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當(dāng)前，復(fù)雜的軍事戰(zhàn)略環(huán)境對飛行器戰(zhàn)技指標(biāo)提出了更高的要求。同時，飛行器氣動外形多呈現(xiàn)異形曲面，飛行過程中熱流進(jìn)一步加大，因此飛行器結(jié)構(gòu)材料的耐熱性能和輕量化需求越來越迫切。Mg-Gd-Y系稀土鑄造鎂合金具有較高的高溫強(qiáng)度和韌性，密度較小，適用于飛行器主承力、大型復(fù)雜構(gòu)件,但其含有較多的稀土元素，具有較大的熱變形抗力，在鑄造大型復(fù)雜零件時易產(chǎn)生裂紋等問題。

近幾年，鑄造過程仿真模擬技術(shù)發(fā)展迅速，國內(nèi)在軟件開發(fā)和工程應(yīng)用方面開展了大量的研究工作。通過對鑄造充型過程進(jìn)行模擬，預(yù)測凝固過程應(yīng)力、缺陷產(chǎn)生情況，有效指導(dǎo)工藝改進(jìn)，減少鑄造內(nèi)部缺陷、變形開裂等問題，對于降低研制成本和改進(jìn)工藝具有積極意義?；谝陨媳尘埃虾：教炀軝C(jī)械研究所姚斐高級工程師研究團(tuán)隊(duì)借助ProCAST軟件對某飛行器大尺寸異形艙體的鑄造工藝方案進(jìn)行模擬，預(yù)測凝固過程中的鑄件應(yīng)力分布情況，降低因應(yīng)力過大而產(chǎn)生裂紋的概率，提高鑄件的合格率。

某飛行器艙體為空間異型結(jié)構(gòu)，其三維模型見圖1,輪廓尺寸約為1200mm×1100mm×800mm, 艙體中間存在U形槽，槽寬約為220mm, 主體壁厚為2～3mm。艙體整體呈非回轉(zhuǎn)體，型面復(fù)雜，要求為Ⅰ類鑄件。在鑄造成形過程中極易發(fā)生變形，嚴(yán)重時會導(dǎo)致鑄件開裂。

圖1 艙體鑄件三維模型圖

圖2 艙體澆注系統(tǒng)三維模型

圖3 端框圓角尺寸

圖4 應(yīng)力分布圖

圖5 艙體結(jié)構(gòu)圖

對艙體澆注過程中出現(xiàn)的裂紋進(jìn)行分析，結(jié)合仿真模擬結(jié)果，認(rèn)為Mg-Gd系鑄造合金中稀土含量高、熱膨脹系數(shù)大，凝固過程相變應(yīng)力大，在受阻收縮時，容易形成顯微裂紋甚至是宏觀應(yīng)力裂紋。在艙體鑄件冷卻過程中，發(fā)生了較大的收縮，鑄造應(yīng)力逐漸增大，在應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度時產(chǎn)生了斷裂。根據(jù)分析，把對端框轉(zhuǎn)角產(chǎn)生裂紋部位R75圓角尺寸修改為R200。一方面可以將應(yīng)力分散在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)角的兩個立筒澆注系統(tǒng)之間，將應(yīng)力足夠分散，另一方面可以將端框圓角處增加約1/2,約40mm寬，提高該處的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，減小拉裂風(fēng)險。

圖6 改進(jìn)圓角的應(yīng)力分布圖

圖7 改進(jìn)圓角后的鑄件

研究結(jié)論

通過ProCAST軟件對Mg-Gd-Y艙體鑄造過程應(yīng)力分布進(jìn)行模擬并根據(jù)結(jié)果調(diào)整裂紋處的圓角尺寸，成功制備無裂紋的艙體鑄件。在進(jìn)行大尺寸異形艙體鑄造時，應(yīng)特別關(guān)注鑄件在不同尺寸方向的收縮量，通過計(jì)算應(yīng)力分布，在工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)增強(qiáng)該區(qū)域的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(如增加圓角、工藝?yán)?,優(yōu)化鑄件結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，可以顯著減少因應(yīng)力過大產(chǎn)生的裂紋。

文獻(xiàn)引用

姚斐,劉穎卓,王堃,等.基于仿真模擬的稀土鎂合金鑄造過程裂紋控制研究[J].特種鑄造及有色合金,2023,43(3):342-344.

YAO F,LIU Y Z,WANG K,et al.Cracking control of rare earth magnesium alloys during casting process based on numerical simulation[J].Special Casting & Nonferrous Alloys,2023,43(3):342-344.