鋁合金端架壓鑄充型凝固數(shù)值模擬與工藝研究

牛 多，黃 勇，孟昭昕，杜曉明，徐明海

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110159)

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鋁合金端架壓鑄充型凝固數(shù)值模擬與工藝研究

牛 多，黃 勇，孟昭昕，杜曉明，徐明海

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110159)

運(yùn)用ProCAST數(shù)值模擬軟件，對(duì)設(shè)計(jì)的鋁合金端架進(jìn)行了流動(dòng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果改進(jìn)了澆鑄系統(tǒng)，確定了合理的壓鑄工藝參數(shù)：澆注溫度610℃，模具預(yù)熱溫度220℃，壓射速度2m/s。通過(guò)生產(chǎn)出的模具進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)，得到了合格的端架壓鑄件，驗(yàn)證了模擬結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

鋁合金；端架；數(shù)值模擬；工藝設(shè)計(jì)

鋁合金的密度小、質(zhì)量輕，而強(qiáng)度接近有時(shí)甚至超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼；其塑形較好，可加工成各種型材；同時(shí)鋁合金具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，因而工業(yè)上廣泛使用,使用量?jī)H次于鋼[1]。壓鑄是一種將熔融狀態(tài)或半熔融狀態(tài)的金屬澆入壓鑄機(jī)的壓室，在高壓力作用下，以極高的速度填充在壓鑄模的型腔內(nèi)，并在高壓下使熔融或半熔融狀態(tài)的金屬冷卻凝固成形而獲得鑄件的高效益、高效率的精密鑄造方法[2]。因此壓鑄可成形復(fù)雜薄壁深腔零件，同時(shí)壓鑄件還具有較高的尺寸精度，輪廓清晰、組織致密、強(qiáng)度硬度較高的優(yōu)點(diǎn)。

鑄造過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)(CAE)經(jīng)歷40年的發(fā)展已成為鑄造行業(yè)不可或缺的一部分。因?yàn)樗梢杂行岣弋a(chǎn)品質(zhì)量、降低成本而越來(lái)越受到人們的重視[3]。本文使用鑄造模擬軟件ProCAST，對(duì)鋁合金端架進(jìn)行壓鑄數(shù)值模擬。通過(guò)模擬壓鑄過(guò)程中熔體的流動(dòng)和冷卻，對(duì)該鑄件的澆注系統(tǒng)與排溢系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，確定了合理的壓鑄工藝參數(shù)，減少了鑄件中縮孔縮松等缺陷的產(chǎn)生。

1 鑄件分析及模擬前處理

1.1 鑄件工藝性分析

圖1為帶澆鑄系統(tǒng)的端架鑄件。其外形尺寸為 143mm×102mm×50mm，質(zhì)量為0.773kg；采用扇形澆鑄系統(tǒng)，側(cè)扁平澆口；遠(yuǎn)離內(nèi)澆口金屬液最后充形的鑄件末端設(shè)有兩溢流槽。

圖1 帶澆鑄系統(tǒng)的鑄件立體圖

用UG繪制完鑄件模具圖后導(dǎo)入ProCAST的MeshCAST模塊中進(jìn)行網(wǎng)格劃分[4]。鑄件網(wǎng)格尺寸為3，澆鑄系統(tǒng)尺寸為5，同時(shí)適當(dāng)放大模具網(wǎng)格尺寸，以便減少計(jì)算時(shí)間。

1.2 工藝參數(shù)的確定

壓鑄模具材料選用H13模具鋼。鑄件采用AlSi9Mg合金，其化學(xué)成分如表1所示，其液相線溫度為598.0℃、固相線溫度為546.0℃、密度為2.65g/cm3。邊界條件設(shè)置最重要的是鑄件與模具界面的換熱系數(shù)，這里取一個(gè)恒定值1500W/(m2·K)，界面類(lèi)型為一致型(COINC)，界面模具與空氣的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為10W/(m2·K)，模具與模具的界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為1000/(m2·K)[5]，界面類(lèi)型為一致型(COINC)。根據(jù)壓鑄件的性能初始選擇的壓鑄參數(shù)如表2所示。

表1 AlSi9Mg的化學(xué)成分 %

表2 初始?jí)鸿T參數(shù)

2 模擬結(jié)果分析

圖2是金屬液體的充型過(guò)程，圖3為鑄件的溫度場(chǎng)、凝固場(chǎng)、預(yù)測(cè)的縮孔縮松。

圖2 充型過(guò)程

由圖2可知，金屬液體進(jìn)入型腔后，因?yàn)樾托镜淖璧K，液體前沿分為兩股前進(jìn)(如圖2a)。液體前沿碰到型腔壁后，在后續(xù)金屬熔體的作用下隨后續(xù)熔體一起流向兩側(cè)的溢流槽(如圖2c)，這可以有效將熔體前沿氧化物等雜質(zhì)排出鑄件。隨著澆鑄的進(jìn)行金屬熔體由溢流槽至內(nèi)澆口方向逐漸填充整個(gè)鑄件，最后溢流槽和內(nèi)澆口處的腔體同時(shí)充滿(mǎn)。填充過(guò)程共經(jīng)歷0.1575s。整個(gè)過(guò)程熔體流動(dòng)較平穩(wěn)，沒(méi)有比較嚴(yán)重的飛濺產(chǎn)生。

