鎂合金橫梁鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真分析

孫 浩 周改超 崔恩強(qiáng) 張旭亮 何 凱

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鎂合金橫梁鑄件鑄造工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值仿真分析

孫 浩 周改超 崔恩強(qiáng) 張旭亮 何 凱

（上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600）

鎂合金橫梁鑄件材料為ZM5合金，針對(duì)其壁薄難充型、易產(chǎn)生缺陷且砂芯中氣體難以排出等鑄造難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了縫隙式澆注系統(tǒng)，在砂芯中預(yù)埋不銹鋼出氣管并在砂箱兩端預(yù)留出氣孔做為排氣系統(tǒng)。利用ProCAST軟件對(duì)工藝進(jìn)行數(shù)值仿真，成功預(yù)測(cè)了缺陷，優(yōu)化了工藝。在改進(jìn)鑄造工藝的基礎(chǔ)上成功澆注了橫梁鑄件，鑄件質(zhì)量良好，沒有冷隔、縮孔、縮松等鑄造缺陷。

鎂合金；橫梁；ProCAST；工藝優(yōu)化

1 引言

由于鎂合金具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如密度小、比強(qiáng)度高、比剛度高、阻尼性能好，現(xiàn)如今被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子產(chǎn)品等行業(yè)[1]。但是，鎂合金作為一種輕質(zhì)合金，仍然存在著流動(dòng)性相對(duì)較差、化學(xué)性質(zhì)活潑、易燃易爆、熔煉污染大等缺點(diǎn)，制約著其在超大型鑄件中的應(yīng)用。而伴隨著大量的仿真軟件在鑄造行業(yè)中的應(yīng)用，如ProCAST、MAGMASoft、CastCAE，其能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鑄造缺陷的形成，為鑄造工藝的設(shè)計(jì)提供良好的參考借鑒，從而降低研制成本、縮短生產(chǎn)周期。本文針對(duì)某超細(xì)長(zhǎng)大型復(fù)雜薄壁鎂合金橫梁鑄件設(shè)計(jì)出完整的鑄造工藝，并借助于ProCAST數(shù)值仿真軟件對(duì)工藝進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)缺陷的形成，從而對(duì)工藝采取了優(yōu)化措施，成功澆注了橫梁鑄件。

2 橫梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及鑄造難點(diǎn)

圖1 鎂合金橫梁鑄件截面圖

某鎂合金橫梁鑄件最大長(zhǎng)度3600mm，主體截面尺寸350mm×280mm，壁厚10mm，如圖1所示。兩端支耳，壁厚40mm，內(nèi)腔加強(qiáng)筋眾多，縱向筋與環(huán)筋縱橫交錯(cuò)，筋寬8mm，屬于典型的超細(xì)長(zhǎng)大型復(fù)雜薄壁鑄件。

該鑄件鑄造過(guò)程中存在以下鑄造難點(diǎn)：鑄件尺寸較長(zhǎng)，壁厚偏薄，合金充型困難，易產(chǎn)生冷隔、澆不足；鑄件除兩端外其余面為封閉式結(jié)構(gòu)，砂芯中的氣體很難順利排出，易產(chǎn)生爆炸事故；ZM5鑄造性能相對(duì)較差，化學(xué)性質(zhì)活潑，極易產(chǎn)生夾渣、氣孔、縮孔、縮松等缺陷。

3 工藝設(shè)計(jì)

該橫梁鑄件主體薄壁超細(xì)長(zhǎng)，兩個(gè)側(cè)面存在導(dǎo)軌面，也是主要的工作面，只在長(zhǎng)度方向上兩端開放，其余方向完全封閉，沒有成型孔，兩端支耳，對(duì)稱分布。在充分分析結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定將導(dǎo)軌面1放在下箱、主體放在中箱的分型方案，這樣可以優(yōu)先保證導(dǎo)軌面的質(zhì)量，同時(shí)使得造型簡(jiǎn)便。

3.1 澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用縫隙式澆注系統(tǒng)，可以達(dá)到排除夾雜、使金屬液平穩(wěn)充型的目的，同時(shí)使得鑄件兩側(cè)溫度場(chǎng)分布均勻，避免冷隔、夾雜、澆不足等鑄造缺陷。鑄件澆冒系統(tǒng)設(shè)計(jì)如2所示，采用底注縫隙式澆注系統(tǒng)，澆注系統(tǒng)位于鑄件兩側(cè)對(duì)稱分布。為保證鑄件順利充型，共設(shè)置6處直澆口，每條環(huán)筋前設(shè)置一個(gè)縫隙澆口，保證金屬液在充型過(guò)程中的流量均布并可縮短流動(dòng)行程；同時(shí)可加強(qiáng)環(huán)筋處補(bǔ)縮，還能使氧化夾雜順利浮起排出，防止氧化夾雜進(jìn)入型腔。由于兩端支耳處壁厚較厚，其上方各放置6處冒口加強(qiáng)補(bǔ)縮，中間薄壁處僅扎出排氣孔。

