1、西安航空职业学院毕业论文铝合金箱体低压铸造数值模拟及其优化设计姓 名： 专 业： 航空电子 班 级： 完成日期： 指导教师: 摘要：本文通过对铝合金箱体结构及低压铸造工艺特性的分析，合理设计浇注系统，并利用 ProCAST 铸造软件对充型和凝固过程温度场进行数值模拟，发现充型过程流动平稳，温度场较为均匀，但在凝固过程中由于结构的复杂性，在厚壁及热节处出现缩松缺陷，在改进方案中，通过在铸件厚壁处设置冷铁和增大横浇道出口截面积等措施，缩短凝固时间，强化补缩通道，最终通过工业 CT 断层扫描检测，获得无铸造缺陷的高质量铸件。关键词：低压铸造；数值模拟；缩孔缩松；优化设计大型复杂结构箱体类零件是几何尺
2、寸大、形状复杂、壁厚不均匀的基础类零部件，广泛应用于大型柴油机缸体、曲轴箱、传动箱等结构零部件 1。近年来，我国军工、民用行业对该类结构产品的尺寸精度、气密性、力学性能等要求逐步提高，而低压铸造作为一种先进的金属液态成型技术，具有充型速度平稳、凝固补缩充分等优点，是实现铸件近净成形的重要手段，也是大型复杂结构箱体铸件生产的重要工艺方法 2,3。目前，国内大多数箱体类零部件的铸造生产主要依靠工程师的实际经验，通过大量的试制工作，最终确定设计方案，而采用这种方式生产的产品研发周期长，需要投入大量的人力和经济成本，在新形势下，难以跟上国家对产业转型升级的要求。为提高生产效率，降低成本，数值模拟技术在
3、工业领域得到了广泛的应用 4,8,9。铸造过程中进行数值模拟一般有 4 种方法：有限差分法(FDM)、有限元法(FEM) 、有限体积法 (FVM)和边界元法(BEM)。法国 ESI公司开发的 ProCAST 软件是基于有限元法(FEM)，能够对铸造充型及凝固过程进行模拟仿真，预测铸件浇不足、卷气、缩孔、缩松等缺陷，该软件通过对铸造工艺参数进行验证及优化，缩短工艺试验周期，降低生产成本和废品率，这对实际生产具有极高的应用价值。本文利用 ProCAST 软件对某铝合金箱体结构件充型和凝固过程进行数值模拟，分析缩孔缩松缺陷产生的原因，并预测缺陷可能出现的位置；通过优化工艺参数，再次进行仿真模拟计算，
4、直至该结构件无铸造缺陷出现，进而进行实体浇注，并采用工业 CT 检测技术进行验证，最终获得高质量的箱体结构件。1 低压铸造工艺方案设计1.1 箱体结构件概况某铝合金箱体结构件如图 1 所示，铸件外形尺寸为 522mm340mm，重 33.749kg。内部形状复杂，各处壁厚不均匀，主要壁厚 24mm，最小壁厚 10 mm，最大壁厚 80mm；以上特点使得该箱体结构件铸造工艺设计难度大，在充型和凝固过程中，极易出现紊流、卷气、缩孔缩松等缺陷，严重影响该铸件的工艺成品率。图 1 铝合金箱体结构件三维图1.2 浇注系统设计铸件在浇注方向总高度较高，其中，在升液管底部至顶端冒口高度为 1020mm，为保
5、证充型过程流动平稳，合金液需要有足够的流量和压力。根据该铝合金箱体结构件的特点，采用底注式“十字型”浇注系统（顶部设置“十字型”补缩通道） ，如图 2 所示。浇注系统直浇道为直径 80 mm 的圆柱体，沿箱体中心底部引入，横浇道均匀布置在直浇道四周，连接箱体上、下端面，且横浇道流入位置位于箱体薄壁处，这样可以避免箱体薄壁处冷隔缺陷的产生 5,6,7。该浇注系统设计简单，铸型内的温度场分布有利于铸件实现顺序凝固，减少铸件应力，防止铸件出现变形、裂纹等缺陷。图 2 箱体结构件浇注系统简图2 低压铸造数值模拟及工艺优化2.1 前处理采用 ProE 软件完成铸件毛坯和浇注系统的三维建模，将该箱体结构件
6、的三维模型以 IGS格式数据文件导出，并用 ProCAST 读取 ProE 导出的 IGS 文件，并对铸件及铸型进行自动网格剖分，见图 3 所示，其中面单元 136314 个，体单元 685397 个。采用树脂砂作为包覆材料，初始温度为 150。铸件采用 ZL205A，液固相线分别为 648和 530，铸件浇注温度为700，压力时间曲线如图 4 示，因为未模拟升液阶段的情况，所以计算开始时刻即为充型阶段，充型压力 113KPa，型腔充满后，增压 12KPa 并保压 310 秒出模。图 3 箱体结构件网格划分图直浇道横浇道（共 8 处）0 50 100 150 200 250 300 35010
