基于Anycasting軟件的殼體仿真分析及工藝優化

周波 張立強 高進偉 韓鵬飛

摘? 要： 為得到高質量鑄件，針對汽車轉向器伺服殼體壁厚不均，結構復雜的特點，使用UG對殼體進行三維建模并使用Anycasting模擬鑄造軟件對殼體高壓鑄造充型及凝固過程進行數值模擬，改進模具結構優化壓鑄工藝參數，有效地預測了在壓鑄過程中出現的縮松縮孔問題的位置。通過正交試驗與Anycasting模擬軟件分析得出ADC12鋁合金轉向器伺服殼體優化后的壓鑄工藝方案：澆注溫度為630℃，模具初始預熱溫度為180℃，壓射速度為1.6 m/s。通過壓鑄件生產加工實驗和金相試驗驗證了優化后的鑄件質量明顯提高。

關鍵詞：??Anycasting;數值模擬;高壓鑄造;工藝優化;正交試驗

中圖分類號： TP311;TG249.2 ???文獻標識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.043

本文著錄格式：周波，張立強，高進偉，等. 基于Anycasting軟件的殼體仿真分析及工藝優化[J]. 軟件，2020，41（07）：210-215

Simulation Analysis and Process Optimization of Housing Based on Anycasting

ZHOU Bo， ZHANG Li-qiang， GAO Jin-wei， HAN Peng-fei

（School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Science， 201620， China）

【Abstract】： In order to obtain high-quality castings， the wall thickness of the servo housing of the steering gear is uneven and the structure is complex. The housing is three-dimensionally modeled using UG and the high-pressure casting filling and solidification process is carried out using Anycasting simulation casting software. Effectively predicting the location of shrinkage and shrinkage problems that occur during the die casting process. Through the orthogonal test and Anycasting simulation software， the die casting process of ADC12 aluminum alloy steering gear servo housing is as follows： casting temperature 630℃， initial mold temperature 180℃， injection speed 1.6m/s. Through the die casting production experiment and metallographic test， it is found that the optimized process parameters significantly improve the casting quality.

【Key words】： Anycasting; Numerical simulation; High-pressure casting; Process optimization; Orthogonal test

0? 引言

高壓鑄造由于具有生產效率高、鑄件尺寸精度高、可以生產復雜薄壁類零件等特點而被廣泛應用于汽車零部件生產制造、化學工業、機床以及通信行業中^[1-3]。在壓鑄生產過程中，金屬液體在高溫高壓狀態下高速充填模具型腔，若充型過程不順暢，則會導致鑄件容易產生氣孔和流痕等缺陷。若凝固過程中的溫度場分布不均勻，則會使鑄件容易產生縮孔縮松等缺陷^[4-5]。汽車轉向器伺服殼體是轉向器總成中的一個核心零部件，對零件的可靠性有較高的要求，不能夠存在較多氣孔和縮孔、縮松的問題，否則將大大降低零件使用壽命。工藝方案的選定在傳統上多為人工試模，該方法會大大增加人工成本和時間成本，不能滿足企業長遠發展需求。

近年來，隨著計算機技術和CAD/CAM/CAE技術的發展，使得鑄造過程的模擬成為可能，這對?? 降低成本、提高鑄造企業的競爭力，具有重要的作用^[6-7]。Cato Dorum ^[8]等人利用仿真軟件對U型板鑄造過程進行了模擬，通過分析鑄造過程中出現的鑄造缺陷，并提出了合理解決辦法。劉洋^[9]等人運用Magmasoft仿真軟件結合正交試驗對壓鑄成型過程進行仿真分析，并對相關工藝參數進行優化分析，研究表明Magmasoft仿真軟件可以較為準確地預測缺陷類型及位置。Anycasting是一款可以模擬分析各種鑄造工藝過程的專業鑄造模擬軟件，可對鑄造充型和凝固過程中涉及的流場、溫度場等進行數值模擬分析^[10]。通過對模擬結果進行分析，可以準確預測鑄造過程中出現的縮孔縮松、氣孔、流痕、澆不足等缺陷，進而為模具澆排系統、冷卻系統及壓鑄工藝參數的優化提供指導。

本文使用UG軟件和Anycasting軟件對轉向器伺服殼體的壓鑄充型及凝固過程進行模擬仿真，并以鑄件充型時間與孔隙率為判斷依據，建立正交試驗方案，尋找最優工藝方案，以提高鑄件質量，滿足鑄件使用要求。

1 ?數值模擬理論和基礎方程

在鑄件充型過程數值模擬中，液態金屬被看作為不可壓縮的流體，其流動過程服從連續性方程、能量守恒原理、對流熱交換方程等^[11]。

2 ?轉向器伺服殼體壓鑄模擬前處理

轉向器伺服殼體的三維模型如圖1所示，它的整體外形尺寸為190 mm×148 mm×109 mm，質量為817.735 g。用UG軟件計算出轉向器伺服殼體的壁厚參數為：平均壁厚4.96 mm，最大壁厚16.2 mm。

轉向器伺服殼體的材料采用ADC12鋁合金，ADC12鋁合金質量較輕，鑄造工藝性好，同時具有強度和硬度較高，耐沖擊性好，耐腐蝕性好，機械加工性能良好的特點，因此，ADC12鋁合金在汽車零部件制造領域得到了非常廣泛的應用。表1為ADC12鋁合金的材質構成，ADC12鋁合金在570℃ 情況下的物理參數如表2所示^[12]。

