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        基于ProCAST的電機(jī)罩壓鑄模具模流分析*

        2014-02-07 01:22:04劉大龍何鵬達(dá)
        機(jī)電工程技術(shù) 2014年6期
        關(guān)鍵詞:壓鑄模壓鑄件充型

        程 偉,劉大龍,何鵬達(dá)

        (廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)部,廣東廣州 511325)

        0 引言

        壓力鑄造是高效益、高效率的少、無(wú)切削金屬成形方法,其在提高鑄件的精度水平、生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量等方面顯示出了巨大優(yōu)勢(shì),已成為世界范圍內(nèi)一種十分重要的特種合金精密鑄件制備方法[1]。壓鑄模具作為壓力鑄造的核心工具,其合理設(shè)計(jì)對(duì)于生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄件具有重要意義。

        現(xiàn)今壓力鑄造中存在以下幾種狀況:

        (1)產(chǎn)業(yè)的全球化導(dǎo)致了鑄造產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)日益激烈:生產(chǎn)周期要求縮短,成本要求越來(lái)越低,品質(zhì)要求越來(lái)越高;

        (2)憑傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試作來(lái)解決鑄造缺陷問(wèn)題的舊方法已不能適應(yīng)市場(chǎng)的要求;

        (3)熟練技術(shù)工人的高齡化,年輕技術(shù)員脫離制造業(yè)的社會(huì)現(xiàn)象導(dǎo)致了鑄造技術(shù)傳授日趨困難。

        由于上述原因,壓力鑄造工藝設(shè)計(jì)人員渴望用法簡(jiǎn)單而又實(shí)用的鑄造模擬技術(shù)的出現(xiàn)。

        鑄造CAE軟件在發(fā)達(dá)國(guó)家鑄造企業(yè)中已基本普及。國(guó)內(nèi)的鑄造產(chǎn)業(yè),由于來(lái)自產(chǎn)品質(zhì)量,生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期的國(guó)際及國(guó)內(nèi)同行間的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,越來(lái)越多的鑄造企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到了應(yīng)用鑄造CAE軟件的重要性[2]。

        1 鑄造CAE—ProCAST簡(jiǎn)介

        ProCAST是專門針對(duì)鑄造過(guò)程進(jìn)行流動(dòng)、傳熱、應(yīng)力求解的軟件包,能夠模擬鑄造過(guò)程中絕大多數(shù)問(wèn)題和許多物理現(xiàn)象。它將有限元技術(shù)用在鑄造模擬中,有效地提高了鑄造工藝的正確性。借助于ProCAST系統(tǒng),鑄造工程師在完成鑄造工藝編制之前,就能夠?qū)﹁T件在形成過(guò)程中的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行仿真分析并預(yù)測(cè)鑄件的質(zhì)量、優(yōu)化鑄造設(shè)備參數(shù)和工藝方案,通過(guò)對(duì)金屬流動(dòng)過(guò)程的模擬,可以精確顯示澆不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)的位置及殘余應(yīng)力和變形的大小,準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)縮孔縮松和微觀組織[3]。

        本設(shè)計(jì)壓鑄件電機(jī)罩如圖1所示,材料為ADC10。

        該壓鑄件基本形狀為圓形端蓋類零件,最大外形尺寸108.7 mm,外圓直徑為145.4 mm,內(nèi)圓直徑為136.6 mm,鑄件特征不規(guī)則,鑄件孔較多,鑄件厚2~12mm,平均壁厚為4.4 mm,但也有局部不均勻。

        針對(duì)電動(dòng)罩以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn),應(yīng)用Pro/E、Solidworks等三維造型以及CAD二維繪圖軟件,構(gòu)造出端蓋的三維數(shù)據(jù)模型,完成電機(jī)罩的壓鑄模設(shè)計(jì)。考慮到所選的壓鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,且薄壁上有孔洞,要求脫模時(shí)候,防止表面特別是底部產(chǎn)生裂紋,推桿頂出時(shí)候受力要均勻,加工支承面應(yīng)平整無(wú)毛刺、氣泡和鑄造殘留物[4]。本文借助了ProCAST模流分析軟件應(yīng)用到件電機(jī)罩壓鑄件的成型分析上。

        ProCAST具有良好的用戶界面,配有圖文、圖表說(shuō)明,3D的圖示可以使用戶一目了然,甚至對(duì)壁厚不到1mm且形狀復(fù)雜的鑄件也可模擬。ProCAST軟件模流模擬界面如圖2所示。

