鋁合金殼體件壓鑄工藝的數(shù)值模擬

劉珂，黃文超，袁世平，劉斌

(1.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400050;2.工業(yè)和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011)

壓力鑄造成形是一種重要的材料成形方法。采用壓鑄方法得到的壓鑄件，由于具有強度高，表面硬度高以及形狀復(fù)雜、薄壁等特點，因而得到了廣泛的應(yīng)用。在壓鑄過程中，因金屬液在高速、高壓下迅速充型和凝固，極易產(chǎn)生氣孔、夾雜、冷隔、流痕等鑄造缺陷[1]，嚴重影響了壓鑄件的質(zhì)量。

模具設(shè)計是影響壓鑄件成形的重要因素之一，尤其是澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)的設(shè)計。通過數(shù)值模擬壓鑄充型及凝固過程可以預(yù)測缺陷，從而優(yōu)化模具設(shè)計。文中借助鑄造模擬軟件Anycasting對鋁合金殼體零件的壓鑄過程進行模擬，進行分析并得出結(jié)論。

1 鋁合金殼體件鑄造工藝分析

鋁合金殼體件的三維外形如圖1所示，外形尺寸為164 mm×138 mm×75 mm，平均壁厚為5 mm，質(zhì)量為1.17 kg。殼體件的材質(zhì)為Al-Si-Cu系合金，鑄件本體抗拉強度σb≥230 MPa，屈服強度σs≥150 MPa，屬于高強度、高韌性的薄壁復(fù)雜零件。此零件為某型號汽車的轉(zhuǎn)向器殼體件，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的重要部件，對其內(nèi)外質(zhì)量的要求非常嚴格。

圖1 殼體零件三維造型Fig.1 3D model of shell part

2 數(shù)學模型的建立

2.1 充型過程流場模擬的數(shù)學模型

針對液態(tài)金屬充型過程，常用的數(shù)值模擬以動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程為基礎(chǔ)[2]。

質(zhì)量守恒方程:

式中:u，v，ω 分別為速度矢量在 x，y，z方向上的分量;ρ為單位密度的壓力;gx，gy，gz為重力加速度分量;μ為運動速度;▽2為拉普拉斯算子。

2.2 凝固過程溫度場模擬的數(shù)學模型

凝固傳熱的基本規(guī)律可以用傅里葉導熱微分方程來描述:

式中:cp為定壓比熱容;λ為導熱率;Q為熱源項。

3 模擬過程的前處理

3.1 模擬模型的建立

應(yīng)用三維造型軟件UG對殼體零件的澆注系統(tǒng)和排溢系統(tǒng)進行設(shè)計，由于零件具有3個不同方向的圓筒結(jié)構(gòu)，至少需要4個不同方向上的抽芯機構(gòu)，因此只能采用一模一腔的布局才能保證抽芯結(jié)構(gòu)的合理設(shè)置。為使金屬液沿型腔壁充填型腔，避免正面沖擊型芯，采用環(huán)形澆口，這種澆口布局還能夠增加壓鑄件的排氣性。

在確定了澆注系統(tǒng)的位置之后，要合理確定排溢系統(tǒng)的位置。溢流槽通常設(shè)置在金屬液最先沖擊或最后充填的部位;或者在兩股或多股金屬液匯流、易裹入氣體或產(chǎn)生渦流部位;或者在鑄件局部過厚或過薄部位[3]。由此，在鑄件端部設(shè)置了5個溢流槽，最終設(shè)置的澆注系統(tǒng)及溢流槽的位置，如圖2所示。

圖2 澆注系統(tǒng)和溢流槽的布置Fig.2 Layout of gating system and overflow well

利用Anycasting中的AnyMesh模塊劃分網(wǎng)格，最終劃分的節(jié)點數(shù)為49594，網(wǎng)格數(shù)2044078，保存文件，導出.gsc格式文件。

3.2 模擬邊界條件的確定

殼體鑄件所選的鋁合金材料為ADC12，其化學成分見表1。ADC12屬于共晶型合金，其共晶溫度約為577℃，液相線溫度為580℃，固相線溫度為515℃[4]。澆注溫度一般較液相線高50～100℃，因此設(shè)定初始澆注溫度為670℃。模具材料選擇H-13鋼。通過結(jié)合鋁合金殼體鑄件的結(jié)構(gòu)特性和查閱壓鑄技術(shù)手冊[5]，確定了壓鑄工藝參數(shù)。壓鑄模擬的邊界條件見表2。

表1 ADC12化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table1 Chemical compositions of ADC12

表2 模擬的邊界條件Table2 Boundary conditions of simulation

4 模擬結(jié)果及分析

壓鑄件的充型凝固過程會產(chǎn)生沖擊破壞、氧化、傳熱等一系列物理及化學變化，在鑄造過程中產(chǎn)生的大部分缺陷如卷氣、夾渣、縮孔、縮松等，都與壓鑄件的充型過程有著緊密的聯(lián)系。用數(shù)值模擬方法可以模擬金屬液的流動狀態(tài)及溫度分布等變化規(guī)律，通過金屬液的流動變化規(guī)律可以直觀分析和預(yù)測缺陷，判斷澆注系統(tǒng)及排溢系統(tǒng)設(shè)置是否合理。

