發(fā)布時(shí)間：2021-03-22所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：運(yùn)用ProCAST鑄造仿真軟件對某鋁合金整體葉輪在兩種澆注系統(tǒng)中的充型凝固過程進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示在重力鑄造條件下，兩種澆注方式在葉片薄壁處、葉片與輪轂處均出現(xiàn)縮松縮孔缺陷，而側(cè)注式澆注系統(tǒng)所產(chǎn)生的鑄造缺陷較少。通過對側(cè)注式澆注系統(tǒng)下的輪轂頂
摘要：運(yùn)用ProCAST鑄造仿真軟件對某鋁合金整體葉輪在兩種澆注系統(tǒng)中的充型凝固過程進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示在重力鑄造條件下，兩種澆注方式在葉片薄壁處、葉片與輪轂處均出現(xiàn)縮松縮孔缺陷，而側(cè)注式澆注系統(tǒng)所產(chǎn)生的鑄造缺陷較少。通過對側(cè)注式澆注系統(tǒng)下的輪轂頂端添加冒口，在澆注速度35mm/s、型殼預(yù)熱溫度350℃、澆注溫度710℃優(yōu)化澆注工藝參數(shù)下可以鑄造出充型完整性好，鑄造缺陷少的葉輪鑄件。
關(guān)鍵詞：熔模精鑄;ProCAST;葉輪;仿真優(yōu)化
熔模鑄造作為一種近凈成型技術(shù)，主要針對形狀較為復(fù)雜、異型零件的鑄造成型。整體式葉輪作為一種典型的薄壁空間曲面件，在動力設(shè)備中被廣泛使用，其工作環(huán)境惡劣，工作性能要求較高。一般熔模精鑄葉輪常采用經(jīng)驗(yàn)加試驗(yàn)的方法對鑄造葉輪的工藝參數(shù)進(jìn)行確定，這樣做往往使得成本高昂、難度大、周期長，而且準(zhǔn)確率低。造成這種問題的根本原因在于熔模鑄造過程是復(fù)雜的充型—凝固過程，伴隨著高溫金屬液從液體變成固體的相變，存在著復(fù)雜的物理和化學(xué)變化。往往在充型階段存在氣泡和氧化雜質(zhì);在凝固階段型殼與周圍環(huán)境的熱交換不穩(wěn)定容易導(dǎo)致金屬液未完成補(bǔ)縮，產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷，試驗(yàn)的方法存在效率極低和對工人的能力要求太高的弊端。為了有效降低成本，縮短周期，提高熔模鑄造葉輪的工藝可行性，采用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)對葉輪熔模鑄造充型凝固過程進(jìn)行仿真，并就鑄造缺陷進(jìn)行預(yù)測，通過優(yōu)化的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)來指導(dǎo)實(shí)際鑄造過程。
本文使用的鑄造模擬仿真軟件為ProCAST，作為一款高度集成化的仿真軟件，其強(qiáng)大的功能主要表現(xiàn)在對于二維、三維實(shí)體的網(wǎng)格劃分和修復(fù)能力、豐富的材料庫、先前的流體和熱力學(xué)判據(jù)等，這些優(yōu)點(diǎn)使其廣泛地用于砂型鑄造、熔模鑄造、壓力鑄造以及離心鑄造過程的數(shù)值分析。
1整體葉輪熔模鑄造澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
澆注系統(tǒng)的選型和尺寸設(shè)計(jì)對于熔模鑄造過程至關(guān)重要，一般的澆注系統(tǒng)主要包括澆口杯、直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道、冒口等關(guān)鍵部分。在結(jié)構(gòu)上主要包括：頂注式、側(cè)注視、底注式和混合注入式[1]。澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對比如表1所示。
相關(guān)期刊推薦：《熱加工工藝》雜志創(chuàng)刊于1972年，1986年公開發(fā)行，由國家科委批準(zhǔn)，中國船舶重工集團(tuán)公司主管，熱加工工藝研究所和中國造船工程學(xué)會船舶材料學(xué)術(shù)委員會主辦，是全國性熱加工技術(shù)期刊。本刊刊登的論文涵蓋鑄造、鍛壓、焊接、金屬材料及熱處理等領(lǐng)域，欄目設(shè)置有試驗(yàn)與研究、金屬材料、復(fù)合材料、鑄造技術(shù)、鍛壓技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)、失效分析、模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)應(yīng)用等。
