濾清器支架壓鑄充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬及工藝研究

安振須，黃 勇，張 景，孟昭昕

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

濾清器支架壓鑄充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬及工藝研究

安振須，黃 勇，張 景，孟昭昕

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

根據(jù)鋁合金濾清器支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了鋁合金濾清器支架壓鑄模具和壓鑄工藝。用ProCAST模擬軟件對(duì)濾清器支架進(jìn)行壓鑄充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬，模擬出合理的壓鑄工藝參數(shù)：澆注溫度630℃，壓射速度1.0m/s，模具預(yù)熱溫度200℃。用制造出的壓鑄模具進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，得到了合格的壓鑄件，模擬結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

濾清器支架：鋁合金；數(shù)值模擬；壓鑄

壓鑄是在高速、高壓作用下，使液態(tài)或半固態(tài)金屬以較高的速度充填壓鑄模型腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法[1]。目前，壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬已經(jīng)有了很大的發(fā)展，楊杰等對(duì)壓鑄充型的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了充型及凝固過(guò)程鑄型內(nèi)金屬液速度場(chǎng)的變化情況，并進(jìn)一步分析不同條件對(duì)鑄件凝固進(jìn)程的影響[2]；陳彬等采用有限元法對(duì)壓鑄模的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了壓鑄模溫度場(chǎng)的分布對(duì)鑄件熱裂缺陷的影響[3]。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬已經(jīng)在汽車(chē)零部件生產(chǎn)上取得了廣泛應(yīng)用。濾清器支架是三菱發(fā)動(dòng)機(jī)的重要元件之一，在工作時(shí)要承受一定的壓力，質(zhì)量要求較高。本文用ProCAST鑄造模擬軟件對(duì)濾清器支架充型和凝固過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬[4]，并將模具預(yù)熱溫度、澆注溫度和壓射速度作為三因素，進(jìn)行正交試驗(yàn)?zāi)M，并進(jìn)行結(jié)果分析，優(yōu)化出合理的工藝參數(shù)用于實(shí)際生產(chǎn)。

1 鑄件工藝性分析及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 鑄件工藝性分析

鋁合金濾清器支架，其輪廓尺寸為125mm×107mm×70mm，平均壁厚為3.82mm，壓鑄精度為CT5；鑄件中心是一個(gè)直徑φ17mm的盲孔和兩個(gè)凹槽，邊上有三個(gè)直徑φ8mm、深15mm的通孔；側(cè)面有兩個(gè)通孔，需要側(cè)抽芯完成。因此，該件屬于復(fù)雜型壓鑄零件。用UG軟件設(shè)計(jì)出鑄件的三維圖，如圖1所示。

圖1 濾清器支架零件立體圖

1.2 鑄件內(nèi)澆口設(shè)計(jì)

鋁合金壓鑄件內(nèi)澆口填充速度v的推薦值為20～60m/s[5]，本文選取40m/s，充型時(shí)間為0.05s，內(nèi)澆口計(jì)算公式[5]：

(1)

式中：Ag為內(nèi)澆口橫截面積(mm2)；G為通過(guò)內(nèi)澆口金屬液的總質(zhì)量(g)；ρ為液態(tài)金屬的密度(g/cm3)；v為金屬液在內(nèi)澆口處的速度(m/s)；t為型腔填充時(shí)間(s)。將G=198g，ρ=2.74g/cm3，v=40m/s，t=0.05s帶入公式(1)，計(jì)算得出內(nèi)澆口橫截面積Ag=41.2mm2。根據(jù)內(nèi)澆口厚度、寬度和長(zhǎng)度經(jīng)驗(yàn)數(shù)值[5]，可確定此壓鑄件內(nèi)澆口厚度為2.0mm，寬度為20mm，長(zhǎng)度為2mm。

2 濾清器支架壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 邊界條件的確定

濾清器支架壓鑄件材質(zhì)為AlSi9Mg鋁合金，合金的液相線(xiàn)溫度為582.3℃、固相線(xiàn)溫度為546.0℃、密度為2.74g/cm3。模具材質(zhì)為H13鋼。假設(shè)鑄件與模具之間沒(méi)有間隙，金屬液與模具之間只有熱傳導(dǎo)一種方式，模具外表面與空氣之間只有對(duì)流換熱[6]。鑄件與模具的換熱系數(shù)為1500W/(m2·K)，模具與空氣的換熱系數(shù)為10W/(m2·K)，模具與模具之間的換熱系數(shù)為2000W/(m2·K)[7]。模擬終止溫度：300℃；模擬終止步長(zhǎng)：5000步。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

正交試驗(yàn)是研究多因數(shù)多水平的一種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。它是根據(jù)正交性，從全面試驗(yàn)中挑選出部分具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些代表性的點(diǎn)具備了均勻分散、整齊可比的特點(diǎn)。試驗(yàn)?zāi)M選用多因數(shù)多種水平進(jìn)行耦合，比較澆注溫度、壓射速度和模具預(yù)熱溫度對(duì)鑄件質(zhì)量影響，采用三因數(shù)三水平的方式進(jìn)行對(duì)比，因數(shù)水平如表1所示，正交試驗(yàn)如表2所示。

