基于Anycasting軟件的殼體仿真分析及工藝優(yōu)化

周波 張立強(qiáng) 高進(jìn)偉 韓鵬飛

摘? 要： 為得到高質(zhì)量鑄件，針對(duì)汽車轉(zhuǎn)向器伺服殼體壁厚不均，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，使用UG對(duì)殼體進(jìn)行三維建模并使用Anycasting模擬鑄造軟件對(duì)殼體高壓鑄造充型及凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)，有效地預(yù)測(cè)了在壓鑄過程中出現(xiàn)的縮松縮孔問題的位置。通過正交試驗(yàn)與Anycasting模擬軟件分析得出ADC12鋁合金轉(zhuǎn)向器伺服殼體優(yōu)化后的壓鑄工藝方案：澆注溫度為630℃，模具初始預(yù)熱溫度為180℃，壓射速度為1.6 m/s。通過壓鑄件生產(chǎn)加工實(shí)驗(yàn)和金相試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化后的鑄件質(zhì)量明顯提高。

關(guān)鍵詞：??Anycasting;數(shù)值模擬;高壓鑄造;工藝優(yōu)化;正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TP311;TG249.2 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.043

本文著錄格式：周波，張立強(qiáng)，高進(jìn)偉，等. 基于Anycasting軟件的殼體仿真分析及工藝優(yōu)化[J]. 軟件，2020，41（07）：210-215

Simulation Analysis and Process Optimization of Housing Based on Anycasting

ZHOU Bo， ZHANG Li-qiang， GAO Jin-wei， HAN Peng-fei

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， 201620， China）

【Abstract】： In order to obtain high-quality castings， the wall thickness of the servo housing of the steering gear is uneven and the structure is complex. The housing is three-dimensionally modeled using UG and the high-pressure casting filling and solidification process is carried out using Anycasting simulation casting software. Effectively predicting the location of shrinkage and shrinkage problems that occur during the die casting process. Through the orthogonal test and Anycasting simulation software， the die casting process of ADC12 aluminum alloy steering gear servo housing is as follows： casting temperature 630℃， initial mold temperature 180℃， injection speed 1.6m/s. Through the die casting production experiment and metallographic test， it is found that the optimized process parameters significantly improve the casting quality.

【Key words】： Anycasting; Numerical simulation; High-pressure casting; Process optimization; Orthogonal test

0? 引言

高壓鑄造由于具有生產(chǎn)效率高、鑄件尺寸精度高、可以生產(chǎn)復(fù)雜薄壁類零件等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于汽車零部件生產(chǎn)制造、化學(xué)工業(yè)、機(jī)床以及通信行業(yè)中^[1-3]。在壓鑄生產(chǎn)過程中，金屬液體在高溫高壓狀態(tài)下高速充填模具型腔，若充型過程不順暢，則會(huì)導(dǎo)致鑄件容易產(chǎn)生氣孔和流痕等缺陷。若凝固過程中的溫度場(chǎng)分布不均勻，則會(huì)使鑄件容易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷^[4-5]。汽車轉(zhuǎn)向器伺服殼體是轉(zhuǎn)向器總成中的一個(gè)核心零部件，對(duì)零件的可靠性有較高的要求，不能夠存在較多氣孔和縮孔、縮松的問題，否則將大大降低零件使用壽命。工藝方案的選定在傳統(tǒng)上多為人工試模，該方法會(huì)大大增加人工成本和時(shí)間成本，不能滿足企業(yè)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和CAD/CAM/CAE技術(shù)的發(fā)展，使得鑄造過程的模擬成為可能，這對(duì)?? 降低成本、提高鑄造企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要的作用^[6-7]。Cato Dorum ^[8]等人利用仿真軟件對(duì)U型板鑄造過程進(jìn)行了模擬，通過分析鑄造過程中出現(xiàn)的鑄造缺陷，并提出了合理解決辦法。劉洋^[9]等人運(yùn)用Magmasoft仿真軟件結(jié)合正交試驗(yàn)對(duì)壓鑄成型過程進(jìn)行仿真分析，并對(duì)相關(guān)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，研究表明Magmasoft仿真軟件可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)缺陷類型及位置。Anycasting是一款可以模擬分析各種鑄造工藝過程的專業(yè)鑄造模擬軟件，可對(duì)鑄造充型和凝固過程中涉及的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)等進(jìn)行數(shù)值模擬分析^[10]。通過對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鑄造過程中出現(xiàn)的縮孔縮松、氣孔、流痕、澆不足等缺陷，進(jìn)而為模具澆排系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及壓鑄工藝參數(shù)的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