7、0105110115120125130时 间 （s）压强（KPa）图 4 压力时间曲线图2.2 充型过程数值模拟分析该箱体结构件充型过程的温度场分布见图 5。由图可以看出，金属液分布均匀，未产生飞溅，充型状态由下而上顺序流动，铸件在充型过程中的流动平稳，铸件远端充型时温度下降不大，型腔充满时温度分布均匀。t=4.87s p=29.7% t=6.27s p=50.6%t=9.07s p=80.0% t=9.86s p=100%图 5 充型过程温度场分布图2.3 凝固过程数值模拟分析铸件凝固过程是一个不稳定导热的过程，该过程存在热量、质量和动量传输。图 6 是箱体结构件凝固过程固相率分布图，由图可
8、以看出在凝固初期即在 108s 时，固相率为 31.1%，此时中空圆筒和加强筋隔板优先凝固，主要由于这两处壁厚较薄，且中空圆筒凝固速率要明显高于加强筋隔板处；在 283s 时，铸件固相率为 63.2%，上端面的四个横浇道端部与下端面两个横浇道端部的固相率达到 0.8，表明此时有六个横浇道的补缩通道已与箱体结构件断开，只剩两个横浇道尚可对铸件产生补缩作用；在 293s 时，铸件固相率为 64.5%，此时八个横浇道端面的固相率均为 0.8，而在上、下端面区域中存在明显的孤立液固两相区，当凝固结束后，液固两相区得不到金属液的补充，最终会形成缩孔缩松缺陷。图 7 为缩松缩孔位置预测图，有图可见该箱体结
9、构件缺陷位置主要位于铸件上、下底部与框架结合处和铸件端面厚大部位处 10,11，出现这些地方的共同特点是凝固时间晚，铝液补缩不充分，因而需要对该方案进行优化设计。（a）下端面 （b）上端面t=108s p=31.1%（a）下端面 （b）上端面t=283s p=63.2%（a）下端面 （b）上端面t=293s p=64.5%图 6 凝固过程固相率分布图加强筋隔板（共 9 处）中空圆筒孤立液固两相区补缩通道封闭补缩通道封闭图 7 缩孔缩松位置预测图2.4 铸造工艺方案优化针对模拟结果出现的箱体结构件的热节位置及端面厚大部位处的缺陷，可以通过增加横浇道截面积，扩大补缩距离，强化浇注系统的补缩能力，同
10、时在铸件热节处增设冷铁，加快冷却速度，从而达到消除缩孔缩松的目的。改进工艺后的箱体零件结构如图 8 所示。由于冷铁数量的增加，导致凝固进程加快，达到相同凝固百分率所需时间较原工艺更少，在 151s 时，箱体结构件的固相率为 54.3%，此时中空圆筒已凝固完全，且尚未凝固的区域与八个横浇道口仍然联通，具有较好的补缩通道；在 197s 时，箱体结构件的固相率为 70.7%，对应位置的上、下底面横浇道的补缩通道与箱体结构件分离，同样，在 235s 时，铸件的固相率为77.1%，而此时不起补缩作用的横浇道有 6 个，在 267s 时，铸件的固相率为 80.2%，此时箱体结构件已经凝固完全，仅剩下浇道部
11、分的合金液未凝固；在整个凝固过程中，未出现孤立的固液两相区，实现了由铸件外壁到内浇道的顺序凝固特点 12,13。由图 10 可以看出，改进工艺后的箱体结构件缩孔缩松位置仅存在于直浇道中，其内部无缺陷，说明改进后的浇注工艺系统合理，可以满足该箱体结构件的生产要求。图 8 优化工艺示意图（a）下端面 （b）上端面冷铁（共 9 处）增大横浇道（共 8 处）t=151s p=54.3%（a）下端面 （b）上端面t=197s p=70.7%（a）下端面 （b）上端面t=235s p=77.1%（a）下端面 （b）上端面t=267s p=80.2%图 9 凝固过程固相率分布图图 10 缩孔缩松位置预测图补
12、缩通道与铸件分离补缩通道与铸件分离补缩通道与铸件分离补缩通道与铸件分离3 实际浇注及检测使用改进后的浇注工艺进行试验生产，获得经切除工艺浇注系统后的箱体结构件，如图11 所示，可以看出，实际浇注的铸件外观轮廓清晰，无冷隔、气孔等缺陷。采用工业 CT 断层扫描技术检测该箱体结构件，在热节位置及厚大部位处均未发现缩松缩孔等微观缺陷，表明改进后的浇注工艺能满足实际浇注需要。图 11 实际浇注的箱体结构件图 12 工业 CT 断层扫描缺陷检测4 结论（1）针对铝合金箱体结构的特点，设计合理的浇注系统，并采用低压铸造工艺，制定工艺方案，通过 ProCAST 铸造软件对该铸件充型和凝固过程进行数值模拟。结
