基于PROCAST的铝合金缸体压铸工艺数值模拟_就上UG网

     压铸的主要特点是利用模具型腔对金属熔体施加高压，从而形成形状复杂、薄壁的铸件。铝合金压铸件已成功应用到汽车、摩托车、通讯、家电、五金制品等领域。随着计算机技术的发展，数值模拟在铸造过程中得到广泛的应用，可用于预测铸造缺陷，如缩孔、缩松、热裂、冷隔等，进而优化铸造工艺，实现理想的型腔填充。压铸过程中压射速度、浇注温度和模具预热温度等工艺参数对铸件品质影响显著。曹文炅等利用数值模拟技术对船用柴油机活塞同时凝固工艺进行模拟，准确反映了热节产生的位置；钱进通过优化浇注工艺方案等方法，获得球铁件凝固的温度场，进而获得致密铸件。

     缸体零件结构复杂、多变，型腔和孔较多，同时具有不规则的外形和内腔。铝合金缸体因为质量轻，导热性良好，从而使用越来越普遍。

     本课题利用ＰｒｏＣＡＳＴ软件模拟某公司铝合金气缸缸体的压铸充型和凝固过程，预测在压铸过程中缩孔、缩松等缺陷产生的位置，分析其原因，优化工艺案，改变工艺参数，从而提高铸件品质。

     １、　模拟前处理

     １．１　模型的建立

     利用三维软件建立浇注系统模型，见图１。缸体外形尺寸为７７ｍｍ×８４ｍｍ×１５０ｍｍ，质量为０．８６８ｋｇ，浇注系统质量为０．１７４ｋｇ。直浇道选用沉入式，内浇口设置在缸体壁厚处，可减小金属液充型时的阻力，同时也可以起到补缩作用，内浇口数目为４个。溢流槽分布在离浇口最远的位置以及金属液最后充型的位置。

  

     

     在ＰｒｏＣＡＳＴ的Ｍｅｓｈｃａｓｔ模块里对模型进行网格剖分，生成体网格。为保证模拟准确性，应保证圆弧曲面划分合理，截面内保证有一个以上的自由单元［４］。此模型生成的节点数为１１０　３７９，单元数为５４７　３０１。

    １．２　工艺参数的确定

    缸体材质为ＡＤＣ１２，其热物性参数见表１。其液相线温度为５８０℃，固相线温度为５１８℃。需用系统中预期成分接近的Ａ３５６合金。模拟试验中，选用Ｈ１３钢作为模具材料，模具与外界的传热一般设置为空冷。


                 

    边界条件要根据边界的形状以及传热的情况而定，边界的传热情况通常用边界传热系数来衡量，包括铸件与铸件、铸件和铸型环境的界面传热系数两部分［５］。压铸件和模具之间存在界面传热，且属于金属－金属型传热。对于铝合金压铸来说，界面传热系数常取１　０００～２　０００Ｗ／（ｍ２·℃），本模拟取１　５００Ｗ／（ｍ２·℃）。压铸模拟时，主要考虑压射速度、浇注温度和模具预热温度这３ 个工艺参数。本课题采用的压射速度为１０ｍ／ｓ，浇注温度为７００℃，模具预热温度为１００℃，模拟时间总步数为３　０００，模拟终止温度为５０℃。

     ２、　模拟结果与分析

     充型过程见图２，整个充型过程时间为０．１８７ｓ。浇注系统采用的是分叉式浇道。０．００７　６ｓ时，中间两股金属液从横浇道经过内浇口注入模具的型腔，见图２ａ；在０．０３９ｓ时，另外两股金属液流入型腔，在压力作用下，金属液一部分沿铸件内壁向上方凸台处流动，一部分向下流动，之后两股金属液平稳的向型腔底部汇聚，见图２ｂ；在０．１３７ｓ时，两股金属液即将汇聚，由于两股金属液的流动方向不同，在汇聚时易引起金属液的飞溅，致使充型不平稳，且金属液前端可能出现不同程度的氧化，从而造成卷气和氧化夹杂缺陷，见图２ｃ；在两股金属液汇聚之后，金属液恢复平稳，在０．１７８ｓ时，最终金属液将充满溢流槽，见图２ｄ。在整个过程中，没有产生浇不足的情况。由于浇注速度较大，在充型结束时型腔内的温度仍然接近浇注温度７００℃。

