铝合金叶轮熔模铸造数值模拟探索

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摘要：以A356铝合金叶轮为研究对象，对铸件设计了侧注式和顶注式浇注系统。利用Procast软件进行数值模拟分析，预测分析了不同浇注方式下缺陷可能出现的位置。结果表明，侧注式浇注系统充型过程平稳，卷气缩松缩孔现象较少，同时减小了叶片根部与壳体连接部位的有效应力。

关键词：叶轮；浇注系统；数值模拟；有效应力

中图分类号：TG249.5 文献标识码：A 文章编号：1000-8365（2016）04-0805-04

熔模铸造工艺，被称为失蜡铸造或者精密铸造，是一个生产接近最终成型部件的完整体系。这种制造技术已经广泛地应用于铸造各种壳体、飞机配件等承受载荷的零件。对零件缩减重量和提高效率的研究使部件形状更加复杂，也更薄，也让熔模铸造变得更加复杂。复杂形状的零件熔模铸造的发展是通过尝试错误法或者是通过反复铸造试验来实现的，铸造参数在优良品质的铸件生产出来之前一直是变化的，但是这种方法非常昂贵也很费时[1-3]。数值模拟是另外一种确定铸造参数的方法，如果加工材料的准确性能数据已知，并且精确定义边界条件，铸造模拟将很可靠[4]。本文以某型铝合金叶轮为例，对铸件设计了侧注式和顶注式浇注系统，利用ProCAST有限元铸造模拟软件对其铸造过程进行数值模拟，有效地预测了铸造缺陷，从而为确定最佳工艺方案、优化铸造工艺参数，确保铸件质量，缩短产品试制周期，降低生产成本，提高生产效率提供了科学的依据。

1铝合金叶轮的结构特点

所研究的铝合金叶轮为薄壁零件，采用A356铝合金熔模精铸而成，其结构如图1。叶轮壳体内径108mm，外径112mm，厚度仅为2mm，8个叶片呈扭转形状均匀分布在壳体四周，叶片厚度不均匀，最薄处仅为1.2mm。因为叶片结构容易引起充型过程不平稳，产生紊流，出现缩松缩孔影响力学性能，应力过大导致裂纹缺陷，合格率较低，所以有必要对叶轮进行数值模拟研究，设计合理的浇注系统，为实际生产提供理论依据。

2原始设计方案的模拟与分析

2.1边界条件和热物性参数设计

启动软件VisualEnvironment8.0，在Vi-sualMesh模块，导入叶轮的igs格式文件，设置铸件和浇注系统网格长度均为2mm，划分好网格的浇注系统如图2，浇注合金为A356，耐火型壳材料采用FusedSilica，接触面类型为COINC，界面换热系数为1000W/m2•K，冷却类型Aircooling，浇注类型为GravityFilling。其热物性参数见表1。设置浇注温度为750℃，浇注速度为0.3m/s，型壳预热温度为400℃。

2.2数值模拟结果及分析

顶注式填充过程如图3。合金液首先到达型腔底部，逐渐向上充型的过程中同一水平位置的充型状态并不同，合金液面高低不平，这说明铝合金液面的平稳性较差。尤其在叶轮中间部位，紊流现象明显，容易造成合金液的氧化以及氧化物卷入合金液内部，影响铸件的质量。通过温度场缩松缩孔模拟结果可以看出，叶片心部出现了体积很大的缩孔缩松缺陷(如图4)，叶片根部与壳体连接部位1、2、3处也出现了221MPa的应力(如图5)，如果超过材料的屈服强度，有可能会出现微裂纹。如果叶片心部组织中存在较大缩松缩孔和微裂纹，会导致局部的应力集中，增大截面上所承受应力，因而在使用过程中，诱发早起的开裂，形成早期的裂纹源[9]。实际生产的带有缺陷的叶轮如图6。

3改进方案设计及模拟结果

从原始方案的设计和模拟结果可以看出，应当从三个方面进行优化：①金属液直接冲击叶片边缘，易引起金属液飞溅，产生紊流；②叶片中间部分有较大的缩孔缩松；③叶片根部和主壳体之间存在较大的应力，容易引起热裂缺陷。基于以上考虑，主要通过改变浇注系统来获得较好的充型。图7采用了侧注式浇注系统，在壳体上中下部位各设置一个浇口，模拟中的试验参数与原方案相同。改进后的浇注系统如图8所示，侧注式方案设计使得合金液在注入型腔时得到了一定程度的缓冲，对腔壁的冲击较小，无明显局部紊流现象发生。合金液从底部横浇道流入型腔后，开始依次向上充填进叶轮底部，与中部横浇道中合金液体汇合后再向上充型，最终充满整个型腔，实现了顺序充型。上中下横浇道同时注入较单一注入效率高，并且有利于气体的排出。在叶片边缘以未观察到明显的紊流，合金液面上升平稳，因此认为该方案的充型过程良好。横浇道和内浇口的设计有助于顺序凝固，让铸件得到有效的补缩，减小了叶片产生的缩孔缩松。由图9中可以看出，壳体的缩松缩孔缺陷较顶注式方案时减小，在叶片边缘与主壳体的结合部位有少量缩松缩孔出现，最大缩孔率约为0.69，铸件本体基本没有宏观缩孔缩松缺陷出现。从图10可以看出，叶片根部与壳体之间在凝固末期的有效应力降低为158MPa，有效减少了裂纹的产生。

4实验验证

基于仿真分析结果，采用侧注式的型壳和成品如图11和图12，铸件充型完整、轮廓清晰、表而质量好，无缩孔、缩松等明显的铸造缺陷。

5结论

（1）使用同样浇注参数的侧注式浇注生产的铝合金叶轮相比于顶注式浇注充型过程平稳，缩松缩孔体积较小，减小了叶片和壳体之间的有效应力。（2）实践表明，应用ProCast软件模拟铸件凝固过程，可以准确地预测缺陷类型、大小及位置、分析有效应力，为选择高效工艺方案提供了可靠的依据。

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作者：张逢骏 张洁 奚磊 何志军 王禹明 单位：江苏大学机械工程学院