外殼體壓鑄充型凝固過程數值模擬及工藝研究

孫 季，黃 勇，韓 瑩，安振須

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

外殼體壓鑄充型凝固過程數值模擬及工藝研究

孫 季，黃 勇，韓 瑩，安振須

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110159)

根據外殼體鑄件的結構特點設計鋁合金外殼壓鑄模具，通過ProCAST模擬軟件對外殼體鑄件進行充型凝固過程數值模擬，根據模擬的流場、溫度場和縮孔縮松的分布，確定合理的工藝參數，經過生產驗證，鑄件質量合格，同時驗證了模擬結果的準確性。

鋁合金；數值模擬；充型凝固；外殼體

壓鑄是壓力鑄造的簡稱，其實質是在高速、高壓作用下，使液態(tài)或半固態(tài)金屬以較高的速度充填鑄件型腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法。鋁合金具有良好的壓鑄性、導電性和導熱性，高溫力學性能也較好[1]；在低溫下工作時，同樣保持良好的力學性能(尤其是韌性)，且熔鑄工藝簡單，成型及切削加工性能良好，有較高的力學性能及耐蝕性。目前，壓鑄過程數值模擬已經有了很大的發(fā)展，如楊杰等[2]對壓鑄充型的二維流場的數值模擬進行了研究；陳彬等[3]采用有限元法對壓鑄模的溫度場進行了數值模擬；曾揚兵等[4]對壓鑄過程的三維流場、溫度場和力學場進行了數值模擬。本文通過ProCAST模擬軟件對外殼體的充型和凝固過程進行數值模擬，通過正交實驗，以不同的澆注溫度、壓射速度、模具預熱溫度三個因素作為變量，得出不同的模擬結果，并進行結果分析，優(yōu)化出最好的方案用于生產。

1 外殼體網格劃分及模具設計

UG NX8.0是一款三維造型軟件，其中仿真模塊非常強大。將三維模型導入到仿真模塊進行面網格剖分，網格剖分要適中，網格太小會導致計算過大而不收斂，而網格過大將不能準確的顯示模擬結果[5]；將得到的面網格文件導入到ProCAST中的Meshing模塊進行體網格剖分。將UGNX8.0軟件和ProCAST軟件剖分網格功能相結合，避免了單個軟件間的數據修復不全，網格剖分質量較差等缺點，提高工作效率。圖1為外殼體的三維造型圖，圖2為外殼體有限元網格剖分模型。

圖1 外殼體三維造型

圖2 外殼體有限元網格剖分模型

外殼體零件外形尺寸為160mm×90mm×76mm，鑲塊尺寸為348mm×210mm×186mm；外殼體平均壁厚約為3.5mm，屬于復雜的薄壁型鑄件[6]；外殼體的前部存在圓孔和凹槽，需側抽芯來實現完成?？紤]鑄件的結構、生產成本等因素，設計了外殼體的壓鑄模具。圖3為外殼體模具的裝配圖。

2 外殼體壓鑄過程的數值模擬

2.1 邊界條件的確定

外殼體鑄件材質為AlSi9Cu3鋁合金，合金的液相線溫度為585.3℃、固相線溫度為504.0℃、密度為2.74g·cm3。模具材質為H13鋼。假設鑄件與模具之間沒有間隙，金屬液與模具之間只有熱傳導一種方式，模具外表面與空氣之間只有對流換熱。鑄件與模具的換熱系數為1500W/(m2·K)，模具與空氣的換熱系數為10W/(m2·K)，模具與模具之間的換熱系數為2000W/(m2·K)。模擬終止溫度：300℃；模擬終止步長：5000步。

圖3 外殼體壓鑄模裝配圖

注：1.動模座板；2.螺釘；3.銷釘；4.墊塊；5.復位桿；6.推板導柱；7.推板導套；8.動模鑲塊；9.澆道推桿；10.限位釘；11.螺釘；12.推板；13.推板固定板；14.銷釘；15.螺釘；16.吊環(huán)螺釘；17.動模套版；18.限位塊；19.螺釘；20.螺母；21.彈簧；22.螺栓；23.滑塊；24.楔緊塊；25.螺釘；26.定模座板；27.定模套版；28.斜銷；29.斜銷固定板；30.活動鑲塊；31.推桿；32.定模鑲塊；33.澆口套；34.限位導柱；35.定模導套；36.定模導柱；37.支承板。

