低壓鑄造模具的變形分析與改善

李 勇，周 鵬，李鴻標(biāo)，劉志平，孫國寧

（中信戴卡股份有限公司，秦皇島066011）

0 前言

鋁合金車輪具有重量輕、散熱好、精度高、綜合力學(xué)性能優(yōu)異以及良好的視覺效果等諸多優(yōu)點(diǎn)，逐步取代鋼制車輪，占據(jù)了車輪市場的主導(dǎo)位置[1]。鋁合金車輪的成型方法較多，主要有重力鑄造成型、低壓鑄造成型、鍛造成型、鑄造-旋壓成型、消失模鑄造成型以及擠壓鑄造成型。低壓鑄造法具有工藝成熟、生產(chǎn)效率高、綜合成本較低、鑄件質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，目前低壓鑄造已成為鋁合金車輪生產(chǎn)的主要工藝方法[2]。

在低壓鑄造生產(chǎn)中，模具對生產(chǎn)的穩(wěn)定和鑄件的質(zhì)量起到非常重要的作用。模具在使用過程中由于受到周期性冷熱溫度場的影響，會(huì)發(fā)生熱變形。根據(jù)測量發(fā)現(xiàn)，底模中心部分向上拱起的變形十分明顯，而模具變形會(huì)對模具的配合、鑄件飛邊以及鑄件的尺寸產(chǎn)生較大影響。因此，研究并掌握模具的熱變形規(guī)律，在模具設(shè)計(jì)方面進(jìn)行優(yōu)化，對改善模具變形、保證鑄件尺寸等方面具有重大意義。

1 模具變形模擬分析

1.1 ANSYS軟件

ANSYS前處理模塊提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模及網(wǎng)格劃分工具，可以方便地構(gòu)造有限元模型[3]。ANSYS程序的自由網(wǎng)格劃分器功能是十分強(qiáng)大的，可對復(fù)雜模型直接劃分。分析計(jì)算模塊包括結(jié)構(gòu)分析、流體動(dòng)力學(xué)分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力。后處理模塊可將計(jì)算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出[4-5]。

1.2 底模的熱變形分析

以某工廠生產(chǎn)的一款低壓鑄造鋁合金車輪為例，導(dǎo)入其模具3D模型，輸入在生產(chǎn)過程中的溫度參數(shù)及邊界條件（A.180°對稱面約束；B.頂模和底模軸向上（Z方向）位移約束；C.邊模45°交界線固定約束），所形成的3D示意圖見圖1。

圖1 模具3D模型示意圖

從圖2的模擬結(jié)果來看，底模在Z軸方向上發(fā)生了向上凸起的變形，而在徑向方向上（XY平面上）有向外變形的趨勢。

圖2 模具熱變形示意圖

2 模具變形檢測

為了在實(shí)際生產(chǎn)中去驗(yàn)證模具變形的規(guī)律，在模具正常使用后，受到冷熱溫度場變化影響，模具尺寸會(huì)發(fā)生輕微變化。通過采用特殊的檢測模具變形的工具來進(jìn)行測量和分析模具尺寸的變化規(guī)律，為我們后續(xù)做針對性改善提供重要依據(jù)。

圖3是低壓鑄造模具底模示意圖，主要是底模和底板兩部分。模具在日常使用過程中在中心和邊緣部分，即螺栓柱（1）和外輪緣部分；（2）變形較為突出；（3）為底板的外側(cè)，測量工具需放在底板（3）上進(jìn)行測量。

圖3 低壓鑄造模具底模示意圖

為了準(zhǔn)確測量模具的變形量，自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和制作了一種測量底模工具，如圖4所示。該工具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，在測量時(shí)無需拆卸底板，操作相對簡單，對底模各個(gè)部位的尺寸可以進(jìn)行準(zhǔn)確測量，對不同大小的模具均可以掌握其變形規(guī)律。該工具結(jié)合了游標(biāo)卡尺和深度尺的優(yōu)點(diǎn)，深度尺可以向游標(biāo)卡尺一樣自由移動(dòng)，可測量模具任意位置。通過設(shè)計(jì)底座將該測量裝置水平放置在底板上，不需要對模具進(jìn)行分解和拆卸。底座設(shè)計(jì)為一端固定，一端可水平移動(dòng)，這樣設(shè)計(jì)的目的是可以平穩(wěn)地將該測量裝置放置在不同大小的模具上，對不同大小模具均可以進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

圖4 測量底模變形專用工具示意圖

以某一款模具為例，將專用工具放置在模具上方，對模具底模中心部位進(jìn)行了實(shí)際測量，如圖5所示。具體測量數(shù)據(jù)如表1所示。

圖5 測量底模尺寸示意圖

表1 模具尺寸實(shí)測結(jié)果

從表1的實(shí)測結(jié)果來看，模具中心部位的變形量較明顯，最大變形量為1.2mm，對毛坯尺寸影響較大。實(shí)測變形趨勢也與模擬結(jié)果相符合，因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中對于解決模具的變形和保證毛坯的尺寸顯示十分關(guān)鍵。

3 模具變形改善方案

針對上述模擬和實(shí)測的模具變形結(jié)果，模具在軸向方向上變形較明顯，為了改善模具的熱變形和保證毛坯的尺寸精度，在底模中心部位設(shè)計(jì)了5個(gè)防變形裝置。該裝置包含螺栓孔和凸臺，主要是通過此把合螺栓與底板連接，如圖6所示。利用底板和底模之間的螺栓把合力來減弱模具受熱后的內(nèi)應(yīng)力，抑制模具受熱中心部分向上拱起變形的趨勢，大大降低了模具的變形量，從而提高了模具和壓鑄件的尺寸精度，保證模具的正常生產(chǎn)使用。

圖6 防變形底模與底板配合示意圖

4 改善方案驗(yàn)證

對新方案設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行了生產(chǎn)驗(yàn)證，并通過上述專用測量工具對模具底模中心部位進(jìn)行了實(shí)際測量，具體測量數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯瞿＞咧行南蛏系淖冃瘟看蟠鬁p少，跟原始的模具造型相比，變形量減少了1mm左右，大大提高了毛坯的尺寸精度。

表2 改進(jìn)后模具尺寸實(shí)測結(jié)果

5 結(jié)語

鋁車輪低壓鑄造模具在受到周期性激冷激熱的作用下產(chǎn)生拉、壓交變應(yīng)力，中心部分向上拱起的變形十分明顯。通過模擬分析和實(shí)際測量驗(yàn)證了模具的變形規(guī)律，并針對這種熱變形采取了特殊設(shè)計(jì)，通過增加底板和底模的把合力，降低了模具的內(nèi)應(yīng)力和隨之產(chǎn)生的微觀變形，從而大大改善了模具變形的問題，保證了毛坯的尺寸精度及模具的正常使用。