鋁合金壓鑄工藝及虛擬工藝優(yōu)化研究與應(yīng)用研究

韓兆華

（沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110023）

鋁合金壓鑄工藝及虛擬工藝優(yōu)化研究與應(yīng)用研究

韓兆華

（沈陽興華航空電器有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110023）

鋁合金被廣泛應(yīng)用于航空、交通運(yùn)輸和輕工建材等行業(yè)，壓力鑄造技術(shù)作為鋁合金壓鑄工藝非常重要的技術(shù)，其具有充能型強(qiáng)、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)鑄件快速成型等優(yōu)點(diǎn)，被鋁合金生產(chǎn)制造廣泛應(yīng)用。虛擬技術(shù)則是通過數(shù)字模擬技術(shù)找出壓鑄模具生產(chǎn)的重要缺陷，并且在實(shí)際生產(chǎn)的過程中給出相應(yīng)的優(yōu)化方案，并提供重要的工作原理支持。文章主要針對鋁合金壓鑄工藝和虛擬工藝在優(yōu)化生產(chǎn)方面的相關(guān)問題進(jìn)行研究，為相關(guān)鑄件生產(chǎn)制造提供建議。

鋁合金；壓鑄工藝；虛擬工藝；優(yōu)化；應(yīng)用

鋁合金壓鑄過程比較復(fù)雜，在生產(chǎn)中涉及到生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境以及生產(chǎn)壓鑄件，在生產(chǎn)過程中很容易出現(xiàn)生產(chǎn)缺陷。國內(nèi)一些先進(jìn)的壓鑄生產(chǎn)公司，基本上都是采用全自動程序控制，甚至生產(chǎn)車間的溫度控制都屬于自動控制。實(shí)際生產(chǎn)中對鑄件生產(chǎn)人員的操作失誤或者環(huán)境等各個(gè)方面因素的影響等均可以進(jìn)行有效控制，為提供穩(wěn)定的壓鑄生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。壓鑄模具壓鑄生產(chǎn)主要設(shè)備和生產(chǎn)成本較高，加上鑄件生產(chǎn)的缺陷很可能會推延模具生產(chǎn)，對于模具的生產(chǎn)壽命造成極大影響。

1 壓鑄工藝及設(shè)計(jì)影響

壓鑄過程相當(dāng)復(fù)雜，具有很大的不確定性，只有通過有效協(xié)調(diào)工藝生產(chǎn)參數(shù)才能夠保證壓鑄鑄件的質(zhì)量。因此，壓鑄生產(chǎn)工藝必須對壓力、速度、時(shí)間以及溫度四個(gè)方面進(jìn)行控制設(shè)計(jì)。

（1）壓力。壓力主要指壓射過程所產(chǎn)生的動力，也是壓鑄件質(zhì)量優(yōu)劣的指標(biāo)，壓射過程中壓力隨著壓射的不同階段呈階段性變化。壓力一般分為動態(tài)壓射力和增壓壓射力，動態(tài)壓射力主要保證金屬液正常充型；增壓壓射力則主要是金屬液充型完成之后對鑄件進(jìn)行壓實(shí)處理。鋁合金壓鑄的時(shí)候，動態(tài)壓射力一般取值為 40~90MPa，增壓壓射力取值為60~300MPa。

（2）速度。速度的大小受到壓力的直接影響，而速度又分為充型速度和壓射速度。壓射的速度主要指鋁合金金屬液充型的時(shí)候壓射沖頭的速度；充型速度則主要指金屬液充型澆筑的速度。速度的取值大小受到多方面因素的影響，速度取值必須適中，過低或者過大均會引起壓鑄缺陷。速度過大會引起卷氣、紊流以及粘模等問題；速度過低則會出現(xiàn)澆筑不足，金屬壓鑄不實(shí)等問題。因此在鑄件壓鑄速度設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)控制速度為20~60m/s。

（3）時(shí)間。壓鑄工藝包括了留模、持壓時(shí)間以及充型時(shí)間等三個(gè)部分，充型時(shí)間主要指金屬液澆筑充滿整個(gè)模具的時(shí)間；持壓時(shí)間則主要指充型剛剛結(jié)束增壓壓射力還未開始的時(shí)間；留模時(shí)間主要指保壓階段的時(shí)間。不同的時(shí)間段造成壓鑄影響各不相同，對于充型時(shí)間的影響主要是模型形狀、合金特性以及澆筑溫度相關(guān)。對持壓時(shí)間的影響主要由鑄機(jī)的性能決定，一般而言持壓時(shí)間越短越佳。對于留模時(shí)間則主要影響因素為鑄件的壁厚、合金種類等。

