王 玉，吳曉明，任新苗，高懷勝

(西安航天發(fā)動機有限公司，陜西 西安 710100)

0 引言

目前，現(xiàn)役長征系列運載火箭鑄件生產(chǎn)沿用20世紀(jì)60年代的傳統(tǒng)黏土砂鑄造工藝技術(shù)，鑄件內(nèi)部夾雜、針(氣)孔等缺陷多，鑄件尺寸和重量不穩(wěn)定、鑄件表面粗糙度大，廢品率高，成為制約發(fā)動機鑄件產(chǎn)品質(zhì)量與批量交付瓶頸。而樹脂砂造型工藝具有成形性好、尺寸精度高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，結(jié)合鍶變質(zhì)工藝，已被廣泛應(yīng)用于航空航天等軍工領(lǐng)域[1-4]。

為了提高工藝穩(wěn)定性，減小鑄件質(zhì)量波動，解決鑄件生產(chǎn)薄弱環(huán)節(jié)，杜絕由鋁合金鑄件缺陷導(dǎo)致的各類質(zhì)量問題，開展了樹脂砂工藝轉(zhuǎn)化研究，目前已完成10余種產(chǎn)品轉(zhuǎn)化。但在轉(zhuǎn)化過程中，由于鑄造工藝使用的型砂熱物性參數(shù)、透氣性以及鑄型物理性能相差較大，且國內(nèi)外文獻(xiàn)未見其熱物性參數(shù)相關(guān)報道，某批次Y進(jìn)口管鑄件內(nèi)部存在大面積疏松缺陷。

ProCAST是法國ESI公司針對鑄造工藝優(yōu)化而開發(fā)專業(yè)的CAE系統(tǒng)，是目前應(yīng)用最為廣泛的鑄造仿真模擬軟件。該軟件可對鑄件成形過程中的流場、溫度場及應(yīng)力場進(jìn)行仿真分析，預(yù)測鑄件質(zhì)量，為工藝方案優(yōu)化提供支撐[5-10]。

本文以Y進(jìn)口管為研究對象，采用ProCAST軟件對充型及凝固過程進(jìn)行可視化仿真模擬，并開展試驗件研究，運用X光透視、理化分析等手段，確定鑄造缺陷產(chǎn)生原因，并以此開展了改進(jìn)工藝研究，確定最佳的工藝方案。

1 產(chǎn)品簡介、生產(chǎn)現(xiàn)狀

1.1 產(chǎn)品簡介

Y進(jìn)口管是連接氧泵與氧化劑儲箱的通道，采用ZL104合金(表1)鑄造而成，立體圖如圖1所示，由加強肋(6條)、傳感器接管嘴對接平臺(1個，以下簡稱三角平臺)、泄流閥對接平臺(2個，以下簡稱圓形平臺)、上部圓形法蘭和下部梅花瓣法蘭組成，6條加強筋將筒壁均勻劃分為6個區(qū)域。鑄件具體要求為：I類鑄件，采用X光透視對內(nèi)部質(zhì)量進(jìn)行檢查，不允許存在夾雜與疏松等缺陷。

圖1 X光透視分區(qū)Fig.1 X-ray perspective area

表1 化學(xué)成分

1.2 生產(chǎn)現(xiàn)狀

開展樹脂砂工藝轉(zhuǎn)化后，Y進(jìn)口管鑄件尺寸精度由GB/T6414 7—1999 CT12級提高到CT10級，鑄件非加工表面粗糙度Ra值從50 μm降低到25 μm。但是由于樹脂砂與黏土砂熱物性參數(shù)的差距，轉(zhuǎn)化初期，首批次生產(chǎn)50件鑄件產(chǎn)品合格率僅60%，X光透視檢查發(fā)現(xiàn)有20件在加強筋與梅花瓣法蘭背部相交處以及三角平臺下方均出現(xiàn)了大面積的鑄造缺陷，缺陷位置如圖2所示。

