凝固模擬在鋁合金導電桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用
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胡鄭重1 姚三九1，2 郭玉峰3
（1．湖北商貿(mào)學院機電與信息工程學院；2．武漢理工大學材料科學與工程學院；3．泰州康乾機械制造有限公司）
摘要以金屬型鑄造鋁合金導電桿為例，對鑄件的凝固過程進行數(shù)值模擬，可以直觀地發(fā)現(xiàn)因結(jié)構(gòu)不合理導致的鑄造缺陷以及定量化分析鑄造缺陷，為優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)提供參考。采用優(yōu)化的金屬型鑄造工藝，可生產(chǎn)出合格的鋁合金導電桿。
關(guān)鍵詞 鋁合金；導電桿；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；凝固模擬
中圖分類號 TP311; TG146. 21 DOI:10. 15980/j．tzzz．2016. 06. 026
合理的鑄件結(jié)構(gòu)，是保證鑄件質(zhì)量并降低成形工藝復雜性的重要舉措。采用計算機對鑄件的凝固過程進行數(shù)值模擬，可以直觀地發(fā)現(xiàn)因結(jié)構(gòu)不合理導致的鑄造缺陷并量化分析鑄造缺陷，為設(shè)計者優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)提供參考。本課題以金屬型鑄造鋁合金導電桿為例，闡述了凝固模擬在鑄件結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的作用。
1 鋁合金導電桿性能要求
鋁合金導電桿是高壓器配電設(shè)備的關(guān)鍵部件之一，對輸變電系統(tǒng)及電力設(shè)備的安全、可靠運行十分重要。在制造過程中，既要保證零件的尺寸精度、表面粗糙度、力學性能等，又要確保導電桿的導電性能。鑄件內(nèi)部的縮松會影響其導電性，所以得到致密的鑄件是保證導電性的前提之一。
鋁合金導電桿的結(jié)構(gòu)雖然比較簡單，但對內(nèi)部冷卻通道的技術(shù)要求比較高，其心部充滿冷卻液，所以其內(nèi)部的抗腐蝕性能必須保證，一旦在其內(nèi)部有縮孔、縮松等鑄造缺陷存在，就會出現(xiàn)化學腐蝕和電化學腐蝕，導電性能也會下降，并影響導電桿的使用壽命。
2 導電桿鑄造工藝設(shè)計
鋁合金導電桿的幾何形狀見圖1，導電桿可視為直管和彎管兩部分組成。其直徑為ϕ65 mm，長469 mm。在澆注過程中，由頂部加冒口直接往下傾斜澆注。這種情況下，原設(shè)計鑄件中會存在兩個熱節(jié)，分別在A處和B處。鋁合金導電桿的壁厚為22.5 mm，熱節(jié)圓直徑約為ϕ37.5 mm。
2.1 鑄造工藝設(shè)計
鋁合金導電桿鑄造工藝包括澆注方案、分型面。
根據(jù)分型面確定的基本原則：分型面的設(shè)計有利于分模和取出鑄件；有利于設(shè)置澆口、冒口；有利于型腔排氣；盡量使選取的分型面為平直的。通過綜合分析考慮，采取曲面分型的方法，確保鑄件能從模型中取出，并在直管尾部設(shè)置滑塊，以利于取出鑄件。
直澆道尺寸為ϕ68 mm×115 mm；澆注初始傾斜角為300。
根據(jù)鑄造手冊，采用金屬液平均上升速度法來確定鋁合金液的澆注時間，其澆注時間可表示為：
升速度，cm／s ;H為型腔的高度，cm ;b為鑄件的平均厚度，cm。通過計算，澆注時間為26 s。
2.2鑄造方案擬定
通過對鋁合金導電桿的結(jié)構(gòu)分析，采用不改結(jié)構(gòu)和改結(jié)構(gòu)方案進行金屬型鑄造工藝模擬。改結(jié)構(gòu)主要是指改變?nèi)毕莅l(fā)生部位的結(jié)構(gòu)，將冷卻通道內(nèi)“T”字形的結(jié)構(gòu)改成“十”字形的結(jié)構(gòu)，這樣的改變一方面有利于流體的緩沖，另一方面可以減小熱節(jié)，簡化鑄造工藝，無需使用暗冒口或冷鐵。
