大型鋁合金薄壁件低壓鑄造工藝模擬

楊天云，余 瑾，楊 兵，姜海博

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

大型鋁合金薄壁件低壓鑄造工藝模擬

楊天云，余 瑾，楊 兵，姜海博

（合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽合肥 230009）

采用有限元模擬仿真軟件結(jié)合正交實驗方法，對鋁合金汽車座椅骨架低壓鑄造工藝進行數(shù)值模擬，研究了低壓鑄造工藝參數(shù)對鑄件縮松縮孔、充型及凝固規(guī)律的影響。模擬結(jié)果表明，當澆注溫度為720℃、充型加壓速率為920Pa/s及模具預(yù)熱溫度為380℃時為最佳工藝參數(shù)，鑄件縮孔孔隙率最小，且成形質(zhì)量最佳。

鋁合金；低壓鑄造；正交試驗；數(shù)值模擬

低壓鑄造具有經(jīng)濟性好，充型能力強，平穩(wěn)可控等諸多優(yōu)點而被廣泛用于汽車用鋁合金鑄件生產(chǎn)，尤其是在薄壁、優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件上近年來得到越來越多的應(yīng)用[1-2]。由于件大、壁薄，金屬液完整充型比較困難，單純提高澆注溫度將使金屬液質(zhì)量惡化，因此，對低壓鑄造工藝參數(shù)進行優(yōu)化是非常必要的。

本研究以鋁合金汽車座椅靠背為對象，重點考察澆注溫度、充型升壓速率和模具預(yù)熱溫度三個主要低壓工藝參數(shù)對鑄件的縮松縮孔、充型及凝固的影響。采用正交實驗手段，建立三因素三水平的正交表，以靠背鑄件內(nèi)縮孔孔隙值為實驗指標，進行工藝參數(shù)的優(yōu)化，從中找出最佳的工藝參數(shù)使鑄件內(nèi)縮松縮孔最少，改善鑄件的成型質(zhì)量，從而提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強度。

1 零件工藝分析

汽車座椅靠背骨架的材質(zhì)為A356鋁合金，模具材質(zhì)為H13鋼。該鑄件為大型框架式殼體結(jié)構(gòu)，左右完全對稱，厚度均勻為4mm，外形輪廓尺寸為385mm×660mm×110mm，如圖1所示。

分析零件的結(jié)構(gòu)特征，選用多個內(nèi)澆道澆注系統(tǒng)，保證合金液在型腔中流程短、降溫慢、阻力小，充型順暢[3-4]。低壓鑄造內(nèi)澆口不只是起導(dǎo)入金屬液的作用，而且還擔(dān)當補縮鑄件的作用。這里采用“熱節(jié)圓法”[5]計算內(nèi)澆道的最小尺寸為113mm2。選擇內(nèi)澆口位置時，按照沿內(nèi)澆口中心線將鑄件劃分為上下兩部分，使上下體積之比接近1∶1，以保證分別向上和向下的液流能夠同時填充完畢和同時凝固[6]。

2 有限元模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

運用Pro/E對零件進行三維造型，并設(shè)計出澆注系統(tǒng)。然后利用該軟件中的Mechanica模塊對鑄件進行表面網(wǎng)格的劃分，然后以.ans的格式輸出。再將表面網(wǎng)格導(dǎo)入Meshcast中，網(wǎng)格檢查合格后，進行體網(wǎng)格的劃分。有限元模型如圖2所示。

2.2 邊界條件的加載

邊界條件的設(shè)置對模擬結(jié)果有著重要影響，為使模擬和實際生產(chǎn)更加貼近，主要技術(shù)參數(shù)設(shè)置為：鑄件/模具換熱系數(shù)=1200W/（m2/k），模具/模具換熱系數(shù)=1500W/（m2/k），空氣與模具換熱系數(shù)=20W/（m2/k），空氣溫度為25℃。

3 工藝參數(shù)的優(yōu)化

3.1 工藝參數(shù)的確定

影響低壓鑄造件成形質(zhì)量的因素有很多。本文重點選用澆注溫度、充型加壓速率、模具預(yù)熱溫度三個因素作為考察對象。

低壓鑄造的澆注溫度比相同條件下的重力澆注的澆注溫度低10～20℃。對于大型復(fù)雜薄壁鋁合金件，鋁合金的成形問題是主要矛盾，應(yīng)適當提高合金的澆注溫度和模具預(yù)熱溫度。因薄壁件的熱容量相對較小，凝固速度可較快，比較容易得到晶粒細小的組織，且補縮問題也因壁薄而不突出。所以本文選擇澆注溫度為700℃，720℃，740℃。模具預(yù)熱溫度選擇320℃，350℃，380℃。

