孫 季，黃 勇，韓 瑩，安振須

(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)

外殼體壓鑄充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬及工藝研究

孫 季，黃 勇，韓 瑩，安振須

(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)

根據(jù)外殼體鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)鋁合金外殼壓鑄模具，通過(guò)ProCAST模擬軟件對(duì)外殼體鑄件進(jìn)行充型凝固過(guò)程數(shù)值模擬，根據(jù)模擬的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和縮孔縮松的分布，確定合理的工藝參數(shù)，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)驗(yàn)證，鑄件質(zhì)量合格，同時(shí)驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

鋁合金；數(shù)值模擬；充型凝固；外殼體

壓鑄是壓力鑄造的簡(jiǎn)稱(chēng)，其實(shí)質(zhì)是在高速、高壓作用下，使液態(tài)或半固態(tài)金屬以較高的速度充填鑄件型腔，并在壓力下成型和凝固而獲得鑄件的方法。鋁合金具有良好的壓鑄性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，高溫力學(xué)性能也較好[1]；在低溫下工作時(shí)，同樣保持良好的力學(xué)性能(尤其是韌性)，且熔鑄工藝簡(jiǎn)單，成型及切削加工性能良好，有較高的力學(xué)性能及耐蝕性。目前，壓鑄過(guò)程數(shù)值模擬已經(jīng)有了很大的發(fā)展，如楊杰等[2]對(duì)壓鑄充型的二維流場(chǎng)的數(shù)值模擬進(jìn)行了研究；陳彬等[3]采用有限元法對(duì)壓鑄模的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；曾揚(yáng)兵等[4]對(duì)壓鑄過(guò)程的三維流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和力學(xué)場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。本文通過(guò)ProCAST模擬軟件對(duì)外殼體的充型和凝固過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，以不同的澆注溫度、壓射速度、模具預(yù)熱溫度三個(gè)因素作為變量，得出不同的模擬結(jié)果，并進(jìn)行結(jié)果分析，優(yōu)化出最好的方案用于生產(chǎn)。

1 外殼體網(wǎng)格劃分及模具設(shè)計(jì)

UG NX8.0是一款三維造型軟件，其中仿真模塊非常強(qiáng)大。將三維模型導(dǎo)入到仿真模塊進(jìn)行面網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格剖分要適中，網(wǎng)格太小會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過(guò)大而不收斂，而網(wǎng)格過(guò)大將不能準(zhǔn)確的顯示模擬結(jié)果[5]；將得到的面網(wǎng)格文件導(dǎo)入到ProCAST中的Meshing模塊進(jìn)行體網(wǎng)格剖分。將UGNX8.0軟件和ProCAST軟件剖分網(wǎng)格功能相結(jié)合，避免了單個(gè)軟件間的數(shù)據(jù)修復(fù)不全，網(wǎng)格剖分質(zhì)量較差等缺點(diǎn)，提高工作效率。圖1為外殼體的三維造型圖，圖2為外殼體有限元網(wǎng)格剖分模型。

圖1 外殼體三維造型

圖2 外殼體有限元網(wǎng)格剖分模型

外殼體零件外形尺寸為160mm×90mm×76mm，鑲塊尺寸為348mm×210mm×186mm；外殼體平均壁厚約為3.5mm，屬于復(fù)雜的薄壁型鑄件[6]；外殼體的前部存在圓孔和凹槽，需側(cè)抽芯來(lái)實(shí)現(xiàn)完成。考慮鑄件的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)成本等因素，設(shè)計(jì)了外殼體的壓鑄模具。圖3為外殼體模具的裝配圖。

