原標(biāo)題：基于 CAE 分析的復(fù)雜殼體壓鑄模具設(shè)計

摘要

分析了殼體壓鑄件的特點，應(yīng)用鑄造模擬軟件ProCAST對流動充型、壓鑄模具熱平衡和溫度場進(jìn)行了分析，為該模具澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計合理性提供了驗證。壓鑄實際生產(chǎn)表明，該模具設(shè)計合理，壓鑄件質(zhì)量高。

隨著汽車、航空航天和電器等工業(yè)的發(fā)展，為了提高壓鑄件質(zhì)量，同時實現(xiàn)節(jié)省能耗、降低污染等設(shè)計要求，鋁合金壓鑄件的應(yīng)用越來越廣泛。目前壓鑄已成為汽車用鋁合金成形中應(yīng)用最廣泛的工藝之一。壓鑄作為一種終形和近終形的成形方法，能夠得到薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輪廓清晰、組織致密、強(qiáng)度較高的鑄件，且生產(chǎn)效率高，適用于大批量生產(chǎn)。壓鑄模具是進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)的主要工藝裝備，它直接影響著壓鑄件的質(zhì)量、成本和生產(chǎn)效率。本文針對復(fù)雜殼體零件，基于ProCAST進(jìn)行了模擬分析，為壓鑄模具設(shè)計提供了支撐。

1 殼體零件

該壓鑄件材料為A380，用作輸油管路的閥體，如圖1所示。零件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在許多肋筋結(jié)構(gòu)。閥體上三個端面開口薄壁內(nèi)側(cè)壓鑄成形后需要加工螺紋，用以連接油管部件。為了保證螺紋連接的強(qiáng)度及滿足閥體氣密性的要求，這些開口薄壁處必須質(zhì)量良好，致密無氣孔。殼體質(zhì)量為2.952 kg，殼體零件整體厚度較薄，壁厚主體為5 mm左右，但壁厚懸殊，最小壁厚為2.5 mm，最大壁厚為9.4 mm。

圖1 殼體零件

2 壓鑄模具設(shè)計

2.1 分型面及澆注系統(tǒng)

根據(jù)殼體壓鑄件的結(jié)構(gòu)特點，分型面選在殼體的最大開口處。澆注系統(tǒng)不僅對金屬液在模具型腔內(nèi)的流向與狀態(tài)、排氣條件、模具的壓力傳遞起到重要的控制作用，還能夠調(diào)節(jié)填充速度、填充時間和模具的溫度分布。該殼體為圓筒形鑄件，在最大的圓柱端部采用六個內(nèi)澆道，使得金屬液沿壁進(jìn)入型腔避免直接沖擊型芯，先填充型腔底部，有利于排除氣體。澆注系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 殼體鑄件澆注系統(tǒng)

2.2 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的布置對于產(chǎn)品的成形、變形具有決定意義。為達(dá)到冷卻效果，采用點冷與冷卻水路相結(jié)合的方式，圖3為壓鑄模具內(nèi)部冷卻水道的分布情況，每個鑲塊內(nèi)都有獨立的冷卻水道或點冷，這些水道分布在鑄件各個薄壁開口的中心位置，加強(qiáng)各薄壁部位的冷卻。

圖3 冷卻水道和點冷布局

2.3 模具結(jié)構(gòu)

本副模具體積較大，?？蜷L寬分別為990 mm和910 mm。模芯結(jié)構(gòu)如圖4所示，定模為整體，動模包含鑲塊5；殼體四周開口由4個滑塊成形，由4個液壓缸實現(xiàn)抽芯運動；在4個深孔部位做成可更換的長銷型芯。模具圖如圖5所示。

圖4 動、定模及鑲塊

圖5 模具圖

3 CAE分析

利用HyperMESH劃分鑄件和模具的面網(wǎng)格，再將高質(zhì)量的面網(wǎng)格模型輸入ProCAST的MeshCAST，檢查無誤后生成四面體網(wǎng)格，壓鑄件和模具的網(wǎng)格數(shù)為445萬。在PreCAST中設(shè)置邊界條件，進(jìn)行仿真計算。

