Y进口管是连接氧泵与氧化剂储箱的通道,采用ZL104合金(表1)铸造而成,立体图如图1所示,由加强肋(6条)、传感器接管嘴对接平台(1个,以下简称三角平台)、泄流阀对接平台(2个,以下简称圆形平台)、上部圆形法兰和下部梅花瓣法兰组成,6条加强筋将筒壁均匀划分为6个区域。铸件具体要求为:I类铸件,采用X光透视对内部质量进行检查,不允许存在夹杂与疏松等缺陷。

图1 X光透视分区
Fig.1 X-ray perspective area

表1 化学成分
Tab.1 Chemical compenent 单位:wt%

开展树脂砂工艺转化后,Y进口管铸件尺寸精度由GB/T6414 7—1999 CT12级提高到CT10级,铸件非加工表面粗糙度R_a值从50 μm降低到25 μm。但是由于树脂砂与黏土砂热物性参数的差距,转化初期,首批次生产50件铸件产品合格率仅60%,X光透视检查发现有20件在加强筋与梅花瓣法兰背部相交处以及三角平台下方均出现了大面积的铸造缺陷,缺陷位置如图2所示。

将其三角平台下方缺陷人为打断,从宏观形貌图3(a)可以看出断口平直,无明显的塑性变形,从微观形貌图3(b)可以看出,断口存在大量的枝晶,呈现解理断裂特征,不存在尖锐突变的锐边,未见金属、非金属夹杂,可见离散、连续断续分布的大小不一的孔洞,按文献[11]的方法判定缺陷类型为疏松。

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

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

铸造过程的仿真模拟是对浇注系统、补缩系统及铸件在时间域、空间域进行有限离散,得到一系列相关的离散变量值,基于相关物理模型,通过数值计算求解方程,得出并分析铸造过程中的流场、应力场的变化,并结合铸造缺陷的形成特征预测铸件成形质量^[12]。

在铸造仿真模拟中,一般将金属液视为黏性不可压缩牛顿流体,通过连续质量守恒方程和动量守恒方程描述其流动过程,通过能量守恒方程描述金属液与铸型之间的热交换过程。

1)连续质量守恒方程

式中:u,v,w为速度矢量在坐标系中x,y,z方向上的分量; D为散度。

2)动量守恒方程

动量守恒方程是由牛顿第二定律推导出的黏性流体动量方程

式中:ρ为密度,kg/m³; p为压力,Pa; ν为运动速度,m/s; g为重力加速度,m/s²; SymbolQC@²为拉普拉斯算子,

3)能量守恒方程

式中:T为温度,K; c为比热,J/(kg·K); λ为导热系数,W/(m·K); S为内热源,K^[13-15]。

仿真模拟流程如图4所示。

图4 仿真模拟流程图
Fig.4 Flow chart of simulation

采用UG三维建模软件建立三维数字化模型,如图5所示。

图5 三维模型
Fig.5 3D model

图6 网格划分流程
Fig.6 Grid generation process

疏松缺陷一般通过改变充型方式、优化补缩能力、调整凝固顺序等方法进行消除。

由充型结果可知,原工艺方案充型过程平稳,未见异常。因结构限制,缺陷位置无法通过添加冒口增加补缩源达到提高补缩能力的效果。因此,解决该问题可行方法为优化冷铁结构,协调各部分冷却速度,优化凝固过程温度场分布,建立自下而上的凝固顺序,保证补缩通道的畅通。

针对3#阶梯形冷铁结构不合理问题,制定了改进方案:去掉阶梯形冷铁中间部分,从而切断了冷铁的连续性,降低了冷铁的激冷作用,保证铸件薄壁自下而上凝固,从而消除疏松缺陷,3#冷铁改变后形状如图 13所示。

图 13 改进后冷铁
Fig.13 Improved chiller

对改进后方案进行模拟,结果如图 14所示。充型时间43.7 s时铸件的梅花瓣法兰开始出现凝固,同时薄壁开始出现糊状凝固区。铸件的梅花瓣法兰先于薄壁凝固,直至153.7 s时厚壁才开始凝固,保证了铸件自下而上的凝固顺序,确保补缩通道畅通,由于凝固收缩而减少的合金液得到了冒口的补缩,在203.7 s时,可以看出原方案缺陷的部位未见残留的孤立合金液,从而可以断定此处的缺陷能够得到改善或解决。

图 14 改进方案固相分数分布图
Fig.14 Improved solid fraction distribution diagram

按照工艺优化方案进行试生产,投产14件,13件X光透视合格,仅1件出现夹杂缺陷,未见疏松缺陷,合格率达到92.8%,验证结果与仿真结果一致。工艺改进前后产品效果如表2所示。

表2 改进效果对比
Tab.2 Contrast of improvement effect

传统试错工艺设计模式,需要至少2轮的工艺验证,以完善工艺方案,其周期至少在4个月。而基于铸造仿真模拟的铸造工艺设计模式,运用先进仿真模拟技术,通过充型过程目视化呈现,将原先的理论分析转化为流场、应力场以及温度场分析,实现了工艺方案的快速验证,研制周期仅1个月,缩短了75%。