   
　　ＡＤＣ１２合金凝固过程见图３。充型完成后，金属液温度开始下降，在０．３９８ｓ时开始凝固，在３１．３９ｓ时最终凝固，之后冷却到设定的温度。从图３可以看出，缸体上各部位凝固是不同步的，中间薄壁处温度下降较快，首先凝固，且横浇道和内浇口温度下降较铸件快，可能出现早期凝固现象。从图３ａ可见，缸体上２处的温度明显高于缸体１处的温度，因此，１处比２处先凝固，造成２处无法由浇口处得到补缩，且４处的温度低于３处的温度，４处比３处先凝固；从图３ｃ和图３ｄ可见，在ｔ＝２６．８５５ｓ和ｔ＝３６．４３５ｓ时分别处于缸体凝固的后期和凝固刚结束的状态，此时可以看到在３、４、２、１处的温度依次降低，３处壁最厚，冷却速度最慢，最后凝固，且在此处并没有设置冒口，因此在缸体的凸台处可能会出现缩松、缩孔缺陷。
                                      
  
                    
  
                          

     
       图４为ＡＤＣ１２合金的凝固缺陷预测。由图４ａ可知，在充型０．１７５ｓ时压铸件出现氧化夹渣处的充型情况，椭圆位置标注的是金属液在缸体里最后填充的地方，可见此处有明显的卷气，容易造成形腔内的空气和金属液的氧化皮无法排出，而形成氧化夹渣。这些氧化皮可以通过设置集渣包排出，以免使氧化皮聚集在压铸件的型壁上。从图４ｂ中可以看出，铸件的凸台和棱角处有明显的缩松、缩孔，且缩松、缩孔主要出现在缸体的４个棱角的壁厚最大处，与上述预测结果一致。这是由于在４个棱角和台阶周围的壁厚较薄，散热较快，凝固速度快，致使凸台和棱角处得不到很好的补缩，从而造成缺陷的产生
                              

      
　　为减少缩孔等缺陷的出现，可以采取改善浇注系统、改变工艺参数等措施。

     ３、　工艺方案的改进
    根据原方案的模拟结果及分析可知，铸件有明显的缩松、缩孔，且主要出现在壁厚较大且温度过高的台阶处［６］。为此需降低凸台和凸台周围的温度差，加快凸台和棱角处温度的下降。由于原方案在冷却时出现内浇口和横浇道先冷却的现象，因此，对内浇口和横浇口进行改进，增加浇道的厚度，从而延缓冷却时间；在缸体的４个棱角处和凸台
周围设置冷却水道，通过高压冷却水对凸台处的高温金属液进行冷却，加快金属液温度的下降；同时为了排出型腔内的气体、涂料残渣以及增强金属液的补缩能力，在缸体凸台处增设溢流槽和排气槽。改进后的工艺方案模型见图５。以相同的工艺参数对改进后的模型进行模拟，产生的缩孔、缩松缺陷见图６ａ。


                  
      
  
    利用改进后的工艺方案，对不同的工艺参数进行模拟分析。设定浇注速度、浇注温度和模具预热温度，方案１的３个参数分别为５ｍ／ｓ、７００℃、１００℃；方案２的３个参数分别为５ｍ／ｓ、６６０℃、１００℃；方案３的３个参数分别为５ｍ／ｓ、６６０℃、１８０℃。对３种方案进行模拟，产生的缺陷位置和大小，见图６ｂ～图６ｄ。



      
                             
  　由图６可知，由于增设冷却水道和溢流槽，与原工艺方案相比，缸体缩孔、缩松缺陷明显减少。比较图６ｂ和６ａ可知，降低压射速度能减少缩孔、缩松的产生。因为压射速度过大，导致金属液对型腔的冲击加大，使金属液粘附在型腔内，且型腔内的空气不易排出从而导致缺陷的产生；比较图６ｃ与图６ｂ，缩松等缺陷减少，说明方案２的浇注温度更合适，因为浇注温度７００℃对于铝合金液相线温度（５１８ ℃）而言相对较高，凝固时间较长，凝固收缩较大，铸件组织晶粒粗大，容易产生缩孔、缩松等缺陷；图６ｄ中缩松、缩孔缺陷最少，说明适当增加铸型的预热温度，防止了金属液因为进入型腔后温度突然降低而无法成形，从而减少缺陷的产生，在此方案条件下，几乎无缩松、缩孔缺陷。

     预测了缸体在压铸时容易产生缺陷的位置。合理布置冷却水道和溢流槽，降低压射速度，提高铸型预热温度，减少了卷气，降低了金属液氧化的可能性，减少了缩松、缩孔缺陷。