汽車殼體件壓鑄模設(shè)計(jì)及有限元分析

姜銀方 史德旗 嚴(yán)有琪 來彥玲

（①江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212013；②江蘇省特檢院鎮(zhèn)江分院，江蘇 鎮(zhèn)江212013）

作者：姜銀方，男，1962年生，教授，碩導(dǎo)，主要研究模具和激光沖擊成形。

壓鑄件的好壞與壓鑄模具的設(shè)計(jì)和澆注工藝密切相關(guān)，兩者密不可分。對于復(fù)雜零件而言，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)再好的模具由于選取壓鑄件的材料、澆注溫度、模具溫度等的不同都會影響鑄件的質(zhì)量。通常模具設(shè)計(jì)完之后都直接試模，一旦發(fā)現(xiàn)模具的設(shè)計(jì)與澆鑄工藝發(fā)生沖突時(shí)，如問題較小可以在原有的基礎(chǔ)上修整模具；如不能修整，模具可能就直接報(bào)廢。這不僅造成經(jīng)濟(jì)上的巨大損失，也大大增加了鑄件的生產(chǎn)周期［1—2］。而運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可以在不試模的情況下了解運(yùn)用該設(shè)計(jì)下金屬在充填型內(nèi)的流動形態(tài)、凝固過程等。將鑄造CAE與CAD結(jié)合起來，極大地提高了生產(chǎn)的效率及鑄件的質(zhì)量。

1 零部件壓鑄模具的整體分析

汽車零部件中壓鑄部件通常為大批量生產(chǎn)，模型如圖1所示。壓鑄鋁合金的材料牌號為：ALSI9CU3。從制件的工藝性分析：（1）由圖1可知，該產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，由于側(cè)抽時(shí)有銅鑲件嵌件所以抽芯力大，需要采用斜滑塊斜導(dǎo)柱抽芯；（2）該產(chǎn)品局部壁厚均勻，但是制件質(zhì)量要求較高，不允許有欠鑄、裂紋、氣孔及縮孔現(xiàn)象。大部分尺寸精度要求較高，壓鑄后只有極少部分要機(jī)械加工。另外，壓鑄件上的孔必須壓鑄成型，對壓鑄模鑲塊的加工和安裝有要求。而且汽車殼體在結(jié)構(gòu)上由于特殊幾何形狀和內(nèi)在質(zhì)量要求，必須解決側(cè)抽芯，抽芯力較大，合型后型芯必須定位可靠。

2 有限元模型的建立及參數(shù)的設(shè)定

2.1 有限元模型的建立

采用CAD軟件Pro/ENGINEER造型，用其自身的模具型腔模塊建立初步的動、定模鑲塊。再用其自身的FEM（Finite Elements Method）模塊對動、定模鑲塊和鑄件造型實(shí)體的表面分別進(jìn)行處理建立面網(wǎng)格，生成三角形的面網(wǎng)格單元。面網(wǎng)格劃分結(jié)束后，再將零件裝配起來，根據(jù)原來設(shè)置的網(wǎng)格大小重新生成一個(gè)裝配面網(wǎng)格，導(dǎo)入到ProCAST中即可建成模擬模型的面網(wǎng)格。當(dāng)面網(wǎng)格模型建好后，可以通過Pro-CAST的meshcast自動轉(zhuǎn)化為四面體的體網(wǎng)格完成了有限元模型的建立［3］。

2.2 仿真參數(shù)

2.2.1 初始條件

ALSI9CU3合金的液相線溫度是585℃，澆注溫度一般較液相線高50～100℃。因此設(shè)定初始澆注溫度為650℃；模具的初始溫度為200℃；而澆注方向可以分為水平澆注與垂直澆注。由于反重力澆鑄相比水平澆注可以更好的排氣及減少紊流，本文利用此方法。設(shè)定重力的方向?yàn)閆軸正向。

2.2.2 邊界條件

充型及凝固過程在高速高壓條件下進(jìn)行，模具與環(huán)境間主要通過空氣對流換熱，因此取模具與環(huán)境的換熱系數(shù)為10 W/（m2K）。而鑄件與模具之間的換熱主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行，并且換熱強(qiáng)度大。根據(jù)美國C.W.納爾遜做的鋁合金ALSI9CU3壓鑄型腔表面的熱傳遞特性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，取鑄件和模具之間的界面換熱系數(shù)如圖2所示［2］。

在充型過程中，內(nèi)澆口的速度為90 m/s，當(dāng)型腔充滿后，立即加壓使鑄件在壓力下凝固。壓力的大小由ProCAST系統(tǒng)通過充型階段算出的最大充型壓力，在此基礎(chǔ)上再加大一定的壓力。

2.2.3 熱物性參數(shù)

鑄造模擬中涉及到的最重要的參數(shù)是熱物性參數(shù)，因此準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)是獲得準(zhǔn)確模擬結(jié)果的必要條件。鑄件在充型凝固過程中的熱物性參數(shù)值一般都隨溫度變化而變化，這種變化反映到計(jì)算所采用的偏微分方程中，將會影響到數(shù)值模擬的精度。

ALSI9CU3的熱物性參數(shù)：圖3是ALSI9CU3的熱導(dǎo)率、密度、比熱、運(yùn)動粘度。液相線溫度為585℃；固相線溫度為504℃；凝固潛熱為373 kJ/kg；假定585℃時(shí)固相率為0，504℃時(shí)固相率為1。

3 澆道的設(shè)計(jì)及過程仿真

3.1 澆道的設(shè)計(jì)

