發布時間：2021-03-22所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：運用ProCAST鑄造仿真軟件對某鋁合金整體葉輪在兩種澆注系統中的充型凝固過程進行模擬。結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縮松縮孔缺陷，而側注式澆注系統所產生的鑄造缺陷較少。通過對側注式澆注系統下的輪轂頂
摘要：運用ProCAST鑄造仿真軟件對某鋁合金整體葉輪在兩種澆注系統中的充型凝固過程進行模擬。結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縮松縮孔缺陷，而側注式澆注系統所產生的鑄造缺陷較少。通過對側注式澆注系統下的輪轂頂端添加冒口，在澆注速度35mm/s、型殼預熱溫度350℃、澆注溫度710℃優化澆注工藝參數下可以鑄造出充型完整性好，鑄造缺陷少的葉輪鑄件。
關鍵詞：熔模精鑄;ProCAST;葉輪;仿真優化
熔模鑄造作為一種近凈成型技術，主要針對形狀較為復雜、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，在動力設備中被廣泛使用，其工作環境惡劣，工作性能要求較高。一般熔模精鑄葉輪常采用經驗加試驗的方法對鑄造葉輪的工藝參數進行確定，這樣做往往使得成本高昂、難度大、周期長，而且準確率低。造成這種問題的根本原因在于熔模鑄造過程是復雜的充型—凝固過程，伴隨著高溫金屬液從液體變成固體的相變，存在著復雜的物理和化學變化。往往在充型階段存在氣泡和氧化雜質;在凝固階段型殼與周圍環境的熱交換不穩定容易導致金屬液未完成補縮，產生縮孔縮松等缺陷，試驗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，采用計算機數值模擬技術對葉輪熔模鑄造充型凝固過程進行仿真，并就鑄造缺陷進行預測，通過優化的澆注系統結構和工藝參數來指導實際鑄造過程。
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，其強大的功能主要表現在對于二維、三維實體的網格劃分和修復能力、豐富的材料庫、先前的流體和熱力學判據等，這些優點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值分析。
1整體葉輪熔模鑄造澆注系統的設計
澆注系統的選型和尺寸設計對于熔模鑄造過程至關重要，一般的澆注系統主要包括澆口杯、直澆道、橫澆道、內澆道、冒口等關鍵部分。在結構上主要包括：頂注式、側注視、底注式和混合注入式[1]。澆注系統結構對比如表1所示。
相關期刊推薦：《熱加工工藝》雜志創刊于1972年，1986年公開發行，由國家科委批準，中國船舶重工集團公司主管，熱加工工藝研究所和中國造船工程學會船舶材料學術委員會主辦，是全國性熱加工技術期刊。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域，欄目設置有試驗與研究、金屬材料、復合材料、鑄造技術、鍛壓技術、焊接技術、熱處理技術、失效分析、模具設計和生產應用等。
綜合考慮整體式葉輪的外形尺寸結構，并依據鑄造澆注系統的相關設計原則，本文設計了頂注式和側注式兩種初始澆注系統，并利用金屬熔液的重力進行充型，以期形成合理的凝固順序，通過頂部冒口對鑄件的補縮，減少軸向縮松的傾向。同時澆注系統結構上采取一模兩腔的結構，來提高鑄造效率[3]。葉輪的外形和澆注系統的具體結構如圖1所示。
2數值模擬仿真數學模型的建立
2.1充型過程的數學模型
鋁合金熔融液注入型腔的過程可以相對準確地描述為不可壓縮的牛頓流體注入的過程，其整個充型過程涉及連續方程、質量方程、能量方程和動量方程等控制方程[4]。
2.2凝固過程的數學模型
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、熱輻射及熱對流。其中對流和熱輻射傳熱主要發生在表面[5]，而熱傳導主要在凝固金屬內部發生，而鑄件的傳熱絕大部分通過熱傳導進行，本文將此作為葉輪澆注系統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縮松縮孔的數學判據