13、果表明，该方案获得的箱体结构件在上下端面及厚大壁面处存在缩孔缩松缺陷。（2）通过增设冷铁及扩大横浇道截面积的方法对工艺方案进行优化，从模拟结果来看，改进后的工艺方案能消除关键部位缩孔缩松等缺陷。（3）采用改进工艺后的浇注方案进行生产，可获得无外观缺陷的箱体结构件，通过工业 CT断层扫描技术，也未检测到缺陷的存在，表明优化方案合理可行。（4）铸造过程数值模拟能为实际生产提供理论指导，帮助优化铸造工艺方案，对实际生产有重要的指导意义。参考文献1 罗继相，王志海金属工艺学M武汉：武汉理工大学出版社，20082 赵建华，曾礼，马薇，等铝合金汽车缸盖低压铸造内浇道设计J铸造，2011，60(2)：158
14、-1603 严青松，余欢，魏伯康，等有色合金复杂薄壁铸件反重力铸造技术的发展和展望J铸造，2006，55(6)：550-5544 陈立亮，刘瑞祥，林汉同，等我国铸造行业计算机应用的回顾与展望J铸造，2002，51（2）：63-675 刘金祥，左正兴，廖日东气缸盖铸件凝固过程数值模拟及缩松缩孔预测J铸造技术，2007，28(2)：256-2586 Jiang W，Fan ZGating system optimization of lowpressure casting A356 aluminum alloy intake manifold based on numerical simulati
15、on JChina foundary，2014，11(2)：119-1247 Rawahi N，Tryggvason GNumerical simulation of dendritic solidification with convection：Three-dimensional flowJJournal of ComputationalPhysics，2004，194(2)：677-6968 柳百成铸件充型凝固过程国内外研究进展铸造，1999，(8)：78-819 柳百成铸件凝固过程的宏观及微观模拟仿真研究进展J中国工程科学，2000，2(9)：29-3710 Jiang W M，Fan
16、 Z T，Liao D F，et a1A new shell casting process based on expendable pattern with vacuum and low-pressure casting for aluminum and magnesium alloysJInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology，2010，51(1-4)：25-3411 Lee H N，Ryoo H S，Hwang S KMonte Carlo simulation of microstructure evoluti
17、on based on grain boundary character distributionJMaterialsScience and Engineering A，2000，281(1)：176-18812 陈先先，屈盛官，李彬，等大型薄壁复杂铝合金油底壳低压铸造过程数值模拟研究J铸造技术，2015，36（6）：1545-154913 Perez M，BarbeJ C，Neda Z，etalComputer simulation of the microstructure and rheology of semi-solid alloys under shearJActa materialia，2000，48(14)：3773-3782致 谢感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正!