綜合考慮整體式葉輪的外形尺寸結(jié)構(gòu)，并依據(jù)鑄造澆注系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)原則，本文設(shè)計(jì)了頂注式和側(cè)注式兩種初始澆注系統(tǒng)，并利用金屬熔液的重力進(jìn)行充型，以期形成合理的凝固順序，通過頂部冒口對鑄件的補(bǔ)縮，減少軸向縮松的傾向。同時(shí)澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上采取一模兩腔的結(jié)構(gòu)，來提高鑄造效率[3]。葉輪的外形和澆注系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2數(shù)值模擬仿真數(shù)學(xué)模型的建立
2.1充型過程的數(shù)學(xué)模型
鋁合金熔融液注入型腔的過程可以相對準(zhǔn)確地描述為不可壓縮的牛頓流體注入的過程，其整個(gè)充型過程涉及連續(xù)方程、質(zhì)量方程、能量方程和動量方程等控制方程[4]。
2.2凝固過程的數(shù)學(xué)模型
在鋁合金液在鑄型中的冷卻凝固過程中，主要涉及三種散熱方式：熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流。其中對流和熱輻射傳熱主要發(fā)生在表面[5]，而熱傳導(dǎo)主要在凝固金屬內(nèi)部發(fā)生，而鑄件的傳熱絕大部分通過熱傳導(dǎo)進(jìn)行，本文將此作為葉輪澆注系統(tǒng)凝固過程中的主要傳熱方式，并忽略熱對流和輻射的影響。
2.3縮松縮孔的數(shù)學(xué)判據(jù)
鑄件形成縮松縮孔主要是由于補(bǔ)縮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致補(bǔ)縮不及時(shí)造成的。通常宏觀上補(bǔ)縮不足易形成縮孔，微觀上易形成縮松，縮孔容易預(yù)防，而縮松比較難避免。通常在仿真軟件中縮松預(yù)測依據(jù)的是縮松判據(jù)。
3仿真前處理
3.1網(wǎng)格劃分
將上述在UG軟件中建立的兩種澆注系統(tǒng)模型分別以.igs格式導(dǎo)入到ProCAST軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。在面網(wǎng)格劃分環(huán)節(jié)，需要兼顧網(wǎng)格數(shù)量、網(wǎng)格疏密程度對于劃分精度和計(jì)算效率的影響，為此采用不同尺寸的網(wǎng)格單元對澆注系統(tǒng)進(jìn)行劃分[6-8]。葉輪部位的網(wǎng)格都按原尺寸設(shè)置為1，澆注系統(tǒng)的部分網(wǎng)格單元尺寸設(shè)置為3，在面網(wǎng)格修復(fù)完成后，頂注式和測注式澆注系統(tǒng)分別生成面網(wǎng)格的數(shù)量為39104和48472;在添加5mm厚的型殼后，分別在面網(wǎng)格基礎(chǔ)上進(jìn)行體網(wǎng)格的劃分，分別生成的體網(wǎng)格數(shù)量為317707和567346。網(wǎng)格劃分和型殼如圖2所示。
3.2仿真參數(shù)設(shè)置
本文選用的葉輪鑄造材料為Z101A鋁合金，其名稱為ZAlSi7MgA。ZAlSi7MgA合金的性能如表2所示，型殼材料選擇石英砂。
為了實(shí)現(xiàn)順序凝固，得到較高質(zhì)量的葉輪鑄件，頂注式和側(cè)注式澆注都采用了高溫慢澆工藝來加強(qiáng)順序凝固，因此選取初始工藝參數(shù)：頂注式的澆注溫度為720℃，型殼預(yù)熱溫度為350℃;側(cè)注式初始澆注溫度為710℃，型殼溫度為350℃。兩種澆注系統(tǒng)都采用重力填充。
澆注速度對鑄件質(zhì)量的影響十分重要。澆注速度快可以使型腔在較短時(shí)間內(nèi)充滿，但是過快的澆注速度會沖擊型殼內(nèi)部，這對于鑄件的表面質(zhì)量不利且會使金屬液裹挾過多的氣體進(jìn)入。澆注速度慢雖可避免鑄件產(chǎn)生縮松、縮孔等缺陷[9]，但是會使金屬液冷卻造成澆不足、冷隔等缺陷。本文通過卡爾金公式對兩種澆注系統(tǒng)的澆注速度進(jìn)行計(jì)算。
