董振標(biāo)，杜曉明

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

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鋁合金殼體低壓鑄造工藝優(yōu)化研究

董振標(biāo)，杜曉明

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

摘要：采用有限元數(shù)值模擬方法，模擬鋁合金殼體件的低壓鑄造充型和凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)出鑄件內(nèi)部缺陷并提出改進(jìn)工藝。研究結(jié)果表明，在砂芯位置2處嵌冷鐵可消除凝固缺陷，這對(duì)該零件的低壓鑄造生產(chǎn)提供了理論指導(dǎo)和試驗(yàn)前提。

關(guān)鍵詞：鋁合金殼體；低壓鑄造；數(shù)值模擬；工藝優(yōu)化

近年來(lái)，低壓金屬型鑄造作為一種近無(wú)余量的金屬液態(tài)成型技術(shù),相比于其他鑄造方法具有充型平穩(wěn)、鑄件組織致密、無(wú)需設(shè)計(jì)冒口、工藝出品率高等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、軍工、機(jī)電等領(lǐng)域的鋁合金鑄件生產(chǎn)，尤其是復(fù)雜薄壁鋁合金鑄件[1]。由于研究對(duì)象屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)鑄件，其質(zhì)量要求較高，因此鑄造工藝設(shè)計(jì)和優(yōu)化很重要。

趙建華等人[2]模擬研究了汽缸蓋低壓鑄造凝固過(guò)程，預(yù)測(cè)其缺陷并提出增設(shè)冷卻系統(tǒng)、控制模具溫度、對(duì)澆口保溫處理三種工藝措施，結(jié)果表明，同時(shí)采用三種工藝措施鑄件質(zhì)量更好。張立強(qiáng)等人[3]以L型A356鋁合金為研究對(duì)象，使用PROCAST設(shè)計(jì)低壓鑄造工藝并對(duì)鑄件表面缺陷進(jìn)行分析，提出改進(jìn)工藝方案。楊天云等人[4]采用仿真軟件結(jié)合正交實(shí)驗(yàn)方法，模擬研究了低壓鑄造工藝參數(shù)對(duì)汽車座椅骨架縮松縮孔、充型及凝固規(guī)律的影響。

本文以鋁合金殼體鑄件的工藝設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，用PROCAST有限元仿真軟件對(duì)鑄造過(guò)程流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析研究，設(shè)置邊界條件和運(yùn)行參數(shù)、合理設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型、對(duì)鑄件成型充型和凝固過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬結(jié)果對(duì)鑄件缺陷部位進(jìn)行預(yù)測(cè)，為后續(xù)的工藝優(yōu)化提供參考依據(jù)，達(dá)到縮短試制周期，降低成本的目的。

1　零件的工藝性分析

1.1　零件分析

殼體零件如圖1所示，材質(zhì)為ZL106鋁合金，質(zhì)量5kg，壁厚及外形輪廓尺寸不均勻，高度為145mm，最薄壁厚為8mm，其特點(diǎn)為薄壁復(fù)雜件。采用低壓鑄造生產(chǎn)，以確保其成形質(zhì)量與內(nèi)在質(zhì)量。

圖1　零件三維實(shí)體圖

1.2　澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用底注式中心澆口工藝方案，內(nèi)澆口開在鑄件底端厚壁處。為充分發(fā)揮澆注系統(tǒng)的補(bǔ)縮作用，設(shè)計(jì)了分流錐式內(nèi)澆道。零件底部厚大部位是液態(tài)金屬最后冷卻凝固的地方，即熱節(jié)中心。采用熱節(jié)圓法[5]計(jì)算得出澆口的最小斷面積為1256mm2，高度為60mm，鑄件澆注系統(tǒng)如圖2所示。采用金屬型、砂芯工裝方案，金屬型和金屬芯材質(zhì)為35CrMo模具鋼，砂芯為樹脂砂。

圖2　鑄件三維圖

2　有限元模型的建立

2.1　網(wǎng)格劃分

用UG8.0軟件高級(jí)仿真模塊剖分面網(wǎng)格，導(dǎo)出MeshCAST可識(shí)別的.dat文件，在MeshCast中進(jìn)行面網(wǎng)格的檢查修復(fù)并劃分體網(wǎng)格。為得到精確的模擬結(jié)果和減少計(jì)算量，根據(jù)數(shù)值計(jì)算原理和計(jì)算機(jī)性能要求，澆道和鑄件采用較小的網(wǎng)格尺寸，尺寸大小為4mm，進(jìn)行剖分，保證薄壁處至少1個(gè)單元[6]；鑄型和芯子采用較大的網(wǎng)格尺寸，尺寸大小為20mm，進(jìn)行剖分，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3　芯子的網(wǎng)格模型

2.2　邊界條件

ZL106鋁合金的澆注溫度為680℃，澆注時(shí)間為3s，鑄件/模具換熱系數(shù)為3000W/(m2/k)，鑄件/砂芯換熱系數(shù)為500W/(m2/k)，模具/模具換熱系數(shù)為3000 W/(m2/k)，模具溫度300℃，金屬芯和砂芯預(yù)熱溫度為300℃。

2.3　加壓工藝參數(shù)的確定

低壓鑄造合金液充型靠坩堝中合金液面上的氣體壓力作用實(shí)現(xiàn)。所需氣體壓力用式(1)確定[7]。

p=HρK/10200

(1)

式中：p為充型壓力(MPa)；H為金屬液上升的高度(cm)；ρ為金屬液密度(g/cm3)；10200為單位換算系數(shù)(g/N)；K為充型阻力，K=1.0～1.5，阻力小取下限，阻力大取上限。

