許銳，李浩宇，林波

（貴州大學(xué)，貴陽 550025）

鋁合金風(fēng)扇葉片壓鑄模具設(shè)計

許銳，李浩宇，林波

（貴州大學(xué)，貴陽 550025）

目的 采用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料風(fēng)扇葉片，適應(yīng)節(jié)能減排、綠色鑄造發(fā)展的趨勢。方法 采用UG建模和 Anycasting軟件，對鋁合金風(fēng)扇葉片的壓鑄模具進行設(shè)計，包括分型面設(shè)計、型芯型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計、澆注系統(tǒng)設(shè)計、溢流槽設(shè)計、排氣系統(tǒng)設(shè)計、推出機構(gòu)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計等，并對其壓鑄成形過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果 風(fēng)扇扇葉部分最后凝固且容易產(chǎn)生縮松和氣孔，將溢流槽向扇葉方向移動，收集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜，加強對缺陷處的排氣，缺陷基本消失。結(jié)論 設(shè)計的壓鑄模具滿足鋁合金風(fēng)扇葉片的生產(chǎn)要求，符合節(jié)能減排、綠色鑄造發(fā)展的趨勢。

鋁合金；風(fēng)扇葉片；壓鑄

為了適應(yīng)節(jié)能減排、綠色發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)的塑料風(fēng)扇葉片由于強度低、耐熱性差、抗腐蝕性差、易老化等缺陷，已逐漸無法滿足市場的需求，因此，用鋁合金材料代替塑料來生產(chǎn)鋁合金風(fēng)扇葉片，將具有重量輕、散熱性好、無磁性、易切削、可再生、耐蝕性和耐氣候性好等多方面優(yōu)勢，可應(yīng)用于高速列車?yán)鋮s系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機等場合。傳統(tǒng)鋁合金風(fēng)扇葉片采用鑄鋁ZL402，然而此種合金縮松傾向較大，需設(shè)置較大冒口進行補縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進行成形，力學(xué)性能較差。此外由于自動淬火效應(yīng)，過飽和的α(Al)基體在較高溫度下容易分解，導(dǎo)致晶間腐蝕，工作溫度也不宜超過100 ℃。隨著發(fā)動機高推進比的要求，對鋁合金風(fēng)扇葉片的耐熱性能提出了更高要求，因此采用 Al-Si-Cu壓鑄合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)ZL402，將有利于擴展鋁合金風(fēng)扇葉片的使用范圍。壓鑄作為一種近凈成形工藝，具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度高和力學(xué)性能優(yōu)異等特點，特別適合于薄壁鋁合金鑄件的生產(chǎn)。文中采用UG建模和Anycasting軟件，對鋁合金風(fēng)扇葉片的壓鑄模具進行了設(shè)計，并對其壓鑄成形過程進行了數(shù)值模擬。

1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

利用UG軟件測定產(chǎn)品材料及密度，密度為2.685 g/cm3，通過“測量體”測得鑄件的體積為V=583 377 mm3=583.4 cm3，質(zhì)量為m=1.57 kg。通過UG軟件測量鑄件的壁厚，鑄件的最大壁厚是 10.76 mm，平均壁厚為3.2 mm。

圖1 鑄件平均壁厚(mm)Fig.1 Average wall thickness of castings

2 壓鑄性能分析

傳統(tǒng)鋁合金風(fēng)扇葉片采用鑄鋁ZL402，然而此種合金縮松傾向較大，需設(shè)置較大冒口進行補縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進行成形，力學(xué)性能較差。此外由于自動淬火效應(yīng)，過飽和的α(Al)基體在較高溫度下容易分解，導(dǎo)致晶間腐蝕，工作溫度也不宜超過100 ℃，因此本設(shè)計中采用ZL107進行代替，以擴大其在耐熱、重載領(lǐng)域的使用。ZL107屬于Al-Si-Cu系鋁合金，由于其鑄造性能較好，不經(jīng)熱處理就具有較高力學(xué)性能，因而廣泛用作壓鑄合金。此外該合金具有較好的熱強性，可在250 ℃以下工作。ZL107合金含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 6.0%～7.5%的 Si，3.5%～4.5%的Cu，余量為Al。

