濾清器殼體壓鑄製程設計及數值模擬

*翻譯來源《特種鑄造及有色合金》Vol. 39, Issue 7, Pages: 735-738(2019)

Zhang Shuanglu 123 ,Mi Guofa 123 ,Wang Kai 123 ,Mao Changcheng 123

1School of Materials Science and Engineering,Henan Polytechnic University

2Henan Elite Science and Technology Co.,Ltd

3Henan Optics Electronic Co.,Ltd.

摘要：

根據濾清器殼體的結構特點設計了壓鑄製程方案，採用FLOW-3D軟體對壓鑄製程方案進行數值模擬，通過捲氣分佈的情況預測產生缺陷的位置。初始方案模擬結果顯示，模穴內中間及兩端部位存在較多捲氣，容易產生氣孔等缺陷，通過溫度場分佈判斷壓鑄件凝固方式為逐層凝固，說明充型過程合理。優化方案調整了澆注系統的形狀和位置，增強了溢料井收集氣體的能力。結果顯示，鑄件內捲氣明顯下降，缺陷消除，滿足生產要求。

關鍵字：壓鑄；數值模擬；製程優化

1、前言

濾清器殼體是發動機上的重要零件，鑄件要求輕量化、不能漏氣、表面平整光滑。為減少機械加工，孔和凹槽需鑄出，若採用砂型鑄造，鑄件容易產生縮孔等問題。而壓鑄生產工序簡單、製程流程短，生產的鑄件表面光滑[1，2]、尺寸精度高、力學性能良好，所以採用壓鑄生產濾清器殼體。壓鑄時金屬液以高速流經內流道時，模穴內的氣體來不及排出而被捲入金屬液，充型過程中捲氣容易造成氣孔、冷隔等缺陷[3]。傳統試錯方法效率低，成本高，而電腦技術的發展，使得數值模擬技術的應用，極大的提高了效率。本文利用FLOW-3D軟體來預測鑄件在壓鑄過程中容易產生捲氣的位置及含量，根據模擬結果對壓鑄製程進行優化[4,5]。經優化製程方案生產出的鑄件缺陷減少，降低了廢品率，大大節約了生產成本。

2、鑄件結構及材料

該件為YFQ-8系列濾清器殼體鑄件，總重量為537.3 g，體積為223.9 cm3，輪廓尺寸為136.5 mm×117 mm×202.5 mm，如圖1。鑄件主體為圓柱形長筒，最大直徑為117 mm，平均壁厚為3.5 mm，中部有突起圓桶，屬於厚大部位，一端為法蘭盤，圓盤最外徑有6個孔。

圖1 鑄件圖

選用YL113鑄造鋁合金，其屬於Al-Si-Cu系壓鑄合金，由於合金中加入了大量的矽元素，在熔融態下擁有較好的流動性，而且凝固過程中收縮小，熱裂傾向小，因此合金鑄造性能優良[6]。此外,合金具有很好的氣密性和一定的耐蝕性能，符合產品的性能要求和工作條件。

3、壓鑄製程設計

3.1 確定分模面

分模面位於壓鑄模的動模和定模的結合處，通常與開模方向相互垂直。如果選在壓鑄件的側表面，也就是與開模方向一致的面，需要設置側向滑塊機構。該壓鑄件的分模面有3種方案可選擇，A-A、B-B和C-C分模面，均為該壓鑄件外形輪廓尺寸的最大投影面，但是如果設置A-A面或B-B面為分模面，在開模時鑄件的法蘭結構阻礙動模的移動，無法實現分型。因此選用C-C分模面作為本次設計的分模面。

圖2 鑄件的分模面

3.2 澆注系統的設計

澆注系統主要由直流道，橫流道和內澆口組成[7]。集渣系統主要有溢料井和排氣槽，作用是收集氣體和冷金屬液，減少澆注系統設計不足帶來的壓鑄缺陷[8]。

該鑄件內澆口截面積的計算採用流量計算法[7]。

式中，Ag為內澆口截面積，mm2；G為通過內澆口的金屬液重量，g；ρ為液態金屬的密度，g/cm3；ν為填充速度，mm/s。

金屬液重量為537.3 g，充填速度為24 m/s，填充時間取0.08 s，利用式(1)計算得，內澆口截面積Ag為116 mm2，取整為120 mm2。根據合金種類和鑄件壁厚選定內澆口厚度為2 mm。

橫流道的截面形狀一般為扁梯形[9]，結合壓鑄件的結構特點，採用兩個澆口導入金屬液，橫流道的寬度取為30 mm；與內澆口連接端的橫流道寬度取26 mm；與直流道連接端的橫流道寬度取壓室和澆口套直徑同樣的尺寸，為60 mm；橫流道的長度取80 mm。直流道直徑與澆口套內徑相同，為60 mm。

溢料井大部分設置在分模面上,見圖3，選用梯形溢料井，溢料井尺寸見表1。

表1 溢料井尺寸

溢料井6為一圓餅狀溢料井,分割為4部分，每部分對應一個溢流口，其主要尺寸為Φ19 mm×6.5 mm。

圖3 帶有澆注和集渣系統的鑄件圖

4、初始方案的數值模擬

將設計好的模型轉化為STL格式，導入FLOW-3D軟體進行參數設置，壓鑄件模型網格數劃分為4 000萬，網格尺寸為0.1 mm，澆注溫度設定為680 ℃，模具溫度設為230 ℃,充填速度為24 m/s。

