小家電壓鑄件充型凝固建模及仿真

王金龍，章清明

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.廣東東菱凱琴集團(tuán)，佛山 528322）

小家電產(chǎn)量大，零配件種類和數(shù)量較多，壓鑄生產(chǎn)以其較高的生產(chǎn)效率和成型質(zhì)量成為小家電產(chǎn)業(yè)配件的首選生產(chǎn)工藝。由于鋁合金材料具有傳熱性好，熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)，被用作電加熱類小家電的主要合金類型。

傳統(tǒng)的壓鑄件及壓鑄模的設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)，有些模具加工完成后要經(jīng)過多次試模，不斷改進(jìn)才能生產(chǎn)出符合要求的產(chǎn)品。這就造成模具設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，加工費(fèi)用高，壓鑄件的廢品率也無(wú)法控制在滿意的范圍內(nèi)，使得企業(yè)的生產(chǎn)成本居高不下，難以獲得較好的效益。為改變這種狀況，建立壓鑄生產(chǎn)CAE仿真模擬分析體系，模擬壓鑄件充型凝固過程，預(yù)測(cè)鑄件缺陷，可以改進(jìn)鑄件及模具設(shè)計(jì)，降低產(chǎn)品開發(fā)周期及生產(chǎn)成本，提高壓鑄件的質(zhì)量，降低廢品率［1-3］。本文以某型號(hào)的大烤盤壓鑄件為例，對(duì)鋁合金壓鑄件的充型和凝固進(jìn)行理論建模及仿真分析，并將分析結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)狀況進(jìn)行對(duì)比。

1 壓鑄件充型和凝固過程的流場(chǎng)及溫度的數(shù)學(xué)建模

1.1 充型過程建模

高溫金屬液的填充過程是一個(gè)具有熱量散失以及凝固的非恒溫的流動(dòng)過程。金屬液的流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒及能量守恒定律，可采用相應(yīng)方程組描述這一過程［4-6］。

（1）質(zhì)量守恒方程式中，ρ為流體的密度；V為流體的速度，t為時(shí)間。對(duì)于不可壓流體，連續(xù)性方程可簡(jiǎn)化為：

（2）動(dòng)量守恒方程

（3）能量守恒方程

式中，T為流體的溫度；cp為流體的等壓比熱容；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)。

（4）壓鑄件充型流動(dòng)的紊流控制方程

鑄件充型過程中的紊流模擬具有如下的特點(diǎn)：①紊流形式尚未充分發(fā)展；②在近型壁處要作特殊的處理；③計(jì)算不應(yīng)太復(fù)雜，應(yīng)使計(jì)算量與準(zhǔn)確性相協(xié)調(diào)。紊流模擬的任務(wù)就是尋找未知關(guān)聯(lián)項(xiàng)，使方程組封閉。如采用Boussinesq建議的形式，則時(shí)均方程組可表達(dá)成如下的通用形式：

式中，?為通用變量；Γ?=μe/σ?為輸運(yùn)系數(shù)，σ?為紊流Prandt數(shù)或Schmidt數(shù)，μe=μ+μt為有效粘性系數(shù)，μt為紊流粘性或渦流粘性系數(shù)；S?為各方程源項(xiàng)；下標(biāo) j=1，2，3表示三個(gè)坐標(biāo)軸分量。

1.2 壓鑄件凝固過程數(shù)學(xué)建模

在壓鑄成型方法中，凝固過程伴隨著熱量向鑄型和周圍環(huán)境傳遞，逐步冷卻，最終形成鑄件產(chǎn)品。在此過程中熱量的傳遞形式包括熱傳導(dǎo)、輻射傳熱和對(duì)流傳熱。壓鑄件凝固過程建模的任務(wù)是建立相應(yīng)方程，通過數(shù)值求解，獲得凝固過程的規(guī)律，預(yù)測(cè)壓鑄件缺陷（縮孔、縮松）產(chǎn)生的可能性及位置。凝固傳熱過程中，溫度、時(shí)間和空間的關(guān)系描述如下：

忽略潛熱釋放、兩相區(qū)溫度梯度及液相率，上式可簡(jiǎn)化描述為：

凝固過程中，從液相到固相的相變過程中釋放結(jié)晶潛熱，內(nèi)熱源為 Q［7］。

1.3 控制方程的離散求解

對(duì)金屬液充型凝固過程進(jìn)行數(shù)值模擬具有很大的難度。一方面自由表面位置及形狀的確定，變化流場(chǎng)域到固定流場(chǎng)域的轉(zhuǎn)化是一大難點(diǎn)；另一方面壓力場(chǎng)未知，求得壓力場(chǎng)的明顯方程難以確定。

對(duì)控制方程求解前要對(duì)方程組進(jìn)行離散，主要原則為：①為滿足連續(xù)性方程，壓力必須進(jìn)行迭代修正；②對(duì)動(dòng)量方程進(jìn)行顯式差分，根據(jù)初始條件，試算出下一時(shí)刻的猜測(cè)速度值；③由體積函數(shù)方程確定新的流動(dòng)前沿邊界；④計(jì)算傳熱時(shí)，要同時(shí)考慮邊界換熱、結(jié)晶潛熱。對(duì)每次的迭代都必須保證穩(wěn)定性條件。同時(shí)對(duì)于流量的計(jì)算要進(jìn)行修正［8］。

