壓鑄模具內(nèi)澆口流速對(duì)充型狀態(tài)及凝固質(zhì)量的影響

王廷利，黃 劍，虞 科，陳 列，付宏源，姚 山

（1.青島科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，山東青島 266061；2.大連理工大學(xué) 寧波研究院，浙江寧波 315016；3.寧波海天金屬成型設(shè)備有限公司，浙江寧波 315821）

壓鑄是金屬液在高壓作用下快速填充到金屬模具內(nèi)，充型速度快，充型時(shí)間短，內(nèi)澆口處金屬液的流速和壓力很大。因此，模具內(nèi)澆口在壓鑄過程中起著非常重要的作用，它決定著金屬液填充型腔時(shí)的速度、流量、壓力、流場狀態(tài)等，結(jié)構(gòu)合理的內(nèi)澆口和適當(dāng)?shù)某湫退俣扔兄讷@得高質(zhì)量鑄件[1-3]。隨著計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)的發(fā)展，通過模擬仿真方法計(jì)算壓鑄過程、提取過程特征參數(shù)、為評(píng)價(jià)和優(yōu)化鑄造工藝提供支撐越來越收到廣泛關(guān)注[4]。

本文將基于鑄造模擬仿真軟件ProCast 對(duì)壓鑄模具的壓射充型過程進(jìn)行模擬計(jì)算，研究不同內(nèi)澆口流速條件下壓射室壓力、壓鑄模具充型過程狀態(tài)和作用效果。然后，結(jié)合實(shí)際的壓鑄件充型效果，評(píng)價(jià)不同內(nèi)澆口流速對(duì)壓鑄充型能力和凝固質(zhì)量的影響。

1 方案設(shè)計(jì)與建模

1.1 方案設(shè)計(jì)

本文選擇的壓鑄件模具的內(nèi)澆口與鑄件采用壓邊方式連接，內(nèi)澆口厚度均為2mm，內(nèi)澆口截面積合計(jì)約100mm2。鑄件質(zhì)量（含渣包及排氣道，不含澆注系統(tǒng)）體積為164cm3。本試驗(yàn)通過改變沖頭速度的方式來調(diào)節(jié)內(nèi)澆口的流速，沖頭速度與內(nèi)澆口流速和充型時(shí)間的關(guān)系如表1 所示。

表1 不同沖頭速度條件下內(nèi)澆口流速及充型時(shí)間

針對(duì)不同沖頭速度的工藝條件，采用鑄造模擬仿真軟件ProCast 進(jìn)行計(jì)算，得到不同內(nèi)澆口流速、壓力、型腔流場等結(jié)果信息。進(jìn)一步的，基于寧波海天金屬成型設(shè)備有限公司的HDC350-SF 型壓鑄機(jī)進(jìn)行壓鑄試驗(yàn)，得到不同工藝條件下的壓鑄件，并對(duì)其進(jìn)行外觀檢測和X 光探傷等分析檢測。

1.2 模型建立

模擬仿真采用3D 模型的組成主要包括沖頭、壓射室、壓射室內(nèi)金屬液、鑄件（空腔）、壓鑄模具等幾部分（圖1）。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)壓鑄工藝特征和模擬仿真要求，兼顧計(jì)算精度和速度，不同區(qū)域的網(wǎng)格尺寸采用不同設(shè)置，其中內(nèi)澆口的網(wǎng)格尺寸最細(xì)小，并進(jìn)行面網(wǎng)格和體網(wǎng)格的劃分。

圖1 壓射室3D 模型組成及網(wǎng)格劃分

壓射室及模具材質(zhì)為Steel H13，初始溫度為200℃。金屬液材質(zhì)為AlSi11Cu2，其液相線和固相線溫度分別為580℃和522℃，初始溫度為640℃，金屬液與壓射室壁間的換熱系數(shù)h=2000W/m2·K。

2 模擬仿真結(jié)果

2.1 金屬液的壓力狀態(tài)

從圖2 可知，金屬液承受的壓力在不同位置是不同的，壓射室內(nèi)金屬液承受的壓力最大，經(jīng)過澆注系統(tǒng)后，金屬液承受的壓力有一定的損耗，經(jīng)過內(nèi)澆口進(jìn)入模具型腔后金屬液承受的壓力驟降。隨著內(nèi)澆流速的增加，壓射室內(nèi)金屬液的壓力快速增加，在內(nèi)澆口流速為0.8m/s 時(shí)，壓射室內(nèi)金屬液的壓力約10bar；在內(nèi)澆口流速為1.6m/s 時(shí)，壓射室內(nèi)金屬液的壓力約38bar；當(dāng)內(nèi)澆口流速增加大到3.2m/s 時(shí)，壓射室內(nèi)金屬液的壓力則增長到152bar。由此可知，內(nèi)澆口金屬液流速每增加1倍，壓射室內(nèi)金屬液的壓力則增加到原來的4 倍左右。

