孟昭昕,黃 勇,李 鑫

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

基于ProCAST的閥體壓鑄數(shù)值模擬及工藝優(yōu)化

孟昭昕,黃 勇,李 鑫

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

用ProCAST數(shù)值模擬軟件對(duì)閥體壓鑄件進(jìn)行壓鑄過程數(shù)值模擬。模擬結(jié)果得到壓鑄工藝參數(shù)和內(nèi)澆口尺寸大小都會(huì)對(duì)卷氣量有影響,且這種影響是相互的、復(fù)雜的;而內(nèi)澆口對(duì)縮松縮孔的影響大于壓鑄工藝產(chǎn)生影響。依據(jù)模擬結(jié)果確定閥體壓鑄工藝參數(shù)和內(nèi)澆口尺寸:澆注溫度630℃、模具預(yù)熱溫度190℃;澆注速度0.5m/s;內(nèi)澆口面積75mm2、厚度2.5mm、長(zhǎng)度2mm。將模擬結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中得到了合格的閥體壓鑄件。

閥體;數(shù)值模擬;工藝優(yōu)化

壓力鑄造(壓鑄)因?yàn)槠洫?dú)特的材料成型工藝,廣泛應(yīng)用于零件生產(chǎn)中。但是壓鑄缺陷如縮孔、縮松(氣孔)等的出現(xiàn)除了會(huì)影響壓鑄件的表觀質(zhì)量還會(huì)嚴(yán)重影響壓鑄件使用性能,如何在壓鑄模具設(shè)計(jì)前期發(fā)現(xiàn)可能存在的對(duì)壓鑄件造成不利影響的問題是極其重要的。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)在鑄造中的應(yīng)用為傳統(tǒng)的壓鑄行業(yè)注入了新鮮的血液,它的出現(xiàn)使得壓鑄模具、壓鑄工藝設(shè)計(jì)具有更大的靈活性和可預(yù)測(cè)性,從而為降低鑄件內(nèi)部缺陷提供科學(xué)指導(dǎo)[1]。閥體作為閥門上的重要零件是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)裝備,其質(zhì)量的好壞會(huì)影響到經(jīng)濟(jì)的發(fā)展甚至威脅到生命安全。使用ProCAST鑄造模擬軟件對(duì)閥體壓鑄件進(jìn)行壓鑄過程模擬,分析模擬結(jié)果,設(shè)計(jì)合理的壓鑄模具及工藝參數(shù),生產(chǎn)質(zhì)量合格閥體壓鑄件,縮短試制周期,降低生產(chǎn)成本。

1 閥體分析及澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

閥體長(zhǎng)寬高外形尺寸為63mm×63mm×31.5mm,其最大壁厚為13mm,平均壁厚為3.9mm。鑄件中間有一個(gè)通孔,四周側(cè)壁上對(duì)稱分布著兩組盲孔,閥體壓鑄件外形較為簡(jiǎn)單。根據(jù)分析閥體四個(gè)側(cè)孔采用側(cè)抽芯方式成型,分型面位于鑄件中間,使用扁平測(cè)澆口(內(nèi)澆口尺寸未確定),三個(gè)溢流槽的澆注形式。圖1、圖2分別為閥體三維造型、閥體鑄件圖。閥體鑄件材料采用ZL102合金,模具材料是H13。

圖1 閥體三維造型

圖2 閥體鑄件圖

2 正交實(shí)驗(yàn)分析

壓鑄工藝如澆注溫度,模具預(yù)熱溫度、澆注速度對(duì)獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品有重要的作用,非適宜的澆注溫度、模具預(yù)熱溫度會(huì)降低模具的使用壽命,影響鑄件質(zhì)量及生產(chǎn)效率[2],內(nèi)澆口速度、內(nèi)澆口截面積、內(nèi)澆口厚度對(duì)鑄件的質(zhì)量也有影響。澆注速度過快,內(nèi)澆口面積太小,厚度太薄使得內(nèi)澆口速度太快,金屬液體極不規(guī)則、紊亂的流動(dòng)易引起卷氣現(xiàn)象的發(fā)生,形成孔洞等缺陷[3-5]。因此以澆注溫度(A)、預(yù)熱溫度(B)、澆注速度(C)、內(nèi)澆口面積(D)、內(nèi)澆口厚度(E)、內(nèi)澆口長(zhǎng)度(F)為因素,卷氣量、縮孔縮松體積含量(卷氣量為平均值,縮孔縮松以平均體積百分比表示,由ProCAST軟件統(tǒng)計(jì),這兩個(gè)值越小鑄件整體卷氣、縮孔縮松值含量越少)為指標(biāo)建立六因素三水平正交表。表1是因素水平表,表2是正交結(jié)果表,表3為正交極差分析表。