圖3 鑄件溫度場(chǎng)、凝固場(chǎng)、縮孔縮松

圖4 壓鑄模具溫度場(chǎng)截面圖

從圖3a、圖3b可以看出，因?yàn)榫哂休^厚的壁厚，所以A處的溫度始終高于其他部分并最后凝固，同時(shí)因?yàn)榫嚯x內(nèi)澆口較遠(yuǎn)不易補(bǔ)縮，產(chǎn)生了如圖3c橢圓內(nèi)的兩處較嚴(yán)重的縮孔縮松。圖4為壓鑄模具溫度場(chǎng)截面圖。根據(jù)圖4進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，A處的冷卻速度慢是因?yàn)锳處附近的模具具有很高的溫度場(chǎng)。這較高溫度場(chǎng)部分來(lái)自鑄件自身的熱量，還有部分來(lái)自溢流槽的熱量(溢流槽體積較大)。在這兩股熱量下，A處附近的模具溫度上升很快且短時(shí)間內(nèi)無(wú)法將熱量散發(fā)出去，最終導(dǎo)致A處冷卻很慢，產(chǎn)生縮孔縮松。而矩形框內(nèi)的缺陷可能是因?yàn)樵撎幾詈蟊唤饘偃垠w填充滿(mǎn)，氣體無(wú)法排出，并且壁厚較厚冷卻慢產(chǎn)生的。綜上所述需要對(duì)澆鑄系統(tǒng)，溢流系統(tǒng)進(jìn)行必要的改進(jìn)。

3 方案優(yōu)化

根據(jù)上述問(wèn)題，改變內(nèi)澆口的位置，將其置于原澆注方向的末端。內(nèi)澆口共兩個(gè)，它們左右對(duì)稱(chēng)。同時(shí)將溢流槽由原動(dòng)模側(cè)移至定模側(cè)，溢流槽的體積也做了一定的減小，其數(shù)量由原來(lái)的兩個(gè)增加到四個(gè)。

然而改進(jìn)澆鑄系統(tǒng)再次模擬后發(fā)現(xiàn)，在鑄件的相同位置仍然存在較為嚴(yán)重的縮孔縮松。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)澆口比鑄件先凝固，使得鑄件內(nèi)部的縮孔縮松無(wú)法通過(guò)內(nèi)澆口得到補(bǔ)縮，而此時(shí)模具預(yù)熱溫度為200℃。隨后經(jīng)過(guò)多次模擬，發(fā)現(xiàn)要使得內(nèi)澆口晚于鑄件凝固，內(nèi)澆口附近模具的溫度至少在350℃左右，此時(shí)鑄件內(nèi)的縮孔縮松會(huì)顯著的減少，并且隨內(nèi)澆口附近模具預(yù)熱溫度的增加縮孔縮松會(huì)進(jìn)一步減小。然而實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于鋁合金壓鑄模具的預(yù)熱不會(huì)超過(guò)300℃[6]。

壓鑄件在生產(chǎn)過(guò)程中壓鑄模具會(huì)達(dá)到熱平衡，即隨著壓鑄生產(chǎn)的進(jìn)行，模具的溫度會(huì)逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定值。因此運(yùn)用ProCAST軟件，對(duì)優(yōu)化后的鑄件及模具進(jìn)行熱平衡分析。在熱平衡分析中使用表2的壓鑄參數(shù)，循環(huán)次數(shù)為10次，每次的循環(huán)周期為35s。如圖5為10次循環(huán)內(nèi)澆口附近模具33034、33525兩節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化圖。

圖5 節(jié)點(diǎn)33034、33525溫度隨時(shí)間的變化圖

從圖5可以看出，當(dāng)初始模具溫度為200℃時(shí)，從開(kāi)始?jí)鸿T到第6次壓鑄循環(huán)結(jié)束后，33525節(jié)點(diǎn)的最低溫度已超過(guò)350℃。所以可以認(rèn)為，在實(shí)際生產(chǎn)中從第7個(gè)壓鑄件開(kāi)始，內(nèi)澆口附近模具的溫度滿(mǎn)足內(nèi)澆口晚于鑄件凝固的條件。

由以上分析，有利于壓鑄模具的適宜工作溫度可以在預(yù)熱的前提下，再通過(guò)試生產(chǎn)而獲得。使用表2壓鑄參數(shù)再次模擬，模具預(yù)熱溫度則使用上述第7次壓鑄完成后模具的溫度。優(yōu)化后的縮松縮孔的預(yù)測(cè)圖如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的縮松縮孔