對于加壓規(guī)范的選擇，由公式p充=Hγμ/1033.6=14×1.3×2.4/1033.6kg/cm2=4300Pa，由于我們所研究的是薄壁金屬型鑄件，金屬液流程較長，容易出現(xiàn)冷隔，故結(jié)合經(jīng)驗值，取充型壓力為4600Pa，加壓速率選取 767Pa/s，920Pa/s，1150Pa/s。

3.2 實驗方案的設(shè)計

為尋求最佳低壓鑄造工藝參數(shù)，進行了三因素三水平正交試驗[7]模擬，因素和水平的選取見表1。

表1 正交試驗方案

汽車座椅靠背屬于結(jié)構(gòu)件，要求內(nèi)部無欠鑄、冷隔、氣泡、裂紋、縮松等表觀及內(nèi)部影響力學(xué)性能的鑄造缺陷。所以本實驗選取靠背鑄件內(nèi)縮松縮孔孔隙率總和為試驗指標。在確定好因素水平和實驗指標之后，就可以安排實驗。實驗方案如表2所示。

表2 正交試驗方案與結(jié)果

3.3 模擬結(jié)果及分析

3.3.1 工藝參數(shù)對縮松縮孔的影響

依據(jù)表2的9組實驗所給的工藝參數(shù)，建立有限元仿真模型，進行數(shù)值模擬，在后處理程序中取出鑄件內(nèi)縮松縮孔的孔隙值并計算總和，將孔隙值總和填入實驗結(jié)果這一欄。

K1、K2、K3為各因數(shù)水平指標求和，再將其求平均值填入相應(yīng)欄。本次實驗要求實驗指標越小越好。從表中可以看出試驗L5的孔隙值為0.0119，是九組中最小的，縮松縮孔的傾向最小，試驗L6的孔隙值為0.1604，是最大的方案，鑄件質(zhì)量最差。為進一步選擇更加合理的工藝方案，對試驗數(shù)據(jù)進行綜合分析。

由正交試驗結(jié)果可以看出隨著加壓速率的增加，鑄件的充型時間變短。由表2中對數(shù)據(jù)的極差計算分析可以看出，因數(shù)的極差△Fc＞△Fa＞△Fb。根據(jù)極差數(shù)的大小，可以判斷因數(shù)對試驗結(jié)果影響的大小，極差越大，說明因數(shù)對試驗結(jié)果影響越大，反之則越小。由此可知，模具預(yù)熱溫度（因數(shù)C）對鑄件縮松縮孔的影響最大，澆注溫度（因數(shù)A）的影響次之，升壓速率（因數(shù)B）的影響最小。

試驗指標越小越好，由極差分析法可知，最優(yōu)水平組合選取A3B1C3，即表2中的L7組試驗，該組試驗下鑄件縮松縮孔率為0.0136，大于L5組的0.0119，所以選取L5組試驗為最優(yōu)實驗方案，即澆注溫度為720℃，增壓速率為920Pa/s，模具預(yù)熱溫度為380℃。

3.3.2 充型過程模擬分析

圖3為最優(yōu)工藝參數(shù)下不同時刻鑄件的充型情況?？梢钥闯?，整個充型過程中液態(tài)合金充型平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)紊流、飛濺等現(xiàn)象。充型過程中金屬液溫度場分布合理，保持了良好的流動性，這樣就保證了金屬液的順利充型，沒有出現(xiàn)合金液提前凝固而導(dǎo)致“欠鑄”現(xiàn)象。在2.47s時，合金液由中間內(nèi)澆道進入型腔，沿前方壁上升，同時流向兩側(cè)方向，在3.06秒時與左側(cè)內(nèi)澆道流出的金屬液匯合，溫度相差不到8℃，且遠高于液相線溫度，可以排除此處前期發(fā)生冷隔的可能。在4.03s時，中間澆道液流與右側(cè)澆道液流匯合，兩側(cè)液流前沿溫度均高于液相線溫度，同樣不會出現(xiàn)冷隔、夾雜等缺陷。5.39s時，左側(cè)充滿，5.88s時整個鑄件充滿，內(nèi)澆口中線兩側(cè)幾乎同時充滿，說明澆注系統(tǒng)位置較合理，滿足了設(shè)計初衷，有利于兩側(cè)的金屬液同時凝固。