將其三角平臺下方缺陷人為打斷，從宏觀形貌圖3(a)可以看出斷口平直，無明顯的塑性變形，從微觀形貌圖3(b)可以看出，斷口存在大量的枝晶，呈現(xiàn)解理斷裂特征，不存在尖銳突變的銳邊，未見金屬、非金屬夾雜，可見離散、連續(xù)斷續(xù)分布的大小不一的孔洞，按文獻(xiàn)[11]的方法判定缺陷類型為疏松。

圖2 缺陷位置Fig.2 The position of the defect

圖3 缺陷形貌Fig.3 The morphology of the defect

通過缺陷類型進(jìn)行統(tǒng)計分析，疏松缺陷占比90%，其他類型缺陷為5%，如夾雜、裂紋等。

2 鑄造工藝仿真模擬及缺陷產(chǎn)生機理分析

2.1 數(shù)學(xué)模型建立

鑄造過程的仿真模擬是對澆注系統(tǒng)、補縮系統(tǒng)及鑄件在時間域、空間域進(jìn)行有限離散，得到一系列相關(guān)的離散變量值，基于相關(guān)物理模型，通過數(shù)值計算求解方程，得出并分析鑄造過程中的流場、應(yīng)力場的變化，并結(jié)合鑄造缺陷的形成特征預(yù)測鑄件成形質(zhì)量[12]。

在鑄造仿真模擬中，一般將金屬液視為黏性不可壓縮牛頓流體，通過連續(xù)質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程描述其流動過程，通過能量守恒方程描述金屬液與鑄型之間的熱交換過程。

1)連續(xù)質(zhì)量守恒方程

(1)

式中：u，v，w為速度矢量在坐標(biāo)系中x，y，z方向上的分量；D為散度。

2)動量守恒方程

動量守恒方程是由牛頓第二定律推導(dǎo)出的黏性流體動量方程

(2)

式中：ρ為密度，kg/m3；p為壓力，Pa；ν為運動速度，m/s；g為重力加速度，m/s2；2為拉普拉斯算子，

3)能量守恒方程

(3)

式中：T為溫度，K；c為比熱，J/(kg·K)；λ為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；S為內(nèi)熱源，K[13-15]。

仿真模擬流程如圖4所示。

圖4 仿真模擬流程圖Fig.4 Flow chart of simulation

2.2 三維仿真模型建立及網(wǎng)格剖分

采用UG三維建模軟件建立三維數(shù)字化模型，如圖5所示。

圖5 三維模型Fig.5 3D model

網(wǎng)絡(luò)剖分時要保證計算精度和計算效率的有效統(tǒng)一，需簡化模型以減少網(wǎng)格數(shù)量，提高計算速度，同時還應(yīng)兼顧精度。由于鑄件不同部位厚度相差較大，因此，需綜合考慮壁厚部分計算精度和模擬計算量，采用非一致性網(wǎng)格劃分的原理，用不同網(wǎng)格長度劃分鑄件面網(wǎng)格。鑄件部分網(wǎng)格大小為3 mm，澆道冒口、澆道及砂箱的網(wǎng)格長度為4 mm，體網(wǎng)格數(shù)為5 664 418，節(jié)點數(shù)為10 333 154，劃分結(jié)果如圖6所示。其中面網(wǎng)格為三角形單元，而體網(wǎng)格為四面體單元。

圖6 網(wǎng)格劃分流程Fig.6 Grid generation process

2.3 參數(shù)設(shè)置

2.3.1 材料熱物性參數(shù)及邊界條件

精確的熱物性參數(shù)及邊界條件是確保計算準(zhǔn)確度的關(guān)鍵，直接決定仿真結(jié)果的可靠性。熱傳導(dǎo)反求由物體內(nèi)溫度測量值來確定物體邊界狀況(統(tǒng)稱為邊界條件，包括表面熱流、物體的物形參數(shù)等)[16-18]，廣泛應(yīng)用于材料熱物性參數(shù)及邊界條件確定。聯(lián)合華中科技大學(xué)，基于CAE軟件，進(jìn)行熱物性參數(shù)反求，反求流程如圖7所示，熱電偶分布見圖8。具體方案為：通過對實際鋁合金試件/鑄件以及鑄型中的特征點進(jìn)行測溫，獲得鋁合金鑄件澆注凝固過程中準(zhǔn)確的特征點溫度曲線，對比鑄造仿真模擬軟件得到的曲線，經(jīng)多方案正交模擬計算，反求出與實際曲線最為吻合的方案為方案二，如圖9所示。該方案所設(shè)置的熱物性參數(shù)，即為與實際更為接近的合金熱物性參數(shù)。

