吳 星

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CAE技術(shù)在厚壁鑄件壓鑄工藝中的應(yīng)用

吳 星

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣西 柳州 545006）

針對厚壁壓鑄件壓鑄工藝設(shè)計及參數(shù)選擇困難的問題，以鎂合金試棒厚壁壓鑄件為研究對象，在對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以MAGMA公司MAGMASoft軟件為CAE手段，對鎂合金試棒壓鑄3種方案進(jìn)行對比，通過充型、缺陷的模擬，選擇最佳壓鑄工藝參數(shù)，即壓射速度為1.26 m/s，內(nèi)澆口速度為30 m/s，模具預(yù)熱溫度為220 ℃，澆注溫度為620 ℃，此工藝參數(shù)下鑄件質(zhì)量最佳。

壓鑄；CAE軟件；數(shù)值模擬

CAE技術(shù)是當(dāng)前壓鑄工藝發(fā)展的主要方向，通過CAE技術(shù)的仿真模擬，可以實現(xiàn)壓鑄工藝方案與參數(shù)的科學(xué)改進(jìn)與優(yōu)化，降低鑄造成本，縮短鑄造產(chǎn)品設(shè)計周期，提高鑄件質(zhì)量。尤其對于厚壁壓鑄件的壓鑄工藝，由于鑄件壁厚超過經(jīng)驗值范圍，提高了鑄造工藝設(shè)計難度[1]，在此情況下， CAE技術(shù)可以提高方案設(shè)計的確定性，提高了模具加工效率與鑄件質(zhì)量，研究中以鎂合金拉伸試棒與沖擊試棒厚壁壓鑄件壓鑄工藝設(shè)計為例，以Pro/E三維造型平臺與MAGMASoft軟件為CAE技術(shù)手段，對工藝方案設(shè)計與參數(shù)優(yōu)化進(jìn)行研究，為類似厚壁壓鑄件壓鑄工藝設(shè)計提供參考。

1 鑄件結(jié)構(gòu)與分型面確定

研究中的拉伸試棒與沖擊試棒鎂合金材料牌號為AZ91D，主要用于測試合金材料組織與性能試驗。鑄件結(jié)構(gòu)尺寸如圖1、圖2所示。拉伸試棒截面為圓形，壁厚不均，直徑最大、最小處分別為15 mm、8 mm。沖擊試棒截面為正方形，壁厚均勻，兩種試棒平均壁厚近13 mm，屬于厚壁壓鑄件。壓鑄件設(shè)計結(jié)構(gòu)為3根拉伸試棒與1根沖擊試棒并排排列于同一平面，澆注系統(tǒng)與溢流系統(tǒng)由試棒兩端連接。設(shè)計中采用試棒均設(shè)立內(nèi)澆口的方案，為了給內(nèi)澆口提供足夠截面的面積空間，將分型面設(shè)置在與最大截面平行的平面上。

圖1 拉伸試棒

圖2 沖擊試棒

2 澆注系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)鑄件為四根試棒水平并列排放的特點，設(shè)計多股內(nèi)澆口與橫澆道相配合，多股內(nèi)澆道保證了四根試棒獲得相同的壓射速度，初步設(shè)計內(nèi)澆口尺寸如圖3所示。由于鑄件為厚壁鑄件，為了更好改善模具熱平衡狀態(tài)，降低缺陷出現(xiàn)風(fēng)險，設(shè)計中將試棒溢流槽設(shè)計為連通狀，連通形式的溢流槽可以避免開模時包緊力引起試棒鑄件變形現(xiàn)象，另外為了避免連通溢流槽出現(xiàn)金屬液倒流情況，采用了雙極溢流槽的設(shè)計方式。

(a)拉伸試棒????? (b)沖擊試棒

充分考慮厚壁鑄件及結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計橫澆道梯形截面厚度為12 mm，底邊長24 mm，截面積為264 mm2。直澆道厚度12 mm，位置與橫澆道相同。具體澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 壓鑄機選擇

壓鑄機鎖模力按照=(1+2)關(guān)系式計算，其中為安全系數(shù)取1.25，1表示主脹型力，2表示分脹型力[2]。經(jīng)計算鎖模力為1 566.47 kN，由此在MAGMASoft系統(tǒng)中，選取Demo_400壓鑄機，其主要參數(shù)如圖5所示。

圖5 壓鑄機參數(shù)

