基于CAE分析的鋁合金殼形件澆注系統(tǒng)的優(yōu)化研究

徐 寧

(福建信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，福州 350003)

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基于CAE分析的鋁合金殼形件澆注系統(tǒng)的優(yōu)化研究

徐 寧

(福建信息職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系，福州 350003)

隨著鋁及鋁合金鑄件越來越廣泛的應用，各應用領域?qū)︿X合金鑄件成形工藝提出了更高的要求和更高的標準.但是，原始的側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)在鑄件過程中還存在諸多缺陷.為提高鋁合金殼形件澆注系統(tǒng)的充型和凝固性能，基于CAE、ProCAST，以ZL102鋁合金殼形件為研究對象，提出了中心澆口澆注系統(tǒng)的優(yōu)化方案.經(jīng)數(shù)值模擬分析可得出結(jié)論，將中心澆口澆注系統(tǒng)應用于ZL102鋁合金殼形的過程中，充型與凝固情況得到明顯的改善，系統(tǒng)得到了最終的優(yōu)化.

CAE；數(shù)值模擬；鋁合金；澆注系統(tǒng)；優(yōu)化

隨著合金鑄件越來越廣泛的應用，各應用領域?qū)辖痂T件成形工藝提出了更高的要求，要求壓鑄合金的充型、凝固性能均需達到高標準，鋁及鋁合金作為壓鑄工藝中的一種重要材料，研究與探索鋁及鋁合金的鑄造工藝，提高它的充型、凝固性能十分必要[2].本文將以ZL102鋁合金殼形件為研究對象，充分應用鑄造CAE數(shù)值模擬技術(shù)、ProCAST專業(yè)鑄造模擬分析軟件對鑄造工藝作進一步研究，最終實現(xiàn)對鋁合金殼形件澆注系統(tǒng)的優(yōu)化.

1 殼形原始壓鑄件

ZL102鋁合金是原始壓鑄殼形零件的主要原始材料[3]，圖1是殼形鑄件的三維實體造型圖，分別表示：①壓鑄件的實體造型；②壓鑄件的網(wǎng)絡劃分.一般情況下，殼形原始壓鑄件的內(nèi)徑、腔深、壁厚、沿邊寬、總高、總重分別為92 mm、34 mm、7 mm、5 mm 、42 mm、0.480 kg，其中壓鑄件具有5129 mm2左右的分型面最大投影面積.

圖1 壓鑄件的實體造型、網(wǎng)格劃分

2 殼形原始件側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)

根據(jù)實際生產(chǎn)中的壓鑄模型，本文利用Pre/Engineer三維建模軟件設計出了一個殼形原始件側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)模型，如圖2所示.在該澆注系統(tǒng)模型中主要包括直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口、溢流槽4大要素，設計為50 mm的壓室直徑，可達到14 t的充型壓力，澆注溫度控制在680～720 ℃(模具溫度<300 ℃)，溢流槽總重占零件總重約10%，壓鑄件具有5129 mm2左右的分型面最大投影面積.若將該模型生產(chǎn)為實際零件，則適用于J113 型壓鑄機以實現(xiàn)壓鑄操作.

圖2 側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)

據(jù)壓鑄實際的操作經(jīng)驗可知，壓力、充填速度、金屬液充填特性是影響壓鑄工藝的主要因素.在此，為更好的分析ZL102 鋁合金殼形壓鑄件充型過程的參數(shù)情況，本文應用ProCAST(專業(yè)鑄造模擬分析軟件)進行數(shù)值模擬，從中發(fā)現(xiàn)殼形原始件側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)存在諸多缺陷，具體有：①在填充過程中型腔內(nèi)的冷氣會因金屬流的高速流動而在內(nèi)澆口對側(cè)處匯聚，若此時發(fā)生冷隔便會令零件質(zhì)量受到嚴重的影響；②因最后填充的部位是在內(nèi)澆口側(cè)，這里會聚集許多的氣體與渣液，容易造成眾多缺陷的產(chǎn)生(如氣孔等)，于是此處便成為鑄件最弱化的部位；③該零件在底部填充好之后，與此同時溢流槽也處于填滿狀態(tài)，這樣用以排氣、排渣的溢流槽就無法發(fā)揮其功能，反而造成大量氣體與渣液滯留在零件內(nèi)部，使得零件質(zhì)量遭受嚴重影響；④采用側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)所得鑄件的顯微組織存在諸多缺陷，零件薄壁處、晶界處附近存有大量的氣孔、夾雜物等，使得零件的一些部位成為弱化區(qū).由此可見，應用殼形原始件側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)所生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量并不理想，為確保鑄件的高質(zhì)量，這就需要努力優(yōu)化原始的澆注系統(tǒng).

