基于procas的c5m4鋁合金端蓋低壓鑄造工藝的優(yōu)化

基于procas的c5m4鋁合金端蓋低壓鑄造工藝的優(yōu)化

低壓鑄造是一種方法，在低壓力下完成填充和硬化，并獲得鑄造材料。鑄件在一定壓力下進(jìn)行凝固得到有效補(bǔ)縮，其組織致密，氣密性、力學(xué)性能得到改善，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)1鑄件結(jié)構(gòu)和分形面端蓋材質(zhì)為C5M4合金，其具有良好的抗拉強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率。C5M4鑄態(tài)組織基體為α固溶體，質(zhì)點(diǎn)相為Al圖1和圖2分別為鑄件結(jié)構(gòu)圖和分形面示意圖。鑄件輪廓尺寸為520mm×160mm×600mm。C5M4端蓋分型面選擇遵循一般的鑄件分型設(shè)計(jì)原則2端蓋模擬前處理采用Pro/E軟件繪制端蓋零件、型芯實(shí)體圖，型芯材料選擇硅砂，根據(jù)端蓋結(jié)構(gòu)及分型面，確定型芯形狀見圖3。Pro/E新建制造文件，選擇模具型腔，將端蓋零件導(dǎo)入，根據(jù)金屬型壁厚繪制模具，選擇分型面命令拉伸繪制分型面，繪制完畢后隱藏，選擇模具元件創(chuàng)建，將型芯精確裝配到端蓋中應(yīng)用Hypermesh對(duì)C5M4端蓋模具進(jìn)行面網(wǎng)格劃分，根據(jù)端蓋結(jié)構(gòu)尺寸，端蓋模型網(wǎng)格大小劃分為10mm，模具、型芯網(wǎng)格大小劃分為15mm。在ProCAST軟件Meshing模塊中，檢查修復(fù)面網(wǎng)格錯(cuò)誤并生成體網(wǎng)格，最終有限元節(jié)點(diǎn)總數(shù)為88302，單元總數(shù)為488792。在Visual-Cast模塊中進(jìn)行模擬前處理，檢查幾何體，設(shè)置鑄件、模具和型芯材料，模具材質(zhì)為H13鋼，型芯材料為硅砂，點(diǎn)擊Interface設(shè)置鑄型和鑄件、鑄型和型芯、鑄件和型芯之間的傳熱系數(shù)，見表3。BoundaryConditions中添加澆注溫度、冷卻方式、充型壓力、充型速度4個(gè)邊界條件，點(diǎn)擊Process設(shè)置模擬過程中重力加速度，該端蓋重力加速度矢量為Y軸正方向，將Y軸重力加速度設(shè)置為9.8m/s3端蓋壓鑄件的模擬3.1澆注方案搭接根據(jù)端蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不同的澆注系統(tǒng)單獨(dú)考慮澆注系統(tǒng)對(duì)于C5M4端蓋低壓鑄造工藝影響，在澆注溫度為720℃，模具預(yù)熱溫度為250℃，充型壓力為40kPa，充型速度為80mm/s條件下，對(duì)不同澆注方案進(jìn)行數(shù)值模擬。取兩種澆注系統(tǒng)的液態(tài)金屬充型過程運(yùn)行至1000步時(shí)的充型狀態(tài)做對(duì)比，見圖6。由圖6可知，澆注方案2液流充型較平穩(wěn)，對(duì)于型腔內(nèi)氣體排出有利，搭接形式更優(yōu)，因此選擇方案2做進(jìn)一步研究。在較優(yōu)搭接方案下，對(duì)比內(nèi)澆道個(gè)數(shù)對(duì)C5M4端蓋低壓鑄造的影響，澆注方案示意圖見圖7。取方案2、方案3澆注系統(tǒng)的液態(tài)金屬充型過程運(yùn)行至1000步時(shí)的充型狀態(tài)做對(duì)比，見圖8。由圖8可知，方案2的充型過程更平穩(wěn)，能夠減少紊流、氧化夾雜等缺陷。方案3在充型時(shí)，來自多個(gè)內(nèi)澆道的液流相互沖擊，金屬液產(chǎn)生飛濺，鑄件凝固后易產(chǎn)生飛邊毛刺，金屬液迅速?zèng)_入鑄件內(nèi)部，端蓋中氣泡無法及時(shí)排出，將導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷，綜上，選擇方案2進(jìn)行本次數(shù)值模擬。3.2充型速度對(duì)模擬端蓋鑄造工藝的影響將澆注溫度、模具預(yù)熱溫度、充型壓力和充型速度作為主要影響因素，在合適范圍內(nèi)分別定義3個(gè)不同數(shù)值，見表4。采用正交試驗(yàn)?zāi)M其對(duì)C5M4端蓋低壓鑄造的影響。選擇L由表5可知，澆注溫度為720℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，充型壓力為40kPa，充型速度為80mm/s時(shí)，鑄件縮松、縮孔體積最?。ㄒ姳?中4號(hào)）。澆注溫度為740℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，充型壓力為60kPa，充型速度為70mm/s時(shí)，鑄件縮松、縮孔體積最大（見表5中7號(hào)）。7號(hào)試驗(yàn)澆注溫度過高，而模具預(yù)熱溫度過低，影響金屬液充型能力，端蓋無法得到及時(shí)補(bǔ)縮，導(dǎo)致形成縮松、縮孔較多。由表5可知，充型速度對(duì)端蓋低壓鑄造工藝影響最顯著，充型速度慢，液態(tài)金屬填充平穩(wěn)，有利于型腔中氣體的排除；若充型速度過慢，對(duì)于復(fù)雜薄壁鑄件，尤其采用金屬型時(shí)，容易產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷。3.3缺陷產(chǎn)生位置由表5可知，就澆注溫度，A對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行ProCAST模擬，其縮松、縮孔體積降為75.23cm鑄件中缺陷產(chǎn)生的位置集中在端蓋中部通孔附近，見圖11。為進(jìn)一步減少鑄造缺陷，在接近端蓋通孔附近位置處設(shè)置冒口，熱節(jié)圓直徑d冒口在端蓋形成時(shí)補(bǔ)給金屬液，進(jìn)行補(bǔ)縮、排氣和集渣，在優(yōu)化工藝條件下，添加冒口后縮松、縮孔缺陷體積降為68.96cm4充型速度對(duì)cbm4端蓋低壓鑄造工藝的影響(1）通過對(duì)不同澆注系統(tǒng)的充型過程進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)方案2充型過程更平穩(wěn)，為最優(yōu)澆注方案。(2）根據(jù)正交試驗(yàn)，最優(yōu)工藝參數(shù)是澆注溫度為700℃，模具預(yù)熱