彭炬銘+盧升

摘 要：壓鑄機(jī)慢壓射過程中極易發(fā)生卷氣的問題，本文就某壓鑄件廠存在的該問題進(jìn)行研究，就壓鑄機(jī)慢壓射過程中不同的加速度對(duì)壓射室氣體含量的影響進(jìn)行探討。通過搭建壓鑄機(jī)壓射室模型，通過公式運(yùn)算出不同條件下的慢壓加速度，分別利用其中的三種加速方式，借助特定軟件工具對(duì)不同加速方式下的壓鑄情形進(jìn)行模擬演示，根據(jù)最終演示結(jié)果中卷氣問題的表現(xiàn)，選出最佳加速方式作為最優(yōu)選項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：卷氣問題；壓鑄機(jī)；慢壓射

一、前言

在現(xiàn)代金屬加工工藝中，壓力鑄造是運(yùn)用較為廣泛的一種工藝，因其具有先進(jìn)的少量或無切割的特殊鑄造方式，在現(xiàn)代金屬鑄造工藝中得到了快速發(fā)展。壓力鑄造過程中，金屬被熔融之后在高壓高速的環(huán)境下被鑄造成型，同時(shí)在高壓環(huán)境中結(jié)晶成為最終的金屬鑄件。相比于其他鑄造方式，通過壓力鑄造成型的金屬鑄件具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，例如抗拉強(qiáng)度好、材料利用率高且具有較高的生產(chǎn)效率，因此壓力鑄造在多種領(lǐng)域，如家電、汽車、儀器表盤等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[1]。

但是壓鑄件也存在著某些缺陷。因?yàn)樵趬鸿T過程中，壓室內(nèi)氣體通常會(huì)隨著金屬液進(jìn)入模型腔道，使得金屬鑄件中常?；祀s著氣體和某些雜質(zhì)。鑄件內(nèi)存在氣體會(huì)對(duì)鑄件的力學(xué)性能、物理性能以及抗腐蝕性能帶來嚴(yán)重影響，另外還會(huì)對(duì)壓鑄件的焊接性、氣密性、熱處理性能等產(chǎn)生影響，影響壓鑄件的加工性能[2]。為了提升壓鑄件的使用性能，需想辦法控制壓鑄件中氣體的含量，這對(duì)壓射過程提出了要求。其實(shí)，許多文獻(xiàn)都針對(duì)這一問題進(jìn)行了相關(guān)探索分析，他們從壓室充滿度以及慢壓射速度等項(xiàng)目入手，探索這些因素對(duì)壓鑄過程中卷氣問題的影響，但是卻鮮有研究不同加速條件對(duì)壓鑄過程中卷氣問題的影響。本文則利用三種不同的加速方式，研究其對(duì)壓鑄過程中卷氣問題的影響。

二、慢壓射過程模擬模型的建立

慢壓射過程是指沖頭啟動(dòng)，經(jīng)過一定時(shí)間的加速達(dá)到臨界速度，之后以該速度前進(jìn)，最終慢壓射行程結(jié)束。在此期間，金屬液液面推動(dòng)壓射室內(nèi)的氣體前行，氣體則依此通過澆道、模型腔道、排氣系統(tǒng)最終排到外界[3]。壓室內(nèi)的壓射過程中，剛性邊界推動(dòng)金屬液體前行，在此過程中涉及兩相流和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)可以模擬由于邊界運(yùn)動(dòng)，而使得流場(chǎng)形狀隨時(shí)間改變的狀態(tài)。

三、計(jì)算模型

（一）研究對(duì)象

開始時(shí)，送料系統(tǒng)將熔融的金屬液體送入壓射室內(nèi)，壓射室的一端通過澆道與排氣設(shè)備相連，另一端是壓射沖頭，沖頭開始運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)壓射室內(nèi)的金屬液體前行，一直到整個(gè)壓射室充滿金屬液體。

（二）幾何模型

整個(gè)壓射系統(tǒng)的模型見下圖。

上圖中L1表示內(nèi)澆道長(zhǎng)，L2表示慢壓射行程，兩者長(zhǎng)度以mm表示。經(jīng)測(cè)量?jī)?nèi)澆道長(zhǎng)度為70mm，慢壓射長(zhǎng)度為340mm。本文在實(shí)際情況的基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將實(shí)際情況中的三維流動(dòng)簡(jiǎn)化為兩相流。本次仿真過程假設(shè)金屬流體不可壓縮，且忽視壓射過程中的熱交換情況。

四、仿真分析

以氣體液體兩相流動(dòng)為對(duì)象進(jìn)行研究，采用有限體積法進(jìn)行解答。對(duì)二維模型實(shí)行離散計(jì)算，生成24000個(gè)網(wǎng)格，24500個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.001s，0點(diǎn)計(jì)時(shí)，壓力及速度耦合算法采用PISO，體積分?jǐn)?shù)方程和動(dòng)量方程采用了一階迎風(fēng)格式作為離散格式，為提升穩(wěn)定性，將氣相設(shè)置為主相。

