氣動元件閥體低壓鑄造充型過程的數(shù)值模擬

韓志強(qiáng)，趙忠興

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

低壓鑄造是介于重力鑄造和壓力鑄造之間的一種鑄造方法，是一種近終成型鑄造技術(shù)，是利用氣體壓力將金屬液壓入鑄型之中，并使鑄件在一定壓力下結(jié)晶凝固的特種鑄造方法[1]。低壓鑄造技術(shù)生產(chǎn)的合金鑄件缺陷少，致密度高，具有優(yōu)良的綜合性力學(xué)性能，是近些年來被廣泛應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)領(lǐng)域的先進(jìn)鑄造技術(shù)[2-5]。同時鑄造領(lǐng)域中有限元模擬軟件的發(fā)展，使鑄造生產(chǎn)前設(shè)計(jì)逐漸越來越重要[6-7]。本文研究的氣動元件閥體鑄件，需要較高的尺寸精度、表面光潔度和鑄件的致密度，為了獲得性能優(yōu)良的鑄件，采用金屬型低壓鑄造方法進(jìn)行生產(chǎn)；基于Procast鑄造有限元模擬軟件，對低壓鑄造鋁合金氣動元件閥體鑄件進(jìn)行數(shù)值模擬，合理的設(shè)置模擬參數(shù)，對鑄件的充型過程和可能存在的缺陷進(jìn)行預(yù)測。

1 閥體及鑄造工藝

氣動元件閥體鑄件的工作環(huán)境長期處于較大的氣體壓力之下，鑄件不僅要求尺寸精度、表面質(zhì)量和致密度較高，而且必須具有優(yōu)良的綜合性力學(xué)性能。采用低壓鑄造方法進(jìn)行鑄造，保證鑄件具有良好的致密性和較少的內(nèi)部缺陷；使用金屬型模具進(jìn)行鑄造，保證鑄件具有優(yōu)質(zhì)的表面光潔度和尺寸精度。氣動元件閥體鑄件三維模型如圖1所示。

圖1 氣動元件閥體

根據(jù)鑄件性能要求，選擇ZL101A合金進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。所研究的氣動元件閥體鑄件的具體外形尺寸為64.5mm×63.5mm×54.3mm，最大壁厚21.62mm。選擇閥體鑄件中最大的平面為分型面。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和低壓鑄造方法設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)和排氣道，鑄件三維圖如圖2所示。

圖2 氣動元件閥體鑄件圖

采用一模三件方式進(jìn)行鑄造，利用三維建模軟件繪制鑄造模具，閥體鑄件與模具之間的裝配關(guān)系如圖3所示。

圖3 閥體的模具鑄件裝配圖

2 模擬的前處理

2.1 網(wǎng)格的繪制

由于鑄件的尺寸較小，對于一些尺寸精細(xì)的幾何特征(較小的圓角、倒角，孔等)，為了減小鑄件網(wǎng)格繪制的難度，原則上不影響模擬過程的幾何特征均可進(jìn)行清理及修改，在繪制網(wǎng)格之前應(yīng)該首先清理修整，然后將三維模型轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)母袷?，?dǎo)入Procast軟件Meshing模塊中繪制網(wǎng)格。同樣，為了降低網(wǎng)格繪制的難度，減少模擬計(jì)算量，模具與鑄件分別用不同的網(wǎng)格尺寸，且鑄件上的不同部分也采用不同的網(wǎng)格尺寸，盡量減少計(jì)算復(fù)雜程度，節(jié)省計(jì)算時間[8-9]。

氣動元件閥體鑄件及其模具最終選擇的網(wǎng)格尺寸：排氣道的網(wǎng)格尺寸為1mm，鑄件的網(wǎng)格尺寸為2mm，模具的網(wǎng)格尺寸為10mm。繪制完成結(jié)果如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格繪制結(jié)果

2.2 模擬參數(shù)的設(shè)置

將繪制的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到Procast軟件的Cast模塊中進(jìn)行數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)置?；镜哪M參數(shù)為：重力方向?yàn)?Y方向，金屬液的初始溫度為680℃，鑄型初始熱溫度為250℃，充型速度為0.36kg/s，鑄件與模具的換熱系數(shù)2000W/m2，鑄件澆口部位與模具的換熱系數(shù)為1000W/m2，鑄型與空氣的換熱系數(shù)為10W/m2，外界環(huán)境溫度20℃，鑄型材料選擇AC-45100，模具材料為H13模具鋼。

采用低壓鑄造解算方案，溫度和流動儲存頻率均設(shè)為5，激活氣體模型，充型解算方式設(shè)置為動量解算方式，激活水平頂壁流動模型，其他參數(shù)默認(rèn)。

