压铸模具内浇口流速对充型状态及凝固质量的影响

2021-12-02王廷利付宏源

中国铸造装备与技术 2021年6期

王廷利，黄剑，虞科，陈列，付宏源，姚山

（1.青岛科技大学机电学院，山东青岛 266061；2.大连理工大学宁波研究院，浙江宁波 315016；3.宁波海天金属成型设备有限公司，浙江宁波 315821）

压铸是金属液在高压作用下快速填充到金属模具内，充型速度快，充型时间短，内浇口处金属液的流速和压力很大。因此，模具内浇口在压铸过程中起着非常重要的作用，它决定着金属液填充型腔时的速度、流量、压力、流场状态等，结构合理的内浇口和适当的充型速度有助于获得高质量铸件[1-3]。随着计算机和软件技术的发展，通过模拟仿真方法计算压铸过程、提取过程特征参数、为评价和优化铸造工艺提供支撑越来越收到广泛关注[4]。

本文将基于铸造模拟仿真软件ProCast 对压铸模具的压射充型过程进行模拟计算，研究不同内浇口流速条件下压射室压力、压铸模具充型过程状态和作用效果。然后，结合实际的压铸件充型效果，评价不同内浇口流速对压铸充型能力和凝固质量的影响。

1 方案设计与建模

1.1 方案设计

本文选择的压铸件模具的内浇口与铸件采用压边方式连接，内浇口厚度均为2mm，内浇口截面积合计约100mm2。铸件质量（含渣包及排气道，不含浇注系统）体积为164cm3。本试验通过改变冲头速度的方式来调节内浇口的流速，冲头速度与内浇口流速和充型时间的关系如表1 所示。

表1 不同冲头速度条件下内浇口流速及充型时间

针对不同冲头速度的工艺条件，采用铸造模拟仿真软件ProCast 进行计算，得到不同内浇口流速、压力、型腔流场等结果信息。进一步的，基于宁波海天金属成型设备有限公司的HDC350-SF 型压铸机进行压铸试验，得到不同工艺条件下的压铸件，并对其进行外观检测和X 光探伤等分析检测。

1.2 模型建立

模拟仿真采用3D 模型的组成主要包括冲头、压射室、压射室内金属液、铸件（空腔）、压铸模具等几部分（图1）。在进行网格划分时，根据压铸工艺特征和模拟仿真要求，兼顾计算精度和速度，不同区域的网格尺寸采用不同设置，其中内浇口的网格尺寸最细小，并进行面网格和体网格的划分。

图1 压射室3D 模型组成及网格划分

压射室及模具材质为Steel H13，初始温度为200℃。金属液材质为AlSi11Cu2，其液相线和固相线温度分别为580℃和522℃，初始温度为640℃，金属液与压射室壁间的换热系数h=2000W/m2·K。

2 模拟仿真结果

2.1 金属液的压力状态

从图2 可知，金属液承受的压力在不同位置是不同的，压射室内金属液承受的压力最大，经过浇注系统后，金属液承受的压力有一定的损耗，经过内浇口进入模具型腔后金属液承受的压力骤降。随着内浇流速的增加，压射室内金属液的压力快速增加，在内浇口流速为0.8m/s 时，压射室内金属液的压力约10bar；在内浇口流速为1.6m/s 时，压射室内金属液的压力约38bar；当内浇口流速增加大到3.2m/s 时，压射室内金属液的压力则增长到152bar。由此可知，内浇口金属液流速每增加1倍，压射室内金属液的压力则增加到原来的4 倍左右。

图2 内浇口不同流速时压射室内金属液压力状态

2.2 压铸模具型腔填充状态

从图3 可知，当冲头速度为0.8m/s 时，内浇口处的金属液流速约为23m/s,当金属液进入型腔后，金属液流速较小，充型比较平稳，型腔内的空气容易通过排气道排出。但是，由于内浇口流速较小，可能也会对充型能力和凝固组织致密性带来不利影响。

图3 冲头速度0.8m/s 时内浇口及型腔内金属液流场状态

从图4 可知，当冲头速度为1.6m/s 时，内浇口处的金属液流速约为45m/s,当金属液进入型腔后，此条件下金属液的流速比冲头速度0.8m/时的流速有所增大，流场分布紊乱度增加，型腔内的空气排出难度增大。但是，随着内浇口流速的增加，铸型充型能力和铸件凝固组织致密性也会有所提高。

图4 冲头速度1.6m/s 时内浇口及型腔内金属液流场状态

从图5 可知，当冲头速度为3.2m/s 时，内浇口处的金属液流速约为90m/s,与上述两种工况相比，当金属液进入型腔后，金属液流速更大，流线密度也明显增加，这将有利于提高铸型的充型能力和铸件的致密度。

图5 冲头速度3.2m/s 时内浇口及型腔内金属液流场状态

3 压铸试验结果

分别采用冲头速度为0.8m/s、1.6m/s 及3.2m/s的工艺条件，进行压铸试验。压铸件充型效果如图6 所示，铸件凝固质量的X 光检测结果如图7 所示。

图6 不同冲头速度条件下铸型的充型结果

图7 不同冲头速度条件下铸件的凝固质量的X 光检测结果

从图6 可知，当冲头速度为0.8m/s 暨内浇口流速为23m/s 时，排气道上方充满2 个横格；当冲头速度为1.6m/s 暨内浇口流速为45m/s 时，排气道上方充满3 个横格；当冲头速度为3.2m/s 暨内浇口流速为90m/s 时，排气道上方充满4 个横格，并且产生了少量的飞边。由上述结果可知，随着内交口流速的增加，铸型的充型能力随之增强。

从图7 可知，当冲头速度为0.8m/s 暨内浇口流速为23m/s 时，压铸件中存在2 处孔洞集中区域；当冲头速度为1.6m/s 暨内浇口流速为45m/s时，压铸件中存在1 处孔洞集中区域；当冲头速度为3.2m/s 暨内浇口流速为90m/s 时，压铸件中未发现孔洞集中区域。由上述结果可知，随着内交口流速的增加，压铸件凝固后组织更为致密。