 原标题：耐压铝合金套筒低压铸造数值模拟分析与工艺设计 摘要 运用Flow-3D 软件对低压铸造压力容器A356铝合金套筒铸件进行了充型凝固过程分析，设计了铸造工艺方案。通过优化浇注温度、模具温度和压力等生产工艺参数，得到内浇口6个均布于法兰底部、冷铁厚度为40%铸件壁厚的工艺设计方案和压力增速376 Pa/s、模具温度为100 ℃、浇注温度为700 ℃的生产工艺方案。生产的铝合金套筒铸件外观良好，热处理后的单铸试棒力学性能、化学成分及铸件气密性检测结果均符合铝合金压力容器验收标准，表明所采用的低压铸造工艺合理可靠。 金属压力容器铸件的质量要求比普通铸件更为严格，需满足承压、耐腐蚀、可靠性高、气密性和力学性能优良等要求。铝合金材料因为具有密度低、强度高、韧性好和耐蚀性强等优点，被广泛应用在压力容器制造领域。铸造是生产铝合金压力容器的主要方法之一，然而在铝合金铸件生产过程中，尤其是在带有孔结构（或法兰）的铝合金铸件制造过程中，孔结构附近会产生大量的孔洞缺陷，造成铝合金铸件力学性能、密封性能与耐压性能的大幅下降，甚至报废，导致成品率低，能源大量浪费，给生产带来损失，并且在使用过程中存在安全隐患。低压铸造技术因获得的铸件整体结构性好、可靠度高、质量轻且加工成本较低等优点，常用作压力容器等零件的生产。但低压铸造工艺涉及影响铸件质量的因素较多且复杂，铸件易出现缺陷。低压铸造一般使用金属型模具，工艺更改难度很大，迫切需要通过计算机模拟来优化技术方案，以达到节约开发成本、缩短产品开发周期等目的。 本研究以压力容器A356铝合金套筒为研究对象，利用Flow-3D软件分析低压铸造铸件充型凝固过程速度场、压力场、温度场、氧化渣分布情况，依据数值模拟结果设计铸造工艺方案及生产工艺方案，获得可保障铸件产品质量的最优工艺。 01 A356铝合金套筒产品及铸造工艺分析 A356铝合金的化学成分如表1所示，密度为2.7 g/cm³，液态流动性好、收缩率和热裂倾向小，铸造性能优异。A356铝合金经过变质和热处理后，力学、物理、耐腐蚀及机械加工性能均能获得较大提升。
表1 A356 合金化学成分 wB/% 如图 1 所示为铸件三维形状，其法兰直径为Φ650 mm，筒体外径为Φ478 mm，内径为Φ446 mm，整体高347 mm。铸件体积为0.018 4 m³，表面积为1.43 m²，质量为49.2 kg。筒体最小壁厚12 mm，最大壁厚16 mm，法兰厚38 mm。要求不得有气孔、夹砂、缩松等铸造缺陷。
图1 铝合金套筒铸件
铝合金套筒属于大型薄壁铸件，浇注系统各组元横截面积比为：
根据铸件实际情况，取各截面面积为： 设计6个内浇口，均布于法兰底部，具体形状及位置如2所示。
图2 浇注系统设计图 02 A356铝合金套筒低压铸造工艺方案设计 2.1 浇注系统设计 遵循顺序凝固，采用开放式、底注式浇注系统。 内浇道截面积以补缩铸件和调节凝固顺序为基本原则，由公式（1）进行计算。
式中：A内为内浇道横截面积（cm²）；G为铸件质量（g）；ρ为铝合金密度（g/cm³）；v为内浇口处线速度（为保证充填过程中不出现紊流为限度，一般取v≤15 cm/s）；t为充满铸型所需时间（s）。 2.2 充型过程数值模拟分析 将工艺设计的实体三维模型转化为stl格式文件导入Flow-3D软件，并对工艺参数进行设置及网格划分。铸件材质为A356铝合金，模具为H13钢，传热系数：液态金属-模具之间为1 750 W/（m²·K），固态金属-模具之间1 000 W/（m²·K），边界条件设定为固壁边界。升液及充型压力21.5 kPa，充型时间21 s，凝固成型压力39.2 kPa，保压时间1 300 s。浇注温度为700 ℃，模具温度为100 ℃。 为探究铸件关键位置充型情况，在铸件法兰和筒体顶部分别设置监测点（红色标注），如图3所示。
