鋁合金殼體件壓鑄工藝的數值模擬

劉珂，黃文超，袁世平，劉斌

(1.重慶理工大學材料科學與工程學院，重慶 400050;2.工業和信息化部電子第五研究所華東分所，江蘇 蘇州 215011)

壓力鑄造成形是一種重要的材料成形方法。采用壓鑄方法得到的壓鑄件，由于具有強度高，表面硬度高以及形狀復雜、薄壁等特點，因而得到了廣泛的應用。在壓鑄過程中，因金屬液在高速、高壓下迅速充型和凝固，極易產生氣孔、夾雜、冷隔、流痕等鑄造缺陷[1]，嚴重影響了壓鑄件的質量。

模具設計是影響壓鑄件成形的重要因素之一，尤其是澆注系統和排溢系統的設計。通過數值模擬壓鑄充型及凝固過程可以預測缺陷，從而優化模具設計。文中借助鑄造模擬軟件Anycasting對鋁合金殼體零件的壓鑄過程進行模擬，進行分析并得出結論。

1 鋁合金殼體件鑄造工藝分析

鋁合金殼體件的三維外形如圖1所示，外形尺寸為164 mm×138 mm×75 mm，平均壁厚為5 mm，質量為1.17 kg。殼體件的材質為Al-Si-Cu系合金，鑄件本體抗拉強度σb≥230 MPa，屈服強度σs≥150 MPa，屬于高強度、高韌性的薄壁復雜零件。此零件為某型號汽車的轉向器殼體件，是汽車轉向系統的重要部件，對其內外質量的要求非常嚴格。

圖1 殼體零件三維造型Fig.1 3D model of shell part

2 數學模型的建立

2.1 充型過程流場模擬的數學模型

針對液態金屬充型過程，常用的數值模擬以動量守恒方程和質量守恒方程為基礎[2]。

質量守恒方程:

式中:u，v，ω 分別為速度矢量在 x，y，z方向上的分量;ρ為單位密度的壓力;gx，gy，gz為重力加速度分量;μ為運動速度;▽2為拉普拉斯算子。

2.2 凝固過程溫度場模擬的數學模型

凝固傳熱的基本規律可以用傅里葉導熱微分方程來描述:

式中:cp為定壓比熱容;λ為導熱率;Q為熱源項。

3 模擬過程的前處理

3.1 模擬模型的建立

應用三維造型軟件UG對殼體零件的澆注系統和排溢系統進行設計，由于零件具有3個不同方向的圓筒結構，至少需要4個不同方向上的抽芯機構，因此只能采用一模一腔的布局才能保證抽芯結構的合理設置。為使金屬液沿型腔壁充填型腔，避免正面沖擊型芯，采用環形澆口，這種澆口布局還能夠增加壓鑄件的排氣性。

在確定了澆注系統的位置之后，要合理確定排溢系統的位置。溢流槽通常設置在金屬液最先沖擊或最后充填的部位;或者在兩股或多股金屬液匯流、易裹入氣體或產生渦流部位;或者在鑄件局部過厚或過薄部位[3]。由此，在鑄件端部設置了5個溢流槽，最終設置的澆注系統及溢流槽的位置，如圖2所示。

圖2 澆注系統和溢流槽的布置Fig.2 Layout of gating system and overflow well

利用Anycasting中的AnyMesh模塊劃分網格，最終劃分的節點數為49594，網格數2044078，保存文件，導出.gsc格式文件。

3.2 模擬邊界條件的確定

殼體鑄件所選的鋁合金材料為ADC12，其化學成分見表1。ADC12屬于共晶型合金，其共晶溫度約為577℃，液相線溫度為580℃，固相線溫度為515℃[4]。澆注溫度一般較液相線高50～100℃，因此設定初始澆注溫度為670℃。模具材料選擇H-13鋼。通過結合鋁合金殼體鑄件的結構特性和查閱壓鑄技術手冊[5]，確定了壓鑄工藝參數。壓鑄模擬的邊界條件見表2。

表1 ADC12化學成分(質量分數，%)Table1 Chemical compositions of ADC12

表2 模擬的邊界條件Table2 Boundary conditions of simulation

4 模擬結果及分析

壓鑄件的充型凝固過程會產生沖擊破壞、氧化、傳熱等一系列物理及化學變化，在鑄造過程中產生的大部分缺陷如卷氣、夾渣、縮孔、縮松等，都與壓鑄件的充型過程有著緊密的聯系。用數值模擬方法可以模擬金屬液的流動狀態及溫度分布等變化規律，通過金屬液的流動變化規律可以直觀分析和預測缺陷，判斷澆注系統及排溢系統設置是否合理。