3 ZL102鋁合金殼形件澆注系統(tǒng)的優(yōu)化

3.1 優(yōu)化三維模型的建立

由于原始采用側(cè)端面澆口的鋁合金殼形件澆注系統(tǒng)存在著諸多不足之處，其在一定程度上影響著鑄件的質(zhì)量，為了改善與消除系統(tǒng)的缺陷，需要采用更為合理的設計方案來實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化.有關(guān)資料表明，類似圓體殼形件的澆注系統(tǒng)更適于運用中心澆口來進行澆注系統(tǒng)的設計[4]，因而在遵循澆注設計原則及原始澆注系統(tǒng)的基礎上，本文利用Pro/Engineer(三維設計軟件)來設計中心澆口澆注系統(tǒng)，以實現(xiàn)優(yōu)化三維模型的建立，具體如圖3所示.

圖3 中心澆口澆注系統(tǒng)

與原始側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)的設計原理相同，中心澆口澆注系統(tǒng)還是主要由直澆道、橫澆道、內(nèi)澆口、溢流槽構(gòu)成，其他方面的內(nèi)容也全部一樣，如：設計為50 mm的壓室直徑，可達到14 t的充型壓力，澆注溫度控制在680～720 ℃(模具溫度<300 ℃)，溢流槽總重占零件總重約10%，壓鑄件具有5129 mm2左右的分型面最大投影面積，適用于J113 型壓鑄機以實現(xiàn)壓鑄操作.中心澆口澆注系統(tǒng)與側(cè)端面澆口澆注系統(tǒng)只有唯一的一個不同之處，那就是澆注方式發(fā)生了變化.

3.2 中心澆口澆注系統(tǒng)有限元模型的建立

在完成中心澆口澆注系統(tǒng)的三維模型建造之后需要對鑄件實行三維有限元網(wǎng)格的剖分，這里主要采用Pro/Engineer軟件中的FEM模塊來實現(xiàn)[5].系統(tǒng)有限元模型的建立主要如下：①完成三角形單元網(wǎng)格的面剖分，對于整個模型的最小、最大元素尺寸分別創(chuàng)建為0.5 mm、80 mm，同時依據(jù)由大到小的尺寸順序為各個圓弧曲面進行最大元素尺寸的創(chuàng)建；②以圓弧面的合理劃分為基本原則，所謂的網(wǎng)格即為截面上的任一自由單元(不能取過大的單元)，經(jīng)劃分之后的模型幾何形狀的失真程度應控制在一定規(guī)范內(nèi)，保證網(wǎng)格密度的適當以避免出現(xiàn)模擬計算量和速度的增大、降低；③利用自帶的FEM模塊分別處理動/定模鑲塊及鑄件造型實體的表面，以完成面網(wǎng)格的建立，實現(xiàn)三角形面網(wǎng)格單元的生成，保存以ansys文件格式的擴展名文件；④對軟件進行網(wǎng)格格式的轉(zhuǎn)換，基于ProCAST將面網(wǎng)格的ansys格式轉(zhuǎn)換成sm格式，將轉(zhuǎn)換后的格式導入ProCAST便可實現(xiàn)115856節(jié)點數(shù)、660371單元數(shù)的模擬模型面網(wǎng)格的建立.

3.3 中心澆口澆注系統(tǒng)模擬運行的參數(shù)

澆注初始溫度是系統(tǒng)模擬運行中的關(guān)鍵物性參數(shù)，其會受到金屬液重力方向、速度以及模具溫度的影響[6].在模擬中心澆口澆注系統(tǒng)運行的過程中，為了確保熔點與澆注溫度的參數(shù)在550～630 ℃、680～750 ℃，于是參數(shù)的設定應滿足4個標準：重力方向以Y的正方向表示；保證2 m/s的壓射速度；保證230 ℃的模具初始溫度；保正700 ℃的金屬液初始澆注溫度[7].

