卷氣問題在壓鑄機慢壓射過程中的研究

彭炬銘+盧升

摘 要：壓鑄機慢壓射過程中極易發生卷氣的問題，本文就某壓鑄件廠存在的該問題進行研究，就壓鑄機慢壓射過程中不同的加速度對壓射室氣體含量的影響進行探討。通過搭建壓鑄機壓射室模型，通過公式運算出不同條件下的慢壓加速度，分別利用其中的三種加速方式，借助特定軟件工具對不同加速方式下的壓鑄情形進行模擬演示，根據最終演示結果中卷氣問題的表現，選出最佳加速方式作為最優選項。

關鍵詞：卷氣問題；壓鑄機；慢壓射

一、前言

在現代金屬加工工藝中，壓力鑄造是運用較為廣泛的一種工藝，因其具有先進的少量或無切割的特殊鑄造方式，在現代金屬鑄造工藝中得到了快速發展。壓力鑄造過程中，金屬被熔融之后在高壓高速的環境下被鑄造成型，同時在高壓環境中結晶成為最終的金屬鑄件。相比于其他鑄造方式，通過壓力鑄造成型的金屬鑄件具有多項優點，例如抗拉強度好、材料利用率高且具有較高的生產效率，因此壓力鑄造在多種領域，如家電、汽車、儀器表盤等領域都得到了廣泛應用[1]。

但是壓鑄件也存在著某些缺陷。因為在壓鑄過程中，壓室內氣體通常會隨著金屬液進入模型腔道，使得金屬鑄件中常常混雜著氣體和某些雜質。鑄件內存在氣體會對鑄件的力學性能、物理性能以及抗腐蝕性能帶來嚴重影響，另外還會對壓鑄件的焊接性、氣密性、熱處理性能等產生影響，影響壓鑄件的加工性能[2]。為了提升壓鑄件的使用性能，需想辦法控制壓鑄件中氣體的含量，這對壓射過程提出了要求。其實，許多文獻都針對這一問題進行了相關探索分析，他們從壓室充滿度以及慢壓射速度等項目入手，探索這些因素對壓鑄過程中卷氣問題的影響，但是卻鮮有研究不同加速條件對壓鑄過程中卷氣問題的影響。本文則利用三種不同的加速方式，研究其對壓鑄過程中卷氣問題的影響。

二、慢壓射過程模擬模型的建立

慢壓射過程是指沖頭啟動，經過一定時間的加速達到臨界速度，之后以該速度前進，最終慢壓射行程結束。在此期間，金屬液液面推動壓射室內的氣體前行，氣體則依此通過澆道、模型腔道、排氣系統最終排到外界[3]。壓室內的壓射過程中，剛性邊界推動金屬液體前行，在此過程中涉及兩相流和動網格技術。動網格技術可以模擬由于邊界運動，而使得流場形狀隨時間改變的狀態。

三、計算模型

（一）研究對象

開始時，送料系統將熔融的金屬液體送入壓射室內，壓射室的一端通過澆道與排氣設備相連，另一端是壓射沖頭，沖頭開始運動，推動壓射室內的金屬液體前行，一直到整個壓射室充滿金屬液體。

（二）幾何模型

整個壓射系統的模型見下圖。

上圖中L1表示內澆道長，L2表示慢壓射行程，兩者長度以mm表示。經測量內澆道長度為70mm，慢壓射長度為340mm。本文在實際情況的基礎上進行了簡化，將實際情況中的三維流動簡化為兩相流。本次仿真過程假設金屬流體不可壓縮，且忽視壓射過程中的熱交換情況。

四、仿真分析

以氣體液體兩相流動為對象進行研究，采用有限體積法進行解答。對二維模型實行離散計算，生成24000個網格，24500個網絡節點，時間步長設置為0.001s，0點計時，壓力及速度耦合算法采用PISO，體積分數方程和動量方程采用了一階迎風格式作為離散格式，為提升穩定性，將氣相設置為主相。

通過對壓鑄機壓射過程中卷氣模型的有效分析，使得技術人員能夠通過數學模型，更為直觀地對卷氣問題進行了解，對卷氣過程進行更為科學的展現，進而為后續研究工作的開展創造了極為有利的條件，為相關問題的解決提供了必要的參考。

（二）壓室內氣液兩相位與速度分布情況

分別根據不同方式運動得出壓射室內氣液兩相的分布情況。從分析結果得出：若沖頭以兩階勻加速運動方式運動時，沖頭運動至0.194s完成第一次加速，進入勻速階段，此時沖頭前沿形成波浪，金屬液體的運動速度自壓室底部往上有分層；當沖頭運動至0.394s時，沖頭結束勻速運動進入第二次加速階段，此時金屬液表面呈現波浪形式；沖頭運動至0.582s時，沖頭第二次加速完成，在金屬液面和壓室頂部空間內卷入少量氣體，直至運動結束，金屬液將內澆口封閉，氣體一直未排出。因此，以此方式運動氣體在靠近沖頭部位被卷入，由于金屬液撞擊壁面形成回流，導致在頂部卷入大量氣體。

當沖頭以帶初速度的勻加速方式運動時，在 0.21 s 時刻，沖頭正處于加速階段，可以看出在沖頭前側形成了明顯的波動，至 0.30 s 時，金屬液跳動更加劇烈，液體表面出現大的波浪，并與壓射室頂部接觸，當運動至 0.377 s ，沖頭完成加速時，頂部的液面回落，在下行過程中卷入氣體，至運動結束，金屬液封閉澆口時，跡線恢復到平行狀態，流動逐漸穩定，只在頂部少量卷入氣體。

當沖頭以勻加速形式運動時，在 0.2～0.3 s時刻，沖頭雖在加速，但金屬液并未出現無明顯翻滾狀態，金屬液在沖頭的推動下平穩流動，運動至 0.383 s 時，沖頭結束加速，在沖頭前沿金屬液幾乎充滿壓射室，沒有發生卷氣現象，當運行至 0.547 s時，在壓室前端頂部位置，沖頭停止前進，金屬液封閉澆口，在靠近澆口位置速度出現明顯變化，此時金屬液中易形成漩渦；此時可以看到僅在壓射室上端存在一些細小的氣泡。

小結：

本文分析了利用三種加速度方式壓射室內的卷氣情況。結果表明，三種加速方式都會帶來一定程度的卷氣現象。其中以兩階勻加速方式運動時在第二次加速及勻速運動階段卷入大量氣體，此時卷氣不利于壓鑄件的完整成型；在沖頭帶初速度的勻加速方式運動時雖然在加速結束段卷入氣體但是在后續運動過程中實現了補償，整個過程僅卷入少量氣泡；當沖頭以勻加速方式運動時，當金屬液充滿壓室時，在壓室頂部出現了連續卷氣現象。

參考文獻：

[1] 張遠深，王旭，謝秉峰，等.壓鑄機慢壓射過程中卷氣問題的研究[J].鑄造技術，2016，37（9）：1943-1952

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