由圖6知縮松縮孔顯著減少。為了避免偶然性的出現(xiàn)，模擬了優(yōu)化前模具的熱平衡，結(jié)果顯示雖然圖3c矩形方框內(nèi)的縮孔縮松消失，橢圓內(nèi)的縮孔縮松仍然存在。主要是因?yàn)榧幢銤部谕碛阼T件凝固，但鑄件A處與內(nèi)澆口之間的金屬熔體凝固阻礙了補(bǔ)縮的進(jìn)行。

壓鑄的參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了以下9組模擬實(shí)驗(yàn)，即3種不同的澆鑄速度與3種不同澆鑄溫度的兩兩組合，而模具溫度采用上述第7次壓鑄完成后模具的溫度，模擬結(jié)果為縮松縮孔的百分比，該值越小，表明縮松縮孔越少。表3為模擬結(jié)果。

表3 模擬結(jié)果

從表3可以看出，在該澆注系統(tǒng)下當(dāng)模具溫度逐漸平衡時(shí)(即模具溫度逐漸升高并趨于穩(wěn)定時(shí))壓鑄參數(shù)的改變對(duì)縮松縮孔的產(chǎn)生影響較小。

綜上所述，考慮到生成效率和成本，選擇澆注溫度為610℃，模具預(yù)熱溫度為220℃，壓射速度為2m/s作為壓鑄參數(shù)。生產(chǎn)中前5～6個(gè)壓鑄件用于再次加熱模具，之后的壓鑄件中的縮孔縮松量達(dá)到允許范圍獲得質(zhì)量良好的端架壓鑄件。并且隨著壓鑄生產(chǎn)的進(jìn)行，縮孔縮松會(huì)進(jìn)一步減少。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

選用J1113E臥式冷室壓鑄機(jī)，壓室直徑為50mm，生產(chǎn)出的壓鑄件如圖7a所示。鑄件表面沒(méi)有明顯的缺陷，剖開(kāi)后，鑄件沒(méi)有明顯的宏觀縮孔、縮松。在鑄件不同部位進(jìn)行取樣觀察金相組織，圖7b、圖7c為所示壓鑄件微觀組織。

圖7 壓鑄件及微觀組織

圖7b為鑄件先凝固部位的金相組織，由于受到壓鑄模具的影響，激冷比較明顯，晶粒細(xì)小較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷，保證了鑄件質(zhì)量。圖7c為鑄件后凝固部位的金相組織，該處組織較粗大但也比較均勻，其產(chǎn)生原因是鋁合金液冷卻較慢。由圖7可知，端架壓鑄件在凝固過(guò)程中補(bǔ)縮效果良好，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的宏觀縮孔、縮松，微觀縮孔、縮松尺寸也在要求范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足了生產(chǎn)要求。

5 結(jié)論

(1)通過(guò)ProCAST數(shù)值模擬得到最佳工藝參數(shù)：澆注溫度為610℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，壓射速度為2m/s。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果確定了設(shè)計(jì)方案并制造出了合格的端架壓鑄模具。

(3)通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐生產(chǎn)出合格的端架壓鑄件，驗(yàn)證了模擬結(jié)果可應(yīng)用生產(chǎn)實(shí)際。

[1] 蔣民華.神奇的新材料[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2013：17-18.

[2]馬修金，朱海燕，齊衛(wèi)東.壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[3]毛紅奎，徐宏.鑄造過(guò)程模擬仿真及工藝設(shè)計(jì)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

[4]SULAIMAN S,HAMOUDA A M S,ABEDIN S,et al.Simulation of metal filling progress during the casting process[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，100(11)：224-229.

[5]曹文炅，周照耀，李元元.船用柴油機(jī)活塞鑄造順序凝固工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬[J].特色鑄造及有色合金，2010，30(1)：36-38.

[6]黃勇，黃堯.壓鑄模具設(shè)計(jì)使用教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

Design and Optimization of the End Bracket Die-casting Process Based on the Procast Numerical Simulation

NIU Duo，HUANG Yong，MENG Zhaoxin，DU Xiaoming,，XU Minghai

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By analyzing temperature field and flow field of die-casting process of aluminum end bracket resulted from numerical simulation,using ProCAST software，the structure of die-casting die was refined,and end bracket′s property was found to be better at where pouring temperature comes to 610℃，mold preheating temperature up to 220℃ and the injection speed is 2m/s.Qualified aluminum end bracket produced from designed die-casting die was obtained.It is testified that numerical simulation works on die-casting manufacture.

aluminum；end bracket；numerical simulation；process design

2015-12-02

牛多(1986—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：壓鑄數(shù)值模擬技術(shù)。

1003-1251(2016)05-0082-05

TG249.2

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