4 數(shù)值模擬分析

4.1 充型過程數(shù)值模擬分析

基于ZL102鋁合金殼形件中心澆口澆注系統(tǒng)，采用ProCAST(專業(yè)鑄造模擬分析軟件)進行壓鑄充型過程的模擬[8]，進而得出系統(tǒng)模型填充中不同階段流場的模擬結(jié)果，具體如圖4所示.

圖4 中心澆口澆注系統(tǒng)模型填充不同

保證澆注參數(shù)相同的基礎上，在中心澆口澆注系統(tǒng)模型的運行流程圖中可以看到：圖4(1)t=0.009 s中的金屬流按照系統(tǒng)設置的方向進行高速流動，在型腔中開始填充；圖4(2)t=0.028 s中高速的金屬流的流向從直澆道沿著型腔往鑄件四周填充；圖4(3)t=0.052 s中充填完成，較之原始的系統(tǒng)采用中心澆口澆注系統(tǒng)的充填時間大大縮短，使得充型壓力的損失明顯降低，但在澆注過程中還是存在沒有澆注的地方，圖中所示的渦流就是部分卷氣的結(jié)果，不過系統(tǒng)不足已有明顯改善；圖4(4)t=0.060 s中的3個溢流槽是最后充滿的部位，這樣的設置可以充分發(fā)揮溢流槽排氣、排渣功能，利于提高零件質(zhì)量.通過數(shù)值模擬分析可以得出結(jié)論，若保障在較好的壓鑄機型上進行操作，即可提高充型壓力值又可完全消除零件中的諸多不足(如渦流等)，進而生產(chǎn)出較高質(zhì)量的鑄件.

4.2 凝固過程數(shù)值模擬分析

圖5所示，是應用中心澆口澆注系統(tǒng)的ZL102鋁合金殼形件在完成鑄件填充之后，可觀察到鑄件不同部位凝固過程的變化.

圖5 鑄件填充完畢后的凝固過程

鑄件填充后在凝固過程中其溫度也會隨之發(fā)生變化，溫度值的不同變化以鑄件不同的對應亮色來體現(xiàn).從圖5可看出鑄件的凝固過程屬于循序漸進的規(guī)律，依次由鑄件薄壁外側(cè)、殼體、溢流槽、鑄件中心、澆道的順序逐漸降溫，系統(tǒng)的凝固基本穩(wěn)定，始終保持著順暢的補縮通道，這是中心澆口澆注系統(tǒng)的優(yōu)點.

5 結(jié) 語

基于CAE及ProCAST分析可以總結(jié)出以下

結(jié)論：當滿足700 ℃澆注溫度、2 m/s壓射速度的條件下，將中心澆口澆注系統(tǒng)應用于ZL102鋁合金殼形的過程中，充型與凝固情況得到明顯的改善，系統(tǒng)設置最后的充填部位為溢流槽，因而當完成鑄件填充后溢流槽的溢流、排氣、排渣功能得到了充分的發(fā)揮；而設置最后凝固的部位為澆口，從而更能實現(xiàn)鑄件凝固過程中的補縮，最終保證鑄件質(zhì)量達到理想效果.

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Study on Optimization of Casting System of Aluminium Alloy Shell Shape Based on CAE Analysis

XU Ning

(Department of Electrical Engineering，F(xiàn)ujian Polytechnic of Information Technology, Fuzhou 350003, China)

With the widely increasing application of aluminum and aluminum alloy castings,China the application fields put forward higher requirements and high standards on the aluminum alloy castings. However, the side end face of gate original still exists many defects in the casting process. In order to improve the aluminum alloy shell casting filling and solidification properties of the system, this paper puts forward optimization scheme of the center gate system based on CAE, ProCAST and with ZL102 aluminum alloy shell shaped parts as the research object. The numerical simulation analysis concludes that the application of the center gate in ZL102 aluminum alloy shell in the mold filling and solidification has been significantly improved and the system is finally optimized.

CAE; value simulation; aluminium alloy; casting system; optimization

2014-12-20

徐 寧(1959- ),男，副教授，研究方向：機械制造技術(shù).

TP391.9

A

1671-119X(2015)02-0020-03