2 外殼體壓鑄過(guò)程的數(shù)值模擬

2.1 邊界條件的確定

外殼體鑄件材質(zhì)為AlSi9Cu3鋁合金，合金的液相線溫度為585.3℃、固相線溫度為504.0℃、密度為2.74g·cm3。模具材質(zhì)為H13鋼。假設(shè)鑄件與模具之間沒(méi)有間隙，金屬液與模具之間只有熱傳導(dǎo)一種方式，模具外表面與空氣之間只有對(duì)流換熱。鑄件與模具的換熱系數(shù)為1500W/(m2·K)，模具與空氣的換熱系數(shù)為10W/(m2·K)，模具與模具之間的換熱系數(shù)為2000W/(m2·K)。模擬終止溫度：300℃；模擬終止步長(zhǎng)：5000步。

圖3 外殼體壓鑄模裝配圖

注：1.動(dòng)模座板；2.螺釘；3.銷(xiāo)釘；4.墊塊；5.復(fù)位桿；6.推板導(dǎo)柱；7.推板導(dǎo)套；8.動(dòng)模鑲塊；9.澆道推桿；10.限位釘；11.螺釘；12.推板；13.推板固定板；14.銷(xiāo)釘；15.螺釘；16.吊環(huán)螺釘；17.動(dòng)模套版；18.限位塊；19.螺釘；20.螺母；21.彈簧；22.螺栓；23.滑塊；24.楔緊塊；25.螺釘；26.定模座板；27.定模套版；28.斜銷(xiāo)；29.斜銷(xiāo)固定板；30.活動(dòng)鑲塊；31.推桿；32.定模鑲塊；33.澆口套；34.限位導(dǎo)柱；35.定模導(dǎo)套；36.定模導(dǎo)柱；37.支承板。

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)是研究多因素多水平的一種設(shè)計(jì)方法。它是根據(jù)正交性從全面試驗(yàn)中挑選出部分具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，這些代表性的點(diǎn)具備了均勻分散、整齊可比的特點(diǎn)。本試驗(yàn)選用多種因素多種水平進(jìn)行耦合。比較澆注溫度、壓射速度和模具預(yù)熱溫度對(duì)鑄件質(zhì)量影響，采用三因素三水平的方式進(jìn)行對(duì)比。正交因素及水平如表1所示。

表1 正交因素及水平表

本文對(duì)鑄件質(zhì)量指標(biāo)的評(píng)估，采用百分值的形式，分?jǐn)?shù)越高，說(shuō)明鑄件內(nèi)的缺陷越少，壓鑄件的質(zhì)量越好。反之分?jǐn)?shù)越低，說(shuō)明鑄件內(nèi)的缺陷越嚴(yán)重。對(duì)9組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差值分析：模具預(yù)熱溫度是影響鑄件產(chǎn)生缺陷最主要的因素，其次是壓射速度，影響最小的是合金的澆注溫度。模具預(yù)熱溫度為200℃時(shí)鑄件的質(zhì)量指標(biāo)最高，這說(shuō)明模具預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，鑄件內(nèi)缺陷最少；考慮此時(shí)鑄件的凝固時(shí)間，只有縮短凝固時(shí)間，生產(chǎn)效率才能提高，企業(yè)利益才能得到最大化。由表1可知模具預(yù)熱溫度為200℃時(shí)凝固時(shí)間較長(zhǎng)，但仍然在合理的范圍內(nèi)，所以模具預(yù)熱溫度定為200℃。然后考慮壓射速度，壓射速度分別取值為3m/s、4m/s、5m/s，三組數(shù)值在影響鑄件的缺陷中差別較大，壓射速度為5m/s時(shí)，鑄件的質(zhì)量指標(biāo)最高，說(shuō)明鑄件內(nèi)缺陷最少。最后考慮合金的澆注溫度，綜合鑄件內(nèi)的缺陷和凝固時(shí)間與生產(chǎn)成本等因素，最后選擇合金的澆注溫度為620℃。

2.3 充型過(guò)程模擬

通過(guò)正交試驗(yàn)得到優(yōu)化的工藝參數(shù)，對(duì)此方案進(jìn)行充型和凝固過(guò)程模擬，圖4為外殼體流場(chǎng)的模擬結(jié)果。

