鋁合金支架壓鑄模具設計及工藝模擬

黎亮

摘要：壓力鑄造是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種先進的少、無切削的特種鑄造方法。該方法的生產過程是，液態(tài)金屬在高速高壓作用下射入緊鎖的模具型腔內并保壓，結晶直至凝固，使原材料變?yōu)榘氤善坊虺善贰毫﹁T造過程是一個非常復雜的流動、傳熱以及傳質的過程。本文就鋁合金支架壓鑄模具設計及工藝模擬進行詳細探討。僅供大家參考。

關鍵詞：鋁合金；支架壓鑄；模具設計；工藝模擬

引言：壓鑄是近年來材料成型工藝中發(fā)展十分迅速的特種鑄造方法之一。鋁及鋁合金的使用主要分為加工材和鑄造材兩大類，本文用到的鋁合金即屬于鑄造鋁合金，鑄造鋁合金為保持流動性好、易于充型的特點，除含有一些強化元素外，還有大量的共晶元素。目前，鑄造鋁合金已被大量用于工業(yè)、農業(yè)、航天和建筑材料等各個領域，在工業(yè)發(fā)展過程中有舉足輕重的地位。

1.鋁合金壓鑄技術概述

1.1壓鑄工藝原理

壓鑄方法可分為熱室壓鑄和冷室壓鑄兩大類。熱室壓鑄中，壓射系統(tǒng)的壓室置于坩堝內，充型時，壓射沖頭可以直接將坩堝內的金屬液推進壓室，然后通過壓射系統(tǒng)的鵝頸管進入型腔。冷室壓鑄中，熔化金屬的坩堝和冷室壓鑄機相分離，冷室壓鑄生產效率較熱室低，但其應用范圍較廣，鋁、鋅、鎂、銅等有色合金均可使用冷室壓鑄方法加工。

1.2壓鑄工藝特點

壓鑄填充壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕，最大填充速度能夠達到每秒上百米，使整個壓鑄過程中壓射時間極短，體現(xiàn)了壓力鑄造技術高速高壓的優(yōu)勢。由于充填時有增壓過程，得到的壓鑄件組織致密，能夠保證所需要的強度和硬度。互換性方面，在同一壓鑄廠，同一型號的零件均由同一副壓鑄模具成型，所以零件的互換性好。壓鑄工藝的以上特點，使其在提高有色金屬合金鑄件的精度水平、表面質量及生產效率等方面顯示出較大優(yōu)勢。

1.3鋁合金支架

副機組支架是將動力轉向泵與水泵等附件固定于汽車副機組發(fā)動機上的直接支撐，且負責油道和水道的運輸，保障發(fā)動機的正常運轉。在汽車行駛過程中，該零件一方面要保持副機組發(fā)動機與動力轉向泵等附件的固定和平穩(wěn)，另一方面還需要承受汽車震動時產生的扭力作用。所以，它是汽車發(fā)動機動力系統(tǒng)當中的一個安全件，產品對其表面質量與內部致密性都有嚴格要求。

零件結構如圖1所示，屬于復雜薄壁鑄件，體積為8.51*1.05mm3，平均壁厚4.3mm，投影面積為1.39*104mm2，質量2.2kg，共有32處加工表面，輪廓基本尺寸約為380mm*158mm*135mm。

該副機組支架結構復雜，從各個方向來看均不對稱，前后視圖面均為曲面外形，多處有管狀開孔特征，支架下端有兩個具有特殊角度的固定腳架，每個腳架上有1個沉孔，這兩個沉孔在同一平面上，是承受扭力的主要部位。

2.模具的整體設計

壓鑄模具是壓力鑄造正常運行的重要保證，它直接決定了壓鑄件成品率的高低，其制造費用昂貴，制造完成后無法進行大幅度修改，因此壓鑄模具的設計尤為重要，一般需要綜合考慮以下幾點：

