摘要:以ADC12鋁合金殼體壓鑄件作為研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對此工件進(jìn)行壓鑄工藝設(shè)計(jì)。確定鑄件分型面、澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)所在的位置形式以及壓鑄工藝參數(shù)，初步擬定一套壓鑄工藝方案。 使用FLOW-3D軟件對初始方案的充型過程和充型結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬，并根據(jù)壓力、溫度、卷氣以及表面質(zhì)量等確定鑄件產(chǎn)生缺陷的位置和原因。根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化原工藝方案，對優(yōu)化方案進(jìn)行再一次的模擬分析，得到符合生產(chǎn)要求的工藝方案。

相對于砂型鑄造，壓鑄有著不可比擬的、良好的優(yōu)勢，在汽車，通訊等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。水泵殼體作為水泵上核心零部件，需要具備一定的防滲漏、抗腐蝕能力，能滿足水中特定條件下力學(xué)性能和抗低溫沖擊能力，因此對氣密性和力學(xué)性能要求高。利用壓鑄能夠避免鑄件在生產(chǎn)過程中的縮孔縮松等問題。將計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)與實(shí)際的生產(chǎn)相結(jié)合，可以大大降低成本。本課題利用FLOW-3D軟件進(jìn)行壓鑄數(shù)值模擬，得出無缺陷鑄件壓鑄方案，進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，以滿足工廠生產(chǎn)要求。

1、壓鑄工藝設(shè)計(jì)

研究對象為水泵系列殼體壓鑄件，體積為185cm3，最大壁厚為10mm，平均壁厚為3.27 mm，質(zhì)量大約為450 g，選擇具有良好流動性，中等氣密性和較好的抗熱裂性,特別是高的耐磨性和低熱膨脹系數(shù)的ADC12鋁合金作為壓鑄件材料。圖1為水泵殼體的三維結(jié)構(gòu)圖。

圖1：壓鑄件實(shí)體三維模型

根據(jù)分型面的選擇原則，結(jié)合研究對象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分型方式見圖2。

圖2：殼體鑄件實(shí)體分型方式

壓鑄工藝參數(shù)包括壓力，速度，溫度和時間。壓鑄件為鋁合金殼體，屬于一般件。選擇壓射比壓為50 MPa，壓鑄充型速度為30 m/s。壓鑄件平均壁厚為3.26 mm，對于鋁合金來說，應(yīng)選取較大的填充時間，選取充型時間為0.1s，持壓時間為5 s，留模時間為12 s。計(jì)算得到壓鑄殼體大約需要鎖模力為1 123 kN以上的壓鑄機(jī)，選擇J1113C臥式冷室壓鑄機(jī)。

設(shè)計(jì)壓鑄件內(nèi)澆口，根據(jù)計(jì)算公式：

式中，Ag為內(nèi)澆口截面積，mm² ； Vg為內(nèi)澆口處金屬液的流速，m/s； G為流經(jīng)內(nèi)澆口的金屬液質(zhì)量，g； p為液態(tài)金屬的密度，g/cm³ ；t為型腔的充填時間，s。確定內(nèi)澆口截面積為Ag =60 mm² 。圖3為內(nèi)澆口尺寸，其中W、A、L分別是為內(nèi)澆口的寬度、厚度和長度。

圖3：內(nèi)澆口厚度、寬度及長度

取內(nèi)澆口厚度為1.5 mm，內(nèi)澆口長度取L=2 mm，總寬度取W=40 mm，設(shè)置兩個內(nèi)澆口，每個內(nèi)澆口寬度取W=20 mm。橫澆道截面積為內(nèi)澆道的3~4倍，根據(jù)Ag =60mm2，確定 Ar=180mm2 。

排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是溢流槽和溢流口的設(shè)計(jì)。排溢系統(tǒng)可以收集存在于金屬液、型腔和澆注系統(tǒng)中的氣體，還可以收集首先進(jìn)入型腔的前金屬液。很大程度上減少鑄件的各種缺陷，排溢系統(tǒng)的合適與否在很大程度上影響著鑄件質(zhì)量的優(yōu)劣程度。本方案主要選用的溢流槽形狀見圖4。

圖4：溢流槽形狀

其中，b、a、h、A分別為溢流口的寬度，長度、厚度，長度。B、H分別為溢流槽的寬度以及厚度。

選用一個此形狀溢流槽具體尺寸為：A=16 mm,a=6 mm，H=7 mm，h=1mm，b=12 mm，B=20 mm；考慮到零件特點(diǎn)，在零件中間增設(shè)一個圓形溢流槽。圓形溢流槽尺寸:R=15 mm，H=12 mm，b=12 mm，a=6 mm，h=1 mm。圖5為原始工藝方案。