圖7 熱物性參數(shù)求解流程Fig.7 Process of solving thermal physical parameters

圖8 熱電偶位置分布圖Fig.8 Thermocouple location map

圖9 反求曲線與試驗曲線Fig.9 Simulation and test curves

將反求得到的Zl104合金的熱物性參數(shù)及邊界條件對模型賦值。

2.3.2 澆注溫度

根據(jù)熱物性參數(shù)反求，得到ZL104固液相線為551～580 ℃。澆注溫度與產(chǎn)品最小壁厚有關(guān)，壁厚越小，澆注溫度則應(yīng)越高，以保證合金液滿足充型要求。結(jié)合相似壁厚產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗，初步設(shè)置澆注溫度為690 ℃，后續(xù)根據(jù)仿真結(jié)果而調(diào)整。

2.3.3 澆注速度的確定

卡爾金公式[19]是鑄造過程中用于計算澆注速度常用公式，計算可得澆注速度為15.3 cm/s。

2.4 充型及凝固過程仿真模擬

不同時刻合金液的充型流動狀態(tài)和溫度分布情況如圖10所示。整個充型過程耗時9.98 s，合金液首先充滿直澆道，途經(jīng)橫澆道、暗冒口和內(nèi)澆道，于1.38 s時從鑄件兩側(cè)進(jìn)入型腔，沿高度方向自下而上充型。整個充型過程相對平穩(wěn)，但溫度場分布不均勻，遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的梅花瓣法蘭，由于沒有金屬液的補充，加之底部冷鐵激冷作用，溫度降低較快。

圖10 充型過程溫度場分布圖Fig.10 Temperature distribution diagram of filling process

圖11為鑄件凝固過程固相分?jǐn)?shù)分布，由圖可知，鑄件38.7 s時，1區(qū)、2區(qū)、4區(qū)、5區(qū)的梅花瓣法蘭開始凝固，固相分?jǐn)?shù)為0.3～0.5，介于固相及液相之間屬于糊狀區(qū)域，固相中生成大量枝晶，但未形成封閉骨架，此時合金液仍能夠流動，但已存在的枝晶阻礙液體的流動。接近內(nèi)澆口的3區(qū)、6區(qū)溫度較高，還未開始凝固。98.7 s時，梅花瓣法蘭處固相分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到0.8～1.0，此時固相形成的骨架相互交錯，枝晶間的液相無法順暢流動，殘余液相轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔鄷r的體積收縮，是形成微觀空洞的來源。冒口部位仍處于高溫糊狀區(qū)域，補縮通道只剩下靠近內(nèi)澆道的部分筋條部位。靠近澆口的筋條部位在內(nèi)部冷鐵的激冷作用下， 108.7 s出現(xiàn)固相，補縮通道完全封閉。118.7 s時，除了筋板與梅花瓣相交處以及三角平臺下方、冒口以及內(nèi)澆道暗冒口部位外，全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔啵藭r在這些部位孤立的糊狀液相區(qū)由于得不到補縮，凝固過程中因體積收縮必然會產(chǎn)生孔洞型疏松缺陷。因此在此部位易形成疏松等缺陷，這與實際產(chǎn)品缺陷位置吻合。

圖11 固相分?jǐn)?shù)分布圖Fig.11 Solid fraction distribution diagram

2.5 缺陷產(chǎn)生機理分析

凝固收縮是鑄件形成疏松的主要原因。ZL104為典型的層狀凝固合金，疏松主要源于枝晶間的補縮不足，其產(chǎn)生原因一般為不合理的凝固順序。

圖12為原方案熱節(jié)部位冷鐵示意圖，其中3#冷鐵由4塊四分之一圓環(huán)組成，每2塊圓環(huán)之間有5 mm的間隙，3#冷鐵貫穿了整個鑄件的內(nèi)腔，并且與2#冷鐵相鄰，增加了冷鐵的蓄熱能力，缺陷部位所對應(yīng)的冷鐵的厚度是鑄件壁厚的2倍，過厚的冷鐵使激冷效果強烈，從而使薄壁過早凝固，阻斷了補縮通道，使最后凝固的缺陷區(qū)沒有補縮源，在后續(xù)的凝固收縮過程中出現(xiàn)了疏松等缺陷。因此，冷鐵設(shè)計不合理是導(dǎo)致Y進(jìn)口管疏松缺陷產(chǎn)生的根本原因。