本文使用UG軟件和Anycasting軟件對(duì)轉(zhuǎn)向器伺服殼體的壓鑄充型及凝固過程進(jìn)行模擬仿真，并以鑄件充型時(shí)間與孔隙率為判斷依據(jù)，建立正交試驗(yàn)方案，尋找最優(yōu)工藝方案，以提高鑄件質(zhì)量，滿足鑄件使用要求。

1 ?數(shù)值模擬理論和基礎(chǔ)方程

在鑄件充型過程數(shù)值模擬中，液態(tài)金屬被看作為不可壓縮的流體，其流動(dòng)過程服從連續(xù)性方程、能量守恒原理、對(duì)流熱交換方程等^[11]。

2 ?轉(zhuǎn)向器伺服殼體壓鑄模擬前處理

轉(zhuǎn)向器伺服殼體的三維模型如圖1所示，它的整體外形尺寸為190 mm×148 mm×109 mm，質(zhì)量為817.735 g。用UG軟件計(jì)算出轉(zhuǎn)向器伺服殼體的壁厚參數(shù)為：平均壁厚4.96 mm，最大壁厚16.2 mm。

轉(zhuǎn)向器伺服殼體的材料采用ADC12鋁合金，ADC12鋁合金質(zhì)量較輕，鑄造工藝性好，同時(shí)具有強(qiáng)度和硬度較高，耐沖擊性好，耐腐蝕性好，機(jī)械加工性能良好的特點(diǎn)，因此，ADC12鋁合金在汽車零部件制造領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用。表1為ADC12鋁合金的材質(zhì)構(gòu)成，ADC12鋁合金在570℃ 情況下的物理參數(shù)如表2所示^[12]。

3 ?模擬仿真與分析

從圖2中可以看出，當(dāng)t=0.3131 s時(shí)，兩個(gè)分支橫澆道中的合金液同時(shí)到達(dá)內(nèi)澆口并開始充填型腔。當(dāng)t=0.3180 s時(shí)，充型率為40%，兩個(gè)分支橫澆道中的合金液匯流后沿著型腔側(cè)壁繼續(xù)充填，此時(shí)，在直的分支橫澆道一側(cè)的型腔側(cè)壁細(xì)節(jié)部位處出現(xiàn)了合金液充填不到的情況，此處可能卷入了氣體，原因?yàn)樵撎幍男颓粋?cè)壁細(xì)節(jié)部位結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，使合金液的充填受到了阻礙作用。當(dāng)t=0.3516 s時(shí)，充型率為80%，合金液已基本充滿整個(gè)型腔，僅在直的分支橫澆道一側(cè)的加強(qiáng)筋及圓筒筒壁的過渡處還存在少量合金液未充填到的部位。當(dāng)t=0.3602 s時(shí)，合金液已經(jīng)充滿鑄件型腔，并進(jìn)入鑄件末端的

排溢系統(tǒng)，可以看到溢流槽和排氣槽中包含了許多型腔中排出的合金液及氣體，說明溢流槽和排氣槽相互配合，起到了較好的容納冷污金屬及排氣的作用。從合金液在充型過程中不同時(shí)刻的流動(dòng)狀態(tài)來看，合金液的充型過程較為平穩(wěn)。

優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)后的壓鑄成型數(shù)值模擬中，轉(zhuǎn)向器伺服殼體鑄件出現(xiàn)缺陷處的典型截面如圖3和圖4所示，其中，典型截面X為鑄件直的分支橫澆道一側(cè)加強(qiáng)筋P1的水平剖切面，典型截面Y正好為鑄件的分型面，并且該截面也是較寬的彎曲分支橫澆道一側(cè)的加強(qiáng)筋、兩個(gè)凸出部位及溢流槽的水平剖切面。圖5和圖6分別為用殘余熔體模數(shù)法對(duì)截面X和截面Y進(jìn)行的缺陷預(yù)測(cè)，從圖中可以看出，在優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)后的壓鑄成型數(shù)值模擬中，鑄件仍有缺陷發(fā)生，但鑄件型腔兩側(cè)的加強(qiáng)筋處及側(cè)邊的兩個(gè)凸出部位處發(fā)生缺陷的可能性與原始方案相比已有所減小。圖5與6中位于澆排系統(tǒng)部位的缺陷可不用考慮，因?yàn)檫@些部位會(huì)在后續(xù)加工中被切除。