4.1 充型過程模擬

圖4為充型過程的模擬圖，可見金屬液在t=0.026 39 s時充填橫流道，見圖4a；t=0.031 12s時金屬液開始通過內澆口對模穴進行填充，見圖4b。在此之前，金屬液在直流道和橫流道中流動，且流動較為平穩。由於內澆口較小，金屬液流過時會變得很不平穩。在t=0.05332s時，首先進入模穴的混有夾雜物、塗料殘渣和氣體的金屬液開始流進溢料井，見圖4e；t=0.062 66 s時，金屬液充型結束，見圖4f，整個充型過程耗時0.06266s。

圖4 金屬液充型過程示意圖

圖4 f為初始方案的捲氣分佈圖，可以看出，鑄件表面中心和兩端以及突出部位，捲氣嚴重。圖中黃色、偏紅色以及紅色的部位都是捲氣集中的部位，同時也是表面缺陷嚴重的部位。分析原因可能是因為溢料井位置不合理，不能起到很好的集渣效果。

4.2 溫度場分析

壓鑄件充型完成後金屬液的溫度場分佈見圖5。根據壓鑄件的溫度場分佈可知，沿著金屬液流動方向，填充越晚，溫度越高。在內澆口周圍，隨著遠離內澆口，沿軸向存在正溫度梯度。溫度越高，凝固時間越長，所以鑄件凝固方向和其溫度梯度方向相反，因此可以判斷壓鑄件凝固方式為逐層凝固，並且能夠及時得到補縮，出現縮孔縮孔缺陷的幾率不大。

圖5 壓鑄件的溫度分佈圖

5、優化方案及數值模擬

5.1 優化方案的設計

結合實際生產對初始方案進行優化，將內澆口與橫流道的連接處設計為發散型，增大內澆口寬度，減小橫流道寬度，這樣在充型時使金屬液可以獲得較大的軸向充型速度。另外，將鑄件伸出項末端溢料井去除，在伸出項周圍增加溢料井。優化方案的鑄件三維圖見圖6。

圖6 優化方案帶有澆注和排溢系統的鑄件圖

其中，鑄件上的部分溢料井尺寸見表2。

表2 溢料井尺寸

溢料井4為環形溢料井，高為7 mm，長16為mm，內環半徑為10 mm，溢流口為配合溢料井的扇形，高為6 mm，內環半徑為10 mm，厚為2 mm；溢料井9和10的形狀比較特殊，該結構緊鄰型芯，既不能影響抽芯，又不能影響開模；溢料井11為一圓餅狀溢料井，分割為4部分，每部分相互間隔2 mm並各自對應一個溢流口，其主要尺寸為Φ17mm×17 mm。溢料井4，9和10在圓筒邊緣位置，每個溢流口都是兩股金屬液的匯合處，也是氣體、塗料殘渣冷汙金屬液最集中的區域，所以設置溢料井來改善充填、排氣條件。

5.2 充型過程模擬

圖7為充型過程模擬結果圖，通過觀察發現，金屬液在t=0.008 70 s開始充填橫流道，t=0.014 52 s開始通過內澆口對模穴進行填充，在此之前，金屬液在直流道和橫流道中流動較為平穩；t=0.036 78 s時，首先進入模穴的混有夾雜物、塗料殘渣和氣體的前金屬開始填充溢料井；當t=0.047 06 s時，模穴基本填充完畢，只有溢料井尚未填充完畢，捲氣基本都移動到溢料井中；t=0.058 42 s時，金屬液充型結束，整個充型過程耗時0.058 42 s。

圖7 金屬液充型過程示意圖

圖7 f為初始方案的捲氣分佈圖。模擬結果顯示，鑄件上夾帶氣體的體積分數基本在23 %左右，極少部分部位捲氣量達到35%，且這些捲氣主要分佈在溢料井周圍。其他捲氣體積分數35%~70%都分佈在溢料井內，溢料井有效發揮了集氣集渣的作用。

5.3 溫度場分析

壓鑄件充型完成後金屬液的溫度分佈見圖8。可以看出，澆注溫度為650 ℃，沿著金屬液流動方向，填充越晚，溫度越高，鑄件凝固方向和其溫度梯度方向相反，鑄件凝固順序合理，不會產生較大的缺陷。

圖8 壓鑄件的溫度分佈圖

基於優化設計生產出的鑄件見圖9，可以看出鑄件表面光滑，沒有缺陷，在實際生產過程中未發現滲漏現象，滿足生產要求。

圖9 實際生產的鑄件

6、結論

根據鑄件的結構特點，設計出初始壓鑄製程方案，利用FLOW-3D軟體進行數值模擬，對充型過程進行分析並預測產生缺陷的大小和位置，然後設計出優化方案。初始方案澆注系統的結構以及溢料井的位置不合理，導致捲氣體積分數較高，優化方案改進了澆注系統，並且在鑄件兩端設置了比較特殊的溢料井，使得鑄件內捲氣體積分數顯著降低，生產出了滿足需求的鑄件。

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