2.2 正交試驗設計

正交試驗是研究多因素多水平的一種設計方法。它是根據正交性從全面試驗中挑選出部分具有代表性的點進行試驗，這些代表性的點具備了均勻分散、整齊可比的特點。本試驗選用多種因素多種水平進行耦合。比較澆注溫度、壓射速度和模具預熱溫度對鑄件質量影響，采用三因素三水平的方式進行對比。正交因素及水平如表1所示。

表1 正交因素及水平表

本文對鑄件質量指標的評估，采用百分值的形式，分數越高，說明鑄件內的缺陷越少，壓鑄件的質量越好。反之分數越低，說明鑄件內的缺陷越嚴重。對9組試驗結果進行極差值分析：模具預熱溫度是影響鑄件產生缺陷最主要的因素，其次是壓射速度，影響最小的是合金的澆注溫度。模具預熱溫度為200℃時鑄件的質量指標最高，這說明模具預熱溫度為200℃時，鑄件內缺陷最少；考慮此時鑄件的凝固時間，只有縮短凝固時間，生產效率才能提高，企業(yè)利益才能得到最大化。由表1可知模具預熱溫度為200℃時凝固時間較長，但仍然在合理的范圍內，所以模具預熱溫度定為200℃。然后考慮壓射速度，壓射速度分別取值為3m/s、4m/s、5m/s，三組數值在影響鑄件的缺陷中差別較大，壓射速度為5m/s時，鑄件的質量指標最高，說明鑄件內缺陷最少。最后考慮合金的澆注溫度，綜合鑄件內的缺陷和凝固時間與生產成本等因素，最后選擇合金的澆注溫度為620℃。

2.3 充型過程模擬

通過正交試驗得到優(yōu)化的工藝參數，對此方案進行充型和凝固過程模擬，圖4為外殼體流場的模擬結果。

(a)充型10%

(b)充型20%

(c)充型40%

(d)充型60%

(e)充型80%

(f)充型100%

圖4a、4b是金屬液體在澆道內的流動狀況，金屬液體在壓力作用下進入直澆道，并在直澆道、橫澆道、內澆道堆積，當金屬液體充滿澆道后開始進入型腔[7]；隨著充型過程的進行，金屬液體進入型腔并向鑄件壁厚最薄避處流射，如圖4c所示；充型進行到60%后，金屬液在鑄件兩側薄壁圓筒內交匯，交匯部位的金屬液可能出現紊流情況，容易卷入氣體，形成氣孔等缺陷，如圖4d所示；到充型末期，金屬液體流射入鑄件的最末端，如圖4e所示；金屬液充滿型腔，鑄件形狀完整，輪廓清晰，沒有出現欠鑄和澆不足現象，如圖4f所示。鑄件充型完成的時間為0.0275s，充型時間適中。

2.4 凝固過程模擬

為觀察外殼體鑄件凝固過程中溫度的變化和縮孔縮松的分布情況，對鑄件進行凝固過程模擬，圖5為外殼體鑄件凝固過程的模擬結果。

圖5a為凝固5秒時鑄件的固相分數，圖5b為凝固5秒時的溫度場，由圖可以看到，鑄件澆道的溫度最高，而溢流槽最先凝固，這種情況澆道對鑄件起到很好的補縮作用，減少鑄件內部缺陷的產生，實現了順序凝固。圖5c為縮孔縮松分布圖，可以觀察到鑄件的缺陷大部分出現在液態(tài)金屬交匯的位置和溢流槽內，溢流槽中的缺陷對鑄件沒有影響，其余部分的缺陷也在合理范圍之內。鑄件凝固時間為75.58s，較為合理。模擬結果體現了鑄件良好的補縮能力，鑄件缺陷存在的數量較少，鑄件內總的縮孔疏松比為2.142，在壓鑄缺陷允許的范圍內，對外殼體鑄件的質量沒有實質影響。

(a)固相分數

(b)凝固溫度場

(c)縮孔縮松分布

通過外殼體鑄件的數值模擬和正交試驗結果分析，當合金的澆注溫度為620℃，壓射速度5m/s，模具預熱溫度為200℃時，模擬的結果較理想。鑄件的充型時間為0.0275s，凝固時間為75.58s，鑄件內總的縮孔疏松比為2.142，凝固時間合適，提高了生產效率。