（1）模具設計應結合實際，掌握現(xiàn)有設備及裝備情況，設計出的模具結構應滿足現(xiàn)場要求，使壓鑄機的生產能力得到最大程度的發(fā)揮。

（2）采用與鑄件具體結構相匹配的澆注系統(tǒng)，注意內澆口布局與方向需保證合金液平穩(wěn)充型，且盡量使鑄型中的空氣全部排出，進而避免氣孔缺陷的產生。

（3）壓鑄模具要有足夠的強度，足以承受鎖模力及合金液壓力的作用，并在壓鑄制造時不產生變形，保證生產安全可靠。

（4）盡量使壓鑄模具結構設計得簡單，保證動模行程平穩(wěn)可靠。

（5）確保鑄型、澆注與溢流系統(tǒng)在試模后可以作適當修改。

（6）壓鑄模具結構設計合理，方便進行維護和拆裝。

（7）選取恰當的模具材料及合理的熱處理工序，延長模具的使用壽命。

（8）盡量選取標準模具通用零部件，縮短制造周期，使其有良好的互換性，節(jié)省維修成本。

2.1擬定模具總體設計的方案

壓鑄模具總體的設計原則是讓模具滿足鑄件成型工藝要求，同時具有高效低耗的經濟效益。壓鑄模設計主要內容在上文已提及。擬定了初步方案后，現(xiàn)場調研，并對設計方案加以補充和修正，使所設計的壓鑄模結構更加合理、實用和經濟。

2.1.1繪制零件圖紙

首先繪制主要零件圖，對裝配草圖中有些考慮不周的地方加以修正和補充。

在繪制零件圖時，應注意如下幾點：

（1）圖面盡量1：1的比例畫出，以便于發(fā)現(xiàn)問題；

（2）合理選擇各視圖的視角，注意投影、剖視等的正確表達，避免繁瑣、重復：

（3）標注尺寸、制造公差、形位精度、表面粗糙度以及熱處理等技術要求：

在主要零件的繪制過程中，需要對裝配草圖進行審查，存在遺漏的問題，在裝配草圖的基礎上加以修正和補充并注意以下幾點：

（1）對零件正式編號，并列出完整的零件明細表、技術要求和標題欄；

（3）裝配圖上應標注模型的立體尺寸，模具的定位安裝信息，模具的安裝方向也要加以標示：

（4）所選用壓鑄機的型號、壓室的內徑及噴嘴直徑；

（5）壓鑄件合金種類、壓射比壓、推出機構的推出行程、冷卻系統(tǒng)的進出口等：

（6）模具制造的技術要求。

2.1.2制定模擬工藝

根據實際生產條件和設計好的澆注系統(tǒng)，對模型進行網格劃分和參數設置，以縮孔縮松率為考察標準，澆注溫度、壓射速度、模具溫度為考察因素，對壓鑄過程進行數值模擬。分析模擬的結果，對壓鑄過程進行考察，通過合理的分析手段取得合理的工藝參數，并分析問題的形成原因。

3.壓鑄數值模擬技術的理論基礎

3.1鑄造過程模擬的主要內容

鑄件充型過程數值模擬：充型順序和金屬液的流動方式是鑄件充型過程重要的評價因素，關系到許多鑄造缺陷如卷氣、夾雜、縮孔等。傳統(tǒng)手段很難觀察和控制充型狀態(tài)和流動方式，計算機數值模擬技術出現(xiàn)后，對充型過程的可視化模擬成為現(xiàn)實。

3.2鑄件凝固過程的數值模擬

壓鑄凝固過程一個非常復雜的物理化學過程。大部分的鑄造缺陷即是產生于凝固過程中。因此，凝固過程的數值模擬對預測各種鑄造缺陷，改善鑄件質量，優(yōu)化鑄造工藝，以及提高生產效率都具有非常重要的作用。在壓力鑄造過程中，高溫金屬液在冷卻凝固時向鑄型及其周圍環(huán)境傳遞熱量。

3.3鑄造應力場數值模擬

應力場模擬鑄件凝固和冷卻過程中，由于各部位收縮率不同，不同溫度區(qū)間出現(xiàn)的箱變，鑄型或者型芯受到連續(xù)的加熱和冷卻導致的膨脹收縮，都會使鑄件在成形過程受到不同的應力，通過數值模擬軟件對鑄件凝固過程中的應力場進行分析，可以幫助鑄造工藝人員提前預測鑄件可能產生的形變，殘余應力的大小和鑄件裂紋可能存在的位置，減少因應變而造成的缺陷，以較低的成本優(yōu)化鑄造工藝，提高鑄件精度和性能。

3.4鑄件微觀組織數值模擬

計算機數值模擬技術可以預測鑄件微觀組織的形成，并以此進一步預測鑄件的力學性能和工藝性能，從而達到控制鑄件品質的目的。通常采用有限元法或者有限差分法來求解諸如溫度速度等宏觀量，而微觀領域內的枝晶端部，共晶薄層或球粒的動力學生長狀態(tài)則采用解析法來分析。

4.總結語

面對目前和將來的形勢，我國壓鑄業(yè)別無選擇，只有在現(xiàn)有基礎上努力提高技術水平，加快技術進步，培養(yǎng)核心競爭實力，確保壓鑄件質量，擴展壓鑄件品種，追求高效率和高效益，才能在競爭中獲得發(fā)展。