìn)行數(shù)值模擬研究，設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)，為實(shí)際生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

2原始設(shè)計(jì)方案的模擬與分析

2.1邊界條件和熱物性參數(shù)設(shè)計(jì)

啟動(dòng)軟件VisualEnvironment8.0，在Vi-sualMesh模塊，導(dǎo)入葉輪的igs格式文件，設(shè)置鑄件和澆注系統(tǒng)網(wǎng)格長(zhǎng)度均為2mm，劃分好網(wǎng)格的澆注系統(tǒng)如圖2，澆注合金為A356，耐火型殼材料采用FusedSilica，接觸面類型為COINC，界面換熱系數(shù)為1000W/m2•K，冷卻類型Aircooling，澆注類型為GravityFilling。其熱物性參數(shù)見(jiàn)表1。設(shè)置澆注溫度為750℃，澆注速度為0.3m/s，型殼預(yù)熱溫度為400℃。

2.2數(shù)值模擬結(jié)果及分析

頂注式填充過(guò)程如圖3。合金液首先到達(dá)型腔底部，逐漸向上充型的過(guò)程中同一水平位置的充型狀態(tài)并不同，合金液面高低不平，這說(shuō)明鋁合金液面的平穩(wěn)性較差。尤其在葉輪中間部位，紊流現(xiàn)象明顯，容易造成合金液的氧化以及氧化物卷入合金液內(nèi)部，影響鑄件的質(zhì)量。通過(guò)溫度場(chǎng)縮松縮孔模擬結(jié)果可以看出，葉片心部出現(xiàn)了體積很大的縮孔縮松缺陷(如圖4)，葉片根部與殼體連接部位1、2、3處也出現(xiàn)了221MPa的應(yīng)力(如圖5)，如果超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度，有可能會(huì)出現(xiàn)微裂紋。如果葉片心部組織中存在較大縮松縮孔和微裂紋，會(huì)導(dǎo)致局部的應(yīng)力集中，增大截面上所承受應(yīng)力，因而在使用過(guò)程中，誘發(fā)早起的開(kāi)裂，形成早期的裂紋源[9]。實(shí)際生產(chǎn)的帶有缺陷的葉輪如圖6。

3改進(jìn)方案設(shè)計(jì)及模擬結(jié)果

從原始方案的設(shè)計(jì)和模擬結(jié)果可以看出，應(yīng)當(dāng)從三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化：①金屬液直接沖擊葉片邊緣，易引起金屬液飛濺，產(chǎn)生紊流；②葉片中間部分有較大的縮孔縮松；③葉片根部和主殼體之間存在較大的應(yīng)力，容易引起熱裂缺陷。基于以上考慮，主要通過(guò)改變澆注系統(tǒng)來(lái)獲得較好的充型。圖7采用了側(cè)注式澆注系統(tǒng)，在殼體上中下部位各設(shè)置一個(gè)澆口，模擬中的試驗(yàn)參數(shù)與原方案相同。改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)如圖8所示，側(cè)注式方案設(shè)計(jì)使得合金液在注入型腔時(shí)得到了一定程度的緩沖，對(duì)腔壁的沖擊較小，無(wú)明顯局部紊流現(xiàn)象發(fā)生。合金液從底部橫澆道流入型腔后，開(kāi)始依次向上充填進(jìn)葉輪底部，與中部橫澆道中合金液體匯合后再向上充型，最終充滿整個(gè)型腔，實(shí)現(xiàn)了順序充型。上中下橫澆道同時(shí)注入較單一注入效率高，并且有利于氣體的排出。在葉片邊緣以未觀察到明顯的紊流，合金液面上升平穩(wěn)，因此認(rèn)為該方案的充型過(guò)程良好。橫澆道和內(nèi)澆口的設(shè)計(jì)有助于順序凝固，讓鑄件得到有效的補(bǔ)縮，減小了葉片產(chǎn)生的縮孔縮松。由圖9中可以看出，殼體的縮松縮孔缺陷較頂注式方案時(shí)減小，在葉片邊緣與主殼體的結(jié)合部位有少量縮松縮孔出現(xiàn)，最大縮孔率約為0.69，鑄件本體基本沒(méi)有宏觀縮孔縮松缺陷出現(xiàn)。從圖10可以看出，葉片根部與殼體之間在凝固末期的有效應(yīng)力降低為158MPa，有效減少了裂紋的產(chǎn)生。

4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于仿真分析結(jié)果，采用側(cè)注式的型殼和成品如圖11和圖12，鑄件充型完整、輪廓清晰、表而質(zhì)量好，無(wú)縮孔、縮松等明顯的鑄造缺陷。

5結(jié)論

（1）使用同樣澆注參數(shù)的側(cè)注式澆注生產(chǎn)的鋁合金葉輪相比于頂注式澆注充型過(guò)程平穩(wěn)，縮松縮孔體積較小，減小了葉片和殼體之間的有效應(yīng)力。（2）實(shí)踐表明，應(yīng)用ProCast軟件模擬鑄件凝固過(guò)程，可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)缺陷類型、大小及位置、分析有效應(yīng)力，為選擇高效工藝方案提供了可靠的依據(jù)。

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作者：張逢駿 張潔 奚磊 何志軍 王禹明 單位：江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

  本文關(guān)鍵詞：熔模鑄造薄壁鑄件工藝優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。