基于CAE分析的鋁鎂合金壓鑄工藝優(yōu)化研究

朵興茂

（青海鹽湖特立鎂有限公司，青海 西寧 810000）

壓鑄作為特種鑄造的一種形式，主要是借助較高的壓力讓熔融金屬（液態(tài)或半液態(tài)）在模具型腔中高速填充，在其冷卻凝固后就能夠獲得鑄件的一種成型辦法，現(xiàn)階段已經(jīng)應(yīng)用在了很多領(lǐng)域。壓鑄工藝的特點(diǎn)主要為具有較高生產(chǎn)效率、具有較高鑄件尺寸精度和表面光潔度等[1]。但是在進(jìn)行壓鑄工藝時(shí)鑄件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些鑄造缺陷，如卷氣、夾渣等。在生產(chǎn)力逐漸優(yōu)化的背景下，壓鑄件設(shè)計(jì)工藝尤其是注澆方面對(duì)設(shè)計(jì)和工藝提出了更高的需求。

本次研究便立足于鋁鎂合金基座的構(gòu)造特征對(duì)壓住工藝展開優(yōu)化分析，借助華鑄CAE軟件優(yōu)化充型過程中的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值和工藝上的分析和優(yōu)化，在應(yīng)用該工藝進(jìn)行基座的實(shí)際生產(chǎn)中了解到，生產(chǎn)處的鑄件具有較好的內(nèi)部質(zhì)量，且鑄件氣孔和夾渣問題出現(xiàn)的頻率降低，鑄件成品率得到了提升[2]。

1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

1.1 分型面的確定

壓鑄模分型面指的是綜合壓鑄模定模和動(dòng)模的表面。通常而言，模具上與鎖模力方向相垂直的結(jié)合面被稱為基本分型面。該分型面的設(shè)計(jì)中為使脫模更加簡(jiǎn)易，應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)在鑄件的最大尺寸輪廓處[3]。并盡量讓壓鑄件開模之后能夠穩(wěn)定在動(dòng)模當(dāng)中。本次研究中結(jié)構(gòu)較為繁雜且內(nèi)腔涉及多種工藝，因此著眼于模具的成型和加工特性以及鑄件結(jié)構(gòu)方面的綜合考量，最終選擇了兩種比對(duì)方案，見于圖1。其中，圖1a設(shè)計(jì)的分型面需要設(shè)置兩個(gè)抽芯在動(dòng)模處，這樣的設(shè)計(jì)提高了模具的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)難度；而圖1b所設(shè)計(jì)的分型面只需要將抽芯設(shè)置在一個(gè)方向上，所以，經(jīng)過比對(duì)確定圖1b分型摸在加工和出模上更為簡(jiǎn)易，且能夠便于布置澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)，同時(shí)還能夠很方便的去除溢流槽和澆口。經(jīng)圖1b的設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)出的鑄件成型后具有良好的外觀，不存在多余的痕跡[4]。據(jù)此，結(jié)合上述因素，本次鑄件的分型面設(shè)計(jì)采用圖1b中的方案。

圖1 分型方法

1.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的結(jié)果將對(duì)模型中金屬液的流動(dòng)狀態(tài)以及金屬液流入型腔后的流向和位置產(chǎn)生直接作用，因此想要獲得合格的鑄件，就需要設(shè)計(jì)好科學(xué)的澆注系統(tǒng)和集渣包。同時(shí)，澆注系統(tǒng)也是確定壓鑄?？傮w結(jié)構(gòu)的重要前提。壓鑄模澆筑系統(tǒng)的構(gòu)成部分為內(nèi)澆口、直澆道、橫澆道及余料。截面積Ag的計(jì)算公式為：

其中，Ag代表內(nèi)澆口橫截面積，單位為mm2；G代表內(nèi)澆口金屬液質(zhì)量（涵蓋澆注系統(tǒng)與排溢系統(tǒng)），取130%的鑄件質(zhì)量，得出G為1501.89g；P為液態(tài)金屬密度，值為2.4g/cm3；Vg代表內(nèi)澆口處金屬液填充速度，值為40m/s；t為填充型腔的時(shí)間，值為0.08s。根據(jù)上式計(jì)算后，得出Ag的值為1.956cm2。經(jīng)對(duì)壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)的查閱，得內(nèi)澆口厚度尺寸值為3mm。根據(jù)下式：

能夠得到內(nèi)澆口弧長(zhǎng)尺寸為：

根據(jù)壓鑄模設(shè)計(jì)手冊(cè)了解到，橫澆道截面積Ar的值為：

根據(jù)Ar=3Ag，計(jì)算出橫澆道面積的數(shù)值為586.8mm2。

橫澆道厚度h2能夠通過下式計(jì)算：

設(shè)定h2=5h1，計(jì)算出h2=15mm，據(jù)此，計(jì)算出橫澆道長(zhǎng)邊尺寸為：

將其取40mm，依照公式計(jì)算：

得出橫澆道入口處寬度為D=74.8mm2。通常而言，臥式冷室壓鑄機(jī)的直澆道的構(gòu)成要素主要為壓鑄機(jī)上的壓室和壓鑄模上的澆口套，而將直澆道上的位置叫做余料。余料直徑與澆口套直徑相同，均為60mm。

1.3 溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依照梯形溢流槽尺寸數(shù)據(jù)推薦，并綜合設(shè)計(jì)手冊(cè)和其他相關(guān)資料，將本次零件的溢流槽尺寸設(shè)定為A=27mm，B=35mm，H=14mm，a=6mm，b=27mm，c=1mm。 其中，A代表溢流槽總長(zhǎng)、B代表溢流槽總寬、H代表溢流槽厚度，a代表溢流口處總長(zhǎng)，b代表溢流口總寬、c代表溢流口厚度。由于需要在應(yīng)用中對(duì)其進(jìn)行定期清理，因此在基地座面的長(zhǎng)斜邊位置設(shè)置了便于清理的內(nèi)澆口。