3 ?模擬仿真與分析

從圖2中可以看出，當t=0.3131 s時，兩個分支橫澆道中的合金液同時到達內澆口并開始充填型腔。當t=0.3180 s時，充型率為40%，兩個分支橫澆道中的合金液匯流后沿著型腔側壁繼續充填，此時，在直的分支橫澆道一側的型腔側壁細節部位處出現了合金液充填不到的情況，此處可能卷入了氣體，原因為該處的型腔側壁細節部位結構較復雜，使合金液的充填受到了阻礙作用。當t=0.3516 s時，充型率為80%，合金液已基本充滿整個型腔，僅在直的分支橫澆道一側的加強筋及圓筒筒壁的過渡處還存在少量合金液未充填到的部位。當t=0.3602 s時，合金液已經充滿鑄件型腔，并進入鑄件末端的

排溢系統，可以看到溢流槽和排氣槽中包含了許多型腔中排出的合金液及氣體，說明溢流槽和排氣槽相互配合，起到了較好的容納冷污金屬及排氣的作用。從合金液在充型過程中不同時刻的流動狀態來看，合金液的充型過程較為平穩。

優化模具結構后的壓鑄成型數值模擬中，轉向器伺服殼體鑄件出現缺陷處的典型截面如圖3和圖4所示，其中，典型截面X為鑄件直的分支橫澆道一側加強筋P1的水平剖切面，典型截面Y正好為鑄件的分型面，并且該截面也是較寬的彎曲分支橫澆道一側的加強筋、兩個凸出部位及溢流槽的水平剖切面。圖5和圖6分別為用殘余熔體模數法對截面X和截面Y進行的缺陷預測，從圖中可以看出，在優化模具結構后的壓鑄成型數值模擬中，鑄件仍有缺陷發生，但鑄件型腔兩側的加強筋處及側邊的兩個凸出部位處發生缺陷的可能性與原始方案相比已有所減小。圖5與6中位于澆排系統部位的缺陷可不用考慮，因為這些部位會在后續加工中被切除。

4 ?正交試驗設計及生產驗證

4.1 ?正交試驗設計

根據壓鑄生產實踐經驗和Anycasting軟件的實際情況，本章選取了三個對鑄件質量有重要影響的壓鑄工藝參數進行試驗驗證，這三個壓鑄工藝參數為：合金液澆注溫度、壓射速度和模具初始預熱溫度。據此建立正交試驗因素水平表及試驗方案^[13]，如表3所示。

本試驗方案需要進行9組正交試驗，基于試驗方案中提供的數據，使用鑄造模擬軟件Anycasting進行壓鑄數值模擬。為了準確分析壓鑄模擬結果，選取轉向器伺服殼體的兩個典型截面X、Y進行觀察，在之前的預測中，這兩個典型截面出現缺陷的概率較大。截面X為鑄件直的分支橫澆道一側加強筋的水平剖切面，截面Y正好為鑄件分型面，并且該截面也是較寬的彎曲分支橫澆道一側的加強筋、兩個凸出部位及溢流槽的水平剖切面。圖7和圖8給出了其中第一組正交試驗中鑄件典型截面X、Y上的概率缺陷分布情況。

通過對九組正交試驗的數值模擬結果進行分析計算，得到了正交試驗數據表4。

本試驗中，目標函數表示的是鑄件截面上的缺陷概率參數，缺陷概率參數越小，說明鑄件截面上的缺陷面積總得分越小，亦即此組工藝參數越接近最優的壓鑄工藝參數，因此應選取使鑄件截面上的缺陷面積總得分最小的那個水平，即三個因素列中最小的那個缺陷面積總得分平均值對應的水平。從表4中可以看出：U因素（澆注溫度）列：k1<k3<k2;V因素（壓射速度）列：k3<k2<k1;W因素（模具初始預熱溫度）：k3<k2<k1;根據以上分析可知，最優的試驗方案為U1V3W3，即澆注溫度630℃、壓射速度1.6 m/s、模具初始預熱溫度180℃。

4.2 ?生產驗證

根據實際需要，本課題選用東芝350T壓鑄機進行壓鑄生產。選取如圖9和圖10所示的四個關鍵位置進行分析。

圖11為從鑄件典型截面處所取的試樣在金相顯微鏡下放大50倍后的微觀組織。從圖中可以看出，壓鑄試驗條件下得到的鑄件，其典型截面處的微觀組織均勻致密，無明顯大的氣孔或縮孔縮松缺陷存在，與原始方案相比，缺陷情況得到了明顯改善。

5 ?結論

通過Anycasting仿真模擬與正交試驗分析，知到了金屬液澆注時間主要受壓射速的度影響，澆注溫度對支架鑄件縮松縮孔缺陷有更為顯著的影響，模具初始溫度次之。最終確定了伺服殼體鑄件壓鑄的合理工藝方案：澆注溫度為630℃、模具預熱溫度為180℃、壓射速度為1.6 m/s。在最優方案確定后，通過鑄件樣件試制及觀察樣件微觀組織可知試制鑄件無明顯缺陷，進一步確定了工藝方案的合理性。

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