鋁合金殼體壓鑄工藝的設計及優化

陳鵬飛等發表于2020/11/6 10:34:59 鋁殼體壓鑄工藝設計數值模擬

摘要:以ADC12鋁合金殼體壓鑄件作為研究對象，根據其結構特點對此工件進行壓鑄工藝設計。確定鑄件分型面、澆注系統、排溢系統所在的位置形式以及壓鑄工藝參數，初步擬定一套壓鑄工藝方案。使用FLOW-3D軟件對初始方案的充型過程和充型結果進行數值模擬，并根據壓力、溫度、卷氣以及表面質量等確定鑄件產生缺陷的位置和原因。根據分析結果優化原工藝方案，對優化方案進行再一次的模擬分析，得到符合生產要求的工藝方案。

相對于砂型鑄造，壓鑄有著不可比擬的、良好的優勢，在汽車，通訊等領域得到廣泛應用。水泵殼體作為水泵上核心零部件，需要具備一定的防滲漏、抗腐蝕能力，能滿足水中特定條件下力學性能和抗低溫沖擊能力，因此對氣密性和力學性能要求高。利用壓鑄能夠避免鑄件在生產過程中的縮孔縮松等問題。將計算機數值模擬技術與實際的生產相結合，可以大大降低成本。本課題利用FLOW-3D軟件進行壓鑄數值模擬，得出無缺陷鑄件壓鑄方案，進行實際生產驗證，以滿足工廠生產要求。

1、壓鑄工藝設計

研究對象為水泵系列殼體壓鑄件，體積為185cm3，最大壁厚為10mm，平均壁厚為3.27 mm，質量大約為450 g，選擇具有良好流動性，中等氣密性和較好的抗熱裂性,特別是高的耐磨性和低熱膨脹系數的ADC12鋁合金作為壓鑄件材料。圖1為水泵殼體的三維結構圖。

圖1：壓鑄件實體三維模型

根據分型面的選擇原則，結合研究對象的結構特點，分型方式見圖2。

圖2：殼體鑄件實體分型方式

壓鑄工藝參數包括壓力，速度，溫度和時間。壓鑄件為鋁合金殼體，屬于一般件。選擇壓射比壓為50 MPa，壓鑄充型速度為30 m/s。壓鑄件平均壁厚為3.26 mm，對于鋁合金來說，應選取較大的填充時間，選取充型時間為0.1s，持壓時間為5 s，留模時間為12 s。計算得到壓鑄殼體大約需要鎖模力為1 123 kN以上的壓鑄機，選擇J1113C臥式冷室壓鑄機。

設計壓鑄件內澆口，根據計算公式：

式中，Ag為內澆口截面積，mm² ； Vg為內澆口處金屬液的流速，m/s； G為流經內澆口的金屬液質量，g； p為液態金屬的密度，g/cm³ ；t為型腔的充填時間，s。確定內澆口截面積為Ag =60 mm² 。圖3為內澆口尺寸，其中W、A、L分別是為內澆口的寬度、厚度和長度。

圖3：內澆口厚度、寬度及長度

取內澆口厚度為1.5 mm，內澆口長度取L=2 mm，總寬度取W=40 mm，設置兩個內澆口，每個內澆口寬度取W=20 mm。橫澆道截面積為內澆道的3~4倍，根據Ag =60mm2，確定 Ar=180mm2 。

排溢系統設計主要是溢流槽和溢流口的設計。排溢系統可以收集存在于金屬液、型腔和澆注系統中的氣體，還可以收集首先進入型腔的前金屬液。很大程度上減少鑄件的各種缺陷，排溢系統的合適與否在很大程度上影響著鑄件質量的優劣程度。本方案主要選用的溢流槽形狀見圖4。

圖4：溢流槽形狀

其中，b、a、h、A分別為溢流口的寬度，長度、厚度，長度。B、H分別為溢流槽的寬度以及厚度。

選用一個此形狀溢流槽具體尺寸為：A=16 mm,a=6 mm，H=7 mm，h=1mm，b=12 mm，B=20 mm；考慮到零件特點，在零件中間增設一個圓形溢流槽。圓形溢流槽尺寸:R=15 mm，H=12 mm，b=12 mm，a=6 mm，h=1 mm。圖5為原始工藝方案。

圖5：原始工藝方案

2、數值模擬與優化

2.1 數值模擬

將原始壓鑄方案導入FLOW-3D軟件中進行數值模擬，圖6為原始方案流場分布結果。通過模擬結果可得，壓鑄件最高溫度為680 ℃，最低溫度約為603 ℃。型腔內金屬溫度隨著與內澆口距離的增大，其溫度大致呈逐漸降低的狀態。溫度決定凝固的順序，溫度較低的位置首先凝固，溫度較高的位置凝固較慢。充型過程較不平穩，在t=0.027 s時發生液滴飛濺現象。綜合分析得到，在模擬過程中，壓鑄件凝固方式為逐層凝固，并且按照遠離內澆口的方向先凝固的順序，所以能夠及時得到補縮，故而不會出現較為嚴重的縮松縮孔。

圖：6流場分布模擬

圖7為本方案壓鑄件夾帶氣體的體積分數。顏色為紅色的區域卷氣最為嚴重，高達56 %，本方案中鑄件上大部分區域卷氣量為28 % ，有部分區域卷氣高達38 %。壓鑄件的重要部位卷氣較為嚴重，因此該工藝方案的設計需要進一步改善。

圖7：卷氣分布模擬結果

根據模擬結果來看，壓鑄件表面缺陷最高處達到7.3%左右，但處于排溢系統上，而鑄件主體大部分表面質量低于2%，基本不會影響鑄件的使用。再結合圖7發現，在表面缺陷最嚴重的位置的卷氣量也很高。因此判斷表面缺陷的產生和鑄件內的卷氣量有著很大的關系。因此想要改善表面質量，則需要從卷氣量來入手,進行優化方案的設計。

圖8：表面缺陷模擬結果及分析

2.2 工藝優化

原始壓鑄方案卷氣較嚴重，需要進行工藝優化，正確選擇澆口的位置和導流方式，對于非良形狀的鑄件多采用多股內澆口，設置3個內澆口，內澆口寬度為8 mm、10 mm、20 mm。長度為5 mm，增加了內澆口截面積從而使得壓射速度提高。為了改善排氣條件，在鑄件兩側增設環形溢流槽，溢流槽1尺寸為A=5 mm，H=8 mm，B=15 mm；溢流槽2尺寸為A=10 mm，H=10 mm，B=15 mm, 溢流槽3尺寸為A=5 mm，H=8 mm，B=15 mm吊耳處增設溢流槽，尺寸為A=15 mm，H=10 mm，B=20 mm，同時設置一個圓柱形冒口，R=10 mm，H=15 mm。為了增加排氣效果，改善卷氣，在鑄件端蓋處增加排氣槽。排氣槽用于從型腔中排出空氣及涂料揮發產生的氣體。為了使型腔中的氣體在壓射時盡可能多的被金屬液排出，將排氣槽設置在金屬液最后填充的位置。優化工藝的三維圖見圖9。