基于CFD 軟件壓室金屬液流動特性與速度控制及試驗研究

程 鵬，徐建華，汪 洋

（寧波保稅區(qū)海天智勝金屬成型設備有限公司，浙江 寧波 315806）

0 引言

CFD 是專門用于流場分析的流場計算軟件，用于流場預測。利用CFD 軟件可以分析和顯示流場中的現(xiàn)象。能夠在短時間內(nèi)預測產(chǎn)品性能并修改并便于模擬實際工況，以達到最佳的設計效果。壓鑄工藝作為成型效率高、無金屬切屑的精密金屬成形技術之一[1]，其具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品尺寸精度高、產(chǎn)品表面光潔度好、易自動化等特點[2]已被廣泛應用在汽車零部件、5G 濾波器、手機邊框、鋁合金型材等的生產(chǎn)中。當前，隨著人們對汽車的需求量日益增加，對汽車的零部件的性能要求也越來越嚴格，因此，環(huán)保、節(jié)能、減排等綜合指標成為了汽車制造的重要指示[3]。

壓鑄件的常見缺陷包括氣孔、疏松等。主要原因：壓鑄過程金屬液卷氣后進入模具型腔，導致模具型腔填充時，出現(xiàn)氣孔和夾渣等缺陷[4]。氣孔會影響到壓鑄件的氣密性，使壓鑄件的性能下降、可熱處理性、抗腐蝕等性能也受到影響，鑄件表面粗糙度[5]。因此，在實際生產(chǎn)中，控制慢壓射速度顯得尤為重要，在目前慢壓射工藝設定中，一方面主要通過控制金屬液進入模具型腔前避免金屬液卷氣進入模具內(nèi)部；另一方面，盡量避免金屬液紊流進入模具型腔中[6]。

針對慢壓射速度控制問題，本文通過CFD 仿真技術來對壓室內(nèi)金屬液的流動特性進行分析，并通過試驗來驗證仿真結果的正確性，給實際壓鑄件提供生產(chǎn)指導，提高壓鑄產(chǎn)品的質量。

1 壓室內(nèi)金屬液動力學建模研究

本研究針對壓室內(nèi)金屬液的流動進行分析，金屬液體通過活塞桿推動，從靜止開始在啟動到金屬液充滿壓室型腔的運動過程。通過分析金屬液在壓室型腔內(nèi)流動的特性，建立金屬液流動模型來表征其動力特性問題。壓室型腔與活塞桿的模型與技術參數(shù)如下。

根據(jù)壓鑄機工藝參數(shù)，確定壓鑄機壓室型腔尺寸、壓室型腔長度L、壓室型腔直徑D、金屬溶液的質量m和密度ρ計算出壓鑄機壓射前的充滿度F。

基于壓室型腔的機械參數(shù)，熔融的金屬液在壓室型腔內(nèi)數(shù)學模型可以用下式[7]進行計算。

式中：t為運動時間，x為錘頭運動的方向，H為金屬熔體自由表面的高度，v為液體的運動速度，S為金屬溶液的截面積，S1為自由表面寬度，g為重力加速度。

在初始狀態(tài)下求解的初始狀態(tài)和結束時的狀態(tài)。在初始條件下有：

金屬液體臨界運動速度時，錘頭的速度必須等于金屬液體臨界運動速度，即：

即錘頭最大速度可在臨界位置取得，通過積分運算即可得出

2 基于模流仿真優(yōu)化建模研究

通過理論分析慢壓射填充結果主要用于臨界狀態(tài)的判斷，采用Flow-3D 進行模擬分析，通過三維軟件繪制料筒壓室模型及填充優(yōu)化設計。以下重點對填充速度進行模擬及金屬鋁液的流動特性分析。

本文采用的仿真數(shù)據(jù)見表1，采用三維軟件繪制立體模型如圖1 所示。

表1 壓室內(nèi)金屬液的機械參數(shù)

圖1 數(shù)值仿真模型

采用公式（1）～（9）理論計算結果計算其在臨界位置的臨界速度和臨界加速度，計算臨界位置為理論上壓射速度不高于該臨界速度，壓射內(nèi)卷氣量相對較少。采用軟件進行模擬仿真，驗證理論計算結果與實際結果是否相符合。同時，考慮到金屬液體與壓室內(nèi)壁之間存在一定的阻力和熱傳導，必然影響到壓室內(nèi)金屬液的流動特性，因此，在實際生產(chǎn)狀態(tài)中，實際臨界速度應大于理論臨界速度，本文采用臨界速度的1.1 倍進行測試。設計的2 種慢壓射曲線仿真分析如圖2 所示。其中圖2（a）在臨界位置的速度小于臨界速度，從初速度為零勻加速到0.25 m/s，勻加速運動一段距離后，再加速到1 m/s，最后勻速到臨界位置；圖2（b）在臨界位置的速度大于臨界速度，從初速度為零勻加速到0.25 m/s，接著勻加速到0.8 m/s，再勻速到1.1 m/s，最后勻速到臨界位置；圖2（c）在臨界位置的速度小于臨界速度，從初速度為零，先勻加速到0.3 m/s，接著勻加速到0.5 m/s，再勻速到1 m/s，到達臨界位置；圖2（d）在臨界位置的速度小于臨界速度，從初速度為零，勻加速到1.1 m/s，在勻速到臨界位置。

