“上蓋”壓鑄件工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究

郭廣思,王廣太,谷 昊

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110159；2.沈陽工學(xué)院 能源與水利學(xué)院，遼寧 撫順113122)

“上蓋”壓鑄件工藝設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究

郭廣思1,王廣太2,谷 昊1

(1.沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110159；2.沈陽工學(xué)院 能源與水利學(xué)院，遼寧 撫順113122)

在分析鋁合金“上蓋”壓鑄件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過三維建模及網(wǎng)格劃分進(jìn)行工藝分析、澆注系統(tǒng)計(jì)算、模具設(shè)計(jì)。根據(jù)鑄件的溫度場、流場、鑄件縮孔縮松所在位置及孔隙率，模擬并優(yōu)化出最佳壓鑄工藝參數(shù)為：壓射速度為5 m/s，模具預(yù)熱溫度為220 ℃，鋁合金澆注溫度為660 ℃。根據(jù)優(yōu)化的工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)，得到質(zhì)量優(yōu)良的“上蓋”壓鑄件。

“上蓋”；壓鑄；工藝設(shè)計(jì)；數(shù)值模擬

壓力鑄造是將液體金屬注入壓鑄機(jī)，在高壓下，以極高的速度充入型腔[1]，冷卻凝固成形的精密鑄造的方法[2]。在壓鑄生產(chǎn)過程中，壓鑄模具結(jié)構(gòu)、合金澆注溫度等直接關(guān)系生產(chǎn)成本和鑄件質(zhì)量。我國鑄造凝固過程數(shù)值模擬技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及模擬方法的不斷改進(jìn)，數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性越來越高，能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)實(shí)際鑄造過程進(jìn)行模擬，指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)[1-3]。本文模擬“上蓋”壓鑄過程中的充型流態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行溫度場模擬，預(yù)測鑄件中可能產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷的原因；以期達(dá)到提高鑄件質(zhì)量[4-8]，縮短試制周期、降低生產(chǎn)成本的目的。

1 “上蓋”零件結(jié)構(gòu)

鋁合金“上蓋”壓鑄件為薄壁板狀結(jié)構(gòu)，呈長方形，尺寸為210 mm×140 mm×10 mm。中間有三個(gè)小方形孔洞，孔洞四周壁厚不一。中心最薄處只有0.4 mm，由中心向四周壁厚依次遞增。圖1為零件圖。

圖1 “上蓋”零件圖

2 “上蓋”壓鑄件模具設(shè)計(jì)

2.1 分型面選取及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

“上蓋”屬于薄壁板狀件，內(nèi)澆口設(shè)在鑄件厚壁處定模上，以便有效傳遞壓力進(jìn)行補(bǔ)縮壓實(shí)，內(nèi)澆口厚度為2.5 mm。五個(gè)梯形溢流槽設(shè)置在動(dòng)模分型面上，長為25 mm，寬為15 mm，深為13 mm，溢流口寬為15 mm，厚為0.8 mm。溢流槽的部位設(shè)置5個(gè)推桿，以保證鑄件受力均勻。

2.2 壓鑄模具設(shè)計(jì)

進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，必須考慮金屬液體與鑲塊之間的熱交換；鑲塊尺寸一定要適宜，其對(duì)模擬結(jié)果影響較大。采用一模一腔結(jié)構(gòu)。鑲塊與模具本體接合處的間隙可以排除型腔內(nèi)多余的氣體，減少模具受熱時(shí)的變形量。圖2為定模鑲塊，圖3為設(shè)計(jì)的壓鑄模裝配圖。

圖2 定模鑲塊

圖3 壓鑄模裝配圖

注：1.動(dòng)模座板，2.墊塊，3.支撐板，4.吊環(huán)，5.動(dòng)模套板，6.定模套板，7.定模座板，8.螺釘，9.銷，10.定模鑲塊，11.型芯，12.澆口套，13.動(dòng)模導(dǎo)柱，14.動(dòng)模導(dǎo)套，15.推桿，16.動(dòng)模鑲塊，17.澆道推桿，18.推板導(dǎo)柱，19.推板導(dǎo)套，20.推桿固定板，21.推板，22.限位釘，23.復(fù)位桿，24.螺釘，25.螺釘，26.銷