通過對(duì)壓鑄機(jī)壓射過程中卷氣模型的有效分析，使得技術(shù)人員能夠通過數(shù)學(xué)模型，更為直觀地對(duì)卷氣問題進(jìn)行了解，對(duì)卷氣過程進(jìn)行更為科學(xué)的展現(xiàn)，進(jìn)而為后續(xù)研究工作的開展創(chuàng)造了極為有利的條件，為相關(guān)問題的解決提供了必要的參考。

（二）壓室內(nèi)氣液兩相位與速度分布情況

分別根據(jù)不同方式運(yùn)動(dòng)得出壓射室內(nèi)氣液兩相的分布情況。從分析結(jié)果得出：若沖頭以兩階勻加速運(yùn)動(dòng)方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，沖頭運(yùn)動(dòng)至0.194s完成第一次加速，進(jìn)入勻速階段，此時(shí)沖頭前沿形成波浪，金屬液體的運(yùn)動(dòng)速度自壓室底部往上有分層；當(dāng)沖頭運(yùn)動(dòng)至0.394s時(shí)，沖頭結(jié)束勻速運(yùn)動(dòng)進(jìn)入第二次加速階段，此時(shí)金屬液表面呈現(xiàn)波浪形式；沖頭運(yùn)動(dòng)至0.582s時(shí)，沖頭第二次加速完成，在金屬液面和壓室頂部空間內(nèi)卷入少量氣體，直至運(yùn)動(dòng)結(jié)束，金屬液將內(nèi)澆口封閉，氣體一直未排出。因此，以此方式運(yùn)動(dòng)氣體在靠近沖頭部位被卷入，由于金屬液撞擊壁面形成回流，導(dǎo)致在頂部卷入大量氣體。

當(dāng)沖頭以帶初速度的勻加速方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，在 0.21 s 時(shí)刻，沖頭正處于加速階段，可以看出在沖頭前側(cè)形成了明顯的波動(dòng)，至 0.30 s 時(shí)，金屬液跳動(dòng)更加劇烈，液體表面出現(xiàn)大的波浪，并與壓射室頂部接觸，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至 0.377 s ，沖頭完成加速時(shí)，頂部的液面回落，在下行過程中卷入氣體，至運(yùn)動(dòng)結(jié)束，金屬液封閉澆口時(shí)，跡線恢復(fù)到平行狀態(tài)，流動(dòng)逐漸穩(wěn)定，只在頂部少量卷入氣體。

當(dāng)沖頭以勻加速形式運(yùn)動(dòng)時(shí)，在 0.2～0.3 s時(shí)刻，沖頭雖在加速，但金屬液并未出現(xiàn)無明顯翻滾狀態(tài)，金屬液在沖頭的推動(dòng)下平穩(wěn)流動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至 0.383 s 時(shí)，沖頭結(jié)束加速，在沖頭前沿金屬液幾乎充滿壓射室，沒有發(fā)生卷氣現(xiàn)象，當(dāng)運(yùn)行至 0.547 s時(shí)，在壓室前端頂部位置，沖頭停止前進(jìn)，金屬液封閉澆口，在靠近澆口位置速度出現(xiàn)明顯變化，此時(shí)金屬液中易形成漩渦；此時(shí)可以看到僅在壓射室上端存在一些細(xì)小的氣泡。

小結(jié)：

本文分析了利用三種加速度方式壓射室內(nèi)的卷氣情況。結(jié)果表明，三種加速方式都會(huì)帶來一定程度的卷氣現(xiàn)象。其中以兩階勻加速方式運(yùn)動(dòng)時(shí)在第二次加速及勻速運(yùn)動(dòng)階段卷入大量氣體，此時(shí)卷氣不利于壓鑄件的完整成型；在沖頭帶初速度的勻加速方式運(yùn)動(dòng)時(shí)雖然在加速結(jié)束段卷入氣體但是在后續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償，整個(gè)過程僅卷入少量氣泡；當(dāng)沖頭以勻加速方式運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)金屬液充滿壓室時(shí)，在壓室頂部出現(xiàn)了連續(xù)卷氣現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張遠(yuǎn)深，王旭，謝秉峰，等.壓鑄機(jī)慢壓射過程中卷氣問題的研究[J].鑄造技術(shù)，2016，37（9）：1943-1952

[2] 鄭紅，于寶義，王飛宇 . 慢壓射加速度對(duì)銅合金壓鑄件質(zhì)量的影響 [J]. 鑄造， 2009，58（5）： 447-453.

[3] 嚴(yán)炎祥，田汀南 . 慢壓射和預(yù)填充技術(shù)在氣缸體壓鑄生產(chǎn)中的應(yīng)用 [J]. 鑄造， 2009 ， 58（5）： 447-449.

[4] 文春領(lǐng) . 液態(tài)金屬在冷室壓鑄機(jī)壓室中運(yùn)動(dòng)的理論與分析 [J].鑄造技術(shù)， 2006 ， 27（6）： 558-563.

[5] 劉正，霍成鵬，毛萍莉，等 . 鎂合金壓室模擬工藝參數(shù)優(yōu)化 [J].鑄造， 2011 ， 160（11）： 1084-1087.endprint