摘要
基于FEM（Finite Element Methods）開發(fā)的理論模擬對研究鋁合金材料鑄造成形有重要意義。采用理論模擬研究ZL205A鋁合金筒體鑄件低壓鑄造、重力鑄造工藝，根據(jù)對應(yīng)工藝獲得鑄件的實際質(zhì)量，確定適合產(chǎn)品的理想工藝。研究結(jié)果表明，采用澆注系統(tǒng)截面比1:4:5開放式重力澆注工藝，產(chǎn)品外觀熒光檢查、內(nèi)部X光探傷檢查均滿足產(chǎn)品技術(shù)需求，且工藝出品率達(dá)到55%以上。
隨著鋁合金鑄造行業(yè)的發(fā)展，中等壁厚鑄件質(zhì)量日趨上升，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、新能源汽車等領(lǐng)域，對于薄壁和厚壁鑄件應(yīng)用研究日益迫切，其中厚壁鑄件結(jié)構(gòu)中筒體類結(jié)構(gòu)件相對應(yīng)用較多，目前該類鑄件質(zhì)量表現(xiàn)相對較差，主要缺陷類型為大面積疏松、澆注未成形等。本研究對象為厚壁筒體鑄件，鑄造方式選用低壓鑄造、重力鑄造兩種方式。在一定程度上，行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為低壓鑄造方式鑄件內(nèi)部組織質(zhì)量優(yōu)于重力鑄造方式。但鑄造工藝的影響因素較多（如產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、設(shè)備設(shè)施、冷鐵的設(shè)計、冒口的設(shè)計等），應(yīng)綜合考慮，從而設(shè)計滿足產(chǎn)品需要的最佳鑄造工藝。低壓鑄造其充型過程為自下而上充型，宏觀凝固順序主要為自上而下凝固（同時凝固應(yīng)用相對較少）；重力鑄造作為傳統(tǒng)廣泛應(yīng)用的鑄造方式，其充型過程為自上而下充型，宏觀凝固順序主要為自下而上凝固。本文主要探討低壓鑄造和重力鑄造工藝對于厚壁筒體鑄件的適用性。1、鑄造工藝
鑄件材質(zhì)為ZL205A鋁合金，鑄件重量132 kg。模擬顯示該合金液相線650.5 ℃，固相線548.3 ℃。鑄件技術(shù)要求：鑄件質(zhì)量符合HB 963―2005 Ⅱ類鑄件要求；力學(xué)性能抗拉強度≥490 MPa，斷后伸長率≥3%，布氏硬度HBS≥120；化學(xué)成分如表1所示。鑄件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
表1 鑄件的化學(xué)成分 wB/%
圖1 鑄件示意圖
1.1 澆注系統(tǒng)設(shè)計
采用基于FEM的Procast 2018軟件進行理論模擬，設(shè)計低壓鑄造工藝、重力澆注工藝對應(yīng)的最理想澆注方案，并開展對應(yīng)工藝的產(chǎn)品試制。低壓澆注工藝采用縫隙式澆注工藝，立縫厚度設(shè)計為鑄件壁厚的0.8倍，立縫寬度設(shè)計為60 mm，立筒直徑設(shè)計為立縫厚度的3.5倍，考慮鑄件壁厚較厚，設(shè)想立筒有效補縮距離以約100 mm進行設(shè)計，鑄件周長約1 110 mm，即需工藝設(shè)計6根立筒，升液管直徑設(shè)計為150 mm，工藝設(shè)計圖如圖2。理論模擬面網(wǎng)格單元尺寸為3 mm×3 mm，面網(wǎng)格數(shù)約為272萬個，體網(wǎng)格數(shù)約為1 264萬個。澆注溫度設(shè)置為680 ℃，澆注速度設(shè)置為40 mm/s。
圖2 低壓澆注工藝圖