表1 因數(shù)水平表

表2 正交試驗(yàn)表

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬完成后，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析。以鑄件的縮松縮孔為模擬結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，在鑄件模型上切取三個(gè)剖切面(Z=4mm，Z=12mm，Z=25mm，以第5組試驗(yàn)為例)，如圖2所示，以三個(gè)剖切面上缺陷的孔隙值總和作為評(píng)價(jià)指標(biāo)(見(jiàn)表2)，指標(biāo)的值越小，壓鑄件質(zhì)量越好。表3為9組試驗(yàn)的縮松縮孔模擬結(jié)果分析。

圖2 三個(gè)剖切面示意圖表3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

mm2

對(duì)因數(shù)的極差計(jì)算分析可以看出，因數(shù)的極差ΔRA﹥?chǔ)B﹥?chǔ)C。根據(jù)極差數(shù)的大小，可以判斷因數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的大小，極差越大，說(shuō)明因數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大，反之則越小。由此可知，模具的預(yù)熱溫度(因數(shù)A)對(duì)鑄件的縮松縮孔的形成影響最大，壓射速度(因數(shù)B)的影響次之，澆注溫度(因數(shù)C)對(duì)縮松縮孔的影響最小。

在表3中，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性分析，將因數(shù)的模擬方差齊性值F比與顯著性水平為0.05、因數(shù)自由度為2、誤差自由度為2的標(biāo)準(zhǔn)方差齊性值F0.05(2,2)作比較，考察各個(gè)因數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響的顯著性，查方差齊性值表可知F0.05(2,2)=19.0[8]。

因數(shù)A的F比大于F0.05(2,2)，則因數(shù)A(模具預(yù)熱溫度)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著；因數(shù)B的F比與F0.05(2,2)的值基本相等，則因數(shù)B(壓射速度)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響較顯著；因數(shù)C的F比遠(yuǎn)小于F0.05(2,2)的值，則因數(shù)C(澆注溫度)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響不顯著。

方差齊性分析和極差分析得出的因數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響結(jié)論一致，即模具的預(yù)熱溫度對(duì)鑄件的縮松縮孔形成影響最顯著，壓射速度次之，澆注溫度影響最小[9]。說(shuō)明各因數(shù)水平的改變所引起的試驗(yàn)結(jié)果的波動(dòng)是由試驗(yàn)條件的不同而引起的，與試驗(yàn)誤差無(wú)關(guān)[10]。

總結(jié)以上分析，縮孔縮松值越小越好，根據(jù)水平平均值確定出最優(yōu)水平組合A2B2C2，即模具預(yù)熱溫度為200℃、壓射速度為1.0m/s、澆注溫度為630℃為最優(yōu)的壓鑄參數(shù)組合。

2.3 合理方案充型過(guò)程模擬

通過(guò)正交試驗(yàn)得到優(yōu)化的工藝參數(shù)，對(duì)此方案進(jìn)行充型和凝固過(guò)程模擬，圖3為濾清器支架充型過(guò)程模擬結(jié)果。

金屬液體在壓力作用下進(jìn)入直澆道，并在直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道堆積，如圖3a所示。當(dāng)金屬液體充滿(mǎn)澆道后開(kāi)始進(jìn)入型腔，隨著充型過(guò)程的進(jìn)行，金屬液體進(jìn)入型腔并向鑄件流動(dòng)，如圖3b所示。充型進(jìn)行到75%后，金屬液在鑄件內(nèi)交匯，交匯部位的金屬液可能出現(xiàn)紊流情況，容易卷入氣體，形成氣孔等缺陷，如圖3c所示。鑄件充型0.0503s時(shí)，金屬液充滿(mǎn)型腔，鑄件形狀完整，輪廓清晰，如圖3d所示。

圖3 濾清器支架充型過(guò)程模擬

2.4 合理方案凝固過(guò)程模擬

為觀察濾清器支架鑄件凝固過(guò)程中溫度的變化和縮孔縮松的分布情況，對(duì)鑄件進(jìn)行凝固過(guò)程模擬，圖4為濾清器支架壓鑄件凝固過(guò)程模擬結(jié)果。

圖4a為凝固3s時(shí)鑄件的固相分?jǐn)?shù)，圖4b為凝固6s時(shí)的溫度場(chǎng)。由圖4a可以看到，鑄件澆道的固相分?jǐn)?shù)最低，溫度最高。由圖4b可以看到，鑄件溢流槽最先凝固，澆道后凝固，這種澆道對(duì)鑄件起到很好的補(bǔ)縮作用，有利于減少鑄件內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，鑄件基本實(shí)現(xiàn)了順序凝固。圖4c為縮孔縮松分布圖，可以觀察到鑄件的縮孔縮松大部分出現(xiàn)在鑄件熱結(jié)、澆口和溢流槽內(nèi)，溢流槽和澆口中的縮孔縮松對(duì)鑄件質(zhì)量沒(méi)有影響。通過(guò)ProCAST軟件的Visual-Viewer模塊讀得鑄件凝固時(shí)間為16.3714s，鑄件的縮孔疏松比為2.0527。