图3 监测点位置图 从充型压力场模拟（图4）看到：充型45%之前，各内浇道压力分布都较均匀，液面总体平稳上升，充型到55%时，法兰与内浇道压力差为1 000 Pa；充型65%时，铝液由法兰进入筒身时发生波动，呈现了不稳状态，法兰与内浇道压力差大于1 000 Pa。随着充型继续进行，各部位压力差稳定在1 000 Pa，如图4（d）所示。
图4 充型过程压力场 再由充型过程速度场模拟（图5）看到：充型45%时，横浇道与内浇道内液体充填的速度差基本为0，液面平稳；充型55%时，法兰内液体充填速度差为0.05 m/s，此差值较小对金属液流动的平稳性影响可以忽略；充型到65%时，相邻内浇道之间、内浇道处金属液速度差增大为0.1 m/s，液面出现波动；充型超过65%后，铸型内金属液速度差基本为0，液面上升平稳。从整个充型过程的速度差变化可以发现，0.1 m/s的速度差是液面产生波动的最大值。
图5 充型过程速度场 综上，从充型过程的压力场和速度场模拟分析可知，只有在金属液由浇道进入法兰型腔时产生了微小压力和速度的变化，变化值不大，故可得出此浇注系统方案是合理的。 03 补缩系统设计及数值模拟分析 从铸件凝固过程的温度分布图6和图7可看出，在整个凝固过程中，铸件顶部外表面和法兰外表面冷却速率分别为0.09 ℃/s和0.07 ℃/s。由于法兰厚度过大，铸件法兰面内部温度变化和浇注系统基本相同，冷却速率皆为0.06 ℃/s，浇注系统温度和法兰温度大致为560 ℃（图6（f）），从凝固过程温度分布的底视图（图7）也可看出此现象。由于法兰面的凝固速度与浇注系统相同，浇注系统无法完成其补缩作用，法兰面的凝固过慢，也会形成热节，且得不到浇注系统的补缩易导致缩孔和缩松等缺陷出现。基于凝固过程的分析，有必要设计补缩系统来进行补缩和调整凝固顺序。
图6 凝固过程温度分布主视图
图7 凝固过程温度分布底视图 由于在低压铸造充型完毕后金属液在压力下凝固，有较好的补缩能力。同时，内浇道中金属液也可对铸件进行补缩，可不设冒口。因此只需设计冷铁来改变凝固顺序。结合本铝合金套筒的结构特点，在其法兰处及筒体顶端厚度较大处设置冷铁，冷铁材质为A356铝合金。冷铁形状及位置与如图8所示。法兰处冷铁厚度为15.2 mm，筒体处冷铁厚度为6.4 mm，高度为18 mm。
图8 铝合金套筒冷铁形状及布置 从凝固过程温度分布图9可以看到：圆筒顶部外表面和法兰外表面冷却速率分别为0.22 ℃/s和0.16 ℃/s，法兰外表面温度下降最快，最先凝固。凝固70%时，法兰外表面已完全凝固，初步判断有可能会阻碍浇注系统对铸件薄壁部位的补缩。分析铸件底部的凝固过程温度分布（图10）又看到：法兰和内浇口冷却速率均为0.13 ℃/s，法兰面在冷铁作用下从外圈远离内浇口的位置开始凝固，并逐渐靠向内浇口，并未阻碍内浇口对铸件的补缩。故得出补缩系统的设计也是合理的。
图9 温度分布主视图
图10 温度分布底视图 04 A356铝合金套筒的生产工艺确定 在低压铸造过程中，压力曲线控制着铝液升液、充型、结壳、增压和保压，直至卸压的全过程，因此合理的压力曲线是生产合格铸件的保证。升液压力可根据式（2）进行计算；升液增压速度可根据式（3）进行计算。
式中，p为升液和充型阶段压力（MPa）；H为金属液上升高度（cm）；ρ为金属液密度（g/cm³）；10 200为单位换算系数（g/N）；K为充型阻力系数（K＝1~1.5），K的取值与合金粘度、铸型型腔复杂程度等有关，阻力小时取下限，阻力大时取上限。