圖2 內(nèi)澆口不同流速時(shí)壓射室內(nèi)金屬液壓力狀態(tài)

2.2 壓鑄模具型腔填充狀態(tài)

從圖3 可知，當(dāng)沖頭速度為0.8m/s 時(shí)，內(nèi)澆口處的金屬液流速約為23m/s,當(dāng)金屬液進(jìn)入型腔后，金屬液流速較小，充型比較平穩(wěn)，型腔內(nèi)的空氣容易通過排氣道排出。但是，由于內(nèi)澆口流速較小，可能也會(huì)對(duì)充型能力和凝固組織致密性帶來不利影響。

圖3 沖頭速度0.8m/s 時(shí)內(nèi)澆口及型腔內(nèi)金屬液流場狀態(tài)

從圖4 可知，當(dāng)沖頭速度為1.6m/s 時(shí)，內(nèi)澆口處的金屬液流速約為45m/s,當(dāng)金屬液進(jìn)入型腔后，此條件下金屬液的流速比沖頭速度0.8m/時(shí)的流速有所增大，流場分布紊亂度增加，型腔內(nèi)的空氣排出難度增大。但是，隨著內(nèi)澆口流速的增加，鑄型充型能力和鑄件凝固組織致密性也會(huì)有所提高。

圖4 沖頭速度1.6m/s 時(shí)內(nèi)澆口及型腔內(nèi)金屬液流場狀態(tài)

從圖5 可知，當(dāng)沖頭速度為3.2m/s 時(shí)，內(nèi)澆口處的金屬液流速約為90m/s,與上述兩種工況相比，當(dāng)金屬液進(jìn)入型腔后，金屬液流速更大，流線密度也明顯增加，這將有利于提高鑄型的充型能力和鑄件的致密度。

圖5 沖頭速度3.2m/s 時(shí)內(nèi)澆口及型腔內(nèi)金屬液流場狀態(tài)

3 壓鑄試驗(yàn)結(jié)果

分別采用沖頭速度為0.8m/s、1.6m/s 及3.2m/s的工藝條件，進(jìn)行壓鑄試驗(yàn)。壓鑄件充型效果如圖6 所示，鑄件凝固質(zhì)量的X 光檢測結(jié)果如圖7 所示。

圖6 不同沖頭速度條件下鑄型的充型結(jié)果

圖7 不同沖頭速度條件下鑄件的凝固質(zhì)量的X 光檢測結(jié)果

從圖6 可知，當(dāng)沖頭速度為0.8m/s 暨內(nèi)澆口流速為23m/s 時(shí)，排氣道上方充滿2 個(gè)橫格；當(dāng)沖頭速度為1.6m/s 暨內(nèi)澆口流速為45m/s 時(shí)，排氣道上方充滿3 個(gè)橫格；當(dāng)沖頭速度為3.2m/s 暨內(nèi)澆口流速為90m/s 時(shí)，排氣道上方充滿4 個(gè)橫格，并且產(chǎn)生了少量的飛邊。由上述結(jié)果可知，隨著內(nèi)交口流速的增加，鑄型的充型能力隨之增強(qiáng)。

從圖7 可知，當(dāng)沖頭速度為0.8m/s 暨內(nèi)澆口流速為23m/s 時(shí)，壓鑄件中存在2 處孔洞集中區(qū)域；當(dāng)沖頭速度為1.6m/s 暨內(nèi)澆口流速為45m/s時(shí)，壓鑄件中存在1 處孔洞集中區(qū)域；當(dāng)沖頭速度為3.2m/s 暨內(nèi)澆口流速為90m/s 時(shí)，壓鑄件中未發(fā)現(xiàn)孔洞集中區(qū)域。由上述結(jié)果可知，隨著內(nèi)交口流速的增加，壓鑄件凝固后組織更為致密。

4 結(jié)論

（1）基于ProCast 鑄造模擬仿真軟件，實(shí)現(xiàn)不同內(nèi)澆口流速條件下的壓鑄過程模擬仿真，獲得了壓鑄過程內(nèi)澆口及鑄型內(nèi)流場狀態(tài)。模擬仿真結(jié)果表明：隨著內(nèi)澆口流速的增加，鑄型內(nèi)金屬液流速更高，流線密度更大。

（2）基于生產(chǎn)條件下的壓鑄試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)不同沖頭速度條件下的壓鑄充型，并在凝固后獲得壓鑄件。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著內(nèi)澆口流速的增加，鑄型充型能力明顯提升，鑄件致密度也隨之增加。