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始具有固態(tài)性質(zhì)時(shí)的溫度）到室溫的冷卻過程中的線性收縮量。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程中的約束程度。鑄件收縮率與鑄件收縮過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表征鑄件凝固成形過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，通過式(2)計(jì)算該模型的整體包絡(luò)密度為1.509 g/cm3，再通過式(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�；�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，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)算過程中，考慮了鑄件收縮過程中的約束因素（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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