2 原始設(shè)計(jì)方案模擬結(jié)果及分析

使用華鑄CAE壓鑄模塊模擬鋁鎂合金液壓鑄充填充過程，對(duì)上述設(shè)計(jì)方案進(jìn)行合理性驗(yàn)證，結(jié)果見于圖2。能夠了解到，圖2a中金屬液流入壓室，圖2b金屬液途徑壓室直接流進(jìn)直澆道。圖2c金屬液從橫澆道經(jīng)內(nèi)流進(jìn)鑄件型腔中，并朝著填充鑄件長(zhǎng)斜邊方向由底座面向上流動(dòng)填充。

圖2d鑄件在內(nèi)澆道附近一側(cè)開始充滿，其主要是內(nèi)澆道附近的測(cè)流槽在金屬液中發(fā)揮了儲(chǔ)存氣體和夾雜物的效果。但觀察金屬液的流向能夠了解到箭頭指向的位置容易由于渦流的出現(xiàn)而發(fā)生卷氣或滯留夾渣物，而根據(jù)上文中的工藝設(shè)計(jì)中能夠了解到，這一位置很難進(jìn)行溢流槽的設(shè)置。圖2e金屬液流進(jìn)了鑄件型腔中部并開始填充，圓筒最上方9部位表現(xiàn)出了“孤島”狀態(tài)，可能會(huì)出現(xiàn)卷氣或夾渣的問題。而距離內(nèi)澆口一側(cè)較遠(yuǎn)的溢流槽為最后填充，能夠發(fā)揮對(duì)冷金屬液的收集作用。鑄件型腔完全填充完畢為圖2f，從開始到結(jié)束，填充時(shí)間共計(jì)0.036406s。

圖2 原始方案充型模擬結(jié)果

3 優(yōu)化方案模擬結(jié)果及分析

依照對(duì)上述結(jié)果模擬和分析來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化工藝方案，可以選用在鑄件底面增設(shè)一條內(nèi)澆道用以輔助（圖3為模擬結(jié)果）。圖3a金屬液從壓室開始向橫澆道流入。圖3b金屬液途徑兩個(gè)內(nèi)澆道向鑄件兩側(cè)的型腔流入。圖3c金屬液從A內(nèi)澆道一側(cè)開始填充到10臺(tái)階位置，而流經(jīng)輔助澆口的金屬液則從另一端開始向鑄件型腔流入，而過程出現(xiàn)的金屬液中的氣體和夾雜物則通過10上部溢流槽收集處理，因?yàn)樵谠黾恿溯o助澆口設(shè)計(jì)，金屬液的充型過程中能夠很好的解決鑄件底部箭頭所指位置出現(xiàn)卷氣或滯留夾雜物的問題。

圖3d中，金屬液已充滿靠近A內(nèi)澆道的一側(cè)，開始向中部型腔進(jìn)行填充。圖3e能夠了解到，金屬液填充方向剛好不會(huì)讓圓筒頂部發(fā)生“孤島”現(xiàn)象，最后填充的位置為內(nèi)澆口另一側(cè)鑄件型腔，這一部分設(shè)置的溢流槽能夠很好的進(jìn)行溢流，證明了在該位置設(shè)計(jì)溢流槽的合理性。圖3f為型腔完全填充結(jié)束，整個(gè)流程耗時(shí)0.035169s、能夠了解到，較之于最初僅設(shè)置一個(gè)內(nèi)澆口而言，增設(shè)輔助內(nèi)澆道的優(yōu)化方案更能夠合理引導(dǎo)金屬液充型，并能夠很大程度上降低鑄件出現(xiàn)頂部凸臺(tái)或底部存在夾雜物或氣孔的問題。

依照優(yōu)化后的方案對(duì)鑄件模具進(jìn)行了設(shè)計(jì)和建造，并在大批量生產(chǎn)后進(jìn)行觀察，了解到該方案能夠有效的控制鑄件基座出現(xiàn)氣孔或夾雜物的鑄造缺陷問題。圖3是在某次生產(chǎn)后帶有澆注系統(tǒng)與溢流系統(tǒng)的基座（因?yàn)橐缌鞑蹧]有很好的連接鑄件，因此一個(gè)溢流槽已經(jīng)脫落）。經(jīng)過此次研究結(jié)果了解到，應(yīng)用花鑄CAE模擬軟件對(duì)壓鑄工藝進(jìn)行的優(yōu)化能夠很好的解決實(shí)際生產(chǎn)中所遇到的問題。

圖3 生產(chǎn)的基座鑄件

4 結(jié)語

在本次鋁鎂合金工藝開發(fā)中，借助了華鑄CAE軟件模擬了充型過程，使?jié)沧⒁缌飨到y(tǒng)的設(shè)計(jì)合理性得到了驗(yàn)證。最初但內(nèi)澆口的方案左側(cè)能夠較快的充型，但圓筒內(nèi)部經(jīng)常發(fā)生“孤島”問題，且底部后填充處經(jīng)常存在卷氣或夾雜物。而經(jīng)過優(yōu)化后的雙內(nèi)澆口設(shè)計(jì)則能夠很好的使金屬液進(jìn)行充型，并解決了初始方案中所存在的上述問題。在經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)中了解到，使用優(yōu)化后的工藝方案所生產(chǎn)出的鑄件，有效改善了氣孔和夾渣等方面的問題，鑄件合格率得到了很大程度的提升。