4 數(shù)值模擬

運用Pro/E軟件在同一坐標(biāo)系中對設(shè)計好的鑄件、澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)進(jìn)行繪制，通過Pro/E自帶三角離散功能得到.stl文件，再按照特定順序?qū)隡AGMAsoft軟件中，通過鑄件各部分單獨劃分網(wǎng)格的方式完成網(wǎng)格劃分。

4.1 初始條件設(shè)置

充分考慮本鑄件壁厚超過了一般經(jīng)驗值提供參考范圍，結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，對導(dǎo)入前的部分初始條件設(shè)置如表1所示。

表1 初始條件值

4.2 參數(shù)選擇

充型時間參考基于熱物理原理開發(fā)的最佳充型時間與最小壁厚關(guān)系圖[3]，并考慮鎂合金試棒特點，將充型時間選定為0.2~0.4 s。結(jié)合壓鑄機性能考慮，增壓減壓時間確定范圍7~20 ms。持壓時間根據(jù)壓鑄件平均壁厚，選擇為10 s。留模時間研究中選擇45 s。各時間加上模具準(zhǔn)備時間5 s，單個循環(huán)為60 s。

4.3 充型方案設(shè)計

為了對比不同壓射速度對鑄件質(zhì)量的影響，設(shè)計了3種不同壓射速度的充型方案，具體方案參數(shù)如表2所示。

將三種方案對應(yīng)的參數(shù)及相應(yīng)邊界條件導(dǎo)入MAGMAsoft軟件中，利用軟件結(jié)合壓鑄機性能與內(nèi)澆口面積分別繪制PQ2圖[4]，具體PQ2圖如圖6所示。

表2 壓鑄方案參數(shù) (m/s)

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3

由圖6可知，方案1由于壓射速度過小，導(dǎo)致PQ2圖中數(shù)值與坐標(biāo)軸重合，故舍棄該設(shè)計方案，而方案2、方案3設(shè)計的壓鑄參數(shù)可以滿足壓鑄機與內(nèi)澆口的匹配范圍，所以選擇方案2與方案3進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)值模擬。

4.4 充型過程數(shù)值模擬

方案2與方案3的充型過程數(shù)值模擬結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7方案2充型過程數(shù)值模擬圖可知，在金屬液重力的影響下，橫澆道部分首先被充填，而后金屬液通過內(nèi)澆口進(jìn)入型腔，由于拉伸試棒型腔大于沖擊試棒，所以沖擊試棒型腔先于拉伸試棒被充滿，而型腔中氣體也按照設(shè)計預(yù)想，排入溢流槽，充型過程最后充滿的位置是二級溢流槽，有效避免了金屬液回流情況的出現(xiàn)。

(a)充型70%

(b)充型88%

圖7 方案2充型模擬結(jié)果

(a)充型70%

(b)充型88%

圖8 方案3充型模擬結(jié)果

由圖8方案3充型過程數(shù)值模擬圖可知，由于內(nèi)澆口壓射速度增大，金屬液首先進(jìn)入壓室相對的兩根拉伸試棒內(nèi)，這在一定程度上妨礙了橫澆道內(nèi)氣體的排除，所以在澆注的過程中，出現(xiàn)了橫澆道中的金屬液卷雜了大量氣體的現(xiàn)象，氣體最終進(jìn)入型腔并在凝固過程形成氣孔。同時較快的壓射速度也使金屬液快速通過型腔，不利于冷卻系統(tǒng)傳遞熱量，導(dǎo)致充型結(jié)束后，型腔內(nèi)仍具有較高的溫度，影響了熱節(jié)區(qū)域的補縮[5]。

對照圖7、圖8可知，在壓射速度增加的情況下，鑄件充型的部位發(fā)生了變化。方案2鎂合金液首先填充橫澆道部分型腔，而后再經(jīng)內(nèi)澆口，按照先沖擊試棒、后拉伸試棒的順序填充鑄件型腔，最后充滿二級溢流槽，氣體也按照預(yù)想設(shè)計，排入連通式溢流槽，效果理想。方案3中鎂合金液首先填充位置為兩個拉伸試棒型腔，由此阻礙了橫澆道內(nèi)氣體排出，致使橫澆道內(nèi)鎂合金液體卷雜較多氣體進(jìn)入型腔，最終凝固過程將在鑄件內(nèi)形成較多氣孔，造成鑄件的缺陷。