鑄件形成縮松縮孔主要是由于補縮結構設計不當導致補縮不及時造成的。通常宏觀上補縮不足易形成縮孔，微觀上易形成縮松，縮孔容易預防，而縮松比較難避免。通常在仿真軟件中縮松預測依據的是縮松判據。
3仿真前處理
3.1網格劃分
將上述在UG軟件中建立的兩種澆注系統模型分別以.igs格式導入到ProCAST軟件進行有限元網格劃分。在面網格劃分環節，需要兼顧網格數量、網格疏密程度對于劃分精度和計算效率的影響，為此采用不同尺寸的網格單元對澆注系統進行劃分[6-8]。葉輪部位的網格都按原尺寸設置為1，澆注系統的部分網格單元尺寸設置為3，在面網格修復完成后，頂注式和測注式澆注系統分別生成面網格的數量為39104和48472;在添加5mm厚的型殼后，分別在面網格基礎上進行體網格的劃分，分別生成的體網格數量為317707和567346。網格劃分和型殼如圖2所示。
3.2仿真參數設置
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。
為了實現順序凝固，得到較高質量的葉輪鑄件，頂注式和側注式澆注都采用了高溫慢澆工藝來加強順序凝固，因此選取初始工藝參數：頂注式的澆注溫度為720℃，型殼預熱溫度為350℃;側注式初始澆注溫度為710℃，型殼溫度為350℃。兩種澆注系統都采用重力填充。
澆注速度對鑄件質量的影響十分重要。澆注速度快可以使型腔在較短時間內充滿，但是過快的澆注速度會沖擊型殼內部，這對于鑄件的表面質量不利且會使金屬液裹挾過多的氣體進入。澆注速度慢雖可避免鑄件產生縮松、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的澆注速度進行計算。
4仿真結果分析
兩種澆注系統的縮孔縮松預測結果如圖3所示。通過圖3可以看出兩種澆注系統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，導致高溫熔液進入型腔遇冷，溫度降低粘度增加，流動性降低，使得隨后進入型腔的熔液充型緩慢，導致充型不完全，進而在冷卻后期產生縮孔、縮松等缺陷。但是相比較而言，測注式澆注系統所產生的縮孔縮松缺陷要明顯小于頂注式。
5工藝方案的改進
5.1澆注系統結構的改進
由以上預測的鑄造缺陷可知，側注式澆注系統縮孔縮松缺陷明顯要小于頂注式，探究其造成這種結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，加之在直澆道側面采用了三個不同截面的橫澆道，使得葉輪型腔內合金液在充型時得以平穩上升[10]。為此，在此側注式澆注系統的基礎上對澆注系統的結構上進行一定的優化。由側注式澆注系統的缺陷預測圖可知，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域距離澆道的距離較遠，在凝固過程中，體積收縮使從澆道獲取液態金屬補縮的困難較大，同時葉片處為薄壁結構，合金液在葉片中部凝固阻斷了其補縮的通道導致了上述缺陷的產生。為此，在對側注式澆注系統進行結構優化時，通過在葉輪輪轂處設置冒口，將縮孔轉移到冒口處，來改善此處合金液的補縮狀況。優化后的澆注系統及體網格劃分結果如圖4所示。
5.2結構優化后的數值模擬結果
按照初始澆注系統選定的材料以及參數(初始溫度、界面換熱系數、澆注溫度、澆注參數等)進行設定，對改進后的澆注系統進行模擬仿真。圖5為工藝改進后縮松縮孔缺陷預測圖，可以看出葉片上的縮松縮孔區域明顯降低，并且最大縮松率為1.702%，新的澆注系統結構更合理。澆注系統結構優化完成后，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，考慮優化澆注過程的主要工藝參數來提高鑄件的最終質量。本文主要對澆注溫度、澆注速度及型殼預熱溫度這三個工藝參數進行優化[11-12]。
以初始澆注參數值(型殼預熱溫度350℃，澆注溫度710℃、澆注速度35mm/s)為基礎，利用正交試驗法來探究多因素對鑄件質量的影響。將影響鑄件質量的三個參數做為因子，對這些參數采用三個不同水平，如表3所示。此過程是以每個參數對鑄件質量的影響都是以非線性相關為前提的。——論文作者：白瑀,張浩,黃亮
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