壓力鑄造已成為生產(chǎn)鋁合金部件的重要工藝。
隨著計算機模擬技術(shù)的快速發(fā)展，壓鑄領(lǐng)域也廣泛采用數(shù)值模擬技術(shù)來優(yōu)化和改進工藝。數(shù)值模擬分析技術(shù)以鑄件充型及凝固過程的數(shù)值模擬為核心，對鑄件進行鑄造工藝分析，這對提高鑄件品質(zhì)、縮短開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本等方面具有重要的意義。本文在設(shè)計鋁合金壓鑄件的澆注系統(tǒng)時，借助數(shù)值仿真MAGMA軟件，對鑄件兩種不同澆注系統(tǒng)方案的充型及凝固過程進行了模擬，運用模擬結(jié)果分析鑄件成形過程中可能出現(xiàn)的缺陷，對選擇合理的澆注系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。
鑄件形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)多變，壁厚不均勻，屬于大型復(fù)雜壓鑄件。
2澆注系統(tǒng)的設(shè)計澆注系統(tǒng)設(shè)計時，需根據(jù)壓鑄工藝及鑄件參數(shù)做―些必要的計算。首先是內(nèi)澆口相關(guān)尺寸的確定。內(nèi)澆口截面積的計算采用傳統(tǒng)的流量計算法得到：1鑄件的結(jié)構(gòu)分析該鋁合金壓鑄件的實體模型如所示，外形尺寸396爪爪320爪爪172爪爪，最大壁厚15爪爪，最小壁厚3mm，鑄件材料為ADC12鋁合金，材料的熱物性參數(shù)見表1，產(chǎn)品質(zhì)量5.3kg.從實體模型圖可以看出該表1ADC12鋁合金熱物性參數(shù)密度液相線溫度固相線溫度~比熱容潛熱熱導(dǎo)率收稿曰期：2012-07-23收到初稿，2012-08-22收到修訂稿。
屬液質(zhì)量，包括溢流槽的質(zhì)量，g；P為液態(tài)金屬的密度，g/cm3；vg為內(nèi)澆口處金屬液的流速，m/s；t為型腔的充填時間，s.如表1，鑄件密度p=2.7g/cm3.溢流槽的質(zhì)量取壓鑄件質(zhì)量的30%，得G=6 890g；對于該大型復(fù)雜鋁合金壓鑄件，取V=60m/s，t=0.06s，計算得到Ag=708mm2.內(nèi)澆口的厚度取4mm，則內(nèi)澆口的總寬度為177mm.橫澆道應(yīng)具有一定的長度和寬度。若橫澆道過薄，則熱量損失過大；若過厚則冷卻速度緩慢，影響生產(chǎn)率，增大金屬消耗。設(shè)計中橫澆道采用T形澆道，截面形狀為扁梯形，金屬液在澆道內(nèi)能得到穩(wěn)定的流動，金屬液熱量損失小。直澆道一般由壓鑄機上的壓室和壓鑄模上的澆口套組成，是傳遞壓力的首要部位。鑄件成形用臥式冷室壓鑄機，所以直接采用其壓室作為澆注系統(tǒng)的直澆道，直徑為0130mm，設(shè)計料餅厚度30mm，脫模斜度為5°。
根據(jù)上述理論計算，并結(jié)合鑄件結(jié)構(gòu)特點，提出了兩種不同的澆注系統(tǒng)方案，如所示。按照金屬液導(dǎo)入的方向分類，兩種澆注系統(tǒng)均屬于側(cè)澆口，橫澆道形式都是變形分叉式。不同之處在于：方案的澆注系統(tǒng)在鑄件曲折邊側(cè)，并分成七條分支橫澆道；方案二澆注系統(tǒng)在鑄件平直邊側(cè)，由六條分支橫澆道組成。兩種不同的澆注系統(tǒng)方案使得分支澆道在到達內(nèi)澆口的時間上有很大的差異，而金屬液通過分支澆道能否同時到達內(nèi)澆口，對鑄件充型質(zhì)量有較大的影響。兩種不同的澆注系統(tǒng)設(shè)置了兩種不同方案的溢流槽，溢流槽位置開設(shè)是否合理也影響鑄件的質(zhì)量。