4 ?正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)驗(yàn)證

4.1 ?正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)壓鑄生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和Anycasting軟件的實(shí)際情況，本章選取了三個(gè)對(duì)鑄件質(zhì)量有重要影響的壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，這三個(gè)壓鑄工藝參數(shù)為：合金液澆注溫度、壓射速度和模具初始預(yù)熱溫度。據(jù)此建立正交試驗(yàn)因素水平表及試驗(yàn)方案^[13]，如表3所示。

本試驗(yàn)方案需要進(jìn)行9組正交試驗(yàn)，基于試驗(yàn)方案中提供的數(shù)據(jù)，使用鑄造模擬軟件Anycasting進(jìn)行壓鑄數(shù)值模擬。為了準(zhǔn)確分析壓鑄模擬結(jié)果，選取轉(zhuǎn)向器伺服殼體的兩個(gè)典型截面X、Y進(jìn)行觀察，在之前的預(yù)測(cè)中，這兩個(gè)典型截面出現(xiàn)缺陷的概率較大。截面X為鑄件直的分支橫澆道一側(cè)加強(qiáng)筋的水平剖切面，截面Y正好為鑄件分型面，并且該截面也是較寬的彎曲分支橫澆道一側(cè)的加強(qiáng)筋、兩個(gè)凸出部位及溢流槽的水平剖切面。圖7和圖8給出了其中第一組正交試驗(yàn)中鑄件典型截面X、Y上的概率缺陷分布情況。

通過對(duì)九組正交試驗(yàn)的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，得到了正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)表4。

本試驗(yàn)中，目標(biāo)函數(shù)表示的是鑄件截面上的缺陷概率參數(shù)，缺陷概率參數(shù)越小，說明鑄件截面上的缺陷面積總得分越小，亦即此組工藝參數(shù)越接近最優(yōu)的壓鑄工藝參數(shù)，因此應(yīng)選取使鑄件截面上的缺陷面積總得分最小的那個(gè)水平，即三個(gè)因素列中最小的那個(gè)缺陷面積總得分平均值對(duì)應(yīng)的水平。從表4中可以看出：U因素（澆注溫度）列：k1<k3<k2;V因素（壓射速度）列：k3<k2<k1;W因素（模具初始預(yù)熱溫度）：k3<k2<k1;根據(jù)以上分析可知，最優(yōu)的試驗(yàn)方案為U1V3W3，即澆注溫度630℃、壓射速度1.6 m/s、模具初始預(yù)熱溫度180℃。

4.2 ?生產(chǎn)驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際需要，本課題選用東芝350T壓鑄機(jī)進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)。選取如圖9和圖10所示的四個(gè)關(guān)鍵位置進(jìn)行分析。

圖11為從鑄件典型截面處所取的試樣在金相顯微鏡下放大50倍后的微觀組織。從圖中可以看出，壓鑄試驗(yàn)條件下得到的鑄件，其典型截面處的微觀組織均勻致密，無明顯大的氣孔或縮孔縮松缺陷存在，與原始方案相比，缺陷情況得到了明顯改善。

5 ?結(jié)論

通過Anycasting仿真模擬與正交試驗(yàn)分析，知到了金屬液澆注時(shí)間主要受壓射速的度影響，澆注溫度對(duì)支架鑄件縮松縮孔缺陷有更為顯著的影響，模具初始溫度次之。最終確定了伺服殼體鑄件壓鑄的合理工藝方案：澆注溫度為630℃、模具預(yù)熱溫度為180℃、壓射速度為1.6 m/s。在最優(yōu)方案確定后，通過鑄件樣件試制及觀察樣件微觀組織可知試制鑄件無明顯缺陷，進(jìn)一步確定了工藝方案的合理性。

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