卷氣問題在壓鑄機慢壓射過程中的研究

彭炬銘+盧升

摘 要：壓鑄機慢壓射過程中極易發(fā)生卷氣的問題，本文就某壓鑄件廠存在的該問題進行研究，就壓鑄機慢壓射過程中不同的加速度對壓射室氣體含量的影響進行探討。通過搭建壓鑄機壓射室模型，通過公式運算出不同條件下的慢壓加速度，分別利用其中的三種加速方式，借助特定軟件工具對不同加速方式下的壓鑄情形進行模擬演示，根據(jù)最終演示結(jié)果中卷氣問題的表現(xiàn)，選出最佳加速方式作為最優(yōu)選項。

關(guān)鍵詞：卷氣問題；壓鑄機；慢壓射

一、前言

在現(xiàn)代金屬加工工藝中，壓力鑄造是運用較為廣泛的一種工藝，因其具有先進的少量或無切割的特殊鑄造方式，在現(xiàn)代金屬鑄造工藝中得到了快速發(fā)展。壓力鑄造過程中，金屬被熔融之后在高壓高速的環(huán)境下被鑄造成型，同時在高壓環(huán)境中結(jié)晶成為最終的金屬鑄件。相比于其他鑄造方式，通過壓力鑄造成型的金屬鑄件具有多項優(yōu)點，例如抗拉強度好、材料利用率高且具有較高的生產(chǎn)效率，因此壓力鑄造在多種領(lǐng)域，如家電、汽車、儀器表盤等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。

但是壓鑄件也存在著某些缺陷。因為在壓鑄過程中，壓室內(nèi)氣體通常會隨著金屬液進入模型腔道，使得金屬鑄件中常?；祀s著氣體和某些雜質(zhì)。鑄件內(nèi)存在氣體會對鑄件的力學(xué)性能、物理性能以及抗腐蝕性能帶來嚴(yán)重影響，另外還會對壓鑄件的焊接性、氣密性、熱處理性能等產(chǎn)生影響，影響壓鑄件的加工性能[2]。為了提升壓鑄件的使用性能，需想辦法控制壓鑄件中氣體的含量，這對壓射過程提出了要求。其實，許多文獻都針對這一問題進行了相關(guān)探索分析，他們從壓室充滿度以及慢壓射速度等項目入手，探索這些因素對壓鑄過程中卷氣問題的影響，但是卻鮮有研究不同加速條件對壓鑄過程中卷氣問題的影響。本文則利用三種不同的加速方式，研究其對壓鑄過程中卷氣問題的影響。

二、慢壓射過程模擬模型的建立

慢壓射過程是指沖頭啟動，經(jīng)過一定時間的加速達到臨界速度，之后以該速度前進，最終慢壓射行程結(jié)束。在此期間，金屬液液面推動壓射室內(nèi)的氣體前行，氣體則依此通過澆道、模型腔道、排氣系統(tǒng)最終排到外界[3]。壓室內(nèi)的壓射過程中，剛性邊界推動金屬液體前行，在此過程中涉及兩相流和動網(wǎng)格技術(shù)。動網(wǎng)格技術(shù)可以模擬由于邊界運動，而使得流場形狀隨時間改變的狀態(tài)。

三、計算模型

（一）研究對象

開始時，送料系統(tǒng)將熔融的金屬液體送入壓射室內(nèi)，壓射室的一端通過澆道與排氣設(shè)備相連，另一端是壓射沖頭，沖頭開始運動，推動壓射室內(nèi)的金屬液體前行，一直到整個壓射室充滿金屬液體。

（二）幾何模型

整個壓射系統(tǒng)的模型見下圖。

上圖中L1表示內(nèi)澆道長，L2表示慢壓射行程，兩者長度以mm表示。經(jīng)測量內(nèi)澆道長度為70mm，慢壓射長度為340mm。本文在實際情況的基礎(chǔ)上進行了簡化，將實際情況中的三維流動簡化為兩相流。本次仿真過程假設(shè)金屬流體不可壓縮，且忽視壓射過程中的熱交換情況。

