甩油盘铸件的研制
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摘 要：ZM5镁合金浇注的甩油盘铸件按初步设计的方案产生大量疏松缺陷，为解决这一缺陷，对浇注系统进行了改进，并利用Pro-cast软件对改进后的浇注系统进行浇注、冲型及冷却过程进行模拟，模拟结果对铸件缺陷的预防及浇注系统的进一步改进提供了依据。改进后的浇注系统浇注的铸件合格率达70%。
关键词：浇注系统；疏松；缺陷；数值模拟
ZM5铸造镁合金是一种镁-铝-锌系合金，该合金具有良好的流动性、可焊性，热裂倾向性低，但固-液相线温度间隔比较大，合金凝固区间宽度很大，趋于糊状凝固，故补缩能力差，疏松倾向也比较大，因此在铸造时必须采取相应的措施[1]。某型航空发动机零件甩油盘材料为ZM-5，采用砂型铸造，轮廓尺寸为200×150×200mm铸件结构复杂，有尺寸较小的油路孔，直径最小处为8mm，有厚大法兰边，最厚处达15mm，且壁厚相差较大，存在较大热节，铸造过程中极易产生疏松缺陷，导致铸件报废，所以如何解决疏松缺陷已成为铸件研制的关键。
1 浇注系统及参数的设计
1.1 铸造材料
铸件材料选用ZM5，其化学成分见表1。
1.2 浇注系统设计
浇注系统设计得正确与否对铸件品质影响很大，铸件废品中约有30%是因浇注系统不当引起的[2]。对于轻合金，尤其是镁合金，化学性质极为活泼，极易与空气中的氧气、水分及氮气发生反应甚至燃烧。所以在浇注过程中应尽量平稳，减少飞溅，一般选择开放式浇注系统，主要优点是：进入型腔时金属液流速度小，充型平稳，冲刷力小，金属氧化轻。甩油盘的浇注系统如图1所示。
2 结果与改进
2.1 浇注试验及结果
按浇注温度（700～720）℃，浇注速度（5～8）s，共浇注了一批10件铸件，当进行到荧光工序时，发现其中7件铸件因存在多处疏松而报废。疏松位置位于圆筒上部、圆筒与油路孔的过渡处及法兰盘底部位置。
2.2 缺陷原因分析及对策
镁合金铸件产生疏松和缩孔的原因有以下几点：
（1）凝固过程中补缩不良；（2）浇注系统和冒口设置不当；（3）冷铁位置和厚度不当；（4）铸件形成毛刺、飞边等；（5）引入合金液的位置不当；（6）铸件局部过热和金属型温度过高；（7）浇注的温度过高，铸件的局部过热或温度不均匀等。
根据以上几点，经分析可得出该铸件产生疏松的原因：
（1）圆筒上部出现疏松，可能原因是冒口过小，补缩不良所致；圆筒内壁虽然沿圆筒轴向有冷铁，但由于该处补缩来源不足，也产生了疏松缺陷；（2）圆筒与油路孔过渡处的疏松产生的可能原因是该处存在热节、补缩不良所致；（3）法兰底部的疏松产生原因可能是内浇口过热所致，顶部冒口对其难于补缩，另外法兰边厚度较厚，而集渣包相对较小，对其补缩效果不佳所致。
根据以上分析，制定了如下的改进措施：
（1）针对圆筒顶部的疏松，将顶部冒口的尺寸增大拔模斜度不变，增加补缩效果；（2）针对圆筒与油路孔过渡处的疏松，将圆筒内部将原来的冷铁去掉，在原来冷铁位置沿圆筒整个深度方向增设暗冒口，拔模斜度5°，并在浇注时在冒口的周围加保温毡，此外在油路端面增加冷铁，与圆筒下端面的冷铁相接；（3）针对法兰底部处的疏松，在下砂箱砂胎的相应位置增加5块冷铁，增加集渣包的补缩效果。
改进后的浇注系统如图2所示。
2.3 数值模拟
用数值模拟软件Pro-cast对修改后的浇注过程的流场、温度场和应力场进行仿真分析，预测铸件的质量、优化浇注系统。
结果如图3所示，从（a）、（b）可以看出，因顶部的冒口增大、补缩作用增强，圆筒顶部的疏松已明显得到改善，然而圆筒与油路过渡处的疏松缺陷改善不明显，另外从（c）可以看出与内浇口相接的法兰边位置温度还是高于其它位置，说明该位置冷却较慢，冷铁的激冷能力不强，因此还需对浇注系统进行完善。
根据以上模拟结果，又对铸件的浇注系统进行了进一步完善：
（1）为解决（a）图中热节部位的疏松，在圆筒内部对应部位沿圆筒轴向方向增加了一处冷铁；（2）为解决（b）图中沿油路的疏松，在该位置沿整个油路放置冷铁，与暗冒口配合使用，加强铸件的顺序凝固，增大暗冒口的补缩距离和范围；（3）为进一步加大集渣包的补缩效果，进一步改善内浇口过热问题，把法兰边内侧的冷铁厚度增加，并增大集渣包的尺寸，增强集渣包的补缩效果。
4 改进效果
采取上述改进措施后，又按原来的铸造参数浇注4批共40件铸件，铸件的具体缺陷情况见表2。可见疏松和缩孔缺陷已经基本克服，说明改进后的浇注系统可完全满足要求。
5 结束语
（1）设计铸造工艺方案时，应充分考虑铸件的结构是否存在热节以及无法实现顺序凝固的部位，并提前制定相应的解决预案，对提高研制铸件的质量和缩短研制周期有至关重要的作用。
（2）Pro-cast铸造模拟软件的应用能够提前预测铸件在浇注过程中产生的缺陷种类及部位，对于改进铸件质量、缩短生产周期有较大帮助。
（3）铸件的疏松易产生在内浇道附近、冒口根部、壁厚部位及厚薄接转处，因此应将冷铁与冒口配合使用，对解决铸件的疏松与缩孔缺陷有着良好的效果。
参考文献
[1]陈国桢，肖柯则，姜不居.铸件缺陷和对策[M].北京：机械工业出版社，1996.
[2]李魁盛.铸造工艺设计[M].北京：机械工业出版社，2001.
作者简介：孟凡奇（1983-），本科学历，研究方向：铸造专业。