（4）溫度。溫度對壓鑄鑄件會造成很大的影響，會直接影響鑄件的成型、凝固以及模具的壽命。溫度包括了澆筑溫度和模具溫度，澆筑溫度主要是金屬液進(jìn)行澆筑充型時(shí)的溫度，此溫度可以按照坩堝溫度進(jìn)行計(jì)算；模具溫度則對整個(gè)鑄件質(zhì)量和尺寸造成影響，是保證整個(gè)鑄件生產(chǎn)是否穩(wěn)定的重要影響因素。一般鋁合金的澆筑溫度大概在610~720℃之間，鋁合金的壓鑄模具溫度約為200~300℃之間。

2 壓鑄虛擬技術(shù)應(yīng)用

（1）充型過程模擬技術(shù)。關(guān)于壓鑄充型模擬技術(shù)，早在1981年美國學(xué)者就提出了VOF方法。通過VOF建模算法可以大幅度提高自由表面計(jì)算效率，同時(shí)在壓鑄充型模擬中得到了非常廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展VOF方法和SOLA方法相結(jié)合，逐漸形成了SOLA-VOF算法。利用SOLA-VOF技術(shù)求解壓鑄充型的數(shù)值模擬技術(shù)，其數(shù)學(xué)模型主要采用連續(xù)性方程、Navier-Stokes動量守恒方程和能量守恒方程。Navier-Stokes在完全模擬中計(jì)算紊流，求解的時(shí)候應(yīng)盡量控制紊流的尺度和網(wǎng)格尺寸；Navier-Stokes在大漩渦模擬中忽略掉小尺度的渦，直接計(jì)算出大尺度的渦。

（2）凝固過程模擬技術(shù)。壓鑄過程，實(shí)現(xiàn)了將熱量從一部分傳遞給另外一部分，很大部分都是通過熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射換熱三種方式實(shí)現(xiàn)。熱傳導(dǎo)方式根據(jù)熱力第一定律可知只有在溫度差的情況下導(dǎo)熱才能夠?qū)崿F(xiàn)，且嚴(yán)格遵守?zé)崃渴睾愣伞Ｆ鋽?shù)學(xué)形式：

表示密度，cp表示比熱容，T表示溫度，t表示時(shí)間，π表示熱導(dǎo)率，Q表示源項(xiàng)，x，y表示坐標(biāo)。

對流換熱是壓鑄凝固過程，金屬液內(nèi)部、金屬液和鑄型內(nèi)壁、鑄型外壁和大氣等存在對流換熱；熱輻射屬于電磁波進(jìn)行能量傳遞，熱輻射的能量傳播不需要固體和流體介質(zhì)，便可以實(shí)現(xiàn)熱能和輻射能相互交換傳遞。壓鑄鑄件凝固過程鑄件、鑄型和大氣產(chǎn)生熱輻射。

3 結(jié)語

綜上所述，文章針對壓鑄澆筑進(jìn)行設(shè)計(jì)和影響研究，探討了虛擬技術(shù)在壓鑄工藝中的應(yīng)用。針對原壓鑄件存在的一些缺陷問題進(jìn)行討論，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的改進(jìn)方案，根據(jù)產(chǎn)生缺陷的原因方便人們在壓鑄鑄件生產(chǎn)中嚴(yán)格控制各個(gè)生產(chǎn)流程。鋁合金鑄件應(yīng)用變得越來越廣，對于生產(chǎn)工藝研究和控制生產(chǎn)缺陷已經(jīng)成為發(fā)展該項(xiàng)工藝的核心問題，通過文章的討論分析希望可以為壓鑄工藝生產(chǎn)提供參考。

［1］袁宗齊.鋁合金轉(zhuǎn)向泵殼體真空壓鑄工藝優(yōu)化［J］.鑄造技術(shù)，2015，（7）：1893-1895.

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［3］胡志，劉紹平，閆洪，等.基于CAE技術(shù)鋁合金支架壓鑄工藝優(yōu)化［J］.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2013，（1）：45-48.

Research and Application of Aluminum Alloy Die Casting Process and Virtual Technology Optimization

HAN Zhao-hua
（Shenyang Xinghua Aviation Electric Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110023，China）

Aluminum alloy is widely used in aviation，transportation and light building materials industry.Pressure casting technology is a very important technology for aluminum alloy die-casting process.It has the advantages of strong filling type and high production efficiency，and can realize rapid casting，which is widely used in aluminum alloy manufacturing.Virtual technology can find the important defects in the production of die-casting mold through digital simulation technology，and gives the corresponding optimization program in the actual production process，and provides important working principle support.This paper mainly studies the related problems of aluminum alloy die casting process and virtual technology in optimizing production，and provides suggestions for the related casting manufacturing.

aluminum alloy；die casting process；virtual process；optimization；application

TG249.2

A

2095-980X（2017）04-0091-01

2017-03-23

韓兆華，主要研究方向：機(jī)械加工工藝。