3 壓鑄實驗

3.1 鋁合金的熔煉

鋁合金的熔煉是壓鑄過程的重要環(huán)節(jié)。金屬從固態(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，是一個復雜的物理、化學反應及熱交換過程。熔煉過程中合金可能產生金屬和非金屬的夾雜物、吸收氣體以及合金中的組分與雜質含量有所變化，因而在不同程度上影響到合金的力學性能。

熔煉的第一步為裝料：裝料順序因爐料不同而變化，首先裝入金屬錠，然后再加入調整化學成分所需加入的金屬錠或中間合金。對于一些易于損耗、熔點低的爐料(如Mg、Zn、Sn)，應該在熔化末期加入。裝料之后熔化合金，熔融的合金在熔爐中停留時間應盡量縮短，熔化過程中的最高溫度一般不宜超過760℃。

3.2 壓鑄實驗

根據壓鑄機的最大鎖模力計算，選用壓鑄機型號為J1130C的臥式冷室壓鑄機對外殼體進行壓鑄試驗驗證。由于外殼體對強度和氣密性有一定要求，所以調試壓射比壓100MPa進行實驗。進行壓鑄實驗前需要對模具進行預熱，并通過溫度檢測系統(tǒng)觀察溫度，把溫度控制在200℃左右。通過保溫爐和溫度控制箱把澆注的金屬液體溫度控制在620℃左右，調好工藝參數后進行試驗。需要注意的是：合金精煉后至澆鑄完畢的時間不宜超過4h；坩堝底剩余50～100mm的合金液因雜質較多不適宜澆注鑄件。圖6為壓鑄出的合格壓鑄件。從圖6中可以看出，外殼體表面較光滑，沒有出現明顯的表面缺陷。

圖6 生產出的外殼體鑄件

對外殼體鑄件不同部位進行取樣，觀察其金相組織，如圖7所示(其中縮孔縮松已圈出)。

圖7a為外殼體壓鑄件兩側圓筒薄壁的金相組織圖，該處是金屬液流交匯的位置，氣體集中于此，容易產生縮孔縮松等缺陷，缺陷尺寸都是微米級，在該鑄件允許的范圍內；圖7b為鑄件內最先凝固部位的金相組織視圖，由于受壓鑄模具溫度的影響，激冷效果較為明顯，晶粒較為均勻，沒有出現縮孔縮松等缺陷?？傮w上說該鑄件在凝固過程中補縮效果良好，沒有出現宏觀尺寸較大的缺陷，與模擬結果相似，證明了模擬結果的準確性，可以用于生產實踐。

(a)鑄件內部組織Ⅰ

(b)鑄件內部組織Ⅱ

4 結論

(1)用ProCAST模擬軟件進行充型和凝固過程數值模擬，優(yōu)化出最佳的工藝參數：AlSi9Cu3合金的澆注溫度620℃，壓射速度5m/s，模具預熱溫度200℃。

(2)將模擬工藝參數實驗驗證，得到了合格的壓鑄件，證明模擬結果可行。

[1]黃勇,黃堯.壓鑄模具設計實用教程[M].北京:化學工業(yè)出版社,2011.

[2]楊杰,姚山,溫斌,等.充型過程流動及其對凝固進程影響的研究[J].大型鑄鍛件,2003，(1):6-9.

[3]陳彬,曾小勤,胡斌,等.基于數值模擬的鋁合金汽車零部件壓鑄工藝優(yōu)化[J].鑄造技術,2009,30(10):1323-1325.

[4]曾揚兵,沈孟育,王保國,等.N-S方程在非結構網格下的求解[J].力學學報,1996，(6):93-97.

[5]劉致遠.鑄造CAE技術的應用[J].中國鑄造裝備與技術,2003,38(6):26-29.

[6]潘憲曾.壓鑄模設計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2006.

[7]錢萬選.壓鑄填充過程的理論探討[J].特種鑄造及有色合金,2002，(4):47-51.

(責任編輯：趙麗琴)

Numerical Simulation and Craft Researching of Shell Part Die Casting Filling and Solidication Process

SUN Ji，HUANG Yong，HAN Ying，AN Zhenxu

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The Die casting mold of the Aluminum shell is designed, the filling and solidification process is simulated by ProCAST.According to the simulation results, logical craft parameters are determined and production verification is taken,the qualified part is abtained and the correctness of simulation results is proved.

aluminum；numerical simulation；Die casting；shell part

2014-09-19

孫季(1987—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：金屬的凝固與液態(tài)成型新技術等.

1003-1251(2015)06-0029-05

TG249.2

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