低壓鑄造的基本工藝參數(shù)如表1所示，模擬中的壓力參數(shù)變化根據(jù)表1設(shè)置，由于低壓鑄造工藝過程的升液階段和泄壓階段對模擬過程影響較小，在模擬中不再進(jìn)行計(jì)算。

表1 低壓鑄造參數(shù)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 初始模擬結(jié)果

根據(jù)上述參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，獲得了鑄件的充型凝固過程的模擬計(jì)算結(jié)果。圖5為鑄件的充型過程。

圖5 初始參數(shù)充型過程

根據(jù)圖5可以得出，隨著充型開始，金屬液迅速進(jìn)入型腔，充型過程較快，在1s內(nèi)迅速充型完成。但充型速度過快有可能不利于型腔內(nèi)氣體的排出，并且金屬液對型腔有較大的沖擊力。在鑄型的作用下，金屬液發(fā)生了分流，金屬液在型腔內(nèi)的流動過程中產(chǎn)生了紊流，金屬液流可能會在充型過程中卷入空氣和氧化物夾雜，使鑄件中出現(xiàn)氣孔等缺陷。充型結(jié)束時鑄件的邊緣部分已經(jīng)開始凝固[10]。

圖6為鑄件可能出現(xiàn)缺陷的位置示意圖。

圖6 初始參數(shù)缺陷位置示意圖

由圖6可知，縮孔百分?jǐn)?shù)分別為5%和20%。其中縮孔百分?jǐn)?shù)為5%，尺寸較小的縮孔分布的范圍較大，數(shù)量較多；而縮孔百分?jǐn)?shù)為20%，尺寸較大的縮孔，分布的范圍較小，數(shù)量較少。缺陷均位于鑄件的中下部，即澆注系統(tǒng)與鑄件的界面附近，可能存在少量的縮孔缺陷，縮孔的尺寸不大，可以通過適當(dāng)增大保壓壓力，使鑄件在更高的壓力下凝固，保證鑄件能及時補(bǔ)縮，來減少縮孔出現(xiàn)的可能性。

圖7為鑄件各部分凝固時間的示意圖。

圖7 鑄件各部位凝固時間

由圖7可知，鑄件自上而下逐層順序凝固，鑄件的上部凝固時間最短，最先凝固；越靠近鑄件澆口方向的部位凝固時間越長；鑄件的澆口部位最后凝固。說明鑄件在整個凝固過程中鑄件能夠及時得到澆注口金屬液的補(bǔ)充，澆口能夠起到補(bǔ)縮作用。模擬結(jié)果顯示鑄件完全凝固的時間為42.79s，說明43s的保壓時間能夠保證鑄件完全凝固[11]。

3.2 調(diào)整優(yōu)化

根據(jù)模擬結(jié)果，對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，延長充型時間；提高保壓壓力。延長充型時間至2s，提高保壓壓力到0.09MPa，其他參數(shù)不變。優(yōu)化后鑄件充型過程如圖8所示。

從圖8可以看出，充型壓力不變的情況下，充型時間延長為2s，充型速度明顯降低，在充型過程中型腔之中的氣體更好地排出。金屬液對鑄型的沖擊減小，紊流的程度降低，避免了金屬液卷入空氣和氧化夾雜，鑄件出現(xiàn)氣孔和夾雜的可能性減小。

圖9為優(yōu)化參數(shù)后鑄件的缺陷位置示意圖。

由圖9可以得出，與調(diào)整參數(shù)前進(jìn)行對比，縮孔百分?jǐn)?shù)為5%時，縮孔的位置基本相同，但縮孔的數(shù)量明顯減少；而百分?jǐn)?shù)為20%的縮孔已經(jīng)消失。由此可知，通過提高低壓鑄造的保壓壓力，使鑄件的整個凝固過程都處于較高的壓力下；在壓力的作用下，鑄件在凝固過程中能夠及時得到金屬液的補(bǔ)充，減小了可能出現(xiàn)的縮孔尺寸，降低了鑄件出現(xiàn)較多縮孔的可能性。

圖9 調(diào)整參數(shù)后缺陷位置示意圖

4 結(jié)論

(1)根據(jù)氣動元件閥體鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能要求，采用金屬型低壓鑄造方法，選擇合適的分型面，設(shè)計(jì)了合理的澆注系統(tǒng)，并獲得了理想的模擬結(jié)果。

(2)通過對兩組不同的低壓鑄造工藝參數(shù)的模擬結(jié)果對比，確定了合適的充型工藝參數(shù)和保壓壓力參數(shù)，在澆注溫度680℃時，鑄型預(yù)熱溫度250℃，充型壓力0.01MPa，充型時間2s，保壓壓力0.09MPa，保壓時間43s，獲得了理想的計(jì)算結(jié)果。