(a)充型10%

(b)充型20%

(c)充型40%

(d)充型60%

(e)充型80%

(f)充型100%

圖4a、4b是金屬液體在澆道內(nèi)的流動(dòng)狀況，金屬液體在壓力作用下進(jìn)入直澆道，并在直澆道、橫澆道、內(nèi)澆道堆積，當(dāng)金屬液體充滿(mǎn)澆道后開(kāi)始進(jìn)入型腔[7]；隨著充型過(guò)程的進(jìn)行，金屬液體進(jìn)入型腔并向鑄件壁厚最薄避處流射，如圖4c所示；充型進(jìn)行到60%后，金屬液在鑄件兩側(cè)薄壁圓筒內(nèi)交匯，交匯部位的金屬液可能出現(xiàn)紊流情況，容易卷入氣體，形成氣孔等缺陷，如圖4d所示；到充型末期，金屬液體流射入鑄件的最末端，如圖4e所示；金屬液充滿(mǎn)型腔，鑄件形狀完整，輪廓清晰，沒(méi)有出現(xiàn)欠鑄和澆不足現(xiàn)象，如圖4f所示。鑄件充型完成的時(shí)間為0.0275s，充型時(shí)間適中。

2.4 凝固過(guò)程模擬

為觀察外殼體鑄件凝固過(guò)程中溫度的變化和縮孔縮松的分布情況，對(duì)鑄件進(jìn)行凝固過(guò)程模擬，圖5為外殼體鑄件凝固過(guò)程的模擬結(jié)果。

圖5a為凝固5秒時(shí)鑄件的固相分?jǐn)?shù)，圖5b為凝固5秒時(shí)的溫度場(chǎng)，由圖可以看到，鑄件澆道的溫度最高，而溢流槽最先凝固，這種情況澆道對(duì)鑄件起到很好的補(bǔ)縮作用，減少鑄件內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，實(shí)現(xiàn)了順序凝固。圖5c為縮孔縮松分布圖，可以觀察到鑄件的缺陷大部分出現(xiàn)在液態(tài)金屬交匯的位置和溢流槽內(nèi)，溢流槽中的缺陷對(duì)鑄件沒(méi)有影響，其余部分的缺陷也在合理范圍之內(nèi)。鑄件凝固時(shí)間為75.58s，較為合理。模擬結(jié)果體現(xiàn)了鑄件良好的補(bǔ)縮能力，鑄件缺陷存在的數(shù)量較少，鑄件內(nèi)總的縮孔疏松比為2.142，在壓鑄缺陷允許的范圍內(nèi)，對(duì)外殼體鑄件的質(zhì)量沒(méi)有實(shí)質(zhì)影響。

(a)固相分?jǐn)?shù)

(b)凝固溫度場(chǎng)

(c)縮孔縮松分布

通過(guò)外殼體鑄件的數(shù)值模擬和正交試驗(yàn)結(jié)果分析，當(dāng)合金的澆注溫度為620℃，壓射速度5m/s，模具預(yù)熱溫度為200℃時(shí)，模擬的結(jié)果較理想。鑄件的充型時(shí)間為0.0275s，凝固時(shí)間為75.58s，鑄件內(nèi)總的縮孔疏松比為2.142，凝固時(shí)間合適，提高了生產(chǎn)效率。

3 壓鑄實(shí)驗(yàn)

3.1 鋁合金的熔煉

鋁合金的熔煉是壓鑄過(guò)程的重要環(huán)節(jié)。金屬?gòu)墓虘B(tài)變?yōu)槿廴跔顟B(tài)，是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)反應(yīng)及熱交換過(guò)程。熔煉過(guò)程中合金可能產(chǎn)生金屬和非金屬的夾雜物、吸收氣體以及合金中的組分與雜質(zhì)含量有所變化，因而在不同程度上影響到合金的力學(xué)性能。

