隨著碳中和概念的提出，節(jié)能環(huán)保再一次成為人們關(guān)注的熱點問題,。這也促使機械制造業(yè)朝著輕量化發(fā)展,，鋁合金鑄造作為制造業(yè)重要的一環(huán)，為了達到輕量化的要求，鑄件的壁厚越來越薄也是必然的趨勢,。但鋁合金薄壁件具有難以成形,、缺陷多的特點，造成這類零件良品率低的問題,。 

本文以鋁合金薄壁殼體為研究對象,，在建模軟件CATIA中建立帶有澆注系統(tǒng)的三維模型，應(yīng)用Procast對鑄件鑄造成形過程進行數(shù)值模擬計算,。根據(jù)計算結(jié)果,，優(yōu)化設(shè)計澆注系統(tǒng)，再利用Design-expert軟件設(shè)計響應(yīng)面試驗,，優(yōu)化鑄造工藝方案,，最后進行冷卻系統(tǒng)設(shè)計。最終獲得了成形質(zhì)量高且力學(xué)性能良好的鋁合金薄壁殼體鑄件,。

1  原工藝分析

1.1  鑄件結(jié)構(gòu)與原始澆注系統(tǒng)

本文研究對象為鋁合金薄壁殼體,，鋁合金牌號為A356。其外觀如圖1所示,，鑄件特征為形狀細而長,，縱向高度差異大，壁厚較薄的異型鋁合金殼體,。鑄件尺寸為：733.5 mm×230.6 mm×495 mm,；鑄件壁厚大多在6 mm，且存在大量加強筋和肋板,，鑄件左側(cè)高度明顯高于右側(cè),，使得鑄件左側(cè)相比右側(cè)難以補縮。根據(jù)鑄件幾何特征,，初步設(shè)計澆注系統(tǒng)如圖2所示,。 

1.2  原澆注系統(tǒng)數(shù)值模擬結(jié)果分析

數(shù)值模擬結(jié)果預(yù)測鑄件會產(chǎn)生如圖3所示的縮松、縮孔缺陷,，通過分析得出,，產(chǎn)生縮松、縮孔缺陷的原因可能有以下兩個：①鑄件中段以及右端某些位置離內(nèi)澆道的距離過遠導(dǎo)致補縮路徑過長,，使鑄件難以得到補縮產(chǎn)生縮松,、縮孔；②鑄件結(jié)構(gòu)上存在一些難以順序凝固的復(fù)雜結(jié)構(gòu),。針對以上兩個問題,，提出如下兩點解決方案：優(yōu)化設(shè)計鑄件的澆注系統(tǒng)，設(shè)計保溫與冷卻措施確保鑄件可以順序凝固,。

2  澆注系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)圖3所示,，縮松、縮孔缺陷大多分布在鑄件中后段,，中段缺陷產(chǎn)生的主要原因是金屬液從鑄件左右兩端充入,，使得內(nèi)澆道離鑄件中段距離過遠，進而補縮通路過長,。所以應(yīng)在鑄件中段添加如圖4所示鑄件中部的兩個內(nèi)澆道,。后端產(chǎn)生的缺陷是因為鑄件后端高度過高，這也使得充型和補縮困難,。因此,，設(shè)計了縫隙式澆注通道如圖4所示。根據(jù)澆道的分布,，設(shè)計了T型橫澆道,。 

3  保溫措施與冷卻系統(tǒng)設(shè)計

由于鋁合金薄壁殼體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，鑄造過程中必然會產(chǎn)生熱節(jié)與冷節(jié)，難以順序凝固產(chǎn)生縮松,、縮孔缺陷,，為了使鋁合金薄壁殼體能夠順序凝固，需要對鑄件冷節(jié)處進行保溫,，以及對與鑄件熱節(jié)處接觸的模具部位進行冷卻,。 