澆道的設(shè)計(jì)包括分型面的選擇、澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。三者的設(shè)計(jì)相互制約、相互關(guān)聯(lián)，三者共同決定了鑄件的質(zhì)量。

3.1.1 分型面的選定

如圖4所示的分型面可設(shè)在制件投影面積最大的平面上。雖然制件成型會在分型面上留下飛邊，但是由于制件對非工作表面的粗糙度要求不高，故能滿足使用要求。因?yàn)橹萍尚蜁r(shí)要求側(cè)型腔成型孔，由于與金屬液接觸，模具材料選用4Cr5Mo ViSi，采用調(diào)質(zhì)處理，硬度可達(dá)到43～47 HRC［4］。

3.1.2 澆注系統(tǒng)和溢流槽的選用

澆注系統(tǒng)的選擇主要是考慮充型平穩(wěn)，填充性能良好。根據(jù)壓室直徑、鑄件體積、壓頭速度、壁厚和填充時(shí)間設(shè)計(jì)得到直澆道為圓錐式，內(nèi)澆口的面積為16 mm2，厚度為2 mm，寬度為8 mm。本例采用點(diǎn)澆口一模兩腔式澆注，使薄壁處先凝固，靠近內(nèi)澆口零件主體最后凝固，這樣起到了很好的補(bǔ)縮作用。溢流槽的位置設(shè)計(jì)在圓盤的周圍，設(shè)計(jì)如圖5所示。

3.2 模擬結(jié)果與分析

3.2.1 充型過程模擬結(jié)果

圖6是汽車殼體零件充型過程，后處理中隱藏了所有的模具。從圖中可以觀察到液體全部充滿型腔的時(shí)間為0.0829 s。從圖中型腔充滿時(shí)刻溫度場可看出鋁合金熔體在充滿時(shí)刻均在液相線溫度585℃以上，處于可流動狀態(tài)，因此可以預(yù)測殼體沒有發(fā)生欠鑄和冷隔缺陷。

3.2.2 凝固過程模擬結(jié)果

圖7是汽車殼體零件凝固過程中溫度接近固相線時(shí)的溫度梯度模擬結(jié)果，澆注時(shí)間為0.872 s。圖中顏色表示溫度梯度的大小。從圖中可以看出，汽車殼體零件在凝固過程中溫度梯度很大。圖中顏色表示冷卻速率的大小。從圖中可以看出，汽車殼體零件在凝固過程中的冷卻速率很大，在凹腔部位和中心孔柱背面部位的冷卻速率最大，而左右上部位和螺釘孔座處冷卻速率稍小。從圖中還可以看出，型腔和中心孔背面最先凝固，最后凝固的是左右上部位及螺釘孔座和澆口附近。從而得出汽車殼體零件的熱節(jié)部位也一般分布在這些位置。一般縮孔縮松缺陷出現(xiàn)在鑄件的熱節(jié)區(qū)域，所以由此可預(yù)測汽車零件縮孔縮松缺陷出現(xiàn)的部位。由于此種汽車零件斷面壁厚太薄傾向以體積凝固方式凝固。圖8是汽車殼體零件縮孔縮松的模擬結(jié)果，圖中顏色表示縮孔縮松的體積百分?jǐn)?shù)。從圖中可以看出，由于縮孔縮松的體積百分?jǐn)?shù)小于0.01，可以判定只發(fā)生縮松缺陷。由于汽車殼體零件很薄，所以冷卻速率非常大，左右上部位及中心孔背面有輕微的縮松缺陷，而澆口附近的金屬液最后凝固。用直接模擬出縮孔縮松預(yù)測結(jié)果和用凝固時(shí)間來預(yù)測縮孔縮松基本一致，鑄件中存在了一定的缺陷。

3.3 改進(jìn)后澆注的模擬

從以上的澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以得知，鑄件中缺陷存在的原因主要是由于鑄件各部分冷卻不均勻造成的。如果在模具中添加冷卻水管道，從而改變鑄件各部分的凝固速度，設(shè)計(jì)管道如圖9。圖10為縮孔、縮松預(yù)測，可以觀察僅僅是在左右凸出部位存在少量的縮松，在模具中添加冷卻水管道很大程度上消除了缺陷。

4 模具裝配圖的設(shè)計(jì)

鑲塊設(shè)計(jì)時(shí)，由于定模、動模鑲塊為拼裝式，考慮到制件的收縮率（壓鑄鋁合金為0.5%），Pro/E建模時(shí)可以一比一建模，然后采用等比例縮放以保證機(jī)加工（CAM）時(shí)的準(zhǔn)確數(shù)模。再者由于左上端有凸出部分，對于單件鑄件采用雙分型面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)［5—6］。模具采用一模兩腔式，根據(jù)零件要求，確定壓射比壓為50 MPa，壓鑄機(jī)的型號J1125，充型時(shí)間根據(jù)計(jì)算為0.083 s，設(shè)計(jì)的模具結(jié)構(gòu)如圖11。

5 結(jié)語

（1）壓鑄是近代金屬加工工藝中發(fā)展較快的一種高效率、少無切削的金屬成型高精密鑄造方法。運(yùn)用Pro/E基本模塊更適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓鑄模設(shè)計(jì)。

（2）運(yùn)用Pro/E和ProCAST軟件將鑄造過程CAD與CAE技術(shù)相結(jié)合，可以解決壓鑄模具設(shè)計(jì)中存在模具設(shè)計(jì)及澆注過程中的工藝問題。通過兩者的反復(fù)調(diào)整，選擇最優(yōu)的模具模型和最佳的澆注工藝參數(shù)。

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