管滔滔，楊浩成，朱陽（臺州廣播電視大學(xué)高職學(xué)院，浙江臺州 318000）

AZ91D鎂合金變速箱后殼擠壓鑄造成型工藝數(shù)值模擬分析

管滔滔，楊浩成，朱陽
（臺州廣播電視大學(xué)高職學(xué)院，浙江臺州 318000）

通過對現(xiàn)實(shí)情況的分析，提出了在汽車上使用鎂合金材料，從而達(dá)到汽車輕量化，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。通過Pro/E軟件建模后，應(yīng)用ProCAST仿真軟件對鎂合金變速箱殼體在擠壓鑄造時的多項(xiàng)性能進(jìn)行了研究分析，并通過直觀分析法，找到了最佳的工藝參數(shù)組合，為后續(xù)進(jìn)一步研究提供了指導(dǎo)。

鎂合金；擠壓鑄造；數(shù)值模擬

鎂合金具有使汽車輕量化、節(jié)約能源、降低成本的天然優(yōu)勢，使用高性能鎂合金，可使汽車零件質(zhì)量減輕，節(jié)約汽、柴油可達(dá)10%以上[1]。但采用高性能鎂合金生產(chǎn)汽車零部件，需要我們研究和解決材料性能、成形機(jī)理、成形工藝及其生產(chǎn)裝備等科學(xué)與工程問題。本文通過Pro/E軟件建模后，應(yīng)用ProCAST仿真軟件對鎂合金變速箱殼體在擠壓鑄造時的多項(xiàng)性能進(jìn)行了研究分析，并通過直觀分析法，找到了最佳的工藝參數(shù)組合，為后續(xù)進(jìn)一步研究提供了指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)條件的確定

常用的鑄造鎂合金AZ91D，比強(qiáng)度高，耐腐蝕性好，彈性模量大，散熱性、消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，密度在1.8 g/cm3左右，遠(yuǎn)低于常用鋁合金（密度在2.5～2.88 g/cm3）[2]。因此，我們以AZ91D鎂合金為例，對變速箱后殼的擠壓鑄造成型工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

由于變速器后殼體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，通過各種力學(xué)分析，在保持整體結(jié)構(gòu)基本不變的前提下，在應(yīng)變最大部位（凸臺與圓盤連接邊緣）適當(dāng)添加加強(qiáng)筋，如圖1（變速箱后殼結(jié)構(gòu)三維優(yōu)化模型）所示，可以極大地提高殼體的強(qiáng)度。

圖1 變速箱后殼三維優(yōu)化模型

1.1 軟件的選擇與應(yīng)用

ProCAST是一種常用的鑄造模擬仿真軟件，可進(jìn)行縮孔、澆不足、模具壽命等各方面缺陷的預(yù)測分析[3]。在鑄造模擬分析中可以按圖2（模擬步驟）所示來應(yīng)用該軟件。

圖2 ProCAST模擬步驟

1.2 物理模型的構(gòu)建

在整個鑄造模擬過程中，ProCAST前處理起到極為重要的作用，整個鑄造模擬中的計(jì)算效率和求解所達(dá)到的精度，直接取決于模型構(gòu)建的合理程度。有時在構(gòu)建模型時，經(jīng)常由于局部細(xì)節(jié)的處理不當(dāng)，從而導(dǎo)致計(jì)算效率與精度降低，更嚴(yán)重的，會直接導(dǎo)致求解過程的中斷。

1.2.1 網(wǎng)格劃分

由于ProCAST軟件的前處理模塊不具備建模功能，可以先選擇其他建模軟件（如Pro/E等）建立模型，再以“iges”格式導(dǎo)入ProCAST軟件，再經(jīng)MeshCAST劃分網(wǎng)格[4]。

1.2.2 模具材料定義

常用的熱作模具鋼H13（國標(biāo)牌號為4Cr5MoSiV1），淬透性、耐磨性好[5]，韌性及彈性變形相對較小，高溫強(qiáng)度和硬度較高，綜合力學(xué)性能優(yōu)良，可以將其視作剛性材料并作為鑄造模擬過程中的模具材料，然后再對AZ91D進(jìn)行導(dǎo)熱性、流動性等鑄造性能進(jìn)行研究分析。

1.2.3 熱邊界條件確定

在模擬過程中，我們可以假定擠壓鑄造環(huán)境在恒溫30 ℃左右，各零部件之間的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)確定為1 000 W/(m2·K)，而各零部件與周圍介質(zhì)之間的接觸熱傳導(dǎo)系數(shù)確定為20 W/( m2·K)[6]。整個模具假設(shè)為空冷。

