一種新的設計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，應采用近凈成形技術。各種新方法和技術是常見的。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構的機械受阻。不同結構的鑄件可能受到不同程度的約束（受阻）。具有復雜結構的鑄件可能具有具有不同程度約束的局部結構。為了提高鑄件縮孔尺寸的控制能力，提高鑄件的尺寸精度，需要采用新的設計方法。

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計理念，探討鑄件局部包殼密度對成形尺寸精度控制的影響。通過對傳統(tǒng)經(jīng)驗設計、整體包殼設計和局部包殼設計三種方案的比較，得出了最佳鑄件尺寸設計控制方案。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料及模型

■ 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計。ZL205A合金的化學成分見表1。

1.2 鑄件收縮尺寸的傳統(tǒng)設計方法

■ 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。

■ 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計經(jīng)驗，以犧牲鑄件精度為代價，傳統(tǒng)的設計方法具有計算方便、鑄件尺寸小的優(yōu)點。缺點是設計精度低，特別是在縮孔復雜的情況下，很難確定鑄件的縮孔率，探索一種定量、準確的設計方法來測量阻礙縮孔，對提高鑄件縮孔尺寸精度具有重要意義。

1.3 基于整體包絡密度的鑄件收縮尺寸設計

■ 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的結合力，為精確設計收縮率提供了可能。包絡密度是指根據(jù)鑄件的質(zhì)量比，鑄件中所含的包絡體積，兩者之間的比率為包絡密度：

■ 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。鑄件收縮率與鑄件包殼密度之間存在一定的函數(shù)關系。設計了不同包絡密度的結構（見圖1），并進行了數(shù)值模擬試驗澆筑，如圖2所示。

圖1 不同包絡密度結構

（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 包絡密度與收縮率的擬合曲線

1.4 基于局部包絡密度的鑄件收縮尺寸的設計

■ 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。當采用整體鑄件的包絡密度設計時，它仍然給鑄件一個固定的收縮率，這不能真正反映局部堵塞收縮，它與傳統(tǒng)的收縮設計基本上沒有區(qū)別。

■ 根據(jù)收縮中心射線分割法對試驗模型的包絡線進行分割，根據(jù)每個分割區(qū)域的包絡線密度，即局部包絡線密度，結合包絡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)鑄件結構都具有自由收縮和阻礙收縮的收縮行為。如圖3所示，設計兩端自由收縮和內(nèi)部阻塞收縮的鑄件模型，并劃分鑄件的局部包絡（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 鑄件局部包絡密度的劃分示意圖

2 討論

■ 根據(jù)圖4，分別對其進行鑄件收縮率傳統(tǒng)經(jīng)驗設計，整體包絡設計以及局部包絡設計，然后利用模擬軟件進行模擬，從而獲得模型收縮后的尺寸。

■ 傳統(tǒng)經(jīng)驗設計方法，查閱鑄造手冊中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%。設計后的鑄件長度方向尺寸數(shù)值見表4。

■ 整體包絡設計方法：為計算鑄件的整體收縮率，首先得知道該鑄件模型的包絡體積，約為2.84×108 mm3，通過式(2)計算該模型的整體包絡密度為1.509 g/cm3，再通過式(3)計算整體包絡密度所對應的鑄件收縮率為0.856%，最后再根據(jù)計算得到的鑄造收縮率對整體模型進行設計，設計后的鑄件尺寸見表4。

■ 局部包絡設計方法：根據(jù)各劃分區(qū)域的包絡密度，結合式(3)計算得出各局部包絡體的收縮率（見表3），根據(jù)所得鑄件目標部位的收縮率與對應的收縮設計后的鑄件尺寸見表4。

■ 圖6顯示了三種設計方案收縮模擬后鑄件各目標尺寸的公差分布。可以看出，三種設計方案獲得的尺寸公差分布在零公差線周圍。基于局部包絡密度設計方法形成的鑄件尺寸公差范圍是一致的，其他兩種方案的結果嚴重偏離零公差線。

■ 由此可見，采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗收縮率設計方案可以保證鑄件的成形尺寸符合規(guī)范要求，而經(jīng)驗數(shù)據(jù)的測量需要大量的試驗過程。傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計并不是設計鑄件收縮率的設計方案。提出了包絡密度方案。在鑄件收縮計算過程中，考慮了鑄件收縮過程中的約束因素（障礙）。當鑄件某些部位的約束程度存在明顯差異時，使用此方案可能會導致較大的尺寸誤差。

圖6 收縮后鑄件尺寸公差曲線

3 結論

提出了一種設計鑄件縮孔局部包絡密度的新方法。這種方法可以提高鑄件的尺寸精度。基于局部包絡密度的設計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計方法。該設計方法合理可行，具有可操作性。基于局部包絡密度的設計方法對鑄件縮孔尺寸精度的控制效果最好，優(yōu)于其他兩種設計方法。

遠祥

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