圖4 凝固過(guò)程模擬

3 壓鑄實(shí)驗(yàn)

選用J1128G臥式冷室壓鑄機(jī)，壓室直徑選50mm，因?yàn)樵撲X合金濾清器支架氣密性和強(qiáng)度要求較高，所以選擇的壓射比壓為100MPa。生產(chǎn)出的壓鑄件如圖5所示。鑄件表面沒(méi)有明顯缺陷，剖開(kāi)后，鑄件內(nèi)部沒(méi)有出現(xiàn)宏觀的縮孔縮松。

在鑄件不同部位進(jìn)行取樣，觀察金相組織，如圖6所示(顯微縮松已用黑線(xiàn)圈出)。

由圖6a看出，由于受到壓鑄模具的影響，激冷比較明顯，晶粒較均勻，沒(méi)有出現(xiàn)縮孔、縮松缺陷。圖6b處顯微縮松的數(shù)量相對(duì)較多，但其尺寸是微米級(jí)的，其產(chǎn)生原因是鋁合金液冷卻較慢、補(bǔ)縮不夠充分或充型過(guò)程中合金液產(chǎn)生卷氣現(xiàn)象造成的。由圖6b可以看到，鑄件熱節(jié)部位的鋁枝晶比較粗大，原因是鑄件熱節(jié)處壁厚大，冷卻速度慢，晶粒長(zhǎng)大時(shí)間長(zhǎng)。

圖5 實(shí)際生產(chǎn)的濾清器支架

圖6 濾清器支架微觀組織

將標(biāo)準(zhǔn)試樣通過(guò)研磨、拋光、腐蝕后，用日立S-34000N掃描電子顯微鏡進(jìn)行金相形貌觀察。如圖7所示。

圖7 濾清器支架SEM形貌

亮白區(qū)域顯示為析出的硅枝晶，灰部分為鋁基體。圖7a可以看出硅晶細(xì)小，結(jié)構(gòu)和形狀均勻完整。圖7b可以看到在晶界處出現(xiàn)了偏析現(xiàn)象，且硅晶粒大小、分布不均勻。由SEM形貌分析可以得出結(jié)論，壓鑄件先凝固的地方晶粒結(jié)構(gòu)較為規(guī)整，機(jī)械性能較好。而鑄件熱節(jié)處由于金屬液體受熱不均勻等原因，硅晶不完整，內(nèi)部組織有少量的缺陷。

該濾清器支架壓鑄件在凝固過(guò)程中補(bǔ)縮效果良好，沒(méi)有出現(xiàn)宏觀縮孔，只出現(xiàn)少量顯微縮松；通過(guò)打壓測(cè)試等檢測(cè)手段，壓鑄件打壓效果理想，屬于合格的壓鑄件，滿(mǎn)足使用要求。

4 結(jié)論

(1)模具預(yù)熱溫度對(duì)濾清器支架壓鑄件的縮孔縮松影響顯著，壓射速度比較顯著，而澆注溫度對(duì)縮孔縮松的影響不顯著。

(2)用ProCAST模擬軟件進(jìn)行充型和凝固過(guò)程數(shù)值模擬，優(yōu)化出最佳的工藝參數(shù)：AlSi9Mg合金的澆注溫度630℃，壓射速度1.0m/s，模具預(yù)熱溫度200℃。

(3)用制造出的壓鑄模具進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，濾清器支架壓鑄件激冷部位晶粒細(xì)小、致密；熱節(jié)部位樹(shù)枝晶較粗大，有顯微縮松產(chǎn)生，但不影響鑄件的使用，模擬結(jié)果可以用于實(shí)際生產(chǎn)中。

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Numerical Simulation and Craft Researching of Die-casting Filling and Solidification Process of Filter Bracket

AN Zhenxu，HUANG Yong，ZHANG Jing，MENG Zhaoxin

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

According to the structural characteristics of the aluminum filter bracket,the mold and process of the Die-casting was designed.The filling and solidification process were simulated by ProCAST software.The reasonable die casting technology parameters were determined:the pouring temperature of 630℃,injection speed of 1.0m/s and mold preheating temperature of 200℃.The manufactured mole was used to produce the Die-casting,and get the qualified casting.The simulation result can be applied to actual production.

filter bracket；aluminum；numerical simulation；die-casting

2015-09-21

安振須(1988—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：液態(tài)金屬先進(jìn)成型技術(shù)、半固態(tài)成型。

1003-1251(2016)06-0033-06

TG249.2

A