3 模具設(shè)計

3.1 分型面設(shè)計

分型面就是用來使型芯和型腔分離的面，一般是指動模與定模結(jié)合的表面，亦稱合模面。一般情況下，分型面選擇在型芯和型腔接觸的表面，也就是鑄件表面積最大的地方。本次設(shè)計中的分型面設(shè)計見圖2。

圖2 分型面設(shè)計Fig.2 Design of parting surface

3.2 成形零件結(jié)構(gòu)設(shè)計

型芯和型腔在模具中需要可靠的定位，其固定方式主要有整體式結(jié)構(gòu)和整體組合式結(jié)構(gòu)。整體式結(jié)構(gòu)相比整體組合式結(jié)構(gòu)來說，具有加工量大、浪費貴重的熱作模具鋼、不易修復(fù)等缺點，同時，給熱處理和表面處理帶來很大困難，適用于批量小、產(chǎn)品試制、形狀簡單、不需要熱處理的單腔模具，所以采用整體組合式結(jié)構(gòu)。型腔型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計分別見圖3a和3b。

圖3 成形零件結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.3 Design of forming parts

3.3 澆注系統(tǒng)設(shè)計

首先由于側(cè)澆口在液態(tài)金屬充填時容易產(chǎn)生渦流、包裹氣體雜質(zhì)，而且型腔內(nèi)部交錯橫生，比較復(fù)雜并且型腔比較深，所以金屬液的流動比較混亂，金屬液之間相互匯合后容易形成冷隔、氣孔、縮孔或表面花斑等缺陷。其次，金屬液流動的路程曲折且比較長，而風(fēng)扇鑄件的壁厚比較薄，導(dǎo)致金屬液充滿型腔不容易。最后，澆口處的溫度比較高，容易形成熱節(jié)點，導(dǎo)致鑄件比較容易發(fā)生翹曲變形，不能達到期望的質(zhì)量要求，所以依據(jù)風(fēng)扇的構(gòu)造和技術(shù)條件，選擇輪輻式澆口。澆注系統(tǒng)設(shè)計見圖4。

圖4 澆注系統(tǒng)設(shè)計Fig.4 Design of pouring system

3.4 溢流槽設(shè)計

通常半圓形的溢流槽主要用于壁厚較薄的壓鑄件，較厚的壓鑄件往往采用梯形或者雙梯形溢流槽，因此，本設(shè)計中溢流槽設(shè)計在壁厚較薄的風(fēng)扇葉片處，故采用半圓形結(jié)構(gòu)。溢流槽設(shè)計見圖5。

圖5 溢流槽設(shè)計Fig.5 Design of spillway trough

3.5 排氣系統(tǒng)設(shè)計

一般情況下，溢流槽的后面需要設(shè)計排氣槽，這樣有利于氣體和其他雜質(zhì)的溢出。排氣槽的設(shè)計主要有以下幾點要求：① 排氣槽最好設(shè)置在分型面上，并且要么同在動模上，要么同在定模上，制造的時候比較方便；② 當(dāng)型腔內(nèi)要排出的氣體比較多時，一般都是增加更多排氣槽或者將排氣槽做得更寬一點，而不是將排氣槽做得更深，因為排氣槽太深容易導(dǎo)致金屬液外流；③ 型芯或推桿與鑲塊之間的間隙也具有排氣的作用，但設(shè)計時可不列入排氣總面積。結(jié)合以上設(shè)計要點，本次排氣系統(tǒng)設(shè)計見圖6。

圖6 排氣槽設(shè)計Fig.6 Design of vents

3.6 推出機構(gòu)設(shè)計

推桿推出機構(gòu)在模具開模過程中的運動簡單，不容易發(fā)生干涉，運動準(zhǔn)確可靠，因此在本次設(shè)計中，推出采用推桿推出的形式。推桿機構(gòu)設(shè)計見圖7，通過強度校核，本設(shè)計中采用12根推桿作為頂出機構(gòu)，可以滿足實際生產(chǎn)要求。

