黎亮

摘要：壓力鑄造是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種先進(jìn)的少、無切削的特種鑄造方法。該方法的生產(chǎn)過程是，液態(tài)金屬在高速高壓作用下射入緊鎖的模具型腔內(nèi)并保壓，結(jié)晶直至凝固，使原材料變?yōu)榘氤善坊虺善?。壓力鑄造過程是一個(gè)非常復(fù)雜的流動(dòng)、傳熱以及傳質(zhì)的過程。本文就鋁合金支架壓鑄模具設(shè)計(jì)及工藝模擬進(jìn)行詳細(xì)探討。僅供大家參考。

關(guān)鍵詞：鋁合金；支架壓鑄；模具設(shè)計(jì)；工藝模擬

引言：壓鑄是近年來材料成型工藝中發(fā)展十分迅速的特種鑄造方法之一。鋁及鋁合金的使用主要分為加工材和鑄造材兩大類，本文用到的鋁合金即屬于鑄造鋁合金，鑄造鋁合金為保持流動(dòng)性好、易于充型的特點(diǎn)，除含有一些強(qiáng)化元素外，還有大量的共晶元素。目前，鑄造鋁合金已被大量用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天和建筑材料等各個(gè)領(lǐng)域，在工業(yè)發(fā)展過程中有舉足輕重的地位。

1.鋁合金壓鑄技術(shù)概述

1.1壓鑄工藝原理

壓鑄方法可分為熱室壓鑄和冷室壓鑄兩大類。熱室壓鑄中，壓射系統(tǒng)的壓室置于坩堝內(nèi)，充型時(shí)，壓射沖頭可以直接將坩堝內(nèi)的金屬液推進(jìn)壓室，然后通過壓射系統(tǒng)的鵝頸管進(jìn)入型腔。冷室壓鑄中，熔化金屬的坩堝和冷室壓鑄機(jī)相分離，冷室壓鑄生產(chǎn)效率較熱室低，但其應(yīng)用范圍較廣，鋁、鋅、鎂、銅等有色合金均可使用冷室壓鑄方法加工。

1.2壓鑄工藝特點(diǎn)

壓鑄填充壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕，最大填充速度能夠達(dá)到每秒上百米，使整個(gè)壓鑄過程中壓射時(shí)間極短，體現(xiàn)了壓力鑄造技術(shù)高速高壓的優(yōu)勢(shì)。由于充填時(shí)有增壓過程，得到的壓鑄件組織致密，能夠保證所需要的強(qiáng)度和硬度。互換性方面，在同一壓鑄廠，同一型號(hào)的零件均由同一副壓鑄模具成型，所以零件的互換性好。壓鑄工藝的以上特點(diǎn)，使其在提高有色金屬合金鑄件的精度水平、表面質(zhì)量及生產(chǎn)效率等方面顯示出較大優(yōu)勢(shì)。

1.3鋁合金支架

副機(jī)組支架是將動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵與水泵等附件固定于汽車副機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)上的直接支撐，且負(fù)責(zé)油道和水道的運(yùn)輸，保障發(fā)動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在汽車行駛過程中，該零件一方面要保持副機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)與動(dòng)力轉(zhuǎn)向泵等附件的固定和平穩(wěn)，另一方面還需要承受汽車震動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的扭力作用。所以，它是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中的一個(gè)安全件，產(chǎn)品對(duì)其表面質(zhì)量與內(nèi)部致密性都有嚴(yán)格要求。

零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，屬于復(fù)雜薄壁鑄件，體積為8.51*1.05mm3，平均壁厚4.3mm，投影面積為1.39*104mm2，質(zhì)量2.2kg，共有32處加工表面，輪廓基本尺寸約為380mm*158mm*135mm。

該副機(jī)組支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，從各個(gè)方向來看均不對(duì)稱，前后視圖面均為曲面外形，多處有管狀開孔特征，支架下端有兩個(gè)具有特殊角度的固定腳架，每個(gè)腳架上有1個(gè)沉孔，這兩個(gè)沉孔在同一平面上，是承受扭力的主要部位。

2.模具的整體設(shè)計(jì)

壓鑄模具是壓力鑄造正常運(yùn)行的重要保證，它直接決定了壓鑄件成品率的高低，其制造費(fèi)用昂貴，制造完成后無法進(jìn)行大幅度修改，因此壓鑄模具的設(shè)計(jì)尤為重要，一般需要綜合考慮以下幾點(diǎn)：

（1）模具設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合實(shí)際，掌握現(xiàn)有設(shè)備及裝備情況，設(shè)計(jì)出的模具結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足現(xiàn)場(chǎng)要求，使壓鑄機(jī)的生產(chǎn)能力得到最大程度的發(fā)揮。

（2）采用與鑄件具體結(jié)構(gòu)相匹配的澆注系統(tǒng)，注意內(nèi)澆口布局與方向需保證合金液平穩(wěn)充型，且盡量使鑄型中的空氣全部排出，進(jìn)而避免氣孔缺陷的產(chǎn)生。

（3）壓鑄模具要有足夠的強(qiáng)度，足以承受鎖模力及合金液壓力的作用，并在壓鑄制造時(shí)不產(chǎn)生變形，保證生產(chǎn)安全可靠。

（4）盡量使壓鑄模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單，保證動(dòng)模行程平穩(wěn)可靠。

