铝合金壳体低压铸造工艺优化研究

董振标，杜晓明

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)



铝合金壳体低压铸造工艺优化研究

董振标，杜晓明

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110159)

摘要：采用有限元数值模拟方法，模拟铝合金壳体件的低压铸造充型和凝固过程，预测出铸件内部缺陷并提出改进工艺。研究结果表明，在砂芯位置2处嵌冷铁可消除凝固缺陷，这对该零件的低压铸造生产提供了理论指导和试验前提。

关键词：铝合金壳体；低压铸造；数值模拟；工艺优化

近年来，低压金属型铸造作为一种近无余量的金属液态成型技术,相比于其他铸造方法具有充型平稳、铸件组织致密、无需设计冒口、工艺出品率高等优点而广泛应用于汽车、航空航天、军工、机电等领域的铝合金铸件生产，尤其是复杂薄壁铝合金铸件[1]。由于研究对象属于复杂结构铸件，其质量要求较高，因此铸造工艺设计和优化很重要。

赵建华等人[2]模拟研究了汽缸盖低压铸造凝固过程，预测其缺陷并提出增设冷却系统、控制模具温度、对浇口保温处理三种工艺措施，结果表明，同时采用三种工艺措施铸件质量更好。张立强等人[3]以L型A356铝合金为研究对象，使用PROCAST设计低压铸造工艺并对铸件表面缺陷进行分析，提出改进工艺方案。杨天云等人[4]采用仿真软件结合正交实验方法，模拟研究了低压铸造工艺参数对汽车座椅骨架缩松缩孔、充型及凝固规律的影响。

本文以铝合金壳体铸件的工艺设计为研究对象，用PROCAST有限元仿真软件对铸造过程流场和温度场的数学模型进行分析研究，设置边界条件和运行参数、合理设计数学模型、对铸件成型充型和凝固过程进行模拟，根据模拟结果对铸件缺陷部位进行预测，为后续的工艺优化提供参考依据，达到缩短试制周期，降低成本的目的。

1　零件的工艺性分析

1.1　零件分析

壳体零件如图1所示，材质为ZL106铝合金，质量5kg，壁厚及外形轮廓尺寸不均匀，高度为145mm，最薄壁厚为8mm，其特点为薄壁复杂件。采用低压铸造生产，以确保其成形质量与内在质量。

图1　零件三维实体图

1.2　浇注系统设计

根据零件结构特点，采用底注式中心浇口工艺方案，内浇口开在铸件底端厚壁处。为充分发挥浇注系统的补缩作用，设计了分流锥式内浇道。零件底部厚大部位是液态金属最后冷却凝固的地方，即热节中心。采用热节圆法[5]计算得出浇口的最小断面积为1256mm2，高度为60mm，铸件浇注系统如图2所示。采用金属型、砂芯工装方案，金属型和金属芯材质为35CrMo模具钢，砂芯为树脂砂。

图2　铸件三维图

2　有限元模型的建立

2.1　网格划分

用UG8.0软件高级仿真模块剖分面网格，导出MeshCAST可识别的.dat文件，在MeshCast中进行面网格的检查修复并划分体网格。为得到精确的模拟结果和减少计算量，根据数值计算原理和计算机性能要求，浇道和铸件采用较小的网格尺寸，尺寸大小为4mm，进行剖分，保证薄壁处至少1个单元[6]；铸型和芯子采用较大的网格尺寸，尺寸大小为20mm，进行剖分，网格模型如图3所示。

图3　芯子的网格模型

2.2　边界条件

ZL106铝合金的浇注温度为680℃，浇注时间为3s，铸件/模具换热系数为3000W/(m2/k)，铸件/砂芯换热系数为500W/(m2/k)，模具/模具换热系数为3000 W/(m2/k)，模具温度300℃，金属芯和砂芯预热温度为300℃。

2.3　加压工艺参数的确定

低压铸造合金液充型靠坩埚中合金液面上的气体压力作用实现。所需气体压力用式(1)确定[7]。

p=HρK/10200

(1)

式中：p为充型压力(MPa)；H为金属液上升的高度(cm)；ρ为金属液密度(g/cm3)；10200为单位换算系数(g/N)；K为充型阻力，K=1.0～1.5，阻力小取下限，阻力大取上限。

