基于CAE分析的鋁鎂合金壓鑄工藝優(yōu)化研究

朵興茂

（青海鹽湖特立鎂有限公司，青海 西寧 810000）

壓鑄作為特種鑄造的一種形式，主要是借助較高的壓力讓熔融金屬（液態(tài)或半液態(tài)）在模具型腔中高速填充，在其冷卻凝固后就能夠獲得鑄件的一種成型辦法，現(xiàn)階段已經(jīng)應(yīng)用在了很多領(lǐng)域。壓鑄工藝的特點(diǎn)主要為具有較高生產(chǎn)效率、具有較高鑄件尺寸精度和表面光潔度等[1]。但是在進(jìn)行壓鑄工藝時鑄件經(jīng)常會出現(xiàn)一些鑄造缺陷，如卷氣、夾渣等。在生產(chǎn)力逐漸優(yōu)化的背景下，壓鑄件設(shè)計工藝尤其是注澆方面對設(shè)計和工藝提出了更高的需求。

本次研究便立足于鋁鎂合金基座的構(gòu)造特征對壓住工藝展開優(yōu)化分析，借助華鑄CAE軟件優(yōu)化充型過程中的設(shè)計方案，并對其進(jìn)行數(shù)值和工藝上的分析和優(yōu)化，在應(yīng)用該工藝進(jìn)行基座的實際生產(chǎn)中了解到，生產(chǎn)處的鑄件具有較好的內(nèi)部質(zhì)量，且鑄件氣孔和夾渣問題出現(xiàn)的頻率降低，鑄件成品率得到了提升[2]。

1 鑄造工藝設(shè)計

1.1 分型面的確定

壓鑄模分型面指的是綜合壓鑄模定模和動模的表面。通常而言，模具上與鎖模力方向相垂直的結(jié)合面被稱為基本分型面。該分型面的設(shè)計中為使脫模更加簡易，應(yīng)當(dāng)設(shè)計在鑄件的最大尺寸輪廓處[3]。并盡量讓壓鑄件開模之后能夠穩(wěn)定在動模當(dāng)中。本次研究中結(jié)構(gòu)較為繁雜且內(nèi)腔涉及多種工藝，因此著眼于模具的成型和加工特性以及鑄件結(jié)構(gòu)方面的綜合考量，最終選擇了兩種比對方案，見于圖1。其中，圖1a設(shè)計的分型面需要設(shè)置兩個抽芯在動模處，這樣的設(shè)計提高了模具的設(shè)計與生產(chǎn)難度；而圖1b所設(shè)計的分型面只需要將抽芯設(shè)置在一個方向上，所以，經(jīng)過比對確定圖1b分型摸在加工和出模上更為簡易，且能夠便于布置澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)，同時還能夠很方便的去除溢流槽和澆口。經(jīng)圖1b的設(shè)計方案生產(chǎn)出的鑄件成型后具有良好的外觀，不存在多余的痕跡[4]。據(jù)此，結(jié)合上述因素，本次鑄件的分型面設(shè)計采用圖1b中的方案。

圖1 分型方法

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計澆注系統(tǒng)的結(jié)果將對模型中金屬液的流動狀態(tài)以及金屬液流入型腔后的流向和位置產(chǎn)生直接作用，因此想要獲得合格的鑄件，就需要設(shè)計好科學(xué)的澆注系統(tǒng)和集渣包。同時，澆注系統(tǒng)也是確定壓鑄?？傮w結(jié)構(gòu)的重要前提。壓鑄模澆筑系統(tǒng)的構(gòu)成部分為內(nèi)澆口、直澆道、橫澆道及余料。截面積Ag的計算公式為：

其中，Ag代表內(nèi)澆口橫截面積，單位為mm2；G代表內(nèi)澆口金屬液質(zhì)量（涵蓋澆注系統(tǒng)與排溢系統(tǒng)），取130%的鑄件質(zhì)量，得出G為1501.89g；P為液態(tài)金屬密度，值為2.4g/cm3；Vg代表內(nèi)澆口處金屬液填充速度，值為40m/s；t為填充型腔的時間，值為0.08s。根據(jù)上式計算后，得出Ag的值為1.956cm2。經(jīng)對壓鑄模設(shè)計手冊的查閱，得內(nèi)澆口厚度尺寸值為3mm。根據(jù)下式：

能夠得到內(nèi)澆口弧長尺寸為：

根據(jù)壓鑄模設(shè)計手冊了解到，橫澆道截面積Ar的值為：

根據(jù)Ar=3Ag，計算出橫澆道面積的數(shù)值為586.8mm2。

橫澆道厚度h2能夠通過下式計算：

設(shè)定h2=5h1，計算出h2=15mm，據(jù)此，計算出橫澆道長邊尺寸為：

將其取40mm，依照公式計算：

得出橫澆道入口處寬度為D=74.8mm2。通常而言，臥式冷室壓鑄機(jī)的直澆道的構(gòu)成要素主要為壓鑄機(jī)上的壓室和壓鑄模上的澆口套，而將直澆道上的位置叫做余料。余料直徑與澆口套直徑相同，均為60mm。