式中：t为充型时间（s）；v为充型速度（cm/s）；H为金属液上升高度（cm）。 在低压铸造中，浇注温度及模具温度的确定原则与普通浇注的情况一致，即在保持铸件成形的先决条件下，以较低浇注温度为宜，原因是可以减小液态金属吸气和收缩，使铸件产生气孔、缩孔、缩松、内应力和裂纹等缺陷机会减少，同时使铸件组织致密。低压铸造中，液态金属是在压力作用下充型，金属热量散失较慢，所以浇注温度比一般铸造方法低10~20 ℃。 依此设计原则，铝合金套筒的生产参数选取如图11的压力曲线，升液时间为4 s，升液增压速度为1 325 Pa/s；充型时间为29 s，充型增压速度为376 Pa/s，浇注温度为700 ℃，模具温度为100 ℃。在此生产参数（图11）下对充型的压力场、速度场、温度场及氧化渣的分布情况进行模拟分析，以确定选取的生产参数是否合理。
图11 压力曲线 从充型过程压力场数值模拟结果（图12）可看出：浇注系统中压力分布均匀，充型过程平稳，压力差在1 000 Pa以内（图12（a）-（b））；充型时间为15.04 s时，压力增速为376 Pa/s，铸型上下压力差为2 000 Pa，液面出现小幅波动。充型25 s时，液面上升平稳，此时铸型上下压力差为6 000 Pa。
图12 充型过程压力场 速度场数值模拟结果（图13）分析：浇注系统及铸型内铝液最高速度为0.15 m/s，速度差普遍在0.1 m/s以下，液面上升平稳。图13（c）中，铸型法兰内速度差为0.125 m/s，液面由法兰进入筒身时产生波动。图13（d）中，铸型内速度差为0.05 m/s，铝液流动状态平稳。
图13 充型过程速度场 氧化渣分布如图14所示。图14（a）-（b）中，铝液由升液管进入横浇道时氧化渣浓度为350 kg/m³，由横浇道进入铸型后浓度升高为400 kg/m³，氧化渣集中于内浇口之间，浓度基本不变。由于铝液流速不大，氧化渣没有被大量卷入法兰底部，随着充型过程的进行逐渐上浮至液面，法兰内氧化渣基本被排除。
图14 氧化渣分布 充型时浇注系统及型腔内的温度分布数值模拟结果如图15所示，充型45%时浇注系统中的铝液温度在670~680 ℃之间。充型65%时，内浇口间铝液温度下降至660 ℃，内浇口处铝液温度为685 ℃，法兰温度差为25 ℃。充型大于75%后法兰与筒壁处温度基本持平。
图15 温度场数值模拟结果 从上述的数值模拟结果看，该生产参数的选择合理。 05 A356铝合金套筒铸件生产验证 采用以下生产工艺方案进行生产验证：内浇口数量为6个，冷铁厚度为壁厚40％，压力增速为376 Pa/s，模具温度为100 ℃，浇注温度为700 ℃。用此生产工艺方案获得的铸件外观良好，经T6热处理，三根试棒布氏硬度分别为HB104.4、HB103.2和HB104.9，布氏硬度、抗拉强度及伸长率均符合力学性能标准。主要化学成分验证，其Si、Mg和Ti含量均满足验收要求。通过0.4 MPa和1.08 MPa水压进行密封测试，结果均合格，加工后的零件如图16所示。
图16 铸件生产验证图 06 结论 对压力容器A356铝合金低压铸造套筒进行了铸造工艺方案设计和生产工艺方案选择，利用Flow-3D数值模拟软件分析铸造过程并结合生产验证，得出如下结论。 （1）在套筒法兰处设置6个均布的内浇口，套筒法兰底部和筒体上部放置冷铁厚度为铸件壁厚40%的铸造工艺方案合理。 （2）充型模拟分析显示0.1 m/s的速度差是液面产生波动的最大值。 （3）压力增速为376 Pa/s，充型中期铸型上下压力差为2 000 Pa，铸型内铝液速度差普遍在0.1 m/s以下，液面上升平稳，氧化渣浓度低，法兰内残留氧化渣少。 （4）升液时间为4 s，升液增压速度为1 325 Pa/s，充型时间为29 s，充型增压速度为376 Pa/s，浇注温度为700 ℃，模具温度为100 ℃，为较合理的生产工艺参数。 （5）按照优化完成的铸造工艺方案和生产工艺参数对零件进行试制，铸件的力学性能、化学成分和气密性均符合铝合金压力容器验收标准。 作者
吴明琦1，杨慕尧2，杨 军3，王晓宇3，艾秀兰3 本文转载自：《铸造杂志》 |
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