3.1 邊界條件

鑄件材質(zhì)為A380，模具材質(zhì)為H13鋼。鋁液澆注溫度650 ℃，模具預(yù)熱溫度220 ℃，澆口速度3 m/s，水冷溫度20 ℃。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，將模具與鑄件間的換熱系數(shù)設(shè)為20 000 W/（㎡·K），動模與定模間的換熱系數(shù)設(shè)為1 000 W/（㎡·K），模具與空氣間傳熱系數(shù)設(shè)為100 W/（㎡·K），脫模劑與模具間換熱系數(shù)設(shè)為 100 W/（㎡·K）。冷卻水道直徑為10 mm，冷卻水流速為1 m/s，計算得到冷卻水與模具的換熱系數(shù)為5 000 W/（㎡·K）。

壓鑄生產(chǎn)周期可劃分為四個階段：①金屬液填充，保壓凝固；②開模、取出鑄件；③噴脫模劑；④合模。四階段時間分別為40 s、15 s、5 s、10 s，一次循環(huán)的總時間為70 s。澆口澆注速度設(shè)為3 m/s，脫模劑和空氣的溫度均設(shè)為20 ℃。

3.2 充型分析

圖6為金屬液在充型過程不同時刻的流場分布情況。整個填充過程為0.08 s ，開始時金屬液沿壁進(jìn)入型腔，流動平穩(wěn)，六股金屬液流速差距不大。鑄件左右兩側(cè)的金屬液填充充足且均勻，充型過程是整體推進(jìn)的，避免了金屬液沿壁腔回流形成的“渦流”。金屬液最后填充的位置是離澆口距離最遠(yuǎn)的溢流槽，基本實現(xiàn)了填充順序。

圖6 殼體鑄件充型過程的流場

3.3 壓鑄過程溫度場分析

壓鑄循環(huán)中，模具熱量的主要來源為澆注的高溫金屬液，而模具散發(fā)熱量則是通過向空氣散熱和流動的冷卻水帶走部分熱量。如果在單位時間內(nèi)模具吸收的熱量和散發(fā)的熱量相等，達(dá)到一個平衡狀態(tài)，則稱為模具的熱平衡。

在動模、定模、鑄件的型腔表面各取一點，如圖7中1、2、3點所示。繪制溫度-時間曲線，如圖8所示，可以看出，經(jīng)過10次壓鑄，模具達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

圖7 模具與鑄件上的選取的點

圖8 三個點的溫度-時間曲線

3.4 溫度場分析

選取模具達(dá)到熱平衡的第11個循環(huán)的溫度場進(jìn)行分析。圖9為動模、定模和鑲塊5在一次循環(huán)內(nèi)的溫度場變化情況。這里選取了三個具有代表性的時刻進(jìn)行分析，分別是一個周期內(nèi)的第0、第4.98 s和第55 s，即充型前，充型保壓和噴涂脫模劑前的時刻。充型前，模具的溫度場分布較均勻，平均溫度在370 ℃左右；金屬液填充時，模具型腔表面溫度急劇上升；在保壓階段，模具通過向空氣散發(fā)熱量以及流動的冷卻水帶走部分熱量逐漸降溫，在開模、取件，隨后噴涂脫模劑，受脫模劑和空氣激冷作用，型腔表面溫度迅速降低，大部分的模具型腔表面溫度下降到420 ℃以下。

圖9 一次循環(huán)內(nèi)模具動、定模及鑲件5不同時刻的溫度場

由圖9可知，動模和各個鑲塊的溫度分布較均勻，型腔表面的溫度梯度變化較小，表明冷卻系統(tǒng)設(shè)計合理。

4 壓鑄生產(chǎn)

該模具已應(yīng)用于課題鑄件生產(chǎn)，完成機(jī)加工后的壓鑄件如圖10所示，在三個需要加工螺紋的薄壁內(nèi)無氣孔，薄壁質(zhì)量良好；螺紋部分完整、無氣孔，滿足螺紋連接的強(qiáng)度和閥體氣密性要求。

圖10 加工后的殼體零件

5 結(jié)束語

基于CAE分析進(jìn)行了鋁合金殼體零件的壓鑄模具設(shè)計，CAE分析結(jié)果驗證了模具澆注系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的合理性。該模具投入實際生產(chǎn)表明，三個需加工螺紋的薄壁致密無氣孔，能夠滿足螺紋連接強(qiáng)度和閥體氣密性要求，模具設(shè)計合理。

作者：

賈志欣 子平 李繼強(qiáng) 劉立君
浙江大學(xué)寧波理工學(xué)院
霍慶文
天正模具有限公司
本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