低壓澆注工藝模擬結(jié)果顯示，金屬液充型平穩(wěn)，升液管未見噴濺現(xiàn)象，凝固順序為自上而下，先凝固鑄件部分，后凝固立縫，最后依次為立筒及橫澆道（圖3），疏松結(jié)果顯示鑄件部分未見明顯疏松區(qū)域（圖4），無孤立凝固相。分析認(rèn)為，理論上工藝可行。方案工藝出品率約為20%。
圖3 低壓澆注工藝凝固時間圖
圖4 低壓澆注工藝疏松缺陷圖
重力澆注工藝設(shè)計為中注開放式，澆注系統(tǒng)截面比為∑S直澆道∶∑S橫澆道∶∑S內(nèi)澆道=1∶4∶5，每個內(nèi)澆道流量均勻為設(shè)計原則，工藝設(shè)計兩處環(huán)形分橫澆道。為了實現(xiàn)自下而上凝固順序，鑄件下方設(shè)置一塊隨形冷鐵，冷鐵厚度為對應(yīng)鑄件壁厚的1.2倍，鑄件工藝上方設(shè)置一處隨形冒口，冒口高度為200 mm，工藝圖如圖5。理論模擬面網(wǎng)格單元尺寸為3 mm×3 mm，面網(wǎng)格數(shù)約26萬個，體網(wǎng)格數(shù)約161萬個。此方案澆注溫度設(shè)計為700 ℃，澆注速度設(shè)計為40 mm/s。
圖5 重力澆注工藝圖
重力澆注工藝模擬結(jié)果顯示，金屬液充型平穩(wěn)，未見明顯紊流等異?，F(xiàn)象，凝固順序較為理想，溫度場梯度均勻，實現(xiàn)自下而上凝固順序理念（圖6），疏松結(jié)果顯示鑄件部分未見明顯疏松區(qū)域（圖7），無孤立凝固相。分析認(rèn)為，理論上工藝可行。方案工藝出品率約為55%。
圖6 重力澆注工藝凝固圖
圖7 重力澆注工藝疏松缺陷圖
1.2 造型方式研究采用樹脂砂造型方式，關(guān)鍵工序的工藝參數(shù)見表2。
表2 工藝參數(shù)
2、試驗結(jié)果及分析2.1 低壓澆注工藝澆注過程未見明顯異常，澆注完畢后，鑄型從JM-083低壓鑄造機移除時，發(fā)現(xiàn)鑄型升液管上方部分趨于凝固，認(rèn)為生產(chǎn)實際工藝參數(shù)與工藝設(shè)想相對一致。
鑄件精清后，下箱法蘭位置可見明顯縮孔、疏松缺陷（圖8）。分析認(rèn)為，該位置產(chǎn)生缺陷的原因為鋁液補縮不良。缺陷位置距離升液管較近，是鑄件最后凝固的位置（較升液管上方部分凝固時間長），即升液管不能對該位置形成有效補縮。分析發(fā)現(xiàn)設(shè)施部分升液管直徑150 mm（為生產(chǎn)現(xiàn)場最大尺寸的升液管）較立筒直徑260 mm小，在有限的結(jié)晶增壓時間內(nèi)升液管不能對鑄件有效增壓、補縮。認(rèn)為此澆注工藝有待優(yōu)化。
圖8 低壓澆注工藝鑄件情況
2.2 重力澆注工藝充型時間較理論模擬值延長5 s，手工澆包澆注速度可能與工藝參數(shù)有一定出入。鑄件外觀質(zhì)量表現(xiàn)良好（圖9a），表面精清后熒光檢測未見異常（圖9b），X光檢查內(nèi)部質(zhì)量滿足鑄件技術(shù)要求，其中冒口根部鑄件組織疏松2級（圖9c）。
圖9 重力澆注工藝鑄件情況
3、結(jié)論
（1）該厚壁筒體鑄件采用重力鑄造工藝可以滿足鑄件技術(shù)要求。工藝設(shè)計澆注系統(tǒng)面積比∑S直澆道∶∑S橫澆道∶∑S內(nèi)澆道=1:4:5，采用中注的澆注方式，鑄件頂冒口采用保溫冒口設(shè)計，鑄件底部設(shè)計厚度為鑄件壁厚1.2倍的隨形冷鐵。工藝出品率為55%。（2）而采用低壓鑄造工藝澆注后鑄件存在縮孔、疏松等缺陷，不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。主要原因為升液管直徑設(shè)計不足，升液管直徑以不低于260 mm為宜。工藝出品率僅為20%，綜合考慮，此工藝設(shè)計不適合此產(chǎn)品的試制。
