汽車殼體件壓鑄模設(shè)計及有限元分析

姜銀方 史德旗 嚴(yán)有琪 來彥玲

（①江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；②江蘇省特檢院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

作者：姜銀方，男，1962年生，教授，碩導(dǎo)，主要研究模具和激光沖擊成形。

壓鑄件的好壞與壓鑄模具的設(shè)計和澆注工藝密切相關(guān)，兩者密不可分。對于復(fù)雜零件而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計再好的模具由于選取壓鑄件的材料、澆注溫度、模具溫度等的不同都會影響鑄件的質(zhì)量。通常模具設(shè)計完之后都直接試模，一旦發(fā)現(xiàn)模具的設(shè)計與澆鑄工藝發(fā)生沖突時，如問題較小可以在原有的基礎(chǔ)上修整模具；如不能修整，模具可能就直接報廢。這不僅造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，也大大增加了鑄件的生產(chǎn)周期［1—2］。而運用計算機(jī)模擬技術(shù)，可以在不試模的情況下了解運用該設(shè)計下金屬在充填型內(nèi)的流動形態(tài)、凝固過程等。將鑄造CAE與CAD結(jié)合起來，極大地提高了生產(chǎn)的效率及鑄件的質(zhì)量。

1 零部件壓鑄模具的整體分析

汽車零部件中壓鑄部件通常為大批量生產(chǎn)，模型如圖1所示。壓鑄鋁合金的材料牌號為：ALSI9CU3。從制件的工藝性分析：（1）由圖1可知，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由于側(cè)抽時有銅鑲件嵌件所以抽芯力大，需要采用斜滑塊斜導(dǎo)柱抽芯；（2）該產(chǎn)品局部壁厚均勻，但是制件質(zhì)量要求較高，不允許有欠鑄、裂紋、氣孔及縮孔現(xiàn)象。大部分尺寸精度要求較高，壓鑄后只有極少部分要機(jī)械加工。另外，壓鑄件上的孔必須壓鑄成型，對壓鑄模鑲塊的加工和安裝有要求。而且汽車殼體在結(jié)構(gòu)上由于特殊幾何形狀和內(nèi)在質(zhì)量要求，必須解決側(cè)抽芯，抽芯力較大，合型后型芯必須定位可靠。

2 有限元模型的建立及參數(shù)的設(shè)定

2.1 有限元模型的建立

采用CAD軟件Pro/ENGINEER造型，用其自身的模具型腔模塊建立初步的動、定模鑲塊。再用其自身的FEM（Finite Elements Method）模塊對動、定模鑲塊和鑄件造型實體的表面分別進(jìn)行處理建立面網(wǎng)格，生成三角形的面網(wǎng)格單元。面網(wǎng)格劃分結(jié)束后，再將零件裝配起來，根據(jù)原來設(shè)置的網(wǎng)格大小重新生成一個裝配面網(wǎng)格，導(dǎo)入到ProCAST中即可建成模擬模型的面網(wǎng)格。當(dāng)面網(wǎng)格模型建好后，可以通過Pro-CAST的meshcast自動轉(zhuǎn)化為四面體的體網(wǎng)格完成了有限元模型的建立［3］。

2.2 仿真參數(shù)

2.2.1 初始條件

ALSI9CU3合金的液相線溫度是585℃，澆注溫度一般較液相線高50～100℃。因此設(shè)定初始澆注溫度為650℃；模具的初始溫度為200℃；而澆注方向可以分為水平澆注與垂直澆注。由于反重力澆鑄相比水平澆注可以更好的排氣及減少紊流，本文利用此方法。設(shè)定重力的方向為Z軸正向。

2.2.2 邊界條件

充型及凝固過程在高速高壓條件下進(jìn)行，模具與環(huán)境間主要通過空氣對流換熱，因此取模具與環(huán)境的換熱系數(shù)為10 W/（m2K）。而鑄件與模具之間的換熱主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，并且換熱強(qiáng)度大。根據(jù)美國C.W.納爾遜做的鋁合金ALSI9CU3壓鑄型腔表面的熱傳遞特性實驗結(jié)果，取鑄件和模具之間的界面換熱系數(shù)如圖2所示［2］。

在充型過程中，內(nèi)澆口的速度為90 m/s，當(dāng)型腔充滿后，立即加壓使鑄件在壓力下凝固。壓力的大小由ProCAST系統(tǒng)通過充型階段算出的最大充型壓力，在此基礎(chǔ)上再加大一定的壓力。

2.2.3 熱物性參數(shù)

鑄造模擬中涉及到的最重要的參數(shù)是熱物性參數(shù)，因此準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)是獲得準(zhǔn)確模擬結(jié)果的必要條件。鑄件在充型凝固過程中的熱物性參數(shù)值一般都隨溫度變化而變化，這種變化反映到計算所采用的偏微分方程中，將會影響到數(shù)值模擬的精度。

ALSI9CU3的熱物性參數(shù)：圖3是ALSI9CU3的熱導(dǎo)率、密度、比熱、運動粘度。液相線溫度為585℃；固相線溫度為504℃；凝固潛熱為373 kJ/kg；假定585℃時固相率為0，504℃時固相率為1。

3 澆道的設(shè)計及過程仿真

3.1 澆道的設(shè)計

澆道的設(shè)計包括分型面的選擇、澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)的設(shè)計。三者的設(shè)計相互制約、相互關(guān)聯(lián)，三者共同決定了鑄件的質(zhì)量。

