一種新的設(shè)計(jì)方法可提高鑄件的尺寸精度,，效果絕佳,！

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為了降低零件的生產(chǎn)成本和加工成本，應(yīng)采用近凈成形技術(shù),。各種新方法和技術(shù)是常見(jiàn)的,。其研究主要集中在形狀控制和可控性方面。鑄件縮孔尺寸的精度控制是近凈成形精度控制領(lǐng)域中不可缺少的環(huán)節(jié),。鑄件的收縮過(guò)程可能受到模具和型芯等結(jié)構(gòu)的機(jī)械受阻,。不同結(jié)構(gòu)的鑄件可能受到不同程度的約束（受阻）。具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鑄件可能具有具有不同程度約束的局部結(jié)構(gòu),。為了提高鑄件縮孔尺寸的控制能力,，提高鑄件的尺寸精度,，需要采用新的設(shè)計(jì)方法。

本課題以ZL205A合金為研究材料,，基于Campbell J鑄件尺寸控制中包殼密度的設(shè)計(jì)理念,，探討鑄件局部包殼密度對(duì)成形尺寸精度控制的影響。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),、整體包殼設(shè)計(jì)和局部包殼設(shè)計(jì)三種方案的比較,，得出了最佳鑄件尺寸設(shè)計(jì)控制方案。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及模型

■ 以ZL205A鋁合金為成形材料,，采用數(shù)值模擬作為研究收縮的主要方法,，研究鑄件收縮尺寸的精確設(shè)計(jì)。ZL205A合金的化學(xué)成分見(jiàn)表1,。

1.2 鑄件收縮尺寸的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

■ 鑄件收縮是指從線性收縮起始溫度（從液相中析出枝晶搭成骨架開(kāi)始具有固態(tài)性質(zhì)時(shí)的溫度）到室溫的冷卻過(guò)程中的線性收縮量,。鑄件收縮與鑄造合金物理參數(shù)的收縮溫度范圍及鑄件的組織和約束程度有關(guān)。

■ 單件小批量生產(chǎn)的大型鑄件,，鑄件收縮率的選擇一般需要豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),，以犧牲鑄件精度為代價(jià)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法具有計(jì)算方便,、鑄件尺寸小的優(yōu)點(diǎn),。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)精度低，特別是在縮孔復(fù)雜的情況下,，很難確定鑄件的縮孔率,，探索一種定量、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法來(lái)測(cè)量阻礙縮孔,，對(duì)提高鑄件縮孔尺寸精度具有重要意義,。

1.3 基于整體包絡(luò)密度的鑄件收縮尺寸設(shè)計(jì)

■ 通過(guò)引入包殼密度，可以定量表征鑄件在不同模具中收縮時(shí)的結(jié)合力,，為精確設(shè)計(jì)收縮率提供了可能,。包絡(luò)密度是指根據(jù)鑄件的質(zhì)量比，鑄件中所含的包絡(luò)體積,，兩者之間的比率為包絡(luò)密度：

■ 包殼密度可以定量表征鑄件收縮過(guò)程中的約束程度,。鑄件收縮率與鑄件收縮過(guò)程中的約束程度密切相關(guān)。鑄件收縮率與鑄件包殼密度之間存在一定的函數(shù)關(guān)系,。設(shè)計(jì)了不同包絡(luò)密度的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）,，并進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)澆筑，如圖2所示,。

圖1 不同包絡(luò)密度結(jié)構(gòu)

（a）ρ'=1.015 g/cm3;（b）ρ'=1.804 g/cm3;

（c）ρ'=2.371 g/cm3;（d）ρ'=2.709 g/cm3;（e）ρ'=2.820 g/cm3

圖2 包絡(luò)密度與收縮率的擬合曲線

1.4 基于局部包絡(luò)密度的鑄件收縮尺寸的設(shè)計(jì)

■ 利用鑄件的包殼密度來(lái)表征鑄件凝固成形過(guò)程中的約束程度是一種新的思路,。它為量化阻礙收縮提供了思路和方法。鑄件不同部位的堵塞情況不同。當(dāng)采用整體鑄件的包絡(luò)密度設(shè)計(jì)時(shí),，它仍然給鑄件一個(gè)固定的收縮率,，這不能真正反映局部堵塞收縮,，它與傳統(tǒng)的收縮設(shè)計(jì)基本上沒(méi)有區(qū)別,。