圖5：原始工藝方案

2、數(shù)值模擬與優(yōu)化

2.1 數(shù)值模擬

將原始壓鑄方案導(dǎo)入FLOW-3D軟件中進(jìn)行數(shù)值模擬，圖6為原始方案流場分布結(jié)果。通過模擬結(jié)果可得，壓鑄件最高溫度為680 ℃，最低溫度約為603 ℃。型腔內(nèi)金屬溫度隨著與內(nèi)澆口距離的增大，其溫度大致呈逐漸降低的狀態(tài)。溫度決定凝固的順序，溫度較低的位置首先凝固，溫度較高的位置凝固較慢。充型過程較不平穩(wěn)，在t=0.027 s時發(fā)生液滴飛濺現(xiàn)象。綜合分析得到，在模擬過程中，壓鑄件凝固方式為逐層凝固，并且按照遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的方向先凝固的順序，所以能夠及時得到補(bǔ)縮，故而不會出現(xiàn)較為嚴(yán)重的縮松縮孔。

圖：6流場分布模擬

圖7為本方案壓鑄件夾帶氣體的體積分?jǐn)?shù)。顏色為紅色的區(qū)域卷氣最為嚴(yán)重，高達(dá)56 %，本方案中鑄件上大部分區(qū)域卷氣量為28 % ，有部分區(qū)域卷氣高達(dá)38 %。壓鑄件的重要部位卷氣較為嚴(yán)重，因此該工藝方案的設(shè)計(jì)需要進(jìn)一步改善。

圖7：卷氣分布模擬結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果來看，壓鑄件表面缺陷最高處達(dá)到7.3%左右，但處于排溢系統(tǒng)上，而鑄件主體大部分表面質(zhì)量低于2%，基本不會影響鑄件的使用。再結(jié)合圖7發(fā)現(xiàn)，在表面缺陷最嚴(yán)重的位置的卷氣量也很高。因此判斷表面缺陷的產(chǎn)生和鑄件內(nèi)的卷氣量有著很大的關(guān)系。因此想要改善表面質(zhì)量，則需要從卷氣量來入手,進(jìn)行優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)。

圖8：表面缺陷模擬結(jié)果及分析

2.2 工藝優(yōu)化

原始壓鑄方案卷氣較嚴(yán)重，需要進(jìn)行工藝優(yōu)化，正確選擇澆口的位置和導(dǎo)流方式，對于非良形狀的鑄件多采用多股內(nèi)澆口，設(shè)置3個內(nèi)澆口，內(nèi)澆口寬度為8 mm、10 mm、20 mm。長度為5 mm，增加了內(nèi)澆口截面積從而使得壓射速度提高。為了改善排氣條件，在鑄件兩側(cè)增設(shè)環(huán)形溢流槽，溢流槽1尺寸為A=5 mm，H=8 mm，B=15 mm；溢流槽2尺寸為A=10 mm，H=10 mm，B=15 mm, 溢流槽3尺寸為A=5 mm，H=8 mm，B=15 mm吊耳處增設(shè)溢流槽，尺寸為A=15 mm，H=10 mm，B=20 mm，同時設(shè)置一個圓柱形冒口，R=10 mm，H=15 mm。為了增加排氣效果，改善卷氣，在鑄件端蓋處增加排氣槽。排氣槽用于從型腔中排出空氣及涂料揮發(fā)產(chǎn)生的氣體。為了使型腔中的氣體在壓射時盡可能多的被金屬液排出，將排氣槽設(shè)置在金屬液最后填充的位置。優(yōu)化工藝的三維圖見圖9。

圖9：優(yōu)化方案三維圖

將優(yōu)化方案進(jìn)行數(shù)值模擬，圖10為優(yōu)化方案溫度場模擬結(jié)果。可以看出鑄件從內(nèi)澆口開始凝固，在鑄件的充型過程中金屬液充型比較平穩(wěn)，未發(fā)生金屬液飛濺的現(xiàn)象，說明優(yōu)化方案的充型效果良好。

圖10：優(yōu)化方案流動場模擬

圖11為優(yōu)化方案卷氣結(jié)果。從模擬結(jié)果上可以發(fā)現(xiàn)，卷氣嚴(yán)重的地方集中在溢流槽和排氣槽，說明設(shè)置的溢流槽和排氣槽起到了作用，鑄件上并未發(fā)生卷氣，進(jìn)一步表明優(yōu)化方案設(shè)計(jì)合理可行。

圖11：優(yōu)化方案卷氣模擬結(jié)果

圖12為優(yōu)化方案模擬的缺陷分布?？梢钥闯觯T件中未出現(xiàn)缺陷，最大表面缺陷在2%以下，表面缺陷嚴(yán)重部位出現(xiàn)在溢流槽上，可以在壓鑄完成后將溢流槽切除。綜上，優(yōu)化方案合理可行。將優(yōu)化方案應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，得到無缺陷鑄件。圖13為實(shí)際生產(chǎn)鑄件。

圖12：優(yōu)化方案缺陷模擬結(jié)果

圖13：實(shí)際生產(chǎn)鑄件

3、結(jié)論

根據(jù)水泵殼體結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)合理壓鑄方案，將壓鑄工藝與數(shù)值模擬技術(shù)相結(jié)合，利用FLOW-3D軟件對壓鑄工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，分析卷氣及缺陷產(chǎn)生原因并進(jìn)行工藝優(yōu)化，增加多股內(nèi)澆口，增設(shè)溢流槽和排氣槽，模擬顯示無缺陷。進(jìn)行生產(chǎn)驗(yàn)證后得到符合實(shí)際生產(chǎn)鑄件。