基于ProCAST的汽車方向盤零件模流分析與壓鑄模具優(yōu)化設(shè)計

于 丹

(無錫技師學(xué)院數(shù)控技術(shù)系，江蘇無錫 214153)

某型號的汽車方向盤零件結(jié)構(gòu)尺寸如圖1a所示，其零件的3D圖如圖1b所示。該型號的汽車方向盤零件為精密壓鑄件，材料為ZLA356鑄造鋁合金，密度為2.7 g/cm3。在技術(shù)飛速發(fā)展的今天，現(xiàn)代生產(chǎn)要求的周期越來越短，產(chǎn)品精度要求越來越高，所以就要求模具的試模周期縮短，提高試模的成功率。模具的設(shè)計往往以經(jīng)驗(yàn)設(shè)計為主，對于一個較新的產(chǎn)品或者設(shè)計經(jīng)驗(yàn)不足的工程師來說則較為困難，借助專業(yè)的ProCAST壓鑄模流分析軟件則可以預(yù)見性地發(fā)現(xiàn)設(shè)計的缺陷，通過模流分析減少設(shè)計缺陷，提高成功率。

1 基于經(jīng)驗(yàn)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示的汽車方向盤零件，其主體結(jié)構(gòu)為圓形，最大外圓直徑尺寸為362.5 mm，高度方向最大尺寸為136.5 mm。從零件的主體尺寸看，該方向盤零件屬于較大型的壓鑄件。這樣大型的零件在模具型腔布局上比較困難，如果采用多型腔布局設(shè)計，則模具的結(jié)構(gòu)尺寸會成倍的增大，這樣不僅會大量增加成本，而且還會給加工以及模具的周轉(zhuǎn)、試模等環(huán)節(jié)帶來很多不便;所以該汽車方向盤零件的壓鑄模具采用單型腔結(jié)構(gòu)形式(即“一模一腔”)。

在模具設(shè)計中，其型腔的布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計是最主要的模具設(shè)計工作。根據(jù)方向盤零件的結(jié)構(gòu)，在經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的基礎(chǔ)上，其型腔布局與澆注系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。在圖2所示的基于經(jīng)驗(yàn)的模具型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為節(jié)約成本及減小模具的尺寸，其澆注系統(tǒng)的中心澆口設(shè)置在方向盤零件的內(nèi)部空位處，并根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)置了3個方向的分流道，在零件的圓周分型面上均布了6個排氣槽，同時在澆注材料的最后匯合處，設(shè)置了緩沖排氣的結(jié)構(gòu)。以上型腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計是基于常規(guī)的壓鑄模具的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計的，但是這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否完全合理，是否有哪些缺陷還不知道，通常要等到模具試模時的方向盤壓鑄件才能得到答案，然后再進(jìn)行模具的修改及調(diào)整。如果模具的試模件結(jié)果不理想，往往要對模具進(jìn)行大量的修改工作，而此時的模具零件已經(jīng)經(jīng)過了一系列的制造工藝及熱處理工藝，同時模具的主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，所以模具的修改范圍很有限，有些模具可能會有整體報廢的風(fēng)險。

2 基于模流分析的優(yōu)化設(shè)計

2.1 模流分析

ProCAST軟件是專業(yè)的鑄造模擬有限元分析軟件，該軟件對相關(guān)的工程人員來說是個很好的輔助設(shè)計工具軟件，其強(qiáng)大的流體分析模塊可以模擬所有包括充型在內(nèi)的流體分析效應(yīng)，如澆注系統(tǒng)、排氣和溢流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與位置的設(shè)計等。ProCAST軟件可以準(zhǔn)確地模擬型腔的澆注過程，精確地描述凝固過程，模擬結(jié)果可以由計算機(jī)直接顯示出來。在模具設(shè)計的初期，通過應(yīng)用方向盤零件的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到ProCAST軟件中，在進(jìn)行相關(guān)的參數(shù)設(shè)置后，即可比較迅速地分析型腔充型過程，為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考依據(jù)，可以優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計。ProCAST軟件對方向盤零件分析模擬流動充型過程如圖3所示。

通過型腔的模擬流動充型分析，可以較為準(zhǔn)確地了解型腔內(nèi)部材料的流動與氣體的排氣過程，根據(jù)ProCAST軟件的模擬分析發(fā)現(xiàn)，基于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的型腔結(jié)構(gòu)中，排氣槽的布局與結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。同時在局部細(xì)微的分析中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如圖4所示在方向盤零件的中心位置有些包氣的現(xiàn)象。

根據(jù)圖4模擬分析發(fā)現(xiàn)此處有包氣現(xiàn)象，此處在方向盤零件的結(jié)構(gòu)上處于中心端面位置，一般不能設(shè)置排氣槽(此處排氣槽的余料較難去除)。為解決這個問題，模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以通過增加該處流道的尺寸加大中心進(jìn)料，同時在內(nèi)部的型芯處增加排氣。

2.2 模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

通過多次模流分析，最終確定了模具型腔的澆注系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的布局，優(yōu)化了模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計。最終模具型腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計如圖5所示。

圖5所示的模具型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計中，根據(jù)模流分析的結(jié)果修改了流道尺寸，重新設(shè)置了排氣槽的位置，同時在模流分析中排氣不理想的位置處增加了小排氣槽，在排氣密集處，增加了排氣的數(shù)量，并縮小了間距。根據(jù)模具型腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，模具的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6。通過模具型腔結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，最終確定了圖6所示的模具總體結(jié)構(gòu)形式，在模流分析的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)工藝，通過模擬分析使得澆注系統(tǒng)以及整副模具的結(jié)構(gòu)得到了優(yōu)化設(shè)計。通過軟件的功能代替了實(shí)際試模的過程，預(yù)見性地設(shè)計模具結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)語

基于ProCAST軟件進(jìn)行模擬流動分析，模擬材料的型腔充型過程，分析過程中可能產(chǎn)生的缺陷，輔助設(shè)計人員進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計，該方向盤壓鑄模具一次試模成功，這大大縮短了模具制造與試模周期，降低了成本，對類似零件壓鑄模具的設(shè)計、制造具有一定的借鑒作用。

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