圖7 推桿機構(gòu)設(shè)計Fig.7 Design of push rod mechanism

3.7 冷卻系統(tǒng)設(shè)計

冷卻系統(tǒng)是壓鑄模中用來降低模具溫度的系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)可以帶走模具上金屬液給予的不需要的熱量，使模具冷卻到最佳的工作溫度。冷卻方式有水冷卻、風(fēng)冷卻、用傳熱系數(shù)高的合金間接冷卻、熱管冷卻等冷卻方式。在本次設(shè)計中采用的是水冷卻的方式，因為水隨處可見，所以方便取用，水的降溫效果顯著，可以進一步提高冷卻效率。冷卻系統(tǒng)的布置形式很多，大多受到型芯和型腔形式的影響，在本次設(shè)計中，為了加強冷卻效果，采用的是螺旋水道的冷卻形式，冷卻系統(tǒng)設(shè)計見圖8。

圖8 冷卻系統(tǒng)設(shè)計Fig.8 Design of cooling system

4 計算機模擬

4.1 充填分析

對壓鑄件進行充填模擬分析，分析結(jié)果見圖9，其中1區(qū)域是金屬液匯合的區(qū)域，容易裹入氣體、夾雜，所以在此處應(yīng)該設(shè)置溢流槽；2區(qū)域扇葉容易發(fā)生卷氣，而且扇葉是金屬液最后充填的部分，容易產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷，所以應(yīng)加強扇葉部分的排氣，設(shè)置溢流槽進行排渣。

圖9 充填分析Fig.9 Filling analysis

4.2 優(yōu)化方案

根據(jù)以上的充型分析，在鑄件的扇葉和扇葉之間容易產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷，因此對鑄件的溢流槽位置進行優(yōu)化。將溢流槽向扇葉方向移動，收集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜。對改進的方案再次進行模擬分析，分析鑄件的殘余熔體參數(shù)，鑄件容易產(chǎn)生缺陷的部分由每個扇葉轉(zhuǎn)移至如圖10a所示的部位。最后對該部位進行加強排氣等措施，從而減少缺陷產(chǎn)生的概率，優(yōu)化后的結(jié)果見圖10b，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇葉片處的鑄造缺陷基本消失。

圖10 概率缺陷分析Fig.10 Analysis of probabilistic defects

5 結(jié)語

1) 采用ZL107鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料和ZL402，并采用壓鑄的工藝方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重力鑄造及低壓鑄造，來生產(chǎn)風(fēng)扇葉片，應(yīng)用于高溫、重載工況下，擴大鋁合金風(fēng)扇葉片的使用范圍。采用UG建模的方法，對風(fēng)扇葉片壓鑄模具進行了設(shè)計，包括分型面設(shè)計、型芯型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計、澆注系統(tǒng)設(shè)計、溢流槽設(shè)計、排氣系統(tǒng)設(shè)計、推出機構(gòu)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計等。

2) 采用 Anycasting對壓鑄鋁合金風(fēng)扇葉片成形過程進行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇扇葉部分最后凝固，且容易產(chǎn)生縮松和氣孔。通過對溢流槽的位置進行調(diào)整，加強對缺陷處的排氣，缺陷基本消失。

[1] 曾漢民. 超硬 Al合金的超塑變形行為[J]. 科學(xué)通報,1965, 10(7): 624—627.ZENG Han-min. Superplastic Deformation Behavior of Superhard Al Alloy LC4LC4[J]. Chinese Science Bulletin,1965, 10(7): 624—627.

[2] 孫良平. 汽輪發(fā)電機鋁風(fēng)扇葉鑄造的熱問題研究[D].廣州: 華南理工大學(xué), 2015.SUN Liang-ping. Study on Thermal Problems of Aluminum Fan Leaf Casting of Turbogenerator[D]. Guangzhou:South China University of Technology, 2015.

[3] 陳振明. 鋁合金輪轂低壓加局部擠壓鑄造工藝與組織性能的研究[D]. 廣州: 華南理工大學(xué), 2015.CHEN Zhen-ming. Study on Aluminum Alloy Wheels Low Pressure and Local Extrusion Casting Process and Organizational Properties[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2015.

[4] 吳晗. 高強韌壓鑄鋁鎂合金組織及力學(xué)性能研究[D].武漢: 華中科技大學(xué), 2012.WU Han. Study on High Strength and Toughness Diecasting Aluminum-magnesium Alloy Microstructure and Mechanical Properties[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2012.

