凝固模拟在铝合金导电杆结构优化中的应用

 胡郑重1  姚三九1，2  郭玉峰3

（1．湖北商贸学院机电与信息工程学院；2．武汉理工大学材料科学与工程学院；3．泰州康乾机械制造有限公司）

摘要以金属型铸造铝合金导电杆为例，对铸件的凝固过程进行数值模拟，可以直观地发现因结构不合理导致的铸造缺陷以及定量化分析铸造缺陷，为优化铸件结构提供参考。采用优化的金属型铸造工艺，可生产出合格的铝合金导电杆。

关键词  铝合金；导电杆；结构优化；凝固模拟

中图分类号  TP311; TG146. 21  DOI:10. 15980/j．tzzz．2016. 06. 026

 合理的铸件结构，是保证铸件质量并降低成形工艺复杂性的重要举措。采用计算机对铸件的凝固过程进行数值模拟，可以直观地发现因结构不合理导致的铸造缺陷并量化分析铸造缺陷，为设计者优化铸件结构提供参考。本课题以金属型铸造铝合金导电杆为例，阐述了凝固模拟在铸件结构优化中的作用。

1  铝合金导电杆性能要求

 铝合金导电杆是高压器配电设备的关键部件之一，对输变电系统及电力设备的安全、可靠运行十分重要。在制造过程中，既要保证零件的尺寸精度、表面粗糙度、力学性能等，又要确保导电杆的导电性能。铸件内部的缩松会影响其导电性，所以得到致密的铸件是保证导电性的前提之一。

 铝合金导电杆的结构虽然比较简单，但对内部冷却通道的技术要求比较高，其心部充满冷却液，所以其内部的抗腐蚀性能必须保证，一旦在其内部有缩孔、缩松等铸造缺陷存在，就会出现化学腐蚀和电化学腐蚀，导电性能也会下降，并影响导电杆的使用寿命。

2  导电杆铸造工艺设计

 铝合金导电杆的几何形状见图1，导电杆可视为直管和弯管两部分组成。其直径为ϕ65 mm，长469 mm。在浇注过程中，由顶部加冒口直接往下倾斜浇注。这种情况下，原设计铸件中会存在两个热节，分别在A处和B处。铝合金导电杆的壁厚为22.5 mm，热节圆直径约为ϕ37.5 mm。

2.1  铸造工艺设计

 铝合金导电杆铸造工艺包括浇注方案、分型面。

 根据分型面确定的基本原则：分型面的设计有利于分模和取出铸件；有利于设置浇口、冒口；有利于型腔排气；尽量使选取的分型面为平直的。通过综合分析考虑，采取曲面分型的方法，确保铸件能从模型中取出，并在直管尾部设置滑块，以利于取出铸件。

 直浇道尺寸为ϕ68 mm×115 mm；浇注初始倾斜角为300。

 根据铸造手册，采用金属液平均上升速度法来确定铝合金液的浇注时间，其浇注时间可表示为：

升速度，cm／s ;H为型腔的高度，cm ;b为铸件的平均厚度，cm。通过计算，浇注时间为26 s。

2.2铸造方案拟定

 通过对铝合金导电杆的结构分析，采用不改结构和改结构方案进行金属型铸造工艺模拟。改结构主要是指改变缺陷发生部位的结构，将冷却通道内“T”字形的结构改成“十”字形的结构，这样的改变一方面有利于流体的缓冲，另一方面可以减小热节，简化铸造工艺，无需使用暗冒口或冷铁。

3模拟过程前处理

3.1  模拟软件的选用

 采用Pro CAST软件，铸造凝固过程进行热一流动一应力完全耦合，对编制的铸造工艺进行温度场、流动场和应力场等的模拟分析，及时发现铸造工艺中的不足和缺陷，从而达到铸造工艺优化的目的。

3.2体网格前处理

 采用Pro/E进行三维造型。在导电杆的直管顶部设置浇冒口，然后在Pro/E软件中相应的模块中绘制模具。在组装模式下，指定相应的材料以及网格大小，对组件进行面网格的划分，导出面网格文件“*．ans”文件。

 将面网格文件直接导入到Pro CAST软件中，指定好单位后，就可以进行体网格的划分。

3.3模拟参数设置

 通过Pro CAST软件自带的材料数据库，铸件材料为A356合金，得到热力学参数，液相线温度为616℃，固相线温度为556℃。冷铁和金属型材料设为H13钢，砂芯材料为SAND _Silica，材料的属性选用软件数据库自带的。

 模拟过程中，将金属型与金属型之间设置为等值传热，金属型与铸件的传热系数设置为1 000 W/(m2．K)，砂芯与铸件的传热系数设置为500 W/(m2．K)。

 铝合金导电杆在浇注初期设置铸型与水平面成300，浇注15 s后，再边立正边匀速浇注，浇注总时间为26 s后在竖直状态下冷却。

4模拟结果及分析

4.1原结构导电杆金属型铸造模拟结果

 按既定金属型铸造工艺，在不添加冒口冷铁的情况下，模拟缺陷分布结果见图2。

 在铸件的热节处设置暗冒口，其他工艺不变，模拟结果见图3。可以看出，由于金属型的快速冷却作用，设置的暗冒口并没有起到很好的补缩作用。相反，在冷却过程中，暗冒口首先被周围的金属型壁所冷却。当充型100 s时，冒口几乎已经冷却完毕，而铝导体直管底部还处于固液两相区，并在一个较高的温度范围内；当τ=140s时，由铝导体直管底部固相分布可以明显看出，在此处已形成缩松缺陷。

 通过进一步加大暗冒口的尺寸，也许可解决此铸造缺陷，但会降低铸件的工艺出品率并增加生产成本。

4.2修改结构后金属型铸造模拟结果

 对直导管底部和弯管底部的结构进行修改，结果见图4。从图4发现，仅仅将铝合金导电杆“T”字形冷却通道改变成“十”字形，导电杆的内部缺陷已经成功消除，而且因消除了铸件土的热节，免去了冷铁和暗冒口，简化了铸造工艺。

 与原结构相比，优化后的结构由于金属型的激冷，晶粒得到细化。这一过程的实现将满足铝合金导电杆内部的特殊要求。

5  结  论

 (1)以金属型铸造铝合金导电杆为例，通过凝固模拟发现，原结构冷却通道的直管底部和弯管底部会出现明显的缩松缺陷，这是由于热节得不到补缩而致。

 (2)与原结构相比，优化后使导电杆内部的热节明显减小，采用金属型铸造工艺后，基本消除了内部缩松缺陷。