“上盖”压铸件工艺设计及数值模拟研究

郭广思,王广太,谷 昊

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳110159；2.沈阳工学院 能源与水利学院，辽宁 抚顺113122)

“上盖”压铸件工艺设计及数值模拟研究

郭广思1,王广太2,谷 昊1

(1.沈阳理工大学 材料科学与工程学院，沈阳110159；2.沈阳工学院 能源与水利学院，辽宁 抚顺113122)

在分析铝合金“上盖”压铸件结构的基础上，通过三维建模及网格划分进行工艺分析、浇注系统计算、模具设计。根据铸件的温度场、流场、铸件缩孔缩松所在位置及孔隙率，模拟并优化出最佳压铸工艺参数为：压射速度为5 m/s，模具预热温度为220 ℃，铝合金浇注温度为660 ℃。根据优化的工艺参数进行实际生产，得到质量优良的“上盖”压铸件。

“上盖”；压铸；工艺设计；数值模拟

压力铸造是将液体金属注入压铸机，在高压下，以极高的速度充入型腔[1]，冷却凝固成形的精密铸造的方法[2]。在压铸生产过程中，压铸模具结构、合金浇注温度等直接关系生产成本和铸件质量。我国铸造凝固过程数值模拟技术已达到世界先进水平，随着计算机技术的发展以及模拟方法的不断改进，数值模拟结果的可靠性越来越高，能够更加准确地对实际铸造过程进行模拟，指导实际生产[1-3]。本文模拟“上盖”压铸过程中的充型流态，并对其进行温度场模拟，预测铸件中可能产生缩孔、缩松等缺陷的原因；以期达到提高铸件质量[4-8]，缩短试制周期、降低生产成本的目的。

1 “上盖”零件结构

铝合金“上盖”压铸件为薄壁板状结构，呈长方形，尺寸为210 mm×140 mm×10 mm。中间有三个小方形孔洞，孔洞四周壁厚不一。中心最薄处只有0.4 mm，由中心向四周壁厚依次递增。图1为零件图。

图1 “上盖”零件图

2 “上盖”压铸件模具设计

2.1 分型面选取及浇注系统设计

“上盖”属于薄壁板状件，内浇口设在铸件厚壁处定模上，以便有效传递压力进行补缩压实，内浇口厚度为2.5 mm。五个梯形溢流槽设置在动模分型面上，长为25 mm，宽为15 mm，深为13 mm，溢流口宽为15 mm，厚为0.8 mm。溢流槽的部位设置5个推杆，以保证铸件受力均匀。

2.2 压铸模具设计

进行数值模拟时，必须考虑金属液体与镶块之间的热交换；镶块尺寸一定要适宜，其对模拟结果影响较大。采用一模一腔结构。镶块与模具本体接合处的间隙可以排除型腔内多余的气体，减少模具受热时的变形量。图2为定模镶块，图3为设计的压铸模装配图。

图2 定模镶块

图3 压铸模装配图

注：1.动模座板，2.垫块，3.支撑板，4.吊环，5.动模套板，6.定模套板，7.定模座板，8.螺钉，9.销，10.定模镶块，11.型芯，12.浇口套，13.动模导柱，14.动模导套，15.推杆，16.动模镶块，17.浇道推杆，18.推板导柱，19.推板导套，20.推杆固定板，21.推板，22.限位钉，23.复位杆，24.螺钉，25.螺钉，26.销

3 “上盖”数值模拟结果与分析

3.1 模拟边界条件的确定

根据铝合金铸件“上盖”的结构特点、所设计的浇注系统及压铸模具，在模具预热温度为220 ℃，压铸速度为5 m/s时，选取模具与铝合金铸件之间换热系数为1000W/(m2·K)，模具与中间空气隙之间、模具彼此间的换热系数分别为20W/(m2·K)、3000W/(m2·K)。进行压铸过程温度场及流场数值模拟，优化出最佳工艺参数。

3.2 浇注温度的研究

3.2.1 充型过程模拟

图4、图5、图6分别是浇注温度640℃、660℃、680℃时，“上盖”压铸件充型70%,89%,100%时刻的模拟状态图。金属液从直浇道开始通过横浇道，然后高速进入内浇口充满型腔。在浇注温度为640℃时金属液充填不够平稳，如图4a中箭头所示处，此时浇注温度较低，金属液流动性较差，充型不流畅，有扰动现象发生。

图4 浇注温度为640℃时的充型过程

图5 浇注温度为660℃时的充型过程

图6 浇注温度为680℃时充型过程

从图5中可以看出，浇注温度为660℃时，在整个充填过程中，金属液平稳地充满型腔和溢流槽，充填型腔期间无喷溅现象，充型平稳。

浇注温度为680℃时，金属液粘度较小，流动性很好，充型时有轻微的波动和向上喷溅现象，如图6a中箭头处。

根据充型状态分析，浇注温度660℃比较适宜。

3.2.2 铸件凝固过程温度分布模拟

图7、图8、图9分别为浇注温度640℃、660℃和680℃时“上盖”压铸件凝固7.6s，20.4s和28.0s时的凝固温度分布图。图中左侧彩带表示由下到上，温度依次升高，上边为液态，下边为固态；两条横线之间为液、固共存区。