3.1  保溫措施設(shè)計

保溫措施設(shè)計一種思路是降低鑄件與模具之間的傳熱系數(shù)，使散熱變慢,，從而達到保溫的效果,，尤其是上模、下模,、側(cè)模的傳熱系數(shù)對鑄件質(zhì)量的影響十分顯著,，因此本文將使用響應(yīng)面法來探究傳熱系數(shù)對研究對象的影響規(guī)律。將上模與鑄件傳熱系數(shù)A,，下模與鑄件傳熱系數(shù)B,，側(cè)模與鑄件傳熱系數(shù)C作為試驗因數(shù)，縮松,、縮孔孔隙體積作為響應(yīng)指標,。通過Designexpert軟件中的Box-Behnken方法設(shè)計了17組試驗,，其因素水平設(shè)計如表1所示。根據(jù)試驗得到的數(shù)據(jù),，通過響應(yīng)面分析,，提出降低下模與鑄件傳熱系數(shù)來改善鑄件成形質(zhì)量的方法。在實際生產(chǎn)中可以通過改變下模鑄型涂料的方式,，來達到降低下模與鑄件傳熱系數(shù)的目的,。 

在Procast軟件中可選取鑄件底部的網(wǎng)格，設(shè)置使其與底部模具之間的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)比其他模具與鑄件

之間界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)低,，結(jié)合之前優(yōu)化后的澆注系統(tǒng),，得到如圖6所示的預(yù)測結(jié)果?？梢悦黠@看出,，使用保溫措施后，鑄件出現(xiàn)縮松,、縮孔的部位減少,，主要缺陷分布在鑄件底部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的位置，鑄件該位置結(jié)構(gòu)類似工字梁,，另一處處在鑄件厚度突變處,。

3.2  冷卻系統(tǒng)設(shè)計

針對圖6左側(cè)的缺陷采取點冷的方式,，運用試錯法經(jīng)過多次嘗試不難獲得此位置的冷卻管道的布置,。對于圖6右側(cè)的縮松、縮孔缺陷,，由于其處于非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中,，如圖7所示，冷卻系統(tǒng)難以設(shè)計與布置,。由于鑄件在該處有四個表面要向模具傳熱,，且四個表面圍成的空間也十分狹小，導(dǎo)致模具在此處會過熱,。并且產(chǎn)生縮松,、縮孔的位置明顯比其他位置厚度更厚。所以要想消除該處缺陷,，首先需要改變四個面同時向模具傳熱的現(xiàn)狀,，需對圖中深色的面進行保溫處理，降低其傳熱系數(shù),，對與該面對稱的面進行同樣的操作,。這樣可以顯著減少此處的過熱，接下來就是設(shè)計此處的冷卻系統(tǒng),，綜合此處結(jié)構(gòu)等一系列因素,，設(shè)計了如圖8深色部分的冷卻系統(tǒng),，最終在冷卻系統(tǒng)的幫助下，鑄件的縮松,、縮孔缺陷全部被消除,。

4  優(yōu)化工藝方案后對鑄件力學(xué)性能的影響

在鑄造數(shù)值模擬領(lǐng)域，一般用二次枝晶間距值來反映鑄件的力學(xué)性能,。工藝方案優(yōu)化之前,，鑄件的二次枝晶間距最大值為58.90 μm，經(jīng)過以上優(yōu)化步驟之后,，鑄件的二次枝晶間距最大值為52.50 μm,，優(yōu)化前后二次枝晶間距值對比，如圖9所示,。二次枝晶間距值減小了10.87%,，顯著提高了鑄件的力學(xué)性能，后續(xù)可以通過優(yōu)化澆注工藝參數(shù)的方式進一步減小鑄件二次枝晶間距值,，繼續(xù)提升鑄件力學(xué)性能,。

5  結(jié)論

（1）通過優(yōu)化澆注系統(tǒng),，鑄件缺陷從3.84 cm3減少到0.34 cm3,，大幅度提高了鑄件的成形質(zhì)量。

（2）鑄件與模具之間的換熱系數(shù)會顯著影響鑄件成形質(zhì)量,，對于本文研究對象來說,，合理降低下模與鑄件的傳熱系數(shù)有助于改善鑄件的成形質(zhì)量。

（3）綜合利用保溫和冷卻措施改善了鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、難以順序凝固處的成形質(zhì)量,。

（4）使鑄件二次枝晶間距值降低了10.87%，提高了鑄件的力學(xué)性能,。

作者：王宇航,，蘇小平

單位：南京工業(yè)大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院

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