2 烤盤壓鑄件及澆注系統(tǒng)建模

本仿真所使用的鋁合金烤盤壓鑄件及其澆注系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)如圖1所示。該鑄件長(zhǎng)450mm，寬300mm左右，平均厚度5mm左右。

圖1 鋁合金烤盤壓鑄件及其澆注系統(tǒng)原結(jié)構(gòu)圖

使用該澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的產(chǎn)品如圖2所示。部分烤盤在圖中所圈部分表面有氣孔存在，還有的烤盤表面雖沒有氣孔，但在噴涂前加熱時(shí)也有部分氣孔出現(xiàn)，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。

圖2 采用原澆注系統(tǒng)生產(chǎn)的鋁合金烤盤壓鑄件

為分析該壓鑄件的充型狀況，采用HyperWorks軟件對(duì)其進(jìn)行前處理，劃分鑄件和模具的四面體有限元網(wǎng)格。壓鑄所使用的主要工藝參數(shù)如表1所示。

表1 壓鑄主要工藝參數(shù)

3 仿真模擬結(jié)果分析與改進(jìn)方案

壓鑄充型凝固過程的模擬采用ProCast軟件，模擬計(jì)算的時(shí)間大約為2h。充型過程中各個(gè)階段如圖3所示。

圖3 鋁合金烤盤壓鑄件充型過程模擬

從圖中（a）-（f）充型各階段狀況可以看出，由于受鑄件結(jié)構(gòu)的影響，鑄件內(nèi)澆口的尺寸雖然相同，鋁合金液的填充速度卻差別明顯?？颈P是加熱件，其兩側(cè)底部有安放加熱棒的槽形結(jié)構(gòu)。鋁合金液充型時(shí)，當(dāng)填充方向與槽的方向一致時(shí)，填充速度相對(duì)其他部分較快，所以就造成了（c）-（e）所示的卷氣的情況。因此，卷氣部分的充型就不太理想，容易出現(xiàn)氣孔，有些氣孔可能在鑄件內(nèi)部而不在表面，這與實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)氣孔的情況一致。

為了改善鑄件的充型狀況，減少烤盤內(nèi)氣孔的出現(xiàn)，需要對(duì)澆注系統(tǒng)加以改進(jìn)。針對(duì)鋁合金液兩邊填充快中間相對(duì)慢的特點(diǎn)，將內(nèi)側(cè)的分澆道連成一體，以使?jié)沧⑺俣冗_(dá)到一致。改進(jìn)后的充型狀況如圖4所示。

圖4 改進(jìn)方案后的烤盤壓鑄件充型過程模擬

從圖中可以看出，改進(jìn)方案的充型狀況得到了改善，烤盤中間部分與兩側(cè)的充型速度基本一致，沒有出現(xiàn)卷氣的情況。改進(jìn)后的凝固過程各階段溫度變化如圖5所示，凝固時(shí)間如圖6所示，孔隙率的預(yù)測(cè)如圖7所示。

圖5 凝固過程各階段溫度變化

圖6 壓鑄件凝固時(shí)間分布

圖7 壓鑄件孔隙率預(yù)測(cè)

從凝固過程的溫度變化及凝固時(shí)間來看，改進(jìn)后的烤盤壓鑄件溫度變化大體一致，凝固時(shí)間也相差很小，孔隙率預(yù)測(cè)也顯示只有微量的縮松，縮孔僅在渣包處出現(xiàn)，不影響產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)際的生產(chǎn)狀況顯示：應(yīng)用壓鑄模CAE仿真分析體系，烤盤壓鑄件的廢品率降低到2%以下，模具生產(chǎn)加工周期降低了一半左右。其它類型的小家電壓鑄件的狀況也基本相同。同時(shí)產(chǎn)品表面質(zhì)量得到改善，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

建立了小家電壓鑄件充型及凝固過程的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型。以烤盤壓鑄件為例，應(yīng)用上述模型，劃分網(wǎng)格進(jìn)行有限元求解。分析鑄件充型及凝固過程，改進(jìn)方案設(shè)計(jì)。結(jié)果顯示，采用壓鑄模CAE仿真分析體系，可使鑄件廢品率降到2%以內(nèi)，模具生產(chǎn)周期降低一半左右，產(chǎn)品表面質(zhì)量也得到改善，效益顯著。

［1］楊裕國(guó).壓鑄工藝與模具設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］傅建軍.模具制造工藝［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］李遠(yuǎn)才.金屬液態(tài)成形工藝［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］楊杰，袁烺，熊守美.基于數(shù)值模擬的壓鑄過程低速工藝優(yōu)化［J］.鑄造，2007，56（10）：1062-1065.

［5］胡亞平，陳國(guó)香.鎂合金壓鑄充型過程的模擬仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證［J］.模具工業(yè)，2008，34（7）：49-53.

［6］譚建榮，吳培寧，張樹有.壓鑄件鑄造缺陷的計(jì)算機(jī)模擬與預(yù)測(cè)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2003，14（8）：701-706.

［7］譚建榮.壓鑄件凝固過程溫度場(chǎng)變化的計(jì)算機(jī)模擬［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（2）：105-108.

［8］周玉輝，吳衛(wèi)，周華彬.工藝參數(shù)與模具結(jié)構(gòu)對(duì)壓鑄模具溫度場(chǎng)的影響［J］.鑄造技術(shù)，2006，27（6）：570-573.