4.1 充型過程

圖3 不同時刻的充型狀態Fig.3 Filling state in different times

壓鑄殼體件不同時刻下的充型情況如圖3所示。由圖4可以看出，充型時間約為0.115 s。金屬鋁液充型平穩，未出現紊流、飛濺等現象。充型過程中溫度場分布合理，保持了良好的流動性，金屬鋁液順利充型，最終得到了良好的鑄件。當t=0.052 s時，金屬液由殼體件邊上的環形內澆道進入型腔。在t=0.069 s時，金屬液開始分流由直型腔進入左右兩側型腔。由于右側管壁型腔較長且較厚，故其充型速度較左側型腔更快。當t=0.104 s時，鑄型部分的型腔都已充填完成，金屬液進入溢流槽。由此驗證了溢流槽設置在金屬液最后填充部位的合理性。在t=0.109 s時，由圖3中的溫度分布可以看出，充型后型腔的金屬液溫度在623℃以上，避免了冷隔現象的產生。

圖4 充型的時間分布Fig.4 Distribution of filling times

4.2 凝固過程分析

圖5 不同時間的凝固狀態Fig.5 Solidification state in different times

充型結束后整個型腔及澆注系統的凝固狀態如圖5所示，可以看出鑄件完全凝固時所用時間為43.445 s。將鑄件部分所標注的顏色與左側的溫度色相比較，即為對應部位的凝固時間。呈深色的型腔部位大部分的凝固時間在4 s之內，最后凝固的是呈淺色的直澆道部分。

圖6 不同時刻凝固的溫度分布Fig.6 Temperature fields of solidification in different times

不同凝固時刻的溫度分布情況如圖6所示。在t=2.200 s時，可以得出最先凝固的部位為溢口和內澆口，因為溢口和內澆口為薄壁部位，故這兩處先凝固。由t=5.262 s到t=6.470 s的凝固順序為從薄壁處的溢口和內澆口處向壁厚相對較厚的型腔中間部位凝固。在t=6.470 s時可以看出，管桶狀型腔端處的4個溢流槽1，2，3，4在最后時刻凝固，起到了接納型腔中的氣體及夾雜物的作用，改善了填充條件。

4.3 缺陷預測

Anycasting中給出了缺陷預測模型，即 Probabilistic Defect Parameter，并在其中給出了含有相關參數的缺陷預測判據。選用參數為殘余熔體模數(Retained Melt Modulus)的缺陷預測判據來預測缺陷，可得到與實際比較吻合的結果[6]。殘余熔體模數公式為:

式中:M為殘余熔體模數;V為殘余熔體體積;A為殘余熔體比表面積。

殘余熔體模數基于孤立熔體預測縮松，A越小說明熔體比較集中，V越大，說明孤立熔池區越大，更容易形成孤立熔池而產生縮松缺陷。圖7顯示了缺陷的最終位置是在直澆道端面處，而壓鑄件型腔的凝固狀態良好，未產生明顯缺陷，與預測的結果吻合。

圖7 缺陷概率參數Fig.7 Probabilistic defect parameter

5 結語

通過鑄造模擬軟件Anycasting模擬了鋁合金殼體件充型和凝固過程。結果顯示:在壓射速度為2 m/s，澆注溫度為670℃，模具預熱溫度為180℃時，鑄件中縮孔、縮松等缺陷最少，性能最優。根據模擬結果對澆注系統及排溢系統進行了合理化設置，提高了后續生產質量。

[1]陳位銘，金勝燦.鋁合金壓鑄工藝的數值模擬及應用[J].汽車技術，2005(6):32 －35.

[2]吳士平，于彥東，王麗萍，等.提高充型過程數值模擬運算速度的動態超松弛迭代算法[J].中國有色金屬學報，2003，13(5):1219 －1222.

[3]模具實用技術叢書編委會.壓鑄模設計應用實例[M].北京:機械工業出版社，2005:114－115.

[4]紀蓮清，紀培英，熊守美，等.澆注溫度對ADC12合金超低速壓鑄件組織性能的影響[J].特種鑄造及有色合金，2008，28(7):529 －531.

[5]宋滿倉.壓鑄模具設計[M].北京:電子工業出版社，2010:70－88.

[6]徐慧.福特3S4G發動機缸蓋低壓鑄造模擬分析及模具熱平衡研究[D].重慶:重慶大學，2009.