基于ProCAST的阀体压铸数值模拟及工艺优化

孟昭昕,黄 勇,李 鑫

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

基于ProCAST的阀体压铸数值模拟及工艺优化

孟昭昕,黄 勇,李 鑫

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

用ProCAST数值模拟软件对阀体压铸件进行压铸过程数值模拟。模拟结果得到压铸工艺参数和内浇口尺寸大小都会对卷气量有影响,且这种影响是相互的、复杂的;而内浇口对缩松缩孔的影响大于压铸工艺产生影响。依据模拟结果确定阀体压铸工艺参数和内浇口尺寸:浇注温度630℃、模具预热温度190℃;浇注速度0.5m/s;内浇口面积75mm2、厚度2.5mm、长度2mm。将模拟结果应用到实际生产中得到了合格的阀体压铸件。

阀体;数值模拟;工艺优化

压力铸造(压铸)因为其独特的材料成型工艺,广泛应用于零件生产中。但是压铸缺陷如缩孔、缩松(气孔)等的出现除了会影响压铸件的表观质量还会严重影响压铸件使用性能,如何在压铸模具设计前期发现可能存在的对压铸件造成不利影响的问题是极其重要的。计算机数值模拟技术在铸造中的应用为传统的压铸行业注入了新鲜的血液,它的出现使得压铸模具、压铸工艺设计具有更大的灵活性和可预测性,从而为降低铸件内部缺陷提供科学指导[1]。阀体作为阀门上的重要零件是国民经济发展的基础装备,其质量的好坏会影响到经济的发展甚至威胁到生命安全。使用ProCAST铸造模拟软件对阀体压铸件进行压铸过程模拟,分析模拟结果,设计合理的压铸模具及工艺参数,生产质量合格阀体压铸件,缩短试制周期,降低生产成本。

1 阀体分析及浇注系统设计

阀体长宽高外形尺寸为63mm×63mm×31.5mm,其最大壁厚为13mm,平均壁厚为3.9mm。铸件中间有一个通孔,四周侧壁上对称分布着两组盲孔,阀体压铸件外形较为简单。根据分析阀体四个侧孔采用侧抽芯方式成型,分型面位于铸件中间,使用扁平测浇口(内浇口尺寸未确定),三个溢流槽的浇注形式。图1、图2分别为阀体三维造型、阀体铸件图。阀体铸件材料采用ZL102合金,模具材料是H13。

图1 阀体三维造型

图2 阀体铸件图

2 正交实验分析

压铸工艺如浇注温度,模具预热温度、浇注速度对获得高质量的产品有重要的作用,非适宜的浇注温度、模具预热温度会降低模具的使用寿命,影响铸件质量及生产效率[2],内浇口速度、内浇口截面积、内浇口厚度对铸件的质量也有影响。浇注速度过快,内浇口面积太小,厚度太薄使得内浇口速度太快,金属液体极不规则、紊乱的流动易引起卷气现象的发生,形成孔洞等缺陷[3-5]。因此以浇注温度(A)、预热温度(B)、浇注速度(C)、内浇口面积(D)、内浇口厚度(E)、内浇口长度(F)为因素,卷气量、缩孔缩松体积含量(卷气量为平均值,缩孔缩松以平均体积百分比表示,由ProCAST软件统计,这两个值越小铸件整体卷气、缩孔缩松值含量越少)为指标建立六因素三水平正交表。表1是因素水平表,表2是正交结果表,表3为正交极差分析表。

表1 因素水平表

表中:各水平根据文献[5]计算选择而确定;内浇口面积计算范围是73.2～10.2mm2,浇注速度计算范围是0.46～1.08m/s。

表2 正交结果表

表3 正交极差分析表

分析表3可知,各因素对卷气量、缩孔缩松含量的影响程度分别为:浇注速度>浇注温度>内浇口厚度>内浇口面积>预热温度>内浇口长度;内浇口厚度>内浇口面积>内浇口长度>浇注速度>浇注温度>预热温度。卷气主要由液态金属紊流造成,浇注速度会改变其紊流状态,所以它对卷气的影响最大,一般而言低的充型速度有利于降低卷气的发生。图3为以实验L13、L7、L16为例的阀体卷气状态图。从图3看出,无论采取何种工艺模拟或者卷量是多少,卷气主要位于远离内浇口的铸件部分,并且溢流槽内气体含量要大于铸件气体含量,这表明溢流槽的设计合理,能够有效排出气体。

图3 实验L13、L7、L16卷气状态

浇注温度的变化会改变金属液体的流动性,引起卷气现象。内浇口厚度、内浇口面积也会对铸件质量造成影响[6-7]。为了直观反应因素对实验指标的影响规律及趋势，绘制因素-指标关系图,如图4所示。