3.1.1 分型面的選定

如圖4所示的分型面可設(shè)在制件投影面積最大的平面上。雖然制件成型會在分型面上留下飛邊，但是由于制件對非工作表面的粗糙度要求不高，故能滿足使用要求。因為制件成型時要求側(cè)型腔成型孔，由于與金屬液接觸，模具材料選用4Cr5Mo ViSi，采用調(diào)質(zhì)處理，硬度可達(dá)到43～47 HRC［4］。

3.1.2 澆注系統(tǒng)和溢流槽的選用

澆注系統(tǒng)的選擇主要是考慮充型平穩(wěn)，填充性能良好。根據(jù)壓室直徑、鑄件體積、壓頭速度、壁厚和填充時間設(shè)計得到直澆道為圓錐式，內(nèi)澆口的面積為16 mm2，厚度為2 mm，寬度為8 mm。本例采用點澆口一模兩腔式澆注，使薄壁處先凝固，靠近內(nèi)澆口零件主體最后凝固，這樣起到了很好的補縮作用。溢流槽的位置設(shè)計在圓盤的周圍，設(shè)計如圖5所示。

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 充型過程模擬結(jié)果

圖6是汽車殼體零件充型過程，后處理中隱藏了所有的模具。從圖中可以觀察到液體全部充滿型腔的時間為0.0829 s。從圖中型腔充滿時刻溫度場可看出鋁合金熔體在充滿時刻均在液相線溫度585℃以上，處于可流動狀態(tài)，因此可以預(yù)測殼體沒有發(fā)生欠鑄和冷隔缺陷。

3.2.2 凝固過程模擬結(jié)果

圖7是汽車殼體零件凝固過程中溫度接近固相線時的溫度梯度模擬結(jié)果，澆注時間為0.872 s。圖中顏色表示溫度梯度的大小。從圖中可以看出，汽車殼體零件在凝固過程中溫度梯度很大。圖中顏色表示冷卻速率的大小。從圖中可以看出，汽車殼體零件在凝固過程中的冷卻速率很大，在凹腔部位和中心孔柱背面部位的冷卻速率最大，而左右上部位和螺釘孔座處冷卻速率稍小。從圖中還可以看出，型腔和中心孔背面最先凝固，最后凝固的是左右上部位及螺釘孔座和澆口附近。從而得出汽車殼體零件的熱節(jié)部位也一般分布在這些位置。一般縮孔縮松缺陷出現(xiàn)在鑄件的熱節(jié)區(qū)域，所以由此可預(yù)測汽車零件縮孔縮松缺陷出現(xiàn)的部位。由于此種汽車零件斷面壁厚太薄傾向以體積凝固方式凝固。圖8是汽車殼體零件縮孔縮松的模擬結(jié)果，圖中顏色表示縮孔縮松的體積百分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出，由于縮孔縮松的體積百分?jǐn)?shù)小于0.01，可以判定只發(fā)生縮松缺陷。由于汽車殼體零件很薄，所以冷卻速率非常大，左右上部位及中心孔背面有輕微的縮松缺陷，而澆口附近的金屬液最后凝固。用直接模擬出縮孔縮松預(yù)測結(jié)果和用凝固時間來預(yù)測縮孔縮松基本一致，鑄件中存在了一定的缺陷。

3.3 改進(jìn)后澆注的模擬

從以上的澆注系統(tǒng)設(shè)計可以得知，鑄件中缺陷存在的原因主要是由于鑄件各部分冷卻不均勻造成的。如果在模具中添加冷卻水管道，從而改變鑄件各部分的凝固速度，設(shè)計管道如圖9。圖10為縮孔、縮松預(yù)測，可以觀察僅僅是在左右凸出部位存在少量的縮松，在模具中添加冷卻水管道很大程度上消除了缺陷。

4 模具裝配圖的設(shè)計

鑲塊設(shè)計時，由于定模、動模鑲塊為拼裝式，考慮到制件的收縮率（壓鑄鋁合金為0.5%），Pro/E建模時可以一比一建模，然后采用等比例縮放以保證機(jī)加工（CAM）時的準(zhǔn)確數(shù)模。再者由于左上端有凸出部分，對于單件鑄件采用雙分型面結(jié)構(gòu)的設(shè)計［5—6］。模具采用一模兩腔式，根據(jù)零件要求，確定壓射比壓為50 MPa，壓鑄機(jī)的型號J1125，充型時間根據(jù)計算為0.083 s，設(shè)計的模具結(jié)構(gòu)如圖11。

5 結(jié)語

（1）壓鑄是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種高效率、少無切削的金屬成型高精密鑄造方法。運用Pro/E基本模塊更適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓鑄模設(shè)計。

（2）運用Pro/E和ProCAST軟件將鑄造過程CAD與CAE技術(shù)相結(jié)合，可以解決壓鑄模具設(shè)計中存在模具設(shè)計及澆注過程中的工藝問題。通過兩者的反復(fù)調(diào)整，選擇最優(yōu)的模具模型和最佳的澆注工藝參數(shù)。

［1］王江濤，申明倩.基于Pro/E手機(jī)外殼壓鑄模快速設(shè)計［J］.模具工業(yè)，2008，34（3）：65—69.

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