■ 根據(jù)收縮中心射線分割法對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷陌�絡(luò)線進(jìn)行分割，根據(jù)每個(gè)分割區(qū)域的包絡(luò)線密度,，即局部包絡(luò)線密度,，結(jié)合包絡(luò)線密度與收縮率之間的曲線，給出分割區(qū)域內(nèi)確定的收縮率,。大多數(shù)鑄件結(jié)構(gòu)都具有自由收縮和阻礙收縮的收縮行為,。如圖3所示，設(shè)計(jì)兩端自由收縮和內(nèi)部阻塞收縮的鑄件模型,，并劃分鑄件的局部包絡(luò)（見(jiàn)圖4）,。

圖3 模擬模型示意圖

（a）鑄件的三維立體圖 (b)鑄件的二維平面圖

圖4 鑄件局部包絡(luò)密度的劃分示意圖

2 討論

■ 根據(jù)圖4，分別對(duì)其進(jìn)行鑄件收縮率傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),，整體包絡(luò)設(shè)計(jì)以及局部包絡(luò)設(shè)計(jì),，然后利用模擬軟件進(jìn)行模擬，從而獲得模型收縮后的尺寸,。

■ 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法,，查閱鑄造手冊(cè)中ZL205A鑄造鋁合金的常用縮尺，知該尺寸鑄件在砂型鑄造中的常用縮尺見(jiàn)表2,，由于ZL205A合金中Cu含量為4.6~5.5%,，故而選擇縮尺為1.3%。設(shè)計(jì)后的鑄件長(zhǎng)度方向尺寸數(shù)值見(jiàn)表4,。

■ 整體包絡(luò)設(shè)計(jì)方法：為計(jì)算鑄件的整體收縮率,，首先得知道該鑄件模型的包絡(luò)體積，約為2.84×108 mm3,，通過(guò)式(2)計(jì)算該模型的整體包絡(luò)密度為1.509 g/cm3,，再通過(guò)式(3)計(jì)算整體包絡(luò)密度所對(duì)應(yīng)的鑄件收縮率為0.856%，最后再根據(jù)計(jì)算得到的鑄造收縮率對(duì)整體模型進(jìn)行設(shè)計(jì),，設(shè)計(jì)后的鑄件尺寸見(jiàn)表4,。

■ 局部包絡(luò)設(shè)計(jì)方法：根據(jù)各劃分區(qū)域的包絡(luò)密度，結(jié)合式(3)計(jì)算得出各局部包絡(luò)體的收縮率（見(jiàn)表3）,，根據(jù)所得鑄件目標(biāo)部位的收縮率與對(duì)應(yīng)的收縮設(shè)計(jì)后的鑄件尺寸見(jiàn)表4,。

■ 圖6顯示了三種設(shè)計(jì)方案收縮模擬后鑄件各目標(biāo)尺寸的公差分布�,？梢钥闯�,，三種設(shè)計(jì)方案獲得的尺寸公差分布在零公差線周圍。基于局部包絡(luò)密度設(shè)計(jì)方法形成的鑄件尺寸公差范圍是一致的,，其他兩種方案的結(jié)果嚴(yán)重偏離零公差線,。

■ 由此可見(jiàn)，采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)收縮率設(shè)計(jì)方案可以保證鑄件的成形尺寸符合規(guī)范要求,，而經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量需要大量的試驗(yàn)過(guò)程,。傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)并不是設(shè)計(jì)鑄件收縮率的設(shè)計(jì)方案。提出了包絡(luò)密度方案,。在鑄件收縮計(jì)算過(guò)程中,，考慮了鑄件收縮過(guò)程中的約束因素（障礙）。當(dāng)鑄件某些部位的約束程度存在明顯差異時(shí),，使用此方案可能會(huì)導(dǎo)致較大的尺寸誤差,。

圖6 收縮后鑄件尺寸公差曲線

3 結(jié)論

提出了一種設(shè)計(jì)鑄件縮孔局部包絡(luò)密度的新方法。這種方法可以提高鑄件的尺寸精度,�,；�于局部包絡(luò)密度的設(shè)計(jì)方法是一種能夠量化局部約束影響，提高鑄件局部尺寸精度的設(shè)計(jì)方法,。該設(shè)計(jì)方法合理可行,，具有可操作性�,；�于局部包絡(luò)密度的設(shè)計(jì)方法對(duì)鑄件縮孔尺寸精度的控制效果最好,，優(yōu)于其他兩種設(shè)計(jì)方法。

遠(yuǎn)祥

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衡955

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