3模擬過程前處理
3.1 模擬軟件的選用
采用Pro CAST軟件，鑄造凝固過程進行熱一流動一應(yīng)力完全耦合，對編制的鑄造工藝進行溫度場、流動場和應(yīng)力場等的模擬分析，及時發(fā)現(xiàn)鑄造工藝中的不足和缺陷，從而達到鑄造工藝優(yōu)化的目的。
3.2體網(wǎng)格前處理
采用Pro/E進行三維造型。在導電桿的直管頂部設(shè)置澆冒口，然后在Pro/E軟件中相應(yīng)的模塊中繪制模具。在組裝模式下，指定相應(yīng)的材料以及網(wǎng)格大小，對組件進行面網(wǎng)格的劃分，導出面網(wǎng)格文件“*．a(chǎn)ns”文件。
將面網(wǎng)格文件直接導入到Pro CAST軟件中，指定好單位后，就可以進行體網(wǎng)格的劃分。
3.3模擬參數(shù)設(shè)置
通過Pro CAST軟件自帶的材料數(shù)據(jù)庫，鑄件材料為A356合金，得到熱力學參數(shù)，液相線溫度為616℃，固相線溫度為556℃。冷鐵和金屬型材料設(shè)為H13鋼，砂芯材料為SAND _Silica，材料的屬性選用軟件數(shù)據(jù)庫自帶的。
模擬過程中，將金屬型與金屬型之間設(shè)置為等值傳熱，金屬型與鑄件的傳熱系數(shù)設(shè)置為1 000 W/(m2．K)，砂芯與鑄件的傳熱系數(shù)設(shè)置為500 W/(m2．K)。
鋁合金導電桿在澆注初期設(shè)置鑄型與水平面成300，澆注15 s后，再邊立正邊勻速澆注，澆注總時間為26 s后在豎直狀態(tài)下冷卻。
4模擬結(jié)果及分析
4.1原結(jié)構(gòu)導電桿金屬型鑄造模擬結(jié)果
按既定金屬型鑄造工藝，在不添加冒口冷鐵的情況下，模擬缺陷分布結(jié)果見圖2。
在鑄件的熱節(jié)處設(shè)置暗冒口，其他工藝不變，模擬結(jié)果見圖3�？梢钥闯觯捎诮饘傩偷目焖倮鋮s作用，設(shè)置的暗冒口并沒有起到很好的補縮作用。相反，在冷卻過程中，暗冒口首先被周圍的金屬型壁所冷卻。當充型100 s時，冒口幾乎已經(jīng)冷卻完畢，而鋁導體直管底部還處于固液兩相區(qū)，并在一個較高的溫度范圍內(nèi)；當τ=140s時，由鋁導體直管底部固相分布可以明顯看出，在此處已形成縮松缺陷。
通過進一步加大暗冒口的尺寸，也許可解決此鑄造缺陷，但會降低鑄件的工藝出品率并增加生產(chǎn)成本。
4.2修改結(jié)構(gòu)后金屬型鑄造模擬結(jié)果
對直導管底部和彎管底部的結(jié)構(gòu)進行修改，結(jié)果見圖4。從圖4發(fā)現(xiàn)，僅僅將鋁合金導電桿“T”字形冷卻通道改變成“十”字形，導電桿的內(nèi)部缺陷已經(jīng)成功消除，而且因消除了鑄件土的熱節(jié)，免去了冷鐵和暗冒口，簡化了鑄造工藝。
與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)由于金屬型的激冷，晶粒得到細化。這一過程的實現(xiàn)將滿足鋁合金導電桿內(nèi)部的特殊要求。
5 結(jié) 論
(1)以金屬型鑄造鋁合金導電桿為例，通過凝固模擬發(fā)現(xiàn)，原結(jié)構(gòu)冷卻通道的直管底部和彎管底部會出現(xiàn)明顯的縮松缺陷，這是由于熱節(jié)得不到補縮而致。
(2)與原結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化后使導電桿內(nèi)部的熱節(jié)明顯減小，采用金屬型鑄造工藝后，基本消除了內(nèi)部縮松缺陷。
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