圖12 原方案冷鐵Fig.12 Original chiller

3 工藝優(yōu)化與驗證

3.1 工藝優(yōu)化方案制定

疏松缺陷一般通過改變充型方式、優(yōu)化補縮能力、調(diào)整凝固順序等方法進(jìn)行消除。

由充型結(jié)果可知，原工藝方案充型過程平穩(wěn)，未見異常。因結(jié)構(gòu)限制，缺陷位置無法通過添加冒口增加補縮源達(dá)到提高補縮能力的效果。因此，解決該問題可行方法為優(yōu)化冷鐵結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)各部分冷卻速度，優(yōu)化凝固過程溫度場分布，建立自下而上的凝固順序，保證補縮通道的暢通。

針對3#階梯形冷鐵結(jié)構(gòu)不合理問題，制定了改進(jìn)方案：去掉階梯形冷鐵中間部分，從而切斷了冷鐵的連續(xù)性，降低了冷鐵的激冷作用，保證鑄件薄壁自下而上凝固，從而消除疏松缺陷，3#冷鐵改變后形狀如圖13所示。

圖13 改進(jìn)后冷鐵Fig.13 Improved chiller

3.2 工藝優(yōu)化方案仿真模擬

對改進(jìn)后方案進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖14所示。充型時間43.7 s時鑄件的梅花瓣法蘭開始出現(xiàn)凝固，同時薄壁開始出現(xiàn)糊狀凝固區(qū)。鑄件的梅花瓣法蘭先于薄壁凝固，直至153.7 s時厚壁才開始凝固，保證了鑄件自下而上的凝固順序，確保補縮通道暢通，由于凝固收縮而減少的合金液得到了冒口的補縮，在203.7 s時，可以看出原方案缺陷的部位未見殘留的孤立合金液，從而可以斷定此處的缺陷能夠得到改善或解決。

圖14 改進(jìn)方案固相分?jǐn)?shù)分布圖Fig.14 Improved solid fraction distribution diagram

3.3 工藝優(yōu)化方案驗證

按照工藝優(yōu)化方案進(jìn)行試生產(chǎn)，投產(chǎn)14件，13件X光透視合格，僅1件出現(xiàn)夾雜缺陷，未見疏松缺陷，合格率達(dá)到92.8%，驗證結(jié)果與仿真結(jié)果一致。工藝改進(jìn)前后產(chǎn)品效果如表2所示。

表2 改進(jìn)效果對比

傳統(tǒng)試錯工藝設(shè)計模式，需要至少2輪的工藝驗證，以完善工藝方案，其周期至少在4個月。而基于鑄造仿真模擬的鑄造工藝設(shè)計模式，運用先進(jìn)仿真模擬技術(shù)，通過充型過程目視化呈現(xiàn)，將原先的理論分析轉(zhuǎn)化為流場、應(yīng)力場以及溫度場分析，實現(xiàn)了工藝方案的快速驗證，研制周期僅1個月，縮短了75%。

4 結(jié)論

1)針對某批Y進(jìn)口管鑄造缺陷問題，運用微觀組織分析、X光透視確定缺陷位置、類型，并運用Pro CAST仿真模擬軟件對充型和凝固過程進(jìn)行模擬，確定了冷鐵設(shè)計不合理是產(chǎn)生鑄造疏松缺陷的根本原因。

2)通過冷鐵結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化凝固溫度場分布，建立自下而上的凝固順序，經(jīng)仿真及生產(chǎn)驗證，基本消除了鑄造疏松缺陷，鑄件工序產(chǎn)品合格率由60%提高到92.8%，鑄造優(yōu)化試驗周期由4個月以上縮短至1個月，縮短了75%。