图4 因素-指标关系图

从图4看出,所有因素都会对卷气量产生影响。因为卷气主要与铸件形状与金属液体的填充状态有关,而金属液体的填充状态与压铸工艺参数、内浇口结构有极大的关联,因此各变量之间对卷气量的影响是相互且复杂的。内浇口尺寸对阀体铸件缩松缩孔的影响较为显著,增大内口面积和厚度、减少内浇口长度可降低孔洞含量;而压铸工艺对缩松缩孔的影响较小,浇注速度的增加略微增加缺陷的含量,浇注温度、预热温度对缩松缩孔的影响甚小。

3 最佳压铸工艺参数选定及模拟

阀体内浇口宽度取30mm,若厚度取3mm则面积为90mm2大于计算值(73.2～10.2mm2),同时考虑去除难度,内浇口厚度取2.5mm(面积为75mm2略大于计算值可以采用);内浇口长度对缩松缩孔影响大,取2mm。浇注温度、预热温度对缩松缩孔的影响小,对卷气量的影响大,所以分别取630℃、190℃。浇注速度取0.5m/s。

用最优工艺对阀体压铸过程进行模拟,图5是阀体充型过程图,图6是阀体卷气和缩松缩孔图。由图5知,金属液体从内浇口进入后先填充阀体上表面,同时沿型腔两侧流动;在阀体厚大的部分金属液体以型腔表面向型腔中心方式填充,然后填充内浇口附近的型腔区域,最后溢流槽被充满。如图6a所示,近内浇口处铸件卷气量几乎为0,远内浇口处和上下两侧铸件含有少量的气体,其平均含量为0.0001g/cm3,等于表2最小值;分析图6b知缩松缩孔缺陷可能位于铸件厚大处,并且右侧(近内浇口处)缺陷的含量略多于左侧(远内浇口)缺陷的含量,更加集中。因为本次模拟所使用的缩松缩孔预测模型对压铸压力考虑的不充分,压铸压力没有直接参与计算。如果将内浇口与铸件视为一个整体,则它们的连接部位属于壁厚不均匀,根据液体金属凝固原理在壁厚不均匀处容易形成缩松缩孔[8],所以出现了图中所示的模拟结果。综合考虑认为,在内浇口处可能有极少量缩松存在,在远内浇口铸件处有一定量缺陷存在。使用最优工艺模拟的缩松缩孔平均体积百分比为0.85%,低于表2中值,优化工艺可行。

图5 阀体充型过程

图6 卷气、缩松缩孔模拟

4 压铸实验及金相组织观察

根据模拟结果设计阀体压铸模具并进行压铸实验,图7是生产出的压铸件(左侧溢流槽断了),铸件表面光滑外形清晰,没有明显的缺陷。依据模拟结果取近内浇口的A处,远内浇口B处进行金相组织观察,观察结果如图8。由图8知,近内浇口端铸件组织致密没有出现缺陷,而远内浇口端则有微观孔洞(图8b中圈出所示)。因为微观孔洞位于铸件中间且含量少,所以不会对铸件产生较大影响。

图7 生产出的阀体

图8 阀体显微组织

5 结论

(1)压铸工艺参数与内浇口结构都会对铸件卷气量产生影响,并且这种影响是相互的、复杂的;内浇口尺寸对缩松缩孔的影响大于压铸工艺产生影响。

(2)通过模拟确定了合理阀体压铸工艺参数和内浇口尺寸:浇注温度630℃、模具预热温度190℃;浇注速度0.5m/s;内浇口面积75mm2、厚度2.5mm、长度2mm。

(3)通过压铸实验得到合格的阀体压铸件,证明了模拟结果可以应用于实际生产中。

[1] 柳百成,荆涛.铸造工程的模拟仿真与质量控制[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2] 张欢欢,康永林,周冰,等.薄壁镁合金后盖压铸工艺的数值模拟[J].热加工工艺,2015,44(1):56-58.

[3] 王芳,赵海东,张克武,等.ADC12压铸件孔洞与力学性能关系的研究[J].特种铸造及有色合金,2008,3(16):204-207.

[4] 纪连清,熊守美,村上正幸,等.内浇口速度和尺寸对ADC12铝合金组织及性能的影响[J].特种铸造及有色合金,2008,28(9):693-695.

[5] 周辉,鲍家华,秦宝荣,等.基于ProCAST模拟的ADC12压铸工艺优化[J].特种铸造及有色合金,2015,35(12):1281-1283.

[6] 黄勇,黄尧.压铸模具设计实用教程[M].北京:化学工业出版社,2011.

[7] 催爱军.从内浇口入手提高压铸模具的“适应性”[J].工程技术,2010(6):162-163.

[8] 潘宪曾.压铸模设计手册[M].北京:机械工业出版社,2006.

(责任编辑：马金发)

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，硕士研究生；通讯作者：黄勇(1959—)，男，教授，研究方向：铸造数值模拟。

1003-1251(2017)05-0079-05