圖2 速度控制曲線

如圖3 所示，圖a 展現(xiàn)了壓射曲線速度控制方案一中出現(xiàn)的錘頭速度過快引起的卷氣現(xiàn)象，在填充階段的前期，錘頭運動導致金屬液表面的波動，在金屬液到達壓室上表面時，由于金屬液形成的波速度大于錘頭速度，導致金屬液形成局部小范圍卷氣狀態(tài)。

如圖3 所示，圖b 展現(xiàn)了壓射曲線速度方案二的控制方案，錘頭速度過慢引起的卷氣現(xiàn)象，在填充階段的前期，波面呈現(xiàn)向前運動的趨勢，在金屬液到達上頂部后，由于金屬引起的波面速度會提前到達內(nèi)澆口處，圖中紅色部分表示速度較高的流場，將澆口堵住，引起金屬液的卷氣現(xiàn)象，導致內(nèi)澆口堵住引起困氣現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，錘頭在速度控制上，加速度相對過大，使得金屬液表面的速度較快，而錘頭速度相對較慢，導致金屬液進入內(nèi)澆口前，將氣體夾渣在金屬液中，導致卷氣現(xiàn)象。

圖3 不同填充速度下金屬液流動特性

如圖4 所示為壓射曲線速度控制方案三、四的控制方案錘頭速度處于臨界速度下的填充狀態(tài)。在填充階段的前期，波面呈現(xiàn)平緩運動的趨勢。由于速度合適狀態(tài)下金屬液（合金金屬液成分見表2）表面形成層流狀態(tài)，金屬液并未出現(xiàn)之前兩種狀態(tài)下的卷氣和困氣現(xiàn)象，在金屬進入內(nèi)澆口時，壓室內(nèi)的空氣全部排出，該填充速度能較好地將金屬液平緩推到模具中。通過對比壓射速度曲線可知，在金屬到達內(nèi)澆口位置時，速度相對較平緩，在錘頭推動過程中，金屬液的速度明顯呈低速狀態(tài)，形成層流狀態(tài)，使得金屬液表面波動速度與錘頭運行速度更加接近。通過控制錘頭推動金屬液運動速度來控制金屬液速度，使得金屬液速度與錘頭速度兩者相對平穩(wěn)，這樣就不會引起金屬液表面速度過高，形成卷氣缺陷，理論上而言，速度控制方案三、四更加合理，后面將進一步驗證該速度控制的合理性。

圖4 臨界填充速度下金屬液流動特性

3 搭建壓室填充試驗研究

為了進一步驗證該理論的正確性，搭建了試驗平臺驗證。試驗采用鋁合金進行試驗，并采用不同的速度控制鋁合金的填充狀態(tài)，采用以上分析數(shù)據(jù)進行填充，試驗采用的合金金屬液的化學成分如表2 所示，實驗平臺如圖5 所示，試驗的壓室結構與速度控制方案如圖6 所示。

圖6 填充測試驗測模型與速度控制方案

表2 合金金屬液的化學成分W（%）

圖5 填充測試試驗測

采用第三種仿真的速度進行壓室內(nèi)金屬液填充測試（初速度為0，勻加速到速度為1.15 m/s 的速度曲線測試），測試后的結果如圖7 所示。

圖7 填充測試結果

測試結果表明模擬較準確，但在實際應用時，臨界速度需要比模擬數(shù)值大，在實際壓射速度設定為理論臨界速度時，還存在局部卷氣現(xiàn)象，當實際臨界速度設置為模擬計算得到的1.1 倍時，在實際填充壓室內(nèi)金屬液并無卷氣現(xiàn)象，進一步驗證了該方法的可行性。

4 結論

（1）在金屬液進入模具之前的壓鑄工藝中，在壓鑄機填充階段的曲線設定中，壓室尺寸、錘頭尺寸、填充質量固定條件下，填充階段存在最優(yōu)的填充曲線，即臨界速度和臨界加速度。

（2）在壓室內(nèi)錘頭推動金屬液到達壓室上沿、錘頭速度小于臨界速度時，由于金屬液形成的波速會提前到達內(nèi)澆口處，堵住了內(nèi)澆口，使得金屬液發(fā)生局部困氣現(xiàn)象。

（3）當錘頭速度大于臨界速度、金屬液達到壓室上沿時，由于錘頭速度過快，會導致金屬液前沿速度過慢，與金屬液表面形成局部卷氣現(xiàn)象，使得氣體包裹了金屬液，導致卷氣現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）當錘頭速度在臨界速度范圍內(nèi)，壓室內(nèi)金屬液會形成層流狀態(tài)，避免了發(fā)生困氣和卷氣現(xiàn)象。

（5）錘頭的臨界速度與壓室直徑成正比，臨界速度與金屬液填充質量成二次函數(shù)關系。

（6）在實際壓射工藝設定中，可以將計算出來的慢壓射速度放大1.1 倍，該方法能有效地避免壓室內(nèi)金屬液的卷氣現(xiàn)象。