3 “上蓋”數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 模擬邊界條件的確定

根據(jù)鋁合金鑄件“上蓋”的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、所設(shè)計(jì)的澆注系統(tǒng)及壓鑄模具，在模具預(yù)熱溫度為220 ℃，壓鑄速度為5 m/s時(shí)，選取模具與鋁合金鑄件之間換熱系數(shù)為1000W/(m2·K)，模具與中間空氣隙之間、模具彼此間的換熱系數(shù)分別為20W/(m2·K)、3000W/(m2·K)。進(jìn)行壓鑄過程溫度場及流場數(shù)值模擬，優(yōu)化出最佳工藝參數(shù)。

3.2 澆注溫度的研究

3.2.1 充型過程模擬

圖4、圖5、圖6分別是澆注溫度640℃、660℃、680℃時(shí)，“上蓋”壓鑄件充型70%,89%,100%時(shí)刻的模擬狀態(tài)圖。金屬液從直澆道開始通過橫澆道，然后高速進(jìn)入內(nèi)澆口充滿型腔。在澆注溫度為640℃時(shí)金屬液充填不夠平穩(wěn)，如圖4a中箭頭所示處，此時(shí)澆注溫度較低，金屬液流動(dòng)性較差，充型不流暢，有擾動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。

圖4 澆注溫度為640℃時(shí)的充型過程

圖5 澆注溫度為660℃時(shí)的充型過程

圖6 澆注溫度為680℃時(shí)充型過程

從圖5中可以看出，澆注溫度為660℃時(shí)，在整個(gè)充填過程中，金屬液平穩(wěn)地充滿型腔和溢流槽，充填型腔期間無噴濺現(xiàn)象，充型平穩(wěn)。

澆注溫度為680℃時(shí)，金屬液粘度較小，流動(dòng)性很好，充型時(shí)有輕微的波動(dòng)和向上噴濺現(xiàn)象，如圖6a中箭頭處。

根據(jù)充型狀態(tài)分析，澆注溫度660℃比較適宜。

3.2.2 鑄件凝固過程溫度分布模擬

圖7、圖8、圖9分別為澆注溫度640℃、660℃和680℃時(shí)“上蓋”壓鑄件凝固7.6s，20.4s和28.0s時(shí)的凝固溫度分布圖。圖中左側(cè)彩帶表示由下到上，溫度依次升高，上邊為液態(tài)，下邊為固態(tài)；兩條橫線之間為液、固共存區(qū)。

圖7 澆注溫度為640℃時(shí)凝固溫度分布

圖8 澆注溫度為660℃時(shí)凝固溫度分布

圖9 澆注溫度為680℃時(shí)凝固溫度分布

由圖7a可以看到，鑄件從中心向四周冷卻凝固。由圖7可以看到，鑄件冷卻凝固過程中，直澆道冷卻最慢，其次是溢流槽；鑄件在冷卻凝固時(shí)可以得到溢流槽的補(bǔ)縮；從中心向四周冷卻凝固，產(chǎn)生縮孔縮松傾向小。

由圖8、圖9可以看出，鑄件冷卻凝固過程與圖7相差無幾。澆注溫度660℃、680℃時(shí)，鑄件溫度分布狀態(tài)差別不大，鑄件冷卻凝固過程幾乎一樣。

3.3.3 鑄件縮孔縮松預(yù)測

圖10分別為鋁合金澆注溫度為640℃、660℃、680℃時(shí)，凝固成型后鑄件中縮孔縮松的位置分布圖。

圖10 鑄件縮孔縮松分布狀態(tài)

圖10中左側(cè)彩帶代表鑄件中縮孔縮松所占鑄件的比率，由下往上縮孔縮松率越來越大，下邊黑色表示縮孔縮松率幾乎為0，上端黑色表示縮孔縮松率為100%。鑄件中黑色塊狀區(qū)域代表縮孔縮松最終形成的位置及大小，比較圖10中鑄件縮孔縮松的大小可知，澆注溫度為680℃產(chǎn)生的縮孔縮松最多，澆注溫度在660℃時(shí)產(chǎn)生的縮孔縮松比澆注溫度為640℃時(shí)少，但差別不大；640 ℃時(shí)邊緣處產(chǎn)生的縮松縮孔較多一點(diǎn)。由于“上蓋”不是承壓鑄件，結(jié)合在充型和凝固過程中的狀態(tài)，選擇澆注溫度為660℃比較合適(澆注溫度在660℃時(shí)產(chǎn)生的縮孔縮松率滿足使用要求)。