3計算模型及參數(shù)設(shè)置本研究運用MAGMA鑄造分析軟件中的高壓鑄造專業(yè)模塊MAGMAhpdc對鑄件進行模擬計算，它運用仿真?zhèn)鳠峒傲黧w的物理行為，凝固過程中的應(yīng)力及應(yīng)變，微觀組織的形成，得以準確地預(yù)測鑄件缺陷，提高鑄件質(zhì)量。MAGMA模擬軟件利用有限差分數(shù)值方法求解，鑄件充型過程是伴隨熱量損失和凝固的變溫兩種不同澆注系統(tǒng)設(shè)計方案流動過程，它可以通過動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程描述。在鑄件凝固過程中，模具無相變過程，可看作無內(nèi)熱源的熱傳導(dǎo)問題。鑄件與模具之間的熱傳遞過程，用熱傳導(dǎo)率來處理交界處的邊界條件。MAGMA對于熱傳導(dǎo)率有自己的數(shù)據(jù)庫，可以根據(jù)材料的屬性查到對應(yīng)的熱導(dǎo)率。
在壓鑄過程中，壓鑄工藝參數(shù)如壓力、充填速度、模具和合金的溫度等，對鑄件質(zhì)量影響較大。根據(jù)壓鑄件結(jié)構(gòu)及壓鑄機的參數(shù)，確定出合理的壓鑄工藝參數(shù)如下：鋁液澆注溫度為670°C、模具初始溫度為230°C、慢壓射速度0.3m/s、快壓射速度4.8m/s.在采用上述相同壓鑄參數(shù)的前提下，對兩種澆注系統(tǒng)方案進行模擬計算。
4數(shù)值模擬分析4.1充型過程的模擬分析為澆注系統(tǒng)方案模型充填不同階段速度場分布的模擬結(jié)果，壓鑄件未充填部分用灰色表示。鋁液從壓室進入直澆道，在橫澆道處展開，從七個內(nèi)澆道進入鑄件型腔。由a金屬液充填36%進入內(nèi)澆口時可以看出，由于方案選擇的進澆位置在鑄件曲折邊―側(cè)，使得各分支澆道金屬液到達內(nèi)澆口的時間不一致，速度不均勻。
結(jié)合a方案一分支澆道金屬液相匯時示蹤粒子情況可以看出，左側(cè)分支澆道的金屬液有回流現(xiàn)象，金屬液在鑄孔處相匯時充型紊亂，充型過程中渦流卷閣3方案一充填過程氣現(xiàn)象非常嚴重，由此可以判斷鑄件在此階段很可能產(chǎn)生卷入性氣孔缺陷，曲折邊處的鑄孔成型不良。b、c、d是鑄件中后期的充填情況，可以看出方案一鑄件整體充填模式是中間快，兩側(cè)慢，沒有形成順序充填的模式，且充型前沿金屬液飛濺嚴重，產(chǎn)生了強烈的卷氣及渦流的現(xiàn)象。d中橢圓標注處顯示了鑄件最后充填部位的充填情況，由于該處溢流槽位置設(shè)置的不合理，導(dǎo)致該部位充填過程中的氣體被金屬液流包裹，無法順利排出，從而增大了孔洞類缺陷出現(xiàn)的可能性。