1.2.4 初始條件確定

根據(jù)鎂合金鑄造工藝的相關(guān)文獻(xiàn)，以及相關(guān)企業(yè)的變速器殼體的鑄造過程總結(jié)，可以設(shè)定600～700 ℃為AZ91D的澆注溫度，將300～700 mm/ s作為沖頭的工作速度，10～20 MPa作為工作壓力的大小，模具溫度按常規(guī)一般設(shè)為200 ℃左右。

2 協(xié)調(diào)準(zhǔn)則的建立

在實(shí)際壓鑄時，塑形變形、縮孔等缺陷的產(chǎn)生與逐漸改善的過程是不斷變化的動態(tài)過程，如圖3所示。應(yīng)該從力學(xué)和時間兩方面綜合考慮，才能搞清楚其中的相互關(guān)系。

圖3 各現(xiàn)象之間的聯(lián)系

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，不管是加壓過程還是冷卻過程，以及由于加壓和冷卻時引起的凝固和變形，均會使鑄件體積產(chǎn)生不同程度的變化。鑄件的縮孔與縮松的產(chǎn)生，其內(nèi)在因素是鑄件在冷卻與凝固過程中體積發(fā)生了收縮，而出現(xiàn)補(bǔ)縮現(xiàn)象的動力則是加壓變形。所以，如何協(xié)調(diào)好壓鑄的過程，最終就歸結(jié)為如何協(xié)調(diào)好體積的變化過程[7]。設(shè)鑄件在液體凝固及固后冷卻收縮產(chǎn)生的體積總變化量為ΔVs，鑄件在比壓變化時產(chǎn)生的體積變化量為ΔVP，兩者在壓鑄過程中的相互關(guān)系必須符合公式ΔVP=ΔVs。

2.1 壓力協(xié)調(diào)準(zhǔn)則

在鑄造過程中，凝固和冷卻均會導(dǎo)致鑄件收縮，而在外力作用下，導(dǎo)致材料發(fā)生流動和塑性變形，可以用于補(bǔ)償，因此，在擠壓鑄造時，鑄件體積的協(xié)調(diào)首先體現(xiàn)在力學(xué)的協(xié)調(diào)方面。由“最小阻力定律”得知，假如施加的擠壓力足夠大，則會使得已凝固金屬層的塑性變形流向附近阻力較小的縮孔區(qū)、液態(tài)區(qū)及固液并存區(qū)，就會順利達(dá)到預(yù)期補(bǔ)縮的目的。反之，如果擠壓力不足，已凝固金屬層不能夠往縮孔區(qū)、液態(tài)區(qū)及固液并存區(qū)流動，則難以消除縮孔缺陷。所以，擠壓鑄造時，工件上所受的比壓P大于臨界比壓，是首要的協(xié)調(diào)準(zhǔn)則。

2.2 時間協(xié)調(diào)準(zhǔn)則

鑄件形成縮孔是需要一段時間的，液體流動進(jìn)行補(bǔ)縮也同樣需要一段時間。如果補(bǔ)縮時間不足，則金屬由液態(tài)冷凝為固態(tài)及固態(tài)后降溫過程產(chǎn)生的收縮將得不到有效補(bǔ)償，即無法解決縮孔與縮松的問題。補(bǔ)縮時液體的流動需要外力的作用，因此作用外力的時間tp不得少于鑄件凝固收縮與降溫收縮的時間總和ts，記為：tp≥ts。

有關(guān)鑄件凝固收縮與降溫收縮的時間計(jì)算，目前還沒有比較精確的方式，只有利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬，以獲得凝固收縮與降溫收縮的總時間。

3 數(shù)值模擬

3.1 因素水平表的制定

鑄件的澆注溫度、沖頭工作速度、比壓等幾個工藝參數(shù)，在澆注過程中起到關(guān)鍵作用，任一參數(shù)的變化，最后都會影響到工件的品質(zhì)。由于不清楚以上幾個工藝參數(shù)對鑄件成形品質(zhì)的影響如何，什么樣的參數(shù)組合對成形品質(zhì)最好，因此，有必要對這三個工藝參數(shù)作為考察對象進(jìn)行數(shù)值模擬的正交試驗(yàn)研究[8]。具體的因素水平設(shè)置情況如表2所示，正交試驗(yàn)情況如表3所示。