[5] 劉伯操. 鑄造手冊: 鑄造非鐵合金[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2001.LIU Bo-cao. Foundry Manual: Nonferrous Cast Alloys[M]. Beijing: Mechanical Industry Press, 2001.

[6] 田雁晨, 田寶善, 王文廣. 金屬壓鑄模設(shè)計技巧與實例[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.TIAN Yan-chen, TIAN Bao-shan, WANG Wen-guang.Metal Die-casting Mold Design Skills and Examples[M].Beijing: Chemical Industry Press, 2006.

[7] 付宏生. 壓鑄成形工藝與模具[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2008.FU Hong-sheng. Die-casting Forming Process and Mold[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2008.

[8] 黃勇. 壓鑄模具簡明設(shè)計手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.HUANG Yong. Concise Design Manual Die-casting Mold[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2010.

[9] 王金太, 金吉琰. 鋁合金壓鑄件中的氣孔分析[J]. 鑄造技術(shù), 2008, 29(1): 134—136.WANG Jin-tai, JIN Ji-yan. Stomatal Analysis in Aluminum Alloy Die Casting[J]. Foundry Technology, 2008, 29(1): 134—136.

[10] 楊素華. 鋁合金壓鑄零件的質(zhì)量缺陷及改善措施[J].模具制造, 2014, 14(11): 65—68.YANG Su-hua. Quality Defects and Improving Measures of Aluminum Die Casting Parts[J]. Material Manufacturing, 2014, 14(11): 65—68.

[11] 李世光. 鋁合金壓鑄模具設(shè)計與使用[J]. 鑄造技術(shù),2007, 28(12): 1600—1602.LI Shi-guang. Design and Application of Aluminum Die Casting Mold[J]. Foundry Technology, 2007, 28(12):1600—1602.

[12] 黃曉鋒, 謝銳, 田載友, 等. 壓鑄合金的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 熱加工工藝, 2008, 37(21): 145—149.HUANG Xiao-feng, XIE Rui, TIAN Zai-you, et al.Present Status and Prospect of Die-casting Alloy[J].Processing of Thermal Processes, 2008, 37(21): 145—149.

[13] HOFER P, KASCHNITZ E, SCHUMACHER P. Distortion and Residual Stress in High-Pressure Die Castings:Simulation and Measurements[J]. JOM, 2014, 66(9):1638—1646.

[14] RAFFAELI R, FAVI C, MANDORLI F. Virtual Prototyping in the Design Process of Optimized Mould Gating System for High Pressure Die Casting[J]. Engineering Computations, 2015, 32(1): 102.

[15] QUEUDEVILLE Y, VROOMEN U, BüHRIG-POLACZEK A. Modularization Methodology for High Pressure Die Casting Dies[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2014, 71(9/10/11/12): 1677—1686.

Design of Die Casting Mold for Aluminum Alloy Fan Blade

XU Rui,LI Hao-yu,LIN Bo
(Guizhou University, Guiyang 550025, China)

The paper aims to replace traditional plastic fan blades with aluminum alloy to adapt to the trend of energy-saving, emission reduction, and green casting development. The die-casting molds of aluminum alloy fan blades were designed by UG modeling and Anycasting software, including design of parting surface, core cavity structure, pouring system,spillway trough, vents, push rod mechanism and cooling system, and numerical simulation of the die-casting process was also carried out. The blade portion of the fan was finally solidified and prone to shrinkage and pore. By adjusting the position of the spillway trough, strengthening the exhaust at the defect and collecting gas and inclusions between blades, the defect basically disappeared. The die-casting mold designed can meet the production requirement on aluminum alloy fan blade and fit in with the trend of energy-saving emission reduction, green casting development.

aluminum alloy; fan blade; die casting

2017-10-31

貴州省自然科學(xué)基金（黔科合基礎(chǔ)JC(2016)1026）；貴州省教育廳青年人才成長項目（黔教合KY字[2017]101）

許銳（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為輕金屬近凈成形。

林波（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向為輕金屬近凈成形。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.022

TG249.2

A

1674-6457(2018)01-0167-05