■劉祥

鋁合金在汽車(chē)、摩托車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在發(fā)動(dòng)機(jī)部件上的使用尤其突出。鋁合金因?yàn)橘|(zhì)輕、散熱好及良好的外觀特點(diǎn)，逐漸代替鋼質(zhì)材料，目前在世界范圍內(nèi)廣泛使用。鋁合金鑄造已成為鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)外殼零件生產(chǎn)的主要工藝方法。國(guó)內(nèi)的鋁合金零件制造企業(yè)多數(shù)采用鑄造工藝生產(chǎn)，所以研究鋁合金壓力鑄造過(guò)程產(chǎn)生的缺陷具有實(shí)際意義。

現(xiàn)在企業(yè)采用鑄造工藝大批量生產(chǎn)汽車(chē)、摩托車(chē)零件，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有些鑄件出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋甚至充型不完整等情況。為了充分分析各種缺陷產(chǎn)生的原因，以及對(duì)模具型腔進(jìn)行合理的改進(jìn)，采用軟件仿真預(yù)測(cè)相關(guān)鑄造缺陷是十分必要的。

1. 結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)

在Pro/E中繪制五羊摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼件模型（見(jiàn)圖1），繪制完成后分析鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)上的軸孔、螺紋孔及其他特殊形狀都是在鑄件上二次加工的，需繪制留有足夠余量的鑄件模型（見(jiàn)圖2），同時(shí)增加澆道。

2. 生成模具型腔

在Pro/E中生成鑄件的模具型腔（見(jiàn)圖3），確定上模和下模的整體尺寸，不需要設(shè)置分型面，也不需開(kāi)模。生成整體模具，將模具模型保存為stl格式。

3. 模具模型導(dǎo)入FLOW-3D

建立分析目錄后，使用FLOW-3D的導(dǎo)入stl文件功能將模具模型導(dǎo)入，經(jīng)過(guò)尺寸換算，將模型按1/10的比例導(dǎo)入FLOW-3D中。在創(chuàng)建結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格過(guò)程中，網(wǎng)格數(shù)量受制于結(jié)構(gòu)體復(fù)雜程度的影響，網(wǎng)格數(shù)量少時(shí)，結(jié)構(gòu)體模擬不完整；網(wǎng)格數(shù)量太多時(shí)，計(jì)算時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。圖4為創(chuàng)建了60萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量時(shí)的液態(tài)填充效果。

4. 充型初始條件設(shè)置

充型前需要設(shè)置的初始條件如下：

（1）充型運(yùn)算結(jié)束方式 通常采用充滿(mǎn)即結(jié)束，也可使用時(shí)間設(shè)定。

（2）分析單元 選擇CGS單元，溫度單位選擇熱力學(xué)溫度或攝氏溫度，使用熱力學(xué)溫度時(shí)要進(jìn)行換算(0℃＝-273K)。

（3）加載液態(tài)填充材料和模具材料 液態(tài)材料為鑄鋁ZL101A（ZAlSi7MgA），相當(dāng)于美國(guó)牌號(hào)Al356，模具材料為熱作模具鋼4Cr5MoSiV1，相當(dāng)于美國(guó)牌號(hào)H13。鋁合金固相線溫度558℃，液相線溫度603℃，鋁液澆注溫度為（700±10）℃。

材料的物理性能和力學(xué)性能見(jiàn)表1～表3。

（4）設(shè)置充型口速度和液態(tài)材料溫度 充型口液態(tài)材料初始速度可以設(shè)置為2m/s，充型太慢時(shí)先進(jìn)入的材料會(huì)快速冷卻，難以完成整個(gè)型腔充填；也可以采用恒壓充型。液態(tài)材料初始溫度采用溫度為973K。

（5）設(shè)置模具材料整體溫度和外表面溫度 鋁合金凝固溫度558℃，為了防止結(jié)構(gòu)件缺陷，可設(shè)置模具整體加熱到300～500℃，此處設(shè)置為400℃（包括腔體內(nèi)表面），即輸入673K。模具6個(gè)外表面溫度可設(shè)置為573K。

（6）設(shè)置模具腔體內(nèi)溫度和壓力 模具腔體內(nèi)溫度按照模具整體加熱溫度設(shè)置，腔體內(nèi)空氣壓力可設(shè)置為接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