（5）確保鑄型、澆注與溢流系統(tǒng)在試模后可以作適當(dāng)修改。

（6）壓鑄模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，方便進(jìn)行維護(hù)和拆裝。

（7）選取恰當(dāng)?shù)哪＞卟牧霞昂侠淼臒崽幚砉ば颍娱L(zhǎng)模具的使用壽命。

（8）盡量選取標(biāo)準(zhǔn)模具通用零部件，縮短制造周期，使其有良好的互換性，節(jié)省維修成本。

2.1擬定模具總體設(shè)計(jì)的方案

壓鑄模具總體的設(shè)計(jì)原則是讓模具滿足鑄件成型工藝要求，同時(shí)具有高效低耗的經(jīng)濟(jì)效益。壓鑄模設(shè)計(jì)主要內(nèi)容在上文已提及。擬定了初步方案后，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，并對(duì)設(shè)計(jì)方案加以補(bǔ)充和修正，使所設(shè)計(jì)的壓鑄模結(jié)構(gòu)更加合理、實(shí)用和經(jīng)濟(jì)。

2.1.1繪制零件圖紙

首先繪制主要零件圖，對(duì)裝配草圖中有些考慮不周的地方加以修正和補(bǔ)充。

在繪制零件圖時(shí)，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：

（1）圖面盡量1：1的比例畫出，以便于發(fā)現(xiàn)問題；

（2）合理選擇各視圖的視角，注意投影、剖視等的正確表達(dá)，避免繁瑣、重復(fù)：

（3）標(biāo)注尺寸、制造公差、形位精度、表面粗糙度以及熱處理等技術(shù)要求：

在主要零件的繪制過程中，需要對(duì)裝配草圖進(jìn)行審查，存在遺漏的問題，在裝配草圖的基礎(chǔ)上加以修正和補(bǔ)充并注意以下幾點(diǎn)：

（1）對(duì)零件正式編號(hào)，并列出完整的零件明細(xì)表、技術(shù)要求和標(biāo)題欄；

（3）裝配圖上應(yīng)標(biāo)注模型的立體尺寸，模具的定位安裝信息，模具的安裝方向也要加以標(biāo)示：

（4）所選用壓鑄機(jī)的型號(hào)、壓室的內(nèi)徑及噴嘴直徑；

（5）壓鑄件合金種類、壓射比壓、推出機(jī)構(gòu)的推出行程、冷卻系統(tǒng)的進(jìn)出口等：

（6）模具制造的技術(shù)要求。

2.1.2制定模擬工藝

根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件和設(shè)計(jì)好的澆注系統(tǒng)，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和參數(shù)設(shè)置，以縮孔縮松率為考察標(biāo)準(zhǔn)，澆注溫度、壓射速度、模具溫度為考察因素，對(duì)壓鑄過程進(jìn)行數(shù)值模擬。分析模擬的結(jié)果，對(duì)壓鑄過程進(jìn)行考察，通過合理的分析手段取得合理的工藝參數(shù)，并分析問題的形成原因。

3.壓鑄數(shù)值模擬技術(shù)的理論基礎(chǔ)

3.1鑄造過程模擬的主要內(nèi)容

鑄件充型過程數(shù)值模擬：充型順序和金屬液的流動(dòng)方式是鑄件充型過程重要的評(píng)價(jià)因素，關(guān)系到許多鑄造缺陷如卷氣、夾雜、縮孔等。傳統(tǒng)手段很難觀察和控制充型狀態(tài)和流動(dòng)方式，計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)出現(xiàn)后，對(duì)充型過程的可視化模擬成為現(xiàn)實(shí)。

3.2鑄件凝固過程的數(shù)值模擬

壓鑄凝固過程一個(gè)非常復(fù)雜的物理化學(xué)過程。大部分的鑄造缺陷即是產(chǎn)生于凝固過程中。因此，凝固過程的數(shù)值模擬對(duì)預(yù)測(cè)各種鑄造缺陷，改善鑄件質(zhì)量，優(yōu)化鑄造工藝，以及提高生產(chǎn)效率都具有非常重要的作用。在壓力鑄造過程中，高溫金屬液在冷卻凝固時(shí)向鑄型及其周圍環(huán)境傳遞熱量。

3.3鑄造應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

應(yīng)力場(chǎng)模擬鑄件凝固和冷卻過程中，由于各部位收縮率不同，不同溫度區(qū)間出現(xiàn)的箱變，鑄型或者型芯受到連續(xù)的加熱和冷卻導(dǎo)致的膨脹收縮，都會(huì)使鑄件在成形過程受到不同的應(yīng)力，通過數(shù)值模擬軟件對(duì)鑄件凝固過程中的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，可以幫助鑄造工藝人員提前預(yù)測(cè)鑄件可能產(chǎn)生的形變，殘余應(yīng)力的大小和鑄件裂紋可能存在的位置，減少因應(yīng)變而造成的缺陷，以較低的成本優(yōu)化鑄造工藝，提高鑄件精度和性能。

3.4鑄件微觀組織數(shù)值模擬

計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)可以預(yù)測(cè)鑄件微觀組織的形成，并以此進(jìn)一步預(yù)測(cè)鑄件的力學(xué)性能和工藝性能，從而達(dá)到控制鑄件品質(zhì)的目的。通常采用有限元法或者有限差分法來求解諸如溫度速度等宏觀量，而微觀領(lǐng)域內(nèi)的枝晶端部，共晶薄層或球粒的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)狀態(tài)則采用解析法來分析。

4.總結(jié)語

面對(duì)目前和將來的形勢(shì)，我國(guó)壓鑄業(yè)別無選擇，只有在現(xiàn)有基礎(chǔ)上努力提高技術(shù)水平，加快技術(shù)進(jìn)步，培養(yǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力，確保壓鑄件質(zhì)量，擴(kuò)展壓鑄件品種，追求高效率和高效益，才能在競(jìng)爭(zhēng)中獲得發(fā)展。