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【技術電子報】利用FLOW-3D的三通閥壓鑄製程設計及優化

*本文翻譯自《特種鑄造及有色合金》2019年01月刊

郭廣思 1, 陳晨 2 , 孫晶瑩 3

(1,2.瀋陽理工大學材料科學與工程學院,3.東北大學材料科學與工程學院)


摘要:

本文使用三通閥的結構特點設計了澆注系統和溢料井。採用FLOW-3D分析軟體進行充型過程數值模擬。在初步方案中,鑄件整體捲氣量較嚴重,隨著對澆注系統和溢料井的逐步優化降低了鑄件的內部捲氣量。根據優化後的方案,設計並製造了壓鑄模具並在企業進行了生產驗證,結果表明,鑄件表面光滑,內部品質良好,符合產品要求。


關鍵字:壓力鑄造→高壓鑄造


隨著鑄造技術的快速發展,鋁合金因密度小、強度比高、耐腐蝕等優點已被廣泛使用[1]。壓鑄製程設計是生產良好鑄件的重要一環,壓鑄過程中,金屬液充型速度快,如果澆注系統和溢料井設計不合理,會造成氧化夾雜和捲氣等缺陷,影響產品品質,降低機械性能。傳統壓鑄生產往往要不斷通過經驗進行多次嘗試生產才能獲得較好的鑄件,不僅費時費力,投入成本也很高。本文採用FLOW-3D分析軟體對鑄件的澆注系統和溢料井進行設計和優化,基於鑄件充型過程中的捲氣分佈,預測了捲氣產生的位置,通過優化設計方案,大大降低了捲氣缺陷的產生,減少了人力物力成本,提高生產效率。


1.鑄件結構分析及澆注系統設計

1.1 鑄件結構分析及建模

三通閥的長寬高外形尺寸為152.5mm × 119.5mm × 121mm,平均壁厚約為5.56mm。鑄件的外形為圓筒形,左側有一圓形平臺和階梯通孔,其上下對稱,下表面帶有凸台,中心有一帶有隔板的通孔,直徑為Φ90mm,通過UG軟體建立1:1實三維體造型,見圖1。


圖1 三通閥實體造型三視圖
圖1 三通閥實體造型三視圖

1.2 澆注系統設計

1.2.1 分模面選擇

分模面的選擇要考慮壓鑄模設計的繁簡程度、易於加工和保證鑄件的尺寸精度等方面。根據鑄件的結構特點,在其左側平臺上完全對稱,所以最優化的方案選擇三通閥主通道的水平面,即平臺中心線和圓筒軸線組成的面作為分模面。分模面處於鑄件水準中心,有利於排氣。分模面位置見圖2。


圖2 分模面示意圖
圖2 分模面示意圖

(1)內澆口

分析鑄件後,鑄件主體為圓柱形管狀件,宜採用環形內澆口,可有效避免正面衝擊模穴,將氣體有序地排出。


內澆口面積計算公式如下:






公式中,Ag為內澆口截面積,mm2;G為通過內澆口的金屬液品質,g;ρ為液態金屬的密度,g/mm3;Vg為內澆口處金屬液的流速,m/s;t為模穴的充型時間,s。


根據上述公式計算得出內澆口的截面積範圍為42.9mm2-416.04mm2 而且按照經驗取值內澆口的寬度大概為壓鑄件邊長的0.6-0.8倍,內澆口的厚度取決於鑄件的平均厚度,本鑄件的平均厚度為5.56mm,根據經驗應選取1.8mm-3.0mm之間[2],綜合以上條件本鑄件最終內澆口截面積約為388mm2。


(2)直澆道

根據鑄件的參數特徵選用的壓室內徑為Φ60mm,且留存厚度達到壓室直徑三分之一的餘料使其有充分的金屬液進行充型,有利於防止氣體進入澆道。


(3)橫澆道

採用環形橫澆道,可以減少金屬液的流動阻力使金屬液平穩的充入內澆道。

按照上述參數及要求初步設計澆注系統,觀察其捲氣情況、溫度場分佈及充型過程,以此作為依據設計溢料井,並優化澆注系統。初步設計澆注系統示意圖見圖3。圖中深綠色部分為內澆口,深藍色部分為橫澆道,紫色部分為直澆道。


圖3 初步設計澆注系統示意圖
圖3 初步設計澆注系統示意圖


2.數值模擬及製程優化

把UG中建立好的模型導入出為stl檔,將其在FLOW-3D軟體中載入,運用FLOW-3D中的溫度場和捲氣等模組對鑄件進行分析,並根據分析結果優化澆注系統。本文的鑄件採用的材料為A356鋁合金,模具材料選用H13鋼。根據經驗選取參數為澆注溫度為700℃、模具預熱溫度為200℃和壓射速度為3.5m/s[3]。


2.1 分析初步設計澆注系統

根據分析結果可以看出,澆注系統初始設計方案,在充型過程到30%和60%時,澆注系統始終處於未完全充滿狀態,見圖4(b),這會導致氣體通過澆注系統磁碟區入模穴。圖4(c) 為最終捲氣缺陷分佈情況,可以看出鑄件正面桶壁捲氣較為嚴重,會嚴重影響產品品質。


圖4 鑄件充型過程
圖4 鑄件充型過程

對於上述情況,可能是由於金屬液在橫澆道上的流速過快導致,通過在澆道上增加彎道可以降低金屬液的流速使其獲得更為良好的充型[4],改善澆道未充滿問題。


通過觀察充型順序發現,鑄件在澆注過程中,金屬液最初衝擊的部位在鑄件的頂端,如圖4(a)所示,且為鑄件的厚大部位,可以將溢料井設置在該位置及模穴周圍,能夠有效地集渣,防止冷凝金屬液回流。

