铝合金油底壳压铸工艺的数值分析及优化

pexe

随着汽车行业的发展,新型铝合金压铸件结构越来 越复杂,而且铸件内部品质要求高、开发周期越来越 短。由于充型凝固过程不易直接观察,开发新产品时 主要依靠经验,存在试制周期长、产品质量不稳定等问 题。计算机技术的发展为研究压铸过程的流动和凝固 行为提供了新的途径,对提高铸件内部品质、缩短开发周期、降低成本等具有重要的意义。本课题首先对铝合金油底壳的浇注系统进行了初步设计，并利用 AnyCasting 软件 ,对 压铸成形过程进行了模 拟 ,运 用 模 拟结果分析了充型和凝固对铸件成形及性能的影响。 旨在为设计合理的浇注系统和选择合适的压铸工艺提供参考。

1 铸件的结构分析

    油底壳铸件的外形尺寸为396 m m × 320 m m × 172mm,产品质量为5.3kg。油底壳形状复杂、内部结构多变、壁厚不均匀,零件平均壁厚为3mm,局部厚度达15mm，侧凹 、内孔较多,成形时设置侧滑块和镶件,这些都大大增加了铸件成形难度。铸件材料为 ADC12 铝 合 金 ,模具材料是H13 钢 ,其热物 性参数见表1。

2 内浇道的设计

2 .1 内浇道设计原则及布置

   选择内浇道时,尽量使金属液的流程最短,以减少压力损失。所以内浇道设置在产品着色面的长侧边上,见图1。大型压铸件、箱体及框架类压铸件和结构比较特殊的压铸件则采用多个内浇道,布置在图2中的6个位置上。因内浇道处热量较集中,温度较高,所 以型腔中带有螺纹的部位不宜直接布置内浇道,以防止螺纹被冲击、侵蚀。所以设计多个内浇道时还要避开图2中的孔位置。

浇注系统设计由于该铸件平均壁厚大于3.2mm,溢流槽体积小于相邻型腔体积的25%即可。按照充型时金属液的 流动方向及路径,在易出现涡流及最后填充部位分别设 置溢流槽。完成溢流槽设计后,利用软件自带的分析功 能计算铸件及溢流槽总体积。内浇道截面积的计算采 用 传统的流量计算法得到:

压铸工艺参数主要有压力和充填速度、金属液充填特性、合金的温度、开模时间及涂料等,这里主要考虑压射速度、浇注温度和模具的初始温度。压射速度和充 填速度有下列转换关系。

4 模拟结果与分析

4.1 过程的模拟分析

铝合金油底壳压铸件充型过程模拟结果见图4。整个充型过程包括两部分:低速充型阶段和高速充型阶段,整个充型过程持续时间为0.3912s。图 4a 为 低 速 充型阶段结束时刻,在低速充型阶段,金属熔液充满整个浇道系统,首先填充横浇道,然后填充内浇道,而 1、2 内浇道充填较晚,尤其是浇道1最后被填充满,整个低速阶段持续了0.3305s。紧接着转换为高速充型，金属熔液沿着铸件散开并在充填的过程中发生多处金属液的汇流(见图4b和图4c),在 高速充填的过程中,这 些汇流区易因流体的相互碰撞而产生卷气、夹渣。在整个充型过程中,金属液除在汇流区有较为严重紊流出现 外,在其他部位的充型平稳,并未出现金属液的飞溅。

4 .2 凝固过程的模拟分析

图5为铸件的凝固过程。从图5a可知,铸件整个凝固过程所需时间 为101s ,箭 头 所 指 处 壁 较 厚 ,凝固较晚,且在9.37s时,这些 位置出现了大小不一的孤立熔池区,见图5b。这些孤立的熔池在凝固过程中受到已凝固金属的阻碍,得不到金属液的补缩,可能会出现缩 孔缺陷。利用AnyCasting提供的残余熔体模数来预 测铸件缩孔大小及位置,模拟结果见图6。缩孔主要集 中出现在金属液最后的凝固部位和金属积聚的热节处。图6b为对铸件B-B剖面的收缩缺陷内部观察,发现铸 件沉头孔处存在一定程度的缩孔、缩松缺陷(见图6中亮色处)。
5 分析与讨论
        由铸件的充型、凝固结果可知,浇注系统的设计和工艺参数的选择使得充型过程中有轻微的卷气现象,凝 固过程中产生较多的缩孔、缩松。针对这些问题,通过以下方案来解决。
方案1:优化工艺参数。鉴于铸件的充型良好,主要优化浇注温度、模具温度两项。过高的浇注温度一方 面使得气体在金属液里的溶解度增加,增加了充型过程 中的卷气率并产生涡流;另一方面使金属液在凝固时收 缩增大,铸件易产生收缩缺陷,过高的模具温度容易形成局部高温。相反,浇注温度与模具温度也不能选择 过低,否则会影响金属液的流动性,不利于充型。综合考虑,浇注温度降至650°C,模具预热温 度降至190°C , 再次进行数值模拟。通过AnyCasting分析发现,改善 浇注温度和模具温度对铸件的充型特性影响不明显,并且铸件的缩 孔、缩松缺陷并没有得到显著改善,但明显提高了铸件的凝固速率,见图7。整个铸件的凝固时间为 94.3316s,相比优化前减少了7s。
方案2: 增大内浇道尺寸。内浇道厚度过小,金属液中杂质可能把内浇道堵住一部分,使有效流动面积变小;而厚度过大,去除浇道困难 ,容易损伤压铸件。 由图6a局部放大图可知,靠近浇口部位也存在较多的缺陷,说明浇道的补缩不充分。故在一定程度上增加内浇 道面积,提高其补缩能力。将原来内浇道的厚度由4 mm增大到6mm,再次进行数值模拟。增加内浇道厚度在一定程度上降低了内浇道的速度,金属液在型腔中更加平稳地充型,减少了卷气现象。优化后的充型温度 场见图8和图9。可以看出,铸件在充型过程中始终保 持较高的温度,在整个充填过程中满足金属液充填完整 后才开始凝固的充填要求,没有发生明显的冷隔、浇不 足等缺陷。因此内浇道厚度的适当增大,对金属液充填 具有一定积极作用。结合方案1和方案2,对铸件相同B-B剖面的收 缩缺陷检查,相比于图6b铸造缺陷,铸件的缩孔、缩松率基 本消除,见图10。
6 结论
        对铝合金油底壳浇注系统及工艺参数设计,通过AnyCasting软件分析了铸件的充型和凝固过程,并以残余熔体模数为研究指标来预测铸件缩孔、缩松尺寸与分布。优化后的压铸工艺参数可以一定程度上降低缩孔、缩松率。内浇道厚度适当的增加对金属液充填起到一定积极作用,同时明显降低了铸件的缩孔、缩松率。 优化后的工艺参数:浇注温度为650°C,模具温度为90 °C,冲头慢压射速度为0.25 m/s,快压射速度为3.15m/s,内浇道厚度扩大为6mm,效果较好。



该贴已经同步到 pexe的微博

suncun

小故事

boyewell