1—直澆道 2—立筒及縫隙 3—橫澆道 4—冒口

3.2 砂芯設(shè)計(jì)

圖3 砂芯設(shè)計(jì)示意圖

該橫梁鑄件所用材料為ZM5，屬于典型的Mg-Al-Zn合金，化學(xué)性質(zhì)活潑，在熔煉澆注過(guò)程中極易燃燒，產(chǎn)生縮松、縮孔、夾雜等鑄造缺陷，影響鑄件質(zhì)量。因而造型制芯過(guò)程采用發(fā)氣量小且可防燃燒的鎂合金粘土砂。該砂強(qiáng)度較低，無(wú)法制成超細(xì)長(zhǎng)砂芯，因而針對(duì)該橫梁鑄件，其砂芯不能整體成型，需要分割成如圖3所示的多個(gè)砂芯。兩端分別為1#、3#芯，中間為4個(gè)尺寸相同的2#芯。同時(shí)為放置芯撐支撐砂芯，在鑄件導(dǎo)軌面兩側(cè)開出如圖3所示的鑄造工藝孔。1#、2#芯由4件芯撐支撐，3#芯尺寸較小，由2件芯撐支撐，總計(jì)22件芯撐，每件芯撐對(duì)應(yīng)1處鑄造工藝孔，總計(jì)22處工藝孔。因鎂合金鑄造用粘土砂強(qiáng)度較低，如芯撐尺寸過(guò)小，芯撐易陷入砂芯中，損壞砂芯，同時(shí)易使鑄件形成落砂缺陷，芯撐具體尺寸如圖3所示。

3.3 排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZM5化學(xué)性質(zhì)活潑，極易與氧氣、水汽、二氧化碳等氣體發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生夾雜等鑄造缺陷，因而需設(shè)計(jì)專門的排氣系統(tǒng)使得在澆注過(guò)程中砂芯中氣體能夠順利排出。

結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)的分析，在每一個(gè)砂芯中放置1個(gè)表面鉆孔的出氣管，總計(jì)6個(gè)出氣管，如圖4所示，砂芯放入型腔后6個(gè)出氣管連成一體，進(jìn)入管道內(nèi)的氣體從砂箱兩端預(yù)留的氣孔排出。出氣管用紗布包裹，防止造型過(guò)程中型砂從孔洞進(jìn)入管道而堵塞管道。

圖4 出氣管實(shí)物圖

3.4 激冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 冷鐵位置示意圖

冷鐵放置如圖5所示，鑄件的兩個(gè)導(dǎo)軌面為主要工作面，使用要求高，壁厚較厚，需放置一定厚度的成型冷鐵。兩個(gè)支耳處為裝配面，尺寸大，壁厚較厚，需放置冷鐵配合冒口以改善此處的鑄造質(zhì)量。

4 數(shù)值仿真

4.1 仿真模型建立與材料參數(shù)設(shè)定

采用Pro-E進(jìn)行三維建模，并以igs格式導(dǎo)入到ProCAST的Visual-Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，最終劃分出214174個(gè)節(jié)點(diǎn)，2746098個(gè)單元格。

a 固相分?jǐn)?shù) b 焓 c 密度 d 傳導(dǎo)率

ProCAST數(shù)據(jù)庫(kù)可提供給定成分的材料的物理性能參數(shù)，橫梁鑄件材料為ZM5，其物理性能參數(shù)如圖6所示，化學(xué)成分如表1所示。

表1 ZM5合金化學(xué)成分 wt.%

4.2 鑄造參數(shù)設(shè)定

澆注溫度為710℃，澆注速度8.5kg/s，砂型初始溫度25℃。鑄件與砂型之間的傳熱系數(shù)取500 W/m2·K，鑄件與冷鐵之間的傳熱系數(shù)取1000 W/m2·K，冷鐵與鑄型之間的傳熱系數(shù)取750 W/m2·K，鑄型表面空冷[2，3]。

4.3 仿真結(jié)果與分析

在鑄造工藝設(shè)計(jì)與鑄造參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上，本文對(duì)該橫梁鑄件進(jìn)行了數(shù)值仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7a可以看出，橫澆道內(nèi)的金屬液流動(dòng)行程相近，使得金屬液能夠同時(shí)、均勻地進(jìn)入內(nèi)澆道充填型腔，保證鑄件溫度場(chǎng)的均勻性，避免冷隔、澆不足等缺陷的產(chǎn)生。圖7b為鑄件的凝固時(shí)間，可以看出鑄件主體先凝固，縫隙澆道次之，兩頭支耳屬于厚大部位而最后凝固的凝固順序，這種凝固順序合理可靠，有利于鑄件成型。