實際改進方案見圖5。圖中亮綠色部分為溢料井。


圖5 初步優化方案
圖5 初步優化方案


2.2 模擬分析初步優化方案

增加彎道後鑄型在金屬液未進入模穴之前0.013秒將橫澆道充滿,見圖6(a),且有效地降低鑄件捲氣量。充型過程中捲入的空氣一部分留在了溢料井中,見圖6(b);捲氣量雖有所降低但鑄件主體捲氣量仍然偏高,如圖6(c)所示;通過觀察溫度場發現鑄件整體遠端溫度降低明顯且捲氣嚴重(圖7),這將會導致鑄件產生澆不足或者冷隔缺陷。


圖6 鑄件充型過程
圖6 鑄件充型過程

圖7 鑄件溫度分佈
圖7 鑄件溫度分佈

對於上述情況,遠端溫度較低可能是由於其充型較晚導致金屬液到達時溫度降低過大,可以通過增加在鑄件的支路增加輔助澆道的方式來使得遠端獲得更早充型,為了不影響正常充型過程,輔助澆道的設計厚度只為主橫澆道的一半,提升鑄件整體溫度,降低由於遠端溫度過低而產生冷隔和澆不足的風險。


實際改進方案見圖8。圖中淺藍色部分為輔助澆注系統。


圖8 增加輔助澆道方案
圖8 增加輔助澆道方案


2.3 模擬分析增加輔助澆道方案

增加輔助澆道後捲氣情況得到改善,末端獲得較為良好的充型,見圖9(a);且鑄件末端溫度明顯提升(圖10)。圖9(b)給出了鑄件充型完成時的捲氣情況,雖然末端有所改善但整體捲氣量仍然較大,易造成鑄型內部缺陷。


圖9 增加輔助澆道後模擬結果
圖9 增加輔助澆道後模擬結果

圖10 溫度分佈
圖10 溫度分佈

分析發現鑄件整體捲氣量較大跟溢料井尺寸過小有關,較小的溢料井集氣、集渣效果並不明顯,可以通過優化溢料井的形式來降低鑄件內部的捲氣,使其充型後有足夠的空間將氣體留存在溢料井中,且本鑄件使用的是環形澆注系統若採用相對應的環形溢料井可以有效防止金屬液回流[5],防止雜質或金屬液流中的氧化物回捲入模穴形成缺陷,整體式的溢料井還可以防止鑄件變形,改進後溢料井與鑄件的接合面變為環形平面大大降低切除難度。


實際改進方案見圖11。


圖11 溢料井優化方案
圖11 溢料井優化方案

2.4 模擬分析優化溢料井方案

鑄件在溢料井內捲氣情況明顯改善,充型順序良好。優化後充型過程中鑄件整體溫差保持在10℃以內,可保證充滿,避免澆不足缺陷,整體捲氣情況明顯改善,見圖12,且氧化物聚集含量明顯減少,見圖13。


圖12 捲氣含量對比
圖12 捲氣含量對比

圖13 氧化物聚集對比
圖13 氧化物聚集對比


2.5 不同方案捲氣量化分析

基於FLOW-3D,對各個設計方案的捲氣含量進行量化分析,見圖14。


圖14 不同澆注系統下捲氣含量
圖14 不同澆注系統下捲氣含量

(v1: 初步設計、v2: 改進澆道v3: 增加輔助澆道v4:優化溢料井)



從曲線圖中可以看出,第一次和第三次優化明顯降低鑄件內的捲氣量,第二次優化雖然整體捲氣量並沒有明顯下降,但是從捲氣圖可以看出鑄件內的捲氣位置發生改變,其中一部分已轉移到溢料井中,也相當於降低內部捲氣量。第四種方案的捲氣量最低、整體充型順序良好、無澆不足缺陷、溫度無明顯降低、氧化夾雜聚集較少,可以作為最終試製方案。


3.生產驗證

根據優化後的澆注系統和溢料井設計模具,進行實際生產驗證,生產後的鑄件見圖15。通過表面觀察鑄件外觀完好。根據上述最終優化後的模擬結果,選取捲氣量較大位置做X-ray掃描見圖16,經過掃描檢查後,內部無明顯缺陷,但在下端厚大位置含有少量的缺陷,其位置對功能沒有影響,整體符合生產品質的要求。


圖15 實際生產三通閥鑄件
圖15 實際生產三通閥鑄件

圖16 X-ray檢測結果
圖16 X-ray檢測結果

4.結論

(1) 通過對鑄件的模擬分析,基於鑄件的捲氣量、溫度場和金屬液的流動特徵,設計並優化了澆注系統和溢料井。

(2) 利用優化後的系統設計模具並進行生產,獲得了合格的鑄件,驗證了模擬結果是正確的,可以通過分析軟體降低企業的投入成本。


參考文獻

[1] 王垚. 鋁合金壓力鑄造技術的現狀與展望[J]. 鑄造,2007,56(12):1247-1250.

[2] 許發樾. 壓鑄模設計應用實例[M]. 北京:機械工業出版社,2005.

[3] 黃勇,黃堯. 壓鑄模具設計實用教程[M]. 北京:化學工業出版社,2011.

[4] 王鵬華. 適流澆注系統研究[D]. 瀋陽:鑄造研究所,2008.

[5] 姜不居. 鑄造手冊[M]. 北京:機械工業出版社,2014.

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