4.5 縮孔縮松數(shù)值模擬

對方案2、方案3進(jìn)行的鑄件缺陷模擬結(jié)果如圖9所示。

(a)方案2

(b)方案3

圖9 缺陷模擬結(jié)果

對比圖9中兩方案可知，由于方案3內(nèi)澆口壓射速度較大，使得方案3中鑄件缺陷面積比方案2明顯增大，并且方案3中拉伸試棒的工作區(qū)域也有缺陷出現(xiàn)，根據(jù)此模擬結(jié)果，最終確定方案2為最佳壓鑄方案。

5 結(jié)語

針對厚壁鑄件壓鑄工藝設(shè)計及參數(shù)選擇困難的問題，以鎂合金試棒厚壁壓鑄件為研究對象，在對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，以Pro/E三維造型平臺與MAGMASoft軟件為CAE技術(shù)手段[6-7]，對厚壁鑄件壓鑄工藝及參數(shù)分析進(jìn)行了全過程的CAE研究，并得出如下結(jié)論：

（1）對于厚壁鑄件壓鑄工藝設(shè)計，由于壁厚超過經(jīng)驗值給定范圍時，可通過PQ2圖輔助完成澆注系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)計以及壓鑄機參數(shù)選擇，效果理想。（2）根據(jù)CAE技術(shù)仿真模擬結(jié)果顯示，隨著壓射速度與內(nèi)澆口速度增加，鑄件缺陷位置增多，面積增大，因此對于厚壁鑄件壓鑄參數(shù)的選擇，在經(jīng)驗參數(shù)適用性不高的情況下，數(shù)值模擬可以為參數(shù)的合理選擇提供可靠依據(jù)。（3）利用鑄造CAE技術(shù)對厚壁壓鑄件不同壓鑄方案進(jìn)行對比分析，最終確定方案2所選參數(shù)為最佳工藝參數(shù)即壓射速度為1.26 m/s，內(nèi)澆口速度為30 m/s，模具預(yù)熱溫度為220 ℃，鎂合金澆注溫度為620 ℃，此工藝參數(shù)下鑄件質(zhì)量最佳。

[1] 陶友瑞. 壓力鑄造工藝參數(shù)優(yōu)選研究進(jìn)展[J]. 鑄造技術(shù), 2008, 29(10): 1350-1351.

[2] 韓亮波, 趙樹忠. PLC在壓鑄機控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用[J]. 自動化應(yīng)用, 2012(8): 10-12.

[3] 王紅霞, 趙輝. 我國擠壓鑄造設(shè)備研發(fā)的現(xiàn)狀及前景[J].熱加工工藝, 2014, 43(21): 8-11.

[4] 曹春平. 擠壓鑄造高強韌鎂合金材料的研究[D]. 重慶：重慶大學(xué), 2004.

[5] 李文珍, 曲楠. 鎂合金壓鑄用熱作模具鋼高溫磨損特性研究[J]. 特種鑄造及有色合金, 2007, 27(7): 525-528.

[6] 安繼儒, 劉耀恒. 熱處理工藝規(guī)范數(shù)據(jù)手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版業(yè), 2008.

[7] 布仁. 發(fā)動機下缸體的壓鑄成形與優(yōu)化[J]. 鑄造技術(shù), 2014, 35(3): 630-632.

責(zé)任編校：劉亞兵

Application of CAE Technology on Thick Wall Die Casting

WU Xing

（College of Mechanical and Electrical Engineering, Liuzhou Vocational Technical College, Liuzhou 545006, China）

In view of the thick wall die casting process design and parameters selection and difficult problems, with thick wall die casting magnesium alloy test bar as the research object, and, on the basis of the analysis of its structure, CAE mainly by means of MAGMA company MAGMASoft software, the three kinds of scheme are compared through the simulation of filling defect, the best die casting technology parameters are chosen. The injection speed is 1.26 m/s, the gate rate is 30 m/s, mould preheating temperature is 220℃, pouring temperature is 620℃, under which the casting quality is the best.

die casting; CAE software; the numerical simulation

10.15916/j.issn1674-3261.2017.02.011

TG242

A

1674-3261(2017)02-0116-04

2016-08-14

廣西科技計劃項目（桂科AB16380310）; 廣西教育廳中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目(KY2016YB636 )

吳星(1980-)，女，廣西柳州人，講師，碩士。