4仿真結(jié)果分析
兩種澆注系統(tǒng)的縮孔縮松預(yù)測結(jié)果如圖3所示。通過圖3可以看出兩種澆注系統(tǒng)在葉輪的葉片薄壁處都存在縮孔縮松問題。原因在于葉片凝固是從壁厚較薄部位開始向葉片壁厚較厚部位冷卻，由于葉片上的澆道尺寸較小，導(dǎo)致高溫熔液進(jìn)入型腔遇冷，溫度降低粘度增加，流動性降低，使得隨后進(jìn)入型腔的熔液充型緩慢，導(dǎo)致充型不完全，進(jìn)而在冷卻后期產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。但是相比較而言，測注式澆注系統(tǒng)所產(chǎn)生的縮孔縮松缺陷要明顯小于頂注式。
5工藝方案的改進(jìn)
5.1澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
由以上預(yù)測的鑄造缺陷可知，側(cè)注式澆注系統(tǒng)縮孔縮松缺陷明顯要小于頂注式，探究其造成這種結(jié)果的原因可能是由于測注式澆注減緩了合金液的紊流效應(yīng)，加之在直澆道側(cè)面采用了三個(gè)不同截面的橫澆道，使得葉輪型腔內(nèi)合金液在充型時(shí)得以平穩(wěn)上升[10]。為此，在此側(cè)注式澆注系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一定的優(yōu)化。由側(cè)注式澆注系統(tǒng)的缺陷預(yù)測圖可知，葉輪輪轂頂端及輪轂頂端附近處的葉片存在一定的縮孔縮松缺陷，造成這種問題的原因在于輪轂頂端區(qū)域距離澆道的距離較遠(yuǎn)，在凝固過程中，體積收縮使從澆道獲取液態(tài)金屬補(bǔ)縮的困難較大，同時(shí)葉片處為薄壁結(jié)構(gòu)，合金液在葉片中部凝固阻斷了其補(bǔ)縮的通道導(dǎo)致了上述缺陷的產(chǎn)生。為此，在對側(cè)注式澆注系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，通過在葉輪輪轂處設(shè)置冒口，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口處，來改善此處合金液的補(bǔ)縮狀況。優(yōu)化后的澆注系統(tǒng)及體網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。
5.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的數(shù)值模擬結(jié)果
按照初始澆注系統(tǒng)選定的材料以及參數(shù)(初始溫度、界面換熱系數(shù)、澆注溫度、澆注參數(shù)等)進(jìn)行設(shè)定，對改進(jìn)后的澆注系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真。圖5為工藝改進(jìn)后縮松縮孔缺陷預(yù)測圖，可以看出葉片上的縮松縮孔區(qū)域明顯降低，并且最大縮松率為1.702%，新的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更合理。澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后，雖然縮松縮孔有了明顯的減少，但是葉片邊緣仍有部分缺陷，考慮優(yōu)化澆注過程的主要工藝參數(shù)來提高鑄件的最終質(zhì)量。本文主要對澆注溫度、澆注速度及型殼預(yù)熱溫度這三個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[11-12]。
以初始澆注參數(shù)值(型殼預(yù)熱溫度350℃，澆注溫度710℃、澆注速度35mm/s)為基礎(chǔ)，利用正交試驗(yàn)法來探究多因素對鑄件質(zhì)量的影響。將影響鑄件質(zhì)量的三個(gè)參數(shù)做為因子，對這些參數(shù)采用三個(gè)不同水平，如表3所示。此過程是以每個(gè)參數(shù)對鑄件質(zhì)量的影響都是以非線性相關(guān)為前提的。——論文作者：白瑀,張浩,黃亮