4.1 充型過程

圖3 不同時刻的充型狀態(tài)Fig.3 Filling state in different times

壓鑄殼體件不同時刻下的充型情況如圖3所示。由圖4可以看出，充型時間約為0.115 s。金屬鋁液充型平穩(wěn)，未出現(xiàn)紊流、飛濺等現(xiàn)象。充型過程中溫度場分布合理，保持了良好的流動性，金屬鋁液順利充型，最終得到了良好的鑄件。當t=0.052 s時，金屬液由殼體件邊上的環(huán)形內(nèi)澆道進入型腔。在t=0.069 s時，金屬液開始分流由直型腔進入左右兩側(cè)型腔。由于右側(cè)管壁型腔較長且較厚，故其充型速度較左側(cè)型腔更快。當t=0.104 s時，鑄型部分的型腔都已充填完成，金屬液進入溢流槽。由此驗證了溢流槽設(shè)置在金屬液最后填充部位的合理性。在t=0.109 s時，由圖3中的溫度分布可以看出，充型后型腔的金屬液溫度在623℃以上，避免了冷隔現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4 充型的時間分布Fig.4 Distribution of filling times

4.2 凝固過程分析

圖5 不同時間的凝固狀態(tài)Fig.5 Solidification state in different times

充型結(jié)束后整個型腔及澆注系統(tǒng)的凝固狀態(tài)如圖5所示，可以看出鑄件完全凝固時所用時間為43.445 s。將鑄件部分所標注的顏色與左側(cè)的溫度色相比較，即為對應(yīng)部位的凝固時間。呈深色的型腔部位大部分的凝固時間在4 s之內(nèi)，最后凝固的是呈淺色的直澆道部分。

圖6 不同時刻凝固的溫度分布Fig.6 Temperature fields of solidification in different times

不同凝固時刻的溫度分布情況如圖6所示。在t=2.200 s時，可以得出最先凝固的部位為溢口和內(nèi)澆口，因為溢口和內(nèi)澆口為薄壁部位，故這兩處先凝固。由t=5.262 s到t=6.470 s的凝固順序為從薄壁處的溢口和內(nèi)澆口處向壁厚相對較厚的型腔中間部位凝固。在t=6.470 s時可以看出，管桶狀型腔端處的4個溢流槽1，2，3，4在最后時刻凝固，起到了接納型腔中的氣體及夾雜物的作用，改善了填充條件。

4.3 缺陷預(yù)測

Anycasting中給出了缺陷預(yù)測模型，即 Probabilistic Defect Parameter，并在其中給出了含有相關(guān)參數(shù)的缺陷預(yù)測判據(jù)。選用參數(shù)為殘余熔體模數(shù)(Retained Melt Modulus)的缺陷預(yù)測判據(jù)來預(yù)測缺陷，可得到與實際比較吻合的結(jié)果[6]。殘余熔體模數(shù)公式為:

式中:M為殘余熔體模數(shù);V為殘余熔體體積;A為殘余熔體比表面積。

殘余熔體模數(shù)基于孤立熔體預(yù)測縮松，A越小說明熔體比較集中，V越大，說明孤立熔池區(qū)越大，更容易形成孤立熔池而產(chǎn)生縮松缺陷。圖7顯示了缺陷的最終位置是在直澆道端面處，而壓鑄件型腔的凝固狀態(tài)良好，未產(chǎn)生明顯缺陷，與預(yù)測的結(jié)果吻合。

圖7 缺陷概率參數(shù)Fig.7 Probabilistic defect parameter

5 結(jié)語

通過鑄造模擬軟件Anycasting模擬了鋁合金殼體件充型和凝固過程。結(jié)果顯示:在壓射速度為2 m/s，澆注溫度為670℃，模具預(yù)熱溫度為180℃時，鑄件中縮孔、縮松等缺陷最少，性能最優(yōu)。根據(jù)模擬結(jié)果對澆注系統(tǒng)及排溢系統(tǒng)進行了合理化設(shè)置，提高了后續(xù)生產(chǎn)質(zhì)量。

[1]陳位銘，金勝燦.鋁合金壓鑄工藝的數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，2005(6):32 －35.

[2]吳士平，于彥東，王麗萍，等.提高充型過程數(shù)值模擬運算速度的動態(tài)超松弛迭代算法[J].中國有色金屬學報，2003，13(5):1219 －1222.

[3]模具實用技術(shù)叢書編委會.壓鑄模設(shè)計應(yīng)用實例[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005:114－115.

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[5]宋滿倉.壓鑄模具設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社，2010:70－88.

[6]徐慧.福特3S4G發(fā)動機缸蓋低壓鑄造模擬分析及模具熱平衡研究[D].重慶:重慶大學，2009.