鑄件的縮孔、縮松等缺陷可以通過(guò)固相分?jǐn)?shù)、縮孔等判據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)[4，5]。固相分?jǐn)?shù)取值范圍從0到1，表示液相到固相的轉(zhuǎn)變過(guò)程，0.7為縮孔、縮松等缺陷形成的臨界固相分?jǐn)?shù)。圖7c中，鑄件兩端的黃色區(qū)域固相分?jǐn)?shù)與周圍相比較低，形成孤立液相區(qū)，在凝固后期得不到有效補(bǔ)縮而有產(chǎn)生缺陷的可能。圖7d的縮孔判據(jù)也顯示該區(qū)域有形成縮孔、縮松缺陷的趨勢(shì)。

a 充型過(guò)程 b 凝固時(shí)間場(chǎng) c 固相分?jǐn)?shù) d 縮孔判據(jù)

鑄件支耳與主體存在一過(guò)渡分界線，從圖8可以看出，分界線兩側(cè)的一定區(qū)域范圍內(nèi)，支耳與主體的凝固時(shí)間相當(dāng)，亦即在凝固過(guò)程中兩側(cè)同時(shí)凝固，凝固收縮產(chǎn)生的應(yīng)力易使得此過(guò)渡位置開裂而影響鑄件質(zhì)量。

圖8 過(guò)渡位置凝固時(shí)間場(chǎng)

5 工藝優(yōu)化與澆注

從圖7、圖8的數(shù)值仿真結(jié)果可以看出，鑄件兩端的支耳處一方面得不到有效補(bǔ)縮，另一方面與主體存在厚、薄過(guò)渡的情況，致使支耳處問題較大。

圖9 支耳砂芯冷鐵示意圖

在數(shù)值仿真的基礎(chǔ)上，本文對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化。一方面，在兩端支耳的砂芯中放置冷鐵，如圖9所示，加快該區(qū)域的凝固速度，實(shí)現(xiàn)支耳自下而上的凝固順序，真正發(fā)揮冒口對(duì)鑄件的補(bǔ)縮作用；另一方面，在支耳與主體的過(guò)渡處設(shè)計(jì)倒角過(guò)渡，使得在充型、凝固過(guò)程中此處金屬液的流動(dòng)更加順暢，減小鑄造應(yīng)力。在優(yōu)化工藝的基礎(chǔ)上組織了澆注，澆注的鑄件如圖10所示，鑄件沒有冷隔、縮松、縮孔、夾渣、氣孔等缺陷，質(zhì)量良好。

圖10 澆注的橫梁鑄件

6 結(jié)束語(yǔ)

a. 超細(xì)長(zhǎng)大型復(fù)雜薄壁鎂合金橫梁鑄件采用對(duì)稱分布的縫隙式澆注系統(tǒng)，保證了金屬液能夠順利充滿型腔，避免澆不足、冷隔情況的出現(xiàn)；

b. 砂芯中預(yù)埋出氣管進(jìn)行排氣，確保砂型中的氣體排出從而避免了夾雜、氣孔、縮孔、縮松等缺陷；

c. 利用ProCAST數(shù)值仿真軟件對(duì)鑄件的充型、凝固過(guò)程進(jìn)行仿真，預(yù)測(cè)了鑄造缺陷，優(yōu)化并改進(jìn)了鑄造工藝，最終成功澆注了鑄件，鑄件質(zhì)量良好。

1 左鐵鏞. 21世紀(jì)的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料-鎂及鎂合金發(fā)展[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2007(12)：22～25

2 李日. 鑄造工藝仿真ProCAST從入門到精通[M]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2010

3 馮士猛，羅乾杰，劉嘉欣，等. 超隔熱材料理論探究[J]. 上海航天，2016，33(5)：50～56

4 鄭亞虹，王自東. 復(fù)雜薄壁精密鋁合金鑄件鑄造技術(shù)進(jìn)展[J]. 鑄造，2010，59(8)：796～799

5 Niyama E, Uchida T, Morikawa M, et al. A method of shrinkage prediction and its application to steel casting practice. AFS Int. Cast Metal J.,1982, 7: 52～63

Casting Process Design and Numerical Simulation Analysis of Magnesium Alloy Crossbeam Casting

Sun Hao Zhou Gaichao Cui Enqiang Zhang Xuliang He Kai

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Institute, Shang hai 201600)

ZM5 alloy is used as the material of the crossbeam casting in this paper, and slit gating system is designed so as to make it easy to fill the mold, the stainless steel pipe is pre buried in the sand core and the blowhole is reserved at both ends of the sand box in case pore defects is produced. The defects of the process are predicted successfully with simulation software ProCAST and the process is optimized. The crossbeam casting was successfully cast on the basis of improved casting process, and the casting quality was good, there was no casting defects, such as cold shut, shrinkage, porosity.

Mg alloy；crossbeam；ProCAST；process optimization

孫浩（1990），碩士，材料加工專業(yè)；研究方向：計(jì)算機(jī)仿真分析在鑄造工藝中的應(yīng)用。

2017-06-07