图7 浇注温度为640℃时凝固温度分布

图8 浇注温度为660℃时凝固温度分布

图9 浇注温度为680℃时凝固温度分布

由图7a可以看到，铸件从中心向四周冷却凝固。由图7可以看到，铸件冷却凝固过程中，直浇道冷却最慢，其次是溢流槽；铸件在冷却凝固时可以得到溢流槽的补缩；从中心向四周冷却凝固，产生缩孔缩松倾向小。

由图8、图9可以看出，铸件冷却凝固过程与图7相差无几。浇注温度660℃、680℃时，铸件温度分布状态差别不大，铸件冷却凝固过程几乎一样。

3.3.3 铸件缩孔缩松预测

图10分别为铝合金浇注温度为640℃、660℃、680℃时，凝固成型后铸件中缩孔缩松的位置分布图。

图10 铸件缩孔缩松分布状态

图10中左侧彩带代表铸件中缩孔缩松所占铸件的比率，由下往上缩孔缩松率越来越大，下边黑色表示缩孔缩松率几乎为0，上端黑色表示缩孔缩松率为100%。铸件中黑色块状区域代表缩孔缩松最终形成的位置及大小，比较图10中铸件缩孔缩松的大小可知，浇注温度为680℃产生的缩孔缩松最多，浇注温度在660℃时产生的缩孔缩松比浇注温度为640℃时少，但差别不大；640 ℃时边缘处产生的缩松缩孔较多一点。由于“上盖”不是承压铸件，结合在充型和凝固过程中的状态，选择浇注温度为660℃比较合适(浇注温度在660℃时产生的缩孔缩松率满足使用要求)。

根据640 ℃、660 ℃、680 ℃“上盖”压铸件充型过程和凝固过程的模拟分析、对比，得知：在模具预热温度为220℃、压射速度为5m/s、浇注温度为660℃时最适宜。

4 生产验证

“上盖”浇注系统内浇道厚2.5mm，采用5个梯形溢流槽进行补缩，根据设计的压铸模具，数值模拟优化的工艺参数：压射速度为5m/s，模具预热温度为220℃，铝合金浇注温度为660℃，进行压铸生产，得到了表面光洁、组织致密、质量符合技术要求的“上盖”，如图11所示。说明浇注系统计算、模具设计及工艺参数选择合理。达到了人机互动、缩短生产周期、降低生产成本、提高经济效益的目的。

图11 上盖压铸件

5 结论

(1)设计并计算了“上盖”的浇注系统，根据设计的模具结构绘制了“上盖”的压铸模具。

(2)根据设定的工艺条件进行压铸模拟，在压铸速度为5 m/s、模具预热温度为220 ℃的条件下，模拟出浇注温度为660 ℃比较理想。

(3)根据模拟的工艺条件进行压铸生产，得到表面光洁，组织致密的铸件。

[1] 唐建敏，唐建伟，吴来杰.基于Magma的高压铸造模具温度场模拟分析[J].铸造技术，2017，38(3)：729-731.

[2] 邱红.基于Ansys的压铸模具温度场数值模拟研究[J].铸造技术,2014，35(7)：1575-1577.

[3] 郭红星，杨志强.数值模拟技术在充型凝固过程中的应用[J].铸造技术,2016，37(12)：2676-2680.

[4] 赵建华，陈红兵.浅析铸造过程模拟仿真技术[J].铸造设备研究,2007(2)：48-52.

[5] 熊小青.ANSYS在铸造过程模拟中的应用[J].农业技术与装备,2008(8)：4-5.

[6] 梁宏伟.铸造铝合金技术的现状及未来发展[J].企业技术开发，2012(32)：143-144.

[7] 杜旭初，樊振中，厉沙沙，等.基于数值模拟的优质铝合金铸件工艺优化[J].特种铸造及有色合金,2015，35(8)：817-819.

[8] 袁晓霞.弯管接头压铸件数值模拟及工艺研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2015.

NumericalSimulationandProcessStudyofRoofCoverDie-casting

GUO Guangsi1,WANG Guangtai2,GU Hao1

(1. Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China;2. Shenyang Institute of Technology,Fushun 113122,China)

Based on the structure analysis of aluminum alloy die casting part “roof cover”,the process analysis,gating system design and die design were carried out by 3D modeling and meshing.Through the simulation analysis in casting temperature field,filling flow condition,shrinkage hole and porosity location,the best optimized die cast parameters were obtained:injection speed 5 m/s,mold preheating temperature 220 ℃,aluminum alloy pouring temperature 660 ℃.The optimized parameters were applied to actual production,Obtaining high quality die casting part “roof cover”.

“roof cover”；die casting;process design;numerical simulation

2017-05-16

国家自然科学基金资助项目(51377110)

郭广思(1963—)女，教授，博士，研究方向：铸造工艺及铸造涂料。

1003-1251(2017)06-0001-04

TG249.2

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王子君)