任天娟

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300）

鋁合金接頭的壓鑄工藝數(shù)值模擬分析

任天娟

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300）

本文以鋁合金接頭為研究對象，基于ProCAST的鑄造工藝數(shù)值模擬技術(shù)，對鋁合金壓鑄件的凝固過程和充型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。依據(jù)模擬結(jié)果的分析以及壓鑄工藝的改進(jìn)，最終設(shè)計出合理的壓鑄工藝。整個過程合理有效，可為同類產(chǎn)品的生產(chǎn)提供參考。

壓鑄 Procast 凝固過程 溫度場

隨著制造業(yè)的迅猛發(fā)展，壓鑄件在汽車行業(yè)、儀表工業(yè)、電子工業(yè)及日用五金等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，使得對壓鑄模具的設(shè)計制造要求也隨之有了相應(yīng)的提高。以往我國壓鑄模具設(shè)計主要依靠經(jīng)驗以及通過試模，反復(fù)不斷地修改工藝參數(shù)，改進(jìn)模具結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)，才能達(dá)到預(yù)期較好的效果。這樣使得模具設(shè)計制造的周期很長、生產(chǎn)成本提高。

本文利用CAE技術(shù)，選取鋁合金接頭為研究對象，應(yīng)用ProCAST軟件，對壓鑄件的成型過程進(jìn)行數(shù)值分析模擬。經(jīng)過充型過程和凝固過程的分析，預(yù)測壓鑄件可能出現(xiàn)缺陷的部位。通過多次實驗，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而測算得到最佳工藝方案，以對生產(chǎn)實踐提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 鋁合金接頭的特點及工藝

1.1 鋁合金接頭的特點

本文研究的壓鑄件如圖1所示。鋁合金接頭是回轉(zhuǎn)體，總體尺寸φ25mm×18mm，材料YL102，要求大批量生產(chǎn)。壓鑄件輪廓要求清晰，表面要求光潔，不允許有冷隔以及夾雜等相關(guān)缺陷。

圖1 鋁合金接頭

1.2 鋁合金接頭的澆注系統(tǒng)

壓鑄模具的澆注系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)是成型的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。澆注系統(tǒng)由直流道、橫流道和內(nèi)澆口組成。溢流槽通常設(shè)置在鋁合金融液澆注的末端，主要用于貯存冷污的金屬液。排氣槽通常設(shè)置在溢流槽的末端，用來改善排氣的效果，提高壓鑄件的表面質(zhì)量。鋁合金接頭壓鑄模澆注系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，左為二維圖，右為三維圖。

圖2 澆注系統(tǒng)、溢流系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 模擬分析前處理

2.1 STL圖檔的生成

在UG軟件中完成壓鑄模的澆注系統(tǒng)以及溢流系統(tǒng)的實體造型后，將該圖檔轉(zhuǎn)化為CAE軟件支持的STL圖檔格式。導(dǎo)入軟件后，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)入圖

2.2 網(wǎng)格生成

為了提高模擬運算的效率，我們在直澆道、橫澆道、集渣包等非重要的部位選用大網(wǎng)格進(jìn)行劃分，其他部位采用細(xì)網(wǎng)格劃分。這樣可以有效提高運算速度以及模擬結(jié)果的精度。本實例的網(wǎng)格劃分結(jié)果，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

2.3 模擬參數(shù)的選定

本次模擬主要是分析金屬液的充型情況，同時預(yù)測充型過程中可能會出現(xiàn)的表面缺陷情況。分析之初，選擇了卷氣、重力、表面缺陷的追蹤、熱傳遞和紊流模型。

鋁合金接頭壓鑄成型工藝參數(shù)選取了經(jīng)驗值：澆注的溫度650℃、壓鑄模具的工作溫度200℃、壓鑄壓力40MPa以及壓頭速度2m/s。

3 充型過程數(shù)值模擬

澆注系統(tǒng)的設(shè)計合理與否，對鑄件的成形質(zhì)量和工藝參數(shù)的選擇有著較大影響。本章利用CAE軟件對鋁合金接頭的壓鑄模具的澆注系統(tǒng)進(jìn)行充型過程數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果判斷所選用的澆注系統(tǒng)及工藝參數(shù)是否合理。

對上述方案進(jìn)行充型模擬，其金屬液在不同時刻的充填狀態(tài)和溫度場分布情況如圖5所示。

圖5 金屬液不同時刻的充填情況

從圖5得知，金屬液整個充填過程相對平穩(wěn)，壓鑄件的填充金屬液量較為充足，填充方式為整體前流式，有效避免了金屬液沿腔壁分流迂回而可能形成“渦流”的現(xiàn)象。由于本次充型過程金屬液的流程較短，金屬液采用了由里及外的充填順序，保證了金屬液的集渣和氣體等進(jìn)入到溢流槽，從而較好地避免了缺陷的產(chǎn)生。最后，充填完成后（如圖5（h）所示），模具型腔內(nèi)的溫度圖顯示分布較均勻，溫差也較小。

4 凝固過程數(shù)值模擬

凝固過程對鑄件的成形質(zhì)量有著較大影響。本節(jié)利用CAE軟件對鋁合金接頭的壓鑄模具的凝固過程數(shù)值模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果判斷所選用的工藝參數(shù)是否合理，是否出現(xiàn)了縮孔縮松等缺陷。

對鋁合金接頭制件進(jìn)行凝固過程的模擬分析，金屬液凝固過程在不同時間段的情況如圖6所示。

圖6 凝固過程溫度場變化

圖6為壓鑄件凝固過程不同時刻溫度場變化情況。金屬液填充過程完成后，壓鑄件沒有提前凝固的情況出現(xiàn)。從不同時刻凝固過程溫度場變化圖來看，凝固過程在有層次、穩(wěn)定地進(jìn)行著，壓鑄件的冷卻速度較為均勻，沒有發(fā)現(xiàn)明顯熱節(jié)的部位。

5 結(jié)語

本文以鋁合金接頭為例，依據(jù)壓鑄件的特點與要求，利用PROCAST軟件對充型過程和凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)合實際情況建立模擬所需的材料熱物性參數(shù)和所需的工藝參數(shù)，完成模擬的前處理，進(jìn)行相應(yīng)的流場和溫度場的耦合數(shù)值模擬，并通過模擬的結(jié)果分析充型過程和凝固過程。經(jīng)過研究測算得到最佳工藝方案，從而對生產(chǎn)實踐提供技術(shù)指導(dǎo)。

Numerical Simulation of Die Casting Process of Aluminum Alloy Joint

REN Tianjuan
(Shanxi institute of Technology,Xi’an 710300)

Take the Aluminum Alloy joint fo r research object in this paper，numerical simulation of Casting Process based on ProCAST was conduced for the solidification and filling process of aluminum die casting. According to the analysis of simulation results and the improvement of die casting technology，reasonable die casting technology was designed at last. The whole process is reasonable and effective，This paper can provide reference for similar types of the product production.

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