        圖1 鑄件的結(jié)構(gòu)圖

        圖2 ProCAST模流模擬界面

        在ProCAST模流模擬界面上可以直觀地觀測(cè)到金屬液的流向,并獲得鑄件所處狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間和溫度。金屬液的流動(dòng)平衡是設(shè)計(jì)流道時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素,流動(dòng)平衡是保證鑄件質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo),金屬流液均勻流入鑄件各個(gè)部位,有利于減少因流動(dòng)差所產(chǎn)生的局部沖擊產(chǎn)生冷隔或造成部分缺料等壓鑄缺陷,有利于金屬流動(dòng)時(shí)將型腔內(nèi)空氣擠出減少鑄件氣孔缺陷的產(chǎn)生,再結(jié)合觀測(cè)鑄件各階段的金屬溫度和對(duì)應(yīng)的時(shí)間,了解鑄件溫度在鑄件各部位的分布以及冷卻時(shí)各部位溫度的變化情況,這將有助于分析鑄件是否存在拉模和凹陷等壓鑄缺陷[5]。因此,通過(guò)直觀的模擬分析數(shù)據(jù)即可對(duì)鑄件進(jìn)行質(zhì)量預(yù)測(cè),這將有助于及時(shí)改善流道的設(shè)計(jì),使所設(shè)計(jì)的模具符合實(shí)際生產(chǎn)的需要,縮短模具制造周期。

        圖3 充型過(guò)程模擬

        圖4 冷卻過(guò)程模擬

        2 產(chǎn)品鑄造成型模擬分析

        壓力鑄造中常伴有冷隔、拉模、卷氣、氣孔等常見(jiàn)的鑄造缺陷。這些常見(jiàn)鑄造缺陷通常與澆鑄溫度及模具溫度過(guò)低或充型時(shí)間過(guò)長(zhǎng)有關(guān)[6]。通過(guò)鑄件成型過(guò)程模擬,觀測(cè)鑄件熔湯的流勢(shì),結(jié)合充型時(shí)間和溫度的分布情況進(jìn)行分析,以此判斷本次澆道與溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)作的合理性。

        電機(jī)罩壓鑄件充型過(guò)程模擬如圖3所示。

        分析結(jié)論:模擬充型過(guò)程溫度均衡,兩側(cè)流道金屬流液流動(dòng)平衡如圖3(a)所示,由圖3(b)到圖3(c)階段未發(fā)現(xiàn)局部缺料缺陷,故此流道設(shè)計(jì)合理。

        鑄件冷卻模擬過(guò)程如圖4所示。

        分析結(jié)論:由模流分析模擬冷卻過(guò)程可以看到鑄件各部位溫度分布均勻,各階段過(guò)渡平滑,階段一鑄件最高溫度在584.6℃,階段二為393.8℃,階段三為266.6℃,無(wú)局部高溫存在,減少了鑄件粘模缺陷[7]。

        3 結(jié)論

        本文通過(guò)ProCAST軟件對(duì)鑄件進(jìn)行模流分析,評(píng)估模具流道設(shè)計(jì)的合理性,避免實(shí)際壓鑄生產(chǎn)中產(chǎn)生氣泡、變形等壓鑄缺陷,為模具的合理設(shè)計(jì)提供了有效地依據(jù),縮短了模具從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的制造周期,有效地提升產(chǎn)品的質(zhì)量,降低產(chǎn)品成本,從而提高了生產(chǎn)率,增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

        [1]付宏生,張景黎.壓鑄成型工藝與模具[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

        [2]陳金城.國(guó)外壓鑄的新發(fā)展[J].特種鑄造及有色合金,1997(3):47-50.

        [3]胡紅軍.ProCAST軟件的特點(diǎn)及在鑄造成形過(guò)程中的應(yīng)用[J].生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用,2005(1):70-71.

        [4]董濤.干燥筒體的低壓鑄造工藝[J].特種鑄造及有色合金,2003(5):34-35.

        [5]潘憲曾.壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

        [6]于彥東.壓鑄模具設(shè)計(jì)及CAD[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.

        [7]李飛.ProCAST鋁合金壓鑄模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及充型凝固數(shù)值模擬[J].鑄造技術(shù),2010(4):465-467.

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