熔煉的第一步為裝料：裝料順序因爐料不同而變化，首先裝入金屬錠，然后再加入調(diào)整化學(xué)成分所需加入的金屬錠或中間合金。對(duì)于一些易于損耗、熔點(diǎn)低的爐料(如Mg、Zn、Sn)，應(yīng)該在熔化末期加入。裝料之后熔化合金，熔融的合金在熔爐中停留時(shí)間應(yīng)盡量縮短，熔化過(guò)程中的最高溫度一般不宜超過(guò)760℃。

3.2 壓鑄實(shí)驗(yàn)

根據(jù)壓鑄機(jī)的最大鎖模力計(jì)算，選用壓鑄機(jī)型號(hào)為J1130C的臥式冷室壓鑄機(jī)對(duì)外殼體進(jìn)行壓鑄試驗(yàn)驗(yàn)證。由于外殼體對(duì)強(qiáng)度和氣密性有一定要求，所以調(diào)試壓射比壓100MPa進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行壓鑄實(shí)驗(yàn)前需要對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱，并通過(guò)溫度檢測(cè)系統(tǒng)觀察溫度，把溫度控制在200℃左右。通過(guò)保溫爐和溫度控制箱把澆注的金屬液體溫度控制在620℃左右，調(diào)好工藝參數(shù)后進(jìn)行試驗(yàn)。需要注意的是：合金精煉后至澆鑄完畢的時(shí)間不宜超過(guò)4h；坩堝底剩余50～100mm的合金液因雜質(zhì)較多不適宜澆注鑄件。圖6為壓鑄出的合格壓鑄件。從圖6中可以看出，外殼體表面較光滑，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的表面缺陷。

圖6 生產(chǎn)出的外殼體鑄件

對(duì)外殼體鑄件不同部位進(jìn)行取樣，觀察其金相組織，如圖7所示(其中縮孔縮松已圈出)。

圖7a為外殼體壓鑄件兩側(cè)圓筒薄壁的金相組織圖，該處是金屬液流交匯的位置，氣體集中于此，容易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷，缺陷尺寸都是微米級(jí)，在該鑄件允許的范圍內(nèi)；圖7b為鑄件內(nèi)最先凝固部位的金相組織視圖，由于受壓鑄模具溫度的影響，激冷效果較為明顯，晶粒較為均勻，沒(méi)有出現(xiàn)縮孔縮松等缺陷?？傮w上說(shuō)該鑄件在凝固過(guò)程中補(bǔ)縮效果良好，沒(méi)有出現(xiàn)宏觀尺寸較大的缺陷，與模擬結(jié)果相似，證明了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以用于生產(chǎn)實(shí)踐。

(a)鑄件內(nèi)部組織Ⅰ

(b)鑄件內(nèi)部組織Ⅱ

4 結(jié)論

(1)用ProCAST模擬軟件進(jìn)行充型和凝固過(guò)程數(shù)值模擬，優(yōu)化出最佳的工藝參數(shù)：AlSi9Cu3合金的澆注溫度620℃，壓射速度5m/s，模具預(yù)熱溫度200℃。

(2)將模擬工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到了合格的壓鑄件，證明模擬結(jié)果可行。

[1]黃勇,黃堯.壓鑄模具設(shè)計(jì)實(shí)用教程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2]楊杰,姚山,溫斌,等.充型過(guò)程流動(dòng)及其對(duì)凝固進(jìn)程影響的研究[J].大型鑄鍛件,2003，(1):6-9.

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(責(zé)任編輯：趙麗琴)

Numerical Simulation and Craft Researching of Shell Part Die Casting Filling and Solidication Process

SUN Ji，HUANG Yong，HAN Ying，AN Zhenxu

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

The Die casting mold of the Aluminum shell is designed, the filling and solidification process is simulated by ProCAST.According to the simulation results, logical craft parameters are determined and production verification is taken,the qualified part is abtained and the correctness of simulation results is proved.

aluminum；numerical simulation；Die casting；shell part

2014-09-19

孫季(1987—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：金屬的凝固與液態(tài)成型新技術(shù)等.

1003-1251(2015)06-0029-05

TG249.2

A