表2 因素水平設(shè)置數(shù)值模擬情況表

表3 正交試驗(yàn)表

3.2 模擬結(jié)果分析

鑄件的充形品質(zhì)根據(jù)凝固速度和縮松縮孔兩方面進(jìn)行評分，找出不合格組，充型品質(zhì)總得分為50的實(shí)驗(yàn)組，定為不合格，其余實(shí)驗(yàn)組的得分均在65以上，全部合格，且分?jǐn)?shù)越高表示其鑄件的成形品質(zhì)越高，其結(jié)果如表4所示。

表4 模擬結(jié)果

直觀分析法，又稱極差分析法，是正交試驗(yàn)法的一種，它可以確定同一因素的不同水平對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響，也可以確定各因素對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響。有了直觀分析法，就可以幫我們找到影響指標(biāo)的主要因素，并找到最佳因素水平組合，確定最佳方案。其分析如表5所示。

由表5可以發(fā)現(xiàn)，比壓（即因素C）對鑄件成形品質(zhì)影響最大，其次是沖頭的工作速度（即因素B），對鑄件影響最小的是澆注溫度（即因素A），根據(jù)表4繪制的因素水平影響趨勢圖（如圖4所示）。

分析圖4可以發(fā)現(xiàn)，A2B2C3組合為最佳的工藝參數(shù)組合，分別為650 ℃時候的澆注溫度，500 mm/s的沖頭工作速度和20 MPa的比壓，可知該方案在上述的正交組合之中。

表5 各因素及水平直觀分析表

圖4 因素水平影響趨勢圖

4 結(jié)論

通過對正交試驗(yàn)和因素水平表的綜合分析，A2B2C3的工藝參數(shù)組合能夠達(dá)到最佳的充形品質(zhì)?？梢栽诖搜芯康幕A(chǔ)上，對工裝設(shè)備進(jìn)一步研發(fā)，如鑄造機(jī)的結(jié)構(gòu)再設(shè)計(jì)，壓射機(jī)構(gòu)的控制等，完成鎂合金汽車變速箱類零件的全部成形工藝研發(fā)。

[1] 商情報網(wǎng).[EB/OL].http://www.askci.com/news/ chanye/2015/01/20/15288guuf.shtml.

[2] 好搜百科.鎂合金AZ91D[EB/OL].http://info.b2b168.com/s168-27961981.html.

[3] 紀(jì)小虎.鋁合金薄壁件熔模精密鑄造研究[D].安徽合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 項(xiàng)春,應(yīng)新法.凸式?jīng)_頭擠壓鑄造中比壓的數(shù)值模擬分析[J].特種鑄造及有色合金,2011,31(6):535-539.

[5] 聶小武. 常用熱作模具材料的選用及其發(fā)展[J]. 中國鑄造裝備與技術(shù),2012,(2) 46-48.

[6] 黃志偉,陳明,花澤薈,等. 鎂合金擠壓鑄造凝固過程數(shù)值模擬[J].精密成形工程,2013,(2):31-35.

[7] 應(yīng)新法.凸式?jīng)_頭擠壓鑄造擠壓力研究[D].浙江杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2010.

[8] 沈家棟,張海亮. 鋁合金活塞鑄造工藝數(shù)值模擬研究[J].機(jī)電工程,2013,(3) 322-324+328.

[9] 于百庫,白文弟.鑄件凝固過程溫度場的數(shù)值模擬[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2002(2).

Numerical simulation analysis of the squeeze casting and molding process of AZ91D magnesium alloy gearbox housing

GUAN TaoTao ，YANG HaoCheng，ZHU Yang
(Vocational College of Taizhou Radio and TV University, Taizhou 318000 , Zhejiang，China )

Based on the analysis of reality, this paper proposes the use of magnesium alloy material in the car to achieve automotive lightweight, energy-saving and emission reduction. By Pro/E software modeling, the ProCAST simulation software is applied in the analysis of the multiple functions of the squeeze casting process of magnesium alloy gearbox housing. Through the intuitive analysis, the best combination of process parameters is found, providing further guidance for follow-up studies.

magnesium alloy; squeeze casting; numerical simulation

TG292；

A；

1 006-9658（2016）06-0009-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.003

2015年浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目（2015R419001）

2016-05-11

稿件編號:1605-1374

管滔滔（1995—），男，在讀,主要研究方向?yàn)殍T造材料的開發(fā)應(yīng)用.