對(duì)各階段進(jìn)行計(jì)算，設(shè)置三種不同的時(shí)間-壓力曲線，見表1、表2、表3。

表1　壓力-時(shí)間參數(shù)1

表2　壓力-時(shí)間參數(shù)2

表3　壓力-時(shí)間參數(shù)3

3　模擬結(jié)果分析

3.1　不同工藝參數(shù)下的鑄件質(zhì)量對(duì)比

在三種不同的時(shí)間-壓力曲線下進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比分析表明，表1、表2、表3參數(shù)下的鑄件縮孔率分別為33%、26%、17%，顯示壓力-時(shí)間參數(shù)3更為合理。

3.2　充型過(guò)程模擬

液態(tài)金屬充型過(guò)程溫度分布如圖4所示，由不同時(shí)間段的充型狀態(tài)可以看出，液態(tài)金屬在型腔中整個(gè)充型過(guò)程比較平穩(wěn)，沒有明顯的紊流和飛濺，可推斷出現(xiàn)卷氣和夾渣的可能性較小，因此澆注系統(tǒng)和充型工藝的選取是合理的。

3.3　凝固過(guò)程模擬

凝固過(guò)程中，各時(shí)刻的固相率分布如圖5所

圖4　充型過(guò)程

示，由圖5可見，鑄件至上而下基本實(shí)現(xiàn)順序凝固，但在鑄件側(cè)壁和凸臺(tái)的厚大部位存在部分孤立液相區(qū)，表明該位置屬于熱節(jié)部位，可能會(huì)出現(xiàn)凝固收縮缺陷。對(duì)這些熱節(jié)部位進(jìn)行切面分析，如圖6所示，發(fā)現(xiàn)這些部位存在宏觀縮孔，有必要采取相應(yīng)的工藝措施來(lái)減少或消除這些缺陷。

圖5　凝固過(guò)程固相率

3.4　工藝優(yōu)化模擬

針對(duì)鑄件缺陷的產(chǎn)生位置和類型，可通過(guò)設(shè)置冒口或冷鐵減小或消除厚大部位的缺陷。本文采用在砂芯上嵌冷鐵的改進(jìn)工藝，澆注前砂芯預(yù)熱溫度為300℃，冷鐵預(yù)熱溫度為350℃，以保證液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)順序凝固，發(fā)揮低壓鑄造的補(bǔ)縮特性。

冷鐵的兩種位置如圖7所示，模擬結(jié)果如圖8所示。從兩種冷鐵位置的缺陷分布可以看出，位置1處放置冷鐵，鑄件的收縮缺陷并未得到明顯減少。位置2處設(shè)置冷鐵后，鑄件內(nèi)側(cè)的缺陷基本消除，表明位置2處放置冷鐵是合理的工藝措施。

圖6　縮孔位置剖切圖

圖7　冷鐵位置

圖8　設(shè)置冷鐵后的模擬結(jié)果

4　結(jié)論

(1)對(duì)鑄件充型過(guò)程模擬，驗(yàn)證了低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)合理；通過(guò)凝固過(guò)程模擬，預(yù)測(cè)出鑄件的缺陷位置和大小，為后續(xù)工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。

(2)采取在砂芯上設(shè)置冷鐵的工藝優(yōu)化方案，對(duì)比了兩種不同位置冷鐵的模擬結(jié)果，位置2放置冷鐵可消除凝固缺陷。

參考文獻(xiàn)：

[1]許豪勁,萬(wàn)里,吳克亦,等.連續(xù)式低壓鑄造技術(shù)的研究與開發(fā)[J].特種鑄造及有色合金,2013,33(1)：29-32.

[2]趙建華,劉濤,曾禮,等.鋁合金汽缸蓋低壓鑄造數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化[J].熱加工工藝,2011,(1):39-41.

[3]張立強(qiáng),李落星,朱必武,等.基于數(shù)值模擬的鋁合金薄壁件金屬型低壓鑄造工藝設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù),2008,29(9):1178-1181.

[4]楊天云,余瑾,楊兵,等.大型鋁合金薄壁件低壓鑄造工藝模擬[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù),2012,(1):39-42.

[5]耿鑫明,呂志剛,姜不居.特種鑄造生產(chǎn)工藝及裝備入門與精通編著[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[6]李日.鑄造工藝仿真ProCAST從入門到精通[M].北京：中國(guó)水利出版社，2010.

[7]董秀琦.低壓及差壓鑄造理論與實(shí)踐[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

(責(zé)任編輯：趙麗琴)

The Study of Low Pressure Die Casting Process Optimization of Aluminium Alloy Case

DONG Zhenbiao,DU Xiaoming

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：An engieering machinery alluminium alloy case is taken as study object,the finite element modeling simulation software PROCAST is used in its low pressure die casting process simulation,the process of model-filling and solidication is analyzed,the internal defect is predicted and the improved craft is proposed,and theretical and test condition is provided for its pressure die casting practical production.

Key words：aluminium alloy case；low pressure die casting;numerical simulation;craft optimization

中圖分類號(hào)：TP274+.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-1251(2015)01-0060-05

通訊作者：

作者簡(jiǎn)介：董振標(biāo)(1990—)，男，碩士研究生；杜曉明(1976—)，男，副教授，博士，研究方向： 液態(tài)金屬成型過(guò)程計(jì)算機(jī)模擬理論等.

收稿日期：2014-05-07