四、仿真分析

以氣體液體兩相流動為對象進行研究，采用有限體積法進行解答。對二維模型實行離散計算，生成24000個網(wǎng)格，24500個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，時間步長設(shè)置為0.001s，0點計時，壓力及速度耦合算法采用PISO，體積分?jǐn)?shù)方程和動量方程采用了一階迎風(fēng)格式作為離散格式，為提升穩(wěn)定性，將氣相設(shè)置為主相。

通過對壓鑄機壓射過程中卷氣模型的有效分析，使得技術(shù)人員能夠通過數(shù)學(xué)模型，更為直觀地對卷氣問題進行了解，對卷氣過程進行更為科學(xué)的展現(xiàn)，進而為后續(xù)研究工作的開展創(chuàng)造了極為有利的條件，為相關(guān)問題的解決提供了必要的參考。

（二）壓室內(nèi)氣液兩相位與速度分布情況

分別根據(jù)不同方式運動得出壓射室內(nèi)氣液兩相的分布情況。從分析結(jié)果得出：若沖頭以兩階勻加速運動方式運動時，沖頭運動至0.194s完成第一次加速，進入勻速階段，此時沖頭前沿形成波浪，金屬液體的運動速度自壓室底部往上有分層；當(dāng)沖頭運動至0.394s時，沖頭結(jié)束勻速運動進入第二次加速階段，此時金屬液表面呈現(xiàn)波浪形式；沖頭運動至0.582s時，沖頭第二次加速完成，在金屬液面和壓室頂部空間內(nèi)卷入少量氣體，直至運動結(jié)束，金屬液將內(nèi)澆口封閉，氣體一直未排出。因此，以此方式運動氣體在靠近沖頭部位被卷入，由于金屬液撞擊壁面形成回流，導(dǎo)致在頂部卷入大量氣體。

當(dāng)沖頭以帶初速度的勻加速方式運動時，在 0.21 s 時刻，沖頭正處于加速階段，可以看出在沖頭前側(cè)形成了明顯的波動，至 0.30 s 時，金屬液跳動更加劇烈，液體表面出現(xiàn)大的波浪，并與壓射室頂部接觸，當(dāng)運動至 0.377 s ，沖頭完成加速時，頂部的液面回落，在下行過程中卷入氣體，至運動結(jié)束，金屬液封閉澆口時，跡線恢復(fù)到平行狀態(tài)，流動逐漸穩(wěn)定，只在頂部少量卷入氣體。

當(dāng)沖頭以勻加速形式運動時，在 0.2～0.3 s時刻，沖頭雖在加速，但金屬液并未出現(xiàn)無明顯翻滾狀態(tài)，金屬液在沖頭的推動下平穩(wěn)流動，運動至 0.383 s 時，沖頭結(jié)束加速，在沖頭前沿金屬液幾乎充滿壓射室，沒有發(fā)生卷氣現(xiàn)象，當(dāng)運行至 0.547 s時，在壓室前端頂部位置，沖頭停止前進，金屬液封閉澆口，在靠近澆口位置速度出現(xiàn)明顯變化，此時金屬液中易形成漩渦；此時可以看到僅在壓射室上端存在一些細小的氣泡。

小結(jié)：

本文分析了利用三種加速度方式壓射室內(nèi)的卷氣情況。結(jié)果表明，三種加速方式都會帶來一定程度的卷氣現(xiàn)象。其中以兩階勻加速方式運動時在第二次加速及勻速運動階段卷入大量氣體，此時卷氣不利于壓鑄件的完整成型；在沖頭帶初速度的勻加速方式運動時雖然在加速結(jié)束段卷入氣體但是在后續(xù)運動過程中實現(xiàn)了補償，整個過程僅卷入少量氣泡；當(dāng)沖頭以勻加速方式運動時，當(dāng)金屬液充滿壓室時，在壓室頂部出現(xiàn)了連續(xù)卷氣現(xiàn)象。

參考文獻：

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