根據(jù)640 ℃、660 ℃、680 ℃“上蓋”壓鑄件充型過程和凝固過程的模擬分析、對(duì)比，得知：在模具預(yù)熱溫度為220℃、壓射速度為5m/s、澆注溫度為660℃時(shí)最適宜。

4 生產(chǎn)驗(yàn)證

“上蓋”澆注系統(tǒng)內(nèi)澆道厚2.5mm，采用5個(gè)梯形溢流槽進(jìn)行補(bǔ)縮，根據(jù)設(shè)計(jì)的壓鑄模具，數(shù)值模擬優(yōu)化的工藝參數(shù)：壓射速度為5m/s，模具預(yù)熱溫度為220℃，鋁合金澆注溫度為660℃，進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，得到了表面光潔、組織致密、質(zhì)量符合技術(shù)要求的“上蓋”，如圖11所示。說明澆注系統(tǒng)計(jì)算、模具設(shè)計(jì)及工藝參數(shù)選擇合理。達(dá)到了人機(jī)互動(dòng)、縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

圖11 上蓋壓鑄件

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)并計(jì)算了“上蓋”的澆注系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)繪制了“上蓋”的壓鑄模具。

(2)根據(jù)設(shè)定的工藝條件進(jìn)行壓鑄模擬，在壓鑄速度為5 m/s、模具預(yù)熱溫度為220 ℃的條件下，模擬出澆注溫度為660 ℃比較理想。

(3)根據(jù)模擬的工藝條件進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，得到表面光潔，組織致密的鑄件。

[1] 唐建敏，唐建偉，吳來杰.基于Magma的高壓鑄造模具溫度場模擬分析[J].鑄造技術(shù)，2017，38(3)：729-731.

[2] 邱紅.基于Ansys的壓鑄模具溫度場數(shù)值模擬研究[J].鑄造技術(shù),2014，35(7)：1575-1577.

[3] 郭紅星，楊志強(qiáng).數(shù)值模擬技術(shù)在充型凝固過程中的應(yīng)用[J].鑄造技術(shù),2016，37(12)：2676-2680.

[4] 趙建華，陳紅兵.淺析鑄造過程模擬仿真技術(shù)[J].鑄造設(shè)備研究,2007(2)：48-52.

[5] 熊小青.ANSYS在鑄造過程模擬中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2008(8)：4-5.

[6] 梁宏偉.鑄造鋁合金技術(shù)的現(xiàn)狀及未來發(fā)展[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2012(32)：143-144.

[7] 杜旭初，樊振中，厲沙沙，等.基于數(shù)值模擬的優(yōu)質(zhì)鋁合金鑄件工藝優(yōu)化[J].特種鑄造及有色合金,2015，35(8)：817-819.

[8] 袁曉霞.彎管接頭壓鑄件數(shù)值模擬及工藝研究[D].沈陽：沈陽理工大學(xué)，2015.

NumericalSimulationandProcessStudyofRoofCoverDie-casting

GUO Guangsi1,WANG Guangtai2,GU Hao1

(1. Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2. Shenyang Institute of Technology,Fushun 113122,China)

Based on the structure analysis of aluminum alloy die casting part “roof cover”,the process analysis,gating system design and die design were carried out by 3D modeling and meshing.Through the simulation analysis in casting temperature field,filling flow condition,shrinkage hole and porosity location,the best optimized die cast parameters were obtained:injection speed 5 m/s,mold preheating temperature 220 ℃,aluminum alloy pouring temperature 660 ℃.The optimized parameters were applied to actual production,Obtaining high quality die casting part “roof cover”.

“roof cover”；die casting;process design;numerical simulation

2017-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377110)

郭廣思(1963—)女，教授，博士，研究方向：鑄造工藝及鑄造涂料。

1003-1251(2017)06-0001-04

TG249.2

A

王子君)