对各阶段进行计算，设置三种不同的时间-压力曲线，见表1、表2、表3。

表1　压力-时间参数1

表2　压力-时间参数2

表3　压力-时间参数3

3　模拟结果分析

3.1　不同工艺参数下的铸件质量对比

在三种不同的时间-压力曲线下进行数值模拟，对比分析表明，表1、表2、表3参数下的铸件缩孔率分别为33%、26%、17%，显示压力-时间参数3更为合理。

3.2　充型过程模拟

液态金属充型过程温度分布如图4所示，由不同时间段的充型状态可以看出，液态金属在型腔中整个充型过程比较平稳，没有明显的紊流和飞溅，可推断出现卷气和夹渣的可能性较小，因此浇注系统和充型工艺的选取是合理的。

3.3　凝固过程模拟

凝固过程中，各时刻的固相率分布如图5所

图4　充型过程

示，由图5可见，铸件至上而下基本实现顺序凝固，但在铸件侧壁和凸台的厚大部位存在部分孤立液相区，表明该位置属于热节部位，可能会出现凝固收缩缺陷。对这些热节部位进行切面分析，如图6所示，发现这些部位存在宏观缩孔，有必要采取相应的工艺措施来减少或消除这些缺陷。

图5　凝固过程固相率

3.4　工艺优化模拟

针对铸件缺陷的产生位置和类型，可通过设置冒口或冷铁减小或消除厚大部位的缺陷。本文采用在砂芯上嵌冷铁的改进工艺，浇注前砂芯预热温度为300℃，冷铁预热温度为350℃，以保证液态金属实现顺序凝固，发挥低压铸造的补缩特性。

冷铁的两种位置如图7所示，模拟结果如图8所示。从两种冷铁位置的缺陷分布可以看出，位置1处放置冷铁，铸件的收缩缺陷并未得到明显减少。位置2处设置冷铁后，铸件内侧的缺陷基本消除，表明位置2处放置冷铁是合理的工艺措施。

图6　缩孔位置剖切图

图7　冷铁位置

图8　设置冷铁后的模拟结果

4　结论

(1)对铸件充型过程模拟，验证了低压铸造工艺设计合理；通过凝固过程模拟，预测出铸件的缺陷位置和大小，为后续工艺优化提供理论指导。

(2)采取在砂芯上设置冷铁的工艺优化方案，对比了两种不同位置冷铁的模拟结果，位置2放置冷铁可消除凝固缺陷。

参考文献：

[1]许豪劲,万里,吴克亦,等.连续式低压铸造技术的研究与开发[J].特种铸造及有色合金,2013,33(1)：29-32.

[2]赵建华,刘涛,曾礼,等.铝合金汽缸盖低压铸造数值模拟及工艺优化[J].热加工工艺,2011,(1):39-41.

[3]张立强,李落星,朱必武,等.基于数值模拟的铝合金薄壁件金属型低压铸造工艺设计[J].铸造技术,2008,29(9):1178-1181.

[4]杨天云,余瑾,杨兵,等.大型铝合金薄壁件低压铸造工艺模拟[J].中国铸造装备与技术,2012,(1):39-42.

[5]耿鑫明,吕志刚,姜不居.特种铸造生产工艺及装备入门与精通编著[M].北京：机械工业出版社，2011.

[6]李日.铸造工艺仿真ProCAST从入门到精通[M].北京：中国水利出版社，2010.

[7]董秀琦.低压及差压铸造理论与实践[M].北京：机械工业出版社，2003.

(责任编辑：赵丽琴)

The Study of Low Pressure Die Casting Process Optimization of Aluminium Alloy Case

DONG Zhenbiao,DU Xiaoming

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

Abstract：An engieering machinery alluminium alloy case is taken as study object,the finite element modeling simulation software PROCAST is used in its low pressure die casting process simulation,the process of model-filling and solidication is analyzed,the internal defect is predicted and the improved craft is proposed,and theretical and test condition is provided for its pressure die casting practical production.

Key words：aluminium alloy case；low pressure die casting;numerical simulation;craft optimization

中图分类号：TP274+.5

文献标志码：A

文章编号：1003-1251(2015)01-0060-05

通讯作者：

作者简介：董振标(1990—)，男，硕士研究生；杜晓明(1976—)，男，副教授，博士，研究方向： 液态金属成型过程计算机模拟理论等.

收稿日期：2014-05-07