澆注系統(tǒng)方案二模型充填不同階段速度場分布的W4分支澆道金屬液相匯時的示蹤粒子悄況Fig.模擬結(jié)果見。方案二進澆位置在鑄件平直邊一側(cè)，六道分支澆道的金屬液達到各內(nèi)澆口的時間基本同步，見a，速度比較均勻，流動平穩(wěn)。由b可以看出，方案二分支金屬液相匯時，分支澆道相互之間干擾不大，也沒有金屬液回流發(fā)生，充型過程中渦流卷氣現(xiàn)象大為減輕，減少了鑄件在分支澆道金屬液相匯時產(chǎn)生缺陷的可能性。c在鑄件末端充填時稍有紊流現(xiàn)象的出現(xiàn)，但鑄件末端設(shè)置的溢流槽及排氣道與鑄件最后充填部分相通，排氣良好，有效地轉(zhuǎn)移了渦流裹氣的部位，很大程度上減少了孔洞類缺陷出現(xiàn)的可能性。澆注系統(tǒng)方案二整體保持順序充填的模式，在充填各階段金屬液流動基本保持平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大的波動、飛濺等情況；設(shè)置的溢流槽發(fā)揮了排氣排渣的作用，方案二鑄件的充填效果較好。
4.2凝固過程的模擬分析許多鑄造缺陷，如熱裂、縮孔、縮松等都是在凝固過程中產(chǎn)生的。對凝固規(guī)律的認識和研究，有利于防止產(chǎn)生鑄造缺陷，改善鑄件組織和提高鑄件的性能，從而獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。本文通過數(shù)值模擬獲得鑄件凝固過程中不同時刻固相率的變化，來對比分析兩種澆注系統(tǒng)方案的凝固過程對鑄件質(zhì)量影響。兩種澆注系統(tǒng)方案二允填過程Fig.方案鑄件完全凝固后不同部位的凝固時間分別見a和b.從a鑄件各位置凝固時間可以看出方案一鑄件的凝固順序，首先是排氣道及鑄件薄壁部位凝固，緊接著是鑄件較厚部位、部分溢流槽及兩側(cè)分支澆道的凝固，然后是其余內(nèi)澆口和溢流槽的凝固，最后是澆口和鑄件最厚部位凝固，該方案鑄件的凝固順序不合理。鑄件最厚部位凝固時得不到來自溢流槽或澆注系統(tǒng)的補縮，該肥厚部位必然產(chǎn)生縮松縮孔等缺陷。
方案二凝固順序可由b分析可知，排氣道及鑄件薄壁部位首先凝固，接著是鑄件較厚部位及部分溢流槽和兩側(cè)橫澆道的凝固，然后是鑄件最厚部位與相關(guān)溢流槽的凝固，最后是澆口的凝固，該方案鑄件整體的凝固順序較合理。相比于方案，方案二鑄件最厚部位凝固時可以從溢流槽得到補縮，方案二鑄件出現(xiàn)縮松縮孔缺陷概率較方案大為降低。
閣6兩種方案鑄件凝間時間的對比Fig. 5澆注系統(tǒng)方案確定及驗證通過對澆注系統(tǒng)兩種方案充型和凝固過程的模擬，對比分析可知，方案二實現(xiàn)了鑄件的順序充填和順序凝固，不僅減小了鑄件充填過程中氣孔、氧化夾雜等的缺陷，且鑄件最后凝固的肥厚部位可以得到補縮，減少了鑄件縮松、縮孔的可能。
采用第二種澆注系統(tǒng)設(shè)計方案進行模具設(shè)計和制作，并經(jīng)試模和生產(chǎn)驗證表明，模具在使用過程中操作安全方便、動作可靠，滿足壓鑄工藝要求，鑄件有很好的外觀和內(nèi)部品質(zhì)，生產(chǎn)所得產(chǎn)品見下。確定了方案二作為該鑄件批量生產(chǎn)的工藝方案。
閣7澆注系統(tǒng)方案二產(chǎn)品6結(jié)語借助MAGMA數(shù)值模擬軟件，對鋁合金壓鑄件進行澆注系統(tǒng)的設(shè)計。在澆注溫度為670°C、模具初始溫度為230°C、慢壓射速度0.3m/s、快壓射速度4.8m/s的壓鑄工藝參數(shù)條件下，模擬分析了兩種不同澆注系統(tǒng)方案的鑄件的充型和凝固過程，預(yù)測可能產(chǎn)生的鑄造缺陷。模擬分析表明，澆注系統(tǒng)設(shè)計在鑄件平直邊能夠?qū)崿F(xiàn)鑄件的順序充填及順序凝固，很大程度的減少鑄件成型過程中缺陷產(chǎn)生的概率，提高鑄件的品質(zhì)。