1.3 溢流系統(tǒng)設(shè)計

依照梯形溢流槽尺寸數(shù)據(jù)推薦，并綜合設(shè)計手冊和其他相關(guān)資料，將本次零件的溢流槽尺寸設(shè)定為A=27mm，B=35mm，H=14mm，a=6mm，b=27mm，c=1mm。 其中，A代表溢流槽總長、B代表溢流槽總寬、H代表溢流槽厚度，a代表溢流口處總長，b代表溢流口總寬、c代表溢流口厚度。由于需要在應(yīng)用中對其進(jìn)行定期清理，因此在基地座面的長斜邊位置設(shè)置了便于清理的內(nèi)澆口。

2 原始設(shè)計方案模擬結(jié)果及分析

使用華鑄CAE壓鑄模塊模擬鋁鎂合金液壓鑄充填充過程，對上述設(shè)計方案進(jìn)行合理性驗證，結(jié)果見于圖2。能夠了解到，圖2a中金屬液流入壓室，圖2b金屬液途徑壓室直接流進(jìn)直澆道。圖2c金屬液從橫澆道經(jīng)內(nèi)流進(jìn)鑄件型腔中，并朝著填充鑄件長斜邊方向由底座面向上流動填充。

圖2d鑄件在內(nèi)澆道附近一側(cè)開始充滿，其主要是內(nèi)澆道附近的測流槽在金屬液中發(fā)揮了儲存氣體和夾雜物的效果。但觀察金屬液的流向能夠了解到箭頭指向的位置容易由于渦流的出現(xiàn)而發(fā)生卷氣或滯留夾渣物，而根據(jù)上文中的工藝設(shè)計中能夠了解到，這一位置很難進(jìn)行溢流槽的設(shè)置。圖2e金屬液流進(jìn)了鑄件型腔中部并開始填充，圓筒最上方9部位表現(xiàn)出了“孤島”狀態(tài)，可能會出現(xiàn)卷氣或夾渣的問題。而距離內(nèi)澆口一側(cè)較遠(yuǎn)的溢流槽為最后填充，能夠發(fā)揮對冷金屬液的收集作用。鑄件型腔完全填充完畢為圖2f，從開始到結(jié)束，填充時間共計0.036406s。

圖2 原始方案充型模擬結(jié)果

3 優(yōu)化方案模擬結(jié)果及分析

依照對上述結(jié)果模擬和分析來實現(xiàn)優(yōu)化工藝方案，可以選用在鑄件底面增設(shè)一條內(nèi)澆道用以輔助（圖3為模擬結(jié)果）。圖3a金屬液從壓室開始向橫澆道流入。圖3b金屬液途徑兩個內(nèi)澆道向鑄件兩側(cè)的型腔流入。圖3c金屬液從A內(nèi)澆道一側(cè)開始填充到10臺階位置，而流經(jīng)輔助澆口的金屬液則從另一端開始向鑄件型腔流入，而過程出現(xiàn)的金屬液中的氣體和夾雜物則通過10上部溢流槽收集處理，因為在增加了輔助澆口設(shè)計，金屬液的充型過程中能夠很好的解決鑄件底部箭頭所指位置出現(xiàn)卷氣或滯留夾雜物的問題。

圖3d中，金屬液已充滿靠近A內(nèi)澆道的一側(cè)，開始向中部型腔進(jìn)行填充。圖3e能夠了解到，金屬液填充方向剛好不會讓圓筒頂部發(fā)生“孤島”現(xiàn)象，最后填充的位置為內(nèi)澆口另一側(cè)鑄件型腔，這一部分設(shè)置的溢流槽能夠很好的進(jìn)行溢流，證明了在該位置設(shè)計溢流槽的合理性。圖3f為型腔完全填充結(jié)束，整個流程耗時0.035169s、能夠了解到，較之于最初僅設(shè)置一個內(nèi)澆口而言，增設(shè)輔助內(nèi)澆道的優(yōu)化方案更能夠合理引導(dǎo)金屬液充型，并能夠很大程度上降低鑄件出現(xiàn)頂部凸臺或底部存在夾雜物或氣孔的問題。

依照優(yōu)化后的方案對鑄件模具進(jìn)行了設(shè)計和建造，并在大批量生產(chǎn)后進(jìn)行觀察，了解到該方案能夠有效的控制鑄件基座出現(xiàn)氣孔或夾雜物的鑄造缺陷問題。圖3是在某次生產(chǎn)后帶有澆注系統(tǒng)與溢流系統(tǒng)的基座（因為溢流槽沒有很好的連接鑄件，因此一個溢流槽已經(jīng)脫落）。經(jīng)過此次研究結(jié)果了解到，應(yīng)用花鑄CAE模擬軟件對壓鑄工藝進(jìn)行的優(yōu)化能夠很好的解決實際生產(chǎn)中所遇到的問題。

圖3 生產(chǎn)的基座鑄件

4 結(jié)語

在本次鋁鎂合金工藝開發(fā)中，借助了華鑄CAE軟件模擬了充型過程，使?jié)沧⒁缌飨到y(tǒng)的設(shè)計合理性得到了驗證。最初但內(nèi)澆口的方案左側(cè)能夠較快的充型，但圓筒內(nèi)部經(jīng)常發(fā)生“孤島”問題，且底部后填充處經(jīng)常存在卷氣或夾雜物。而經(jīng)過優(yōu)化后的雙內(nèi)澆口設(shè)計則能夠很好的使金屬液進(jìn)行充型，并解決了初始方案中所存在的上述問題。在經(jīng)過實際生產(chǎn)中了解到，使用優(yōu)化后的工藝方案所生產(chǎn)出的鑄件，有效改善了氣孔和夾渣等方面的問題，鑄件合格率得到了很大程度的提升。