表1 因素水平表

表中:各水平根據(jù)文獻(xiàn)[5]計(jì)算選擇而確定;內(nèi)澆口面積計(jì)算范圍是73.2～10.2mm2,澆注速度計(jì)算范圍是0.46～1.08m/s。

表2 正交結(jié)果表

表3 正交極差分析表

分析表3可知,各因素對(duì)卷氣量、縮孔縮松含量的影響程度分別為:澆注速度>澆注溫度>內(nèi)澆口厚度>內(nèi)澆口面積>預(yù)熱溫度>內(nèi)澆口長(zhǎng)度;內(nèi)澆口厚度>內(nèi)澆口面積>內(nèi)澆口長(zhǎng)度>澆注速度>澆注溫度>預(yù)熱溫度。卷氣主要由液態(tài)金屬紊流造成,澆注速度會(huì)改變其紊流狀態(tài),所以它對(duì)卷氣的影響最大,一般而言低的充型速度有利于降低卷氣的發(fā)生。圖3為以實(shí)驗(yàn)L13、L7、L16為例的閥體卷氣狀態(tài)圖。從圖3看出,無論采取何種工藝模擬或者卷量是多少,卷氣主要位于遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的鑄件部分,并且溢流槽內(nèi)氣體含量要大于鑄件氣體含量,這表明溢流槽的設(shè)計(jì)合理,能夠有效排出氣體。

圖3 實(shí)驗(yàn)L13、L7、L16卷氣狀態(tài)

澆注溫度的變化會(huì)改變金屬液體的流動(dòng)性,引起卷氣現(xiàn)象。內(nèi)澆口厚度、內(nèi)澆口面積也會(huì)對(duì)鑄件質(zhì)量造成影響[6-7]。為了直觀反應(yīng)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響規(guī)律及趨勢(shì)，繪制因素-指標(biāo)關(guān)系圖,如圖4所示。

圖4 因素-指標(biāo)關(guān)系圖

從圖4看出,所有因素都會(huì)對(duì)卷氣量產(chǎn)生影響。因?yàn)榫須庵饕c鑄件形狀與金屬液體的填充狀態(tài)有關(guān),而金屬液體的填充狀態(tài)與壓鑄工藝參數(shù)、內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)有極大的關(guān)聯(lián),因此各變量之間對(duì)卷氣量的影響是相互且復(fù)雜的。內(nèi)澆口尺寸對(duì)閥體鑄件縮松縮孔的影響較為顯著,增大內(nèi)口面積和厚度、減少內(nèi)澆口長(zhǎng)度可降低孔洞含量;而壓鑄工藝對(duì)縮松縮孔的影響較小,澆注速度的增加略微增加缺陷的含量,澆注溫度、預(yù)熱溫度對(duì)縮松縮孔的影響甚小。

3 最佳壓鑄工藝參數(shù)選定及模擬

閥體內(nèi)澆口寬度取30mm,若厚度取3mm則面積為90mm2大于計(jì)算值(73.2～10.2mm2),同時(shí)考慮去除難度,內(nèi)澆口厚度取2.5mm(面積為75mm2略大于計(jì)算值可以采用);內(nèi)澆口長(zhǎng)度對(duì)縮松縮孔影響大,取2mm。澆注溫度、預(yù)熱溫度對(duì)縮松縮孔的影響小,對(duì)卷氣量的影響大,所以分別取630℃、190℃。澆注速度取0.5m/s。