5. 物理參數(shù)設(shè)置

需設(shè)置的物理參數(shù)如下：

（1）夾帶空氣系數(shù) 輸入液態(tài)鋁合金中的空氣含量參數(shù)為0.0012，即液態(tài)鋁空氣含量為0.12%。

圖1 外殼件模型

圖2 鑄件模型

圖3 Pro/E中生成模具

圖4 60萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)量的液態(tài)填充

表1 鑄鋁材料的物理參數(shù)

表2 模具材料的物理參數(shù)

表3 鑄鋁材料的力學(xué)性能

（2）氣泡和相變?cè)O(shè)置 可選擇恒壓不相變（消失）氣泡、恒壓相變（消失）氣泡、絕熱氣泡、普通熱氣泡和相變（消失）熱氣泡等。

（3）缺陷檢查設(shè)置 可設(shè)置缺陷產(chǎn)生率、泡沫渣產(chǎn)生率等。如果想要預(yù)測(cè)缺陷，可將缺陷產(chǎn)生率設(shè)置大些，如果使用消失模鑄造，應(yīng)設(shè)置泡沫渣產(chǎn)生率。

（4）重力方向設(shè)置 根據(jù)模具的擺放方式設(shè)置，可設(shè)置澆道的方向?yàn)橹亓Ψ较颍斎雲(yún)?shù)為980。

（5）設(shè)置溫度傳遞 使用一階溫度傳遞方式，選擇全能量傳遞選項(xiàng)，即模具和流體的溫度會(huì)自由傳遞。

（6）紊流狀態(tài)設(shè)置 由于鑄造速度過(guò)快，不選擇層流模式，選擇紊流模式。

6. 輸出參數(shù)設(shè)置

需設(shè)置的輸出參數(shù)如下：

（1）充型條件 選擇充滿(mǎn)整個(gè)型腔。

（2）輸出數(shù)據(jù)量 輸入?yún)?shù)0.05，即輸出20個(gè)階段性數(shù)據(jù)。

（3）輸出結(jié)果類(lèi)型 可選擇充型狀態(tài)、充型溫度、動(dòng)態(tài)流速、熱傳導(dǎo)率、應(yīng)力、能量等，也可全選。

7. 計(jì)算并輸出結(jié)果

選擇帶模具型腔顯示的流體流動(dòng)狀態(tài)，結(jié)果如圖5所示。

通過(guò)設(shè)置，查看鑄件不同部位的溫度變化，發(fā)現(xiàn)充口和遠(yuǎn)端溫度差超過(guò)200℃，可通過(guò)改變模具整體加熱溫度高低來(lái)減緩充口和最遠(yuǎn)端的溫度差。查看不同部位的應(yīng)力大小，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)力發(fā)生在充口端，應(yīng)力值約340kPa，小于表3中同溫度下的材料力學(xué)性能值，充型后不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。

選擇帶模具型腔顯示的流體內(nèi)空氣夾帶情況，結(jié)果如圖6、圖7所示。

從圖6可看出，外殼件最遠(yuǎn)端的上部空氣夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重，是極易出現(xiàn)縮孔、縮松現(xiàn)象的區(qū)域，解決方法是在此處設(shè)置相應(yīng)的冒口，鑄造后將冒口切除。從圖7發(fā)現(xiàn)，外殼件最遠(yuǎn)端的上部也極易出現(xiàn)表面缺陷，解決方法同樣是設(shè)置冒口，可以用同一種方法解決兩種缺陷問(wèn)題。

圖5 液體充型過(guò)程顯示

8. 分析與結(jié)論

（1）采用Pro/E設(shè)計(jì)模具的型腔，可快速進(jìn)行零件的建模和模具型腔的生成。

（2）使用FLOW-3D軟件做鑄造仿真，可在鑄造模具設(shè)計(jì)之初對(duì)結(jié)構(gòu)體充型過(guò)程進(jìn)行完整而詳細(xì)的充填分析，從而發(fā)現(xiàn)充填過(guò)程中的各種潛在缺陷，同時(shí)可以在工程技術(shù)人員設(shè)置相應(yīng)的模具溫度、金屬液加熱溫度、充填速度、冒口設(shè)置等方面給予足夠的參考和提示，方便模具設(shè)計(jì)過(guò)程中達(dá)到盡量不改模具和少改模具的特點(diǎn)。

圖6 液體空氣夾帶情況顯示

圖7 液體充型后表面缺陷顯示

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