3.3.3 金屬凝固過程的模擬分析

圖4是鑄件充型結(jié)束后不同時刻的凝固狀態(tài)，從總體上看鑄件達到完全凝固時所需時間為36.92s。將圖中鑄件的顏色及其亮度與右側(cè)色溫顏色對照，數(shù)值即為對應(yīng)部位的凝固時間。結(jié)合鑄件在不同凝固時間的固相率，通過數(shù)值模擬鑄件凝固過程中不同時刻固相率的變化，可以看出鑄件的凝固順序。通過分析，我們可以得出凝固首先發(fā)生在鑄件的薄壁邊緣處，即為5.88s時的黃色顯示部分，凝固率為15%～35%，凝固區(qū)域距內(nèi)澆口由遠及近逐漸推進。21.66s時除了圖中所標示的澆注系統(tǒng)外，鑄件其余部分凝固率均達到100%。中間內(nèi)澆口與鑄件相交處，液相占8%左右，可以判斷是鑄件上熱節(jié)部位，隨著鑄件凝固過程的快速進行，伴隨合金的體積收縮，如果沒有合金液及時填補，往往在此熱節(jié)部位出現(xiàn)縮松。

圖5是該充型條件下形成的縮孔縮松的位置和尺寸。圖中深色是存在縮孔縮松的區(qū)域，顏色對應(yīng)右側(cè)色標可查出相應(yīng)縮孔體積分數(shù)值。體積分數(shù)超過0.01的縮孔存在于橫澆道內(nèi)，對鑄件的質(zhì)量影響不大。

4 結(jié)論

（1）利用有限元模擬軟件，可準確預(yù)測鑄件中縮松縮孔等缺陷的位置和尺寸，以達到節(jié)約開發(fā)成本，縮短研發(fā)周期的目的。

（2）通過對汽車座椅靠背低壓鑄造工藝的數(shù)值模擬可知，澆注溫度為720℃、充型加壓速率為920Pa/s及模具預(yù)熱溫度為380℃為最佳工藝參數(shù)，充型過程平穩(wěn)，鑄件中縮松縮孔最少。

（3）工藝參數(shù)對實驗指標值的影響由大到小依次為：模具預(yù)熱溫度，澆注溫度，升壓速率。

[1]馮志軍，申澤驥.大型鋁合金鑄件低壓鑄造[J].鑄造，2003（52）:1186～1187.

[2]歐陽蘭，魯蔚等.大型薄壁高強度鋁合金鑄件成形研究[J].金屬加工，2008（11）:62.

[3]陳金城.鑄造手冊（第6卷特種鑄造）[M].北京:機械工業(yè)出版社，1994.

[4]李昭，張立強等.基于數(shù)值仿真的鋁合金大型薄壁件的澆注系統(tǒng)設(shè)計[J].特種鑄造及有色合金，2010，30（2）:120.

[5]劉乃侖，渠曉東等.低壓鑄造內(nèi)澆口截面積的確定[J].特種鑄造及有色合金，1994（4）：39.

[6]韓潔麗.鎂合金汽車座椅骨架壓鑄成型數(shù)值模擬與工藝優(yōu)化[D]，重慶大學(xué)，2008.

[7]鄭少華，姜奉華.試驗設(shè)計與數(shù)據(jù)處理[M].北京:中國建材工業(yè)出版社，2004：91～99.

Numerical Simulation of Low Pressure Casting Process for Large Thin-Walled Aluminum Alloy Casting

Yang TianYun，Yu Jin，Yang Bing，JiangHaibo
（School of Materials Science and Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui China）

Filling and solidification in low pressure casting aluminum alloy automotive seat frame have been simulated by FEM （finite element method）combining with orthogonal testing to understand effects of processing parameters on shrinkage porosity（hole），filling and solidification.The results showed that the minimum shrinkage porosity（hole）rate in the low pressure casting aluminum alloy automotive seat frame has been observed with desirable appearance quality when filling temperature 720℃with filling pressure rate of 920Pa/s and mold preheating of 380℃.

Aluminum alloy；Low pressure cating；Orthogonal testing；Numerical simulation

TG146.2+1;

A；

1006－9658（2012）01－4

2011－10－28

2011－144

楊天云（1985-），男，在讀碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)設(shè)計及先進液態(tài)成型工藝