低壓鑄造模具的變形分析與改善

李 勇，周 鵬，李鴻標，劉志平，孫國寧

（中信戴卡股份有限公司，秦皇島066011）

0 前言

鋁合金車輪具有重量輕、散熱好、精度高、綜合力學性能優異以及良好的視覺效果等諸多優點，逐步取代鋼制車輪，占據了車輪市場的主導位置[1]。鋁合金車輪的成型方法較多，主要有重力鑄造成型、低壓鑄造成型、鍛造成型、鑄造-旋壓成型、消失模鑄造成型以及擠壓鑄造成型。低壓鑄造法具有工藝成熟、生產效率高、綜合成本較低、鑄件質量好等優點，目前低壓鑄造已成為鋁合金車輪生產的主要工藝方法[2]。

在低壓鑄造生產中，模具對生產的穩定和鑄件的質量起到非常重要的作用。模具在使用過程中由于受到周期性冷熱溫度場的影響，會發生熱變形。根據測量發現，底模中心部分向上拱起的變形十分明顯，而模具變形會對模具的配合、鑄件飛邊以及鑄件的尺寸產生較大影響。因此，研究并掌握模具的熱變形規律，在模具設計方面進行優化，對改善模具變形、保證鑄件尺寸等方面具有重大意義。

1 模具變形模擬分析

1.1 ANSYS軟件

ANSYS前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網格劃分工具，可以方便地構造有限元模型[3]。ANSYS程序的自由網格劃分器功能是十分強大的，可對復雜模型直接劃分。分析計算模塊包括結構分析、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質的相互作用，具有靈敏度分析及優化分析能力。后處理模塊可將計算結果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結果以圖表、曲線形式顯示或輸出[4-5]。

1.2 底模的熱變形分析

以某工廠生產的一款低壓鑄造鋁合金車輪為例，導入其模具3D模型，輸入在生產過程中的溫度參數及邊界條件（A.180°對稱面約束；B.頂模和底模軸向上（Z方向）位移約束；C.邊模45°交界線固定約束），所形成的3D示意圖見圖1。

圖1 模具3D模型示意圖

從圖2的模擬結果來看，底模在Z軸方向上發生了向上凸起的變形，而在徑向方向上（XY平面上）有向外變形的趨勢。

圖2 模具熱變形示意圖

2 模具變形檢測

為了在實際生產中去驗證模具變形的規律，在模具正常使用后，受到冷熱溫度場變化影響，模具尺寸會發生輕微變化。通過采用特殊的檢測模具變形的工具來進行測量和分析模具尺寸的變化規律，為我們后續做針對性改善提供重要依據。

圖3是低壓鑄造模具底模示意圖，主要是底模和底板兩部分。模具在日常使用過程中在中心和邊緣部分，即螺栓柱（1）和外輪緣部分；（2）變形較為突出；（3）為底板的外側，測量工具需放在底板（3）上進行測量。

圖3 低壓鑄造模具底模示意圖

為了準確測量模具的變形量，自主研發、設計和制作了一種測量底模工具，如圖4所示。該工具設計結構合理，在測量時無需拆卸底板，操作相對簡單，對底模各個部位的尺寸可以進行準確測量，對不同大小的模具均可以掌握其變形規律。該工具結合了游標卡尺和深度尺的優點，深度尺可以向游標卡尺一樣自由移動，可測量模具任意位置。通過設計底座將該測量裝置水平放置在底板上，不需要對模具進行分解和拆卸。底座設計為一端固定，一端可水平移動，這樣設計的目的是可以平穩地將該測量裝置放置在不同大小的模具上，對不同大小模具均可以進行準確測量。

圖4 測量底模變形專用工具示意圖

以某一款模具為例，將專用工具放置在模具上方，對模具底模中心部位進行了實際測量，如圖5所示。具體測量數據如表1所示。

圖5 測量底模尺寸示意圖

表1 模具尺寸實測結果

從表1的實測結果來看，模具中心部位的變形量較明顯，最大變形量為1.2mm，對毛坯尺寸影響較大。實測變形趨勢也與模擬結果相符合，因此在實際生產過程中對于解決模具的變形和保證毛坯的尺寸顯示十分關鍵。

3 模具變形改善方案

針對上述模擬和實測的模具變形結果，模具在軸向方向上變形較明顯，為了改善模具的熱變形和保證毛坯的尺寸精度，在底模中心部位設計了5個防變形裝置。該裝置包含螺栓孔和凸臺，主要是通過此把合螺栓與底板連接，如圖6所示。利用底板和底模之間的螺栓把合力來減弱模具受熱后的內應力，抑制模具受熱中心部分向上拱起變形的趨勢，大大降低了模具的變形量，從而提高了模具和壓鑄件的尺寸精度，保證模具的正常生產使用。

圖6 防變形底模與底板配合示意圖

4 改善方案驗證

對新方案設計的模具進行了生產驗證，并通過上述專用測量工具對模具底模中心部位進行了實際測量，具體測量數據如表2所示。可以看出模具中心向上的變形量大大減少，跟原始的模具造型相比，變形量減少了1mm左右，大大提高了毛坯的尺寸精度。

表2 改進后模具尺寸實測結果

5 結語

鋁車輪低壓鑄造模具在受到周期性激冷激熱的作用下產生拉、壓交變應力，中心部分向上拱起的變形十分明顯。通過模擬分析和實際測量驗證了模具的變形規律，并針對這種熱變形采取了特殊設計，通過增加底板和底模的把合力，降低了模具的內應力和隨之產生的微觀變形，從而大大改善了模具變形的問題，保證了毛坯的尺寸精度及模具的正常使用。