用最優(yōu)工藝對(duì)閥體壓鑄過程進(jìn)行模擬,圖5是閥體充型過程圖,圖6是閥體卷氣和縮松縮孔圖。由圖5知,金屬液體從內(nèi)澆口進(jìn)入后先填充閥體上表面,同時(shí)沿型腔兩側(cè)流動(dòng);在閥體厚大的部分金屬液體以型腔表面向型腔中心方式填充,然后填充內(nèi)澆口附近的型腔區(qū)域,最后溢流槽被充滿。如圖6a所示,近內(nèi)澆口處鑄件卷氣量幾乎為0,遠(yuǎn)內(nèi)澆口處和上下兩側(cè)鑄件含有少量的氣體,其平均含量為0.0001g/cm3,等于表2最小值;分析圖6b知縮松縮孔缺陷可能位于鑄件厚大處,并且右側(cè)(近內(nèi)澆口處)缺陷的含量略多于左側(cè)(遠(yuǎn)內(nèi)澆口)缺陷的含量,更加集中。因?yàn)楸敬文M所使用的縮松縮孔預(yù)測(cè)模型對(duì)壓鑄壓力考慮的不充分,壓鑄壓力沒有直接參與計(jì)算。如果將內(nèi)澆口與鑄件視為一個(gè)整體,則它們的連接部位屬于壁厚不均勻,根據(jù)液體金屬凝固原理在壁厚不均勻處容易形成縮松縮孔[8],所以出現(xiàn)了圖中所示的模擬結(jié)果。綜合考慮認(rèn)為,在內(nèi)澆口處可能有極少量縮松存在,在遠(yuǎn)內(nèi)澆口鑄件處有一定量缺陷存在。使用最優(yōu)工藝模擬的縮松縮孔平均體積百分比為0.85%,低于表2中值,優(yōu)化工藝可行。

圖5 閥體充型過程

圖6 卷氣、縮松縮孔模擬

4 壓鑄實(shí)驗(yàn)及金相組織觀察

根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)閥體壓鑄模具并進(jìn)行壓鑄實(shí)驗(yàn),圖7是生產(chǎn)出的壓鑄件(左側(cè)溢流槽斷了),鑄件表面光滑外形清晰,沒有明顯的缺陷。依據(jù)模擬結(jié)果取近內(nèi)澆口的A處,遠(yuǎn)內(nèi)澆口B處進(jìn)行金相組織觀察,觀察結(jié)果如圖8。由圖8知,近內(nèi)澆口端鑄件組織致密沒有出現(xiàn)缺陷,而遠(yuǎn)內(nèi)澆口端則有微觀孔洞(圖8b中圈出所示)。因?yàn)槲⒂^孔洞位于鑄件中間且含量少,所以不會(huì)對(duì)鑄件產(chǎn)生較大影響。

圖7 生產(chǎn)出的閥體

圖8 閥體顯微組織

5 結(jié)論

(1)壓鑄工藝參數(shù)與內(nèi)澆口結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)鑄件卷氣量產(chǎn)生影響,并且這種影響是相互的、復(fù)雜的;內(nèi)澆口尺寸對(duì)縮松縮孔的影響大于壓鑄工藝產(chǎn)生影響。

(2)通過模擬確定了合理閥體壓鑄工藝參數(shù)和內(nèi)澆口尺寸:澆注溫度630℃、模具預(yù)熱溫度190℃;澆注速度0.5m/s;內(nèi)澆口面積75mm2、厚度2.5mm、長(zhǎng)度2mm。

(3)通過壓鑄實(shí)驗(yàn)得到合格的閥體壓鑄件,證明了模擬結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

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(責(zé)任編輯：馬金發(fā))

DesignandOptimizationoftheValveBodyDie-castingProcessBasedontheNumericalSimulation

MENG Zhaoxin,HUANG Yong,LI Xin

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Using the ProCAST simulation software,numerical simulation of aluminum valve body die-cast process is studied.The simulation results show that air entrainment can be affected in a very complex way both by die casting perimeters and inner gate dimensions.Inner gate dimensions have a greater effect on shrinkage porosity than die casting process.The final optimized die casting perimeters are pouring temperature 630℃,mold preheating temperature 190℃ and the injection speed 0.5m/s;inner gate area 75mm2,inner gate thickness 2.5mm and inner gate length 2mm.Appling the simulation results to actual manufacture could result in the qualified valve body.

valve body;numerical simulation;process design

TG249.2

A

2016-10-18

孟昭昕(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：黃勇(1959—)，男，教授，研究方向：鑄造數(shù)值模擬。

1003-1251(2017)05-0079-05