原標(biāo)題：基于Flow-3D的鋁合金散熱片壓鑄工藝設(shè)計與數(shù)值模擬優(yōu)化

汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中散熱器上的散熱片的平均壁厚較厚，同時薄壁結(jié)構(gòu)、細(xì)長結(jié)構(gòu)較多, 尺寸精度要求高, 整體品質(zhì)要求高。砂型鑄造散熱片的散熱效果差、生產(chǎn)方法落后、周期長、成本高、效益低, 難以滿足日漸擴(kuò)大的市場需求和散熱片的技術(shù)更新。鋁合金導(dǎo)熱性能優(yōu)良, 壓鑄件有組織致密、表面質(zhì)量高、尺寸精度高的特點, 壓鑄鋁合金散熱片具有廣闊的應(yīng)用前景。計算機(jī)模擬軟件可以對壓鑄過程中的卷氣夾雜、溫度場等進(jìn)行仿真模擬, 預(yù)測整個型腔內(nèi)可能產(chǎn)生缺陷的部位，從而更精準(zhǔn)、高效地改進(jìn)工藝，降低生產(chǎn)成本，提高效益。本課題對鋁合金散熱片的壓鑄工藝進(jìn)行設(shè)計，采用Flow-3D軟件進(jìn)行模擬分析，通過添加溢流槽、改進(jìn)內(nèi)澆口尺寸等來優(yōu)化工藝, 從而得到合理的壓鑄工藝方案。并通過試生產(chǎn)進(jìn)一步驗證壓鑄工藝的合理性。

根據(jù)散熱片結(jié)構(gòu)，對鋁合金散熱片的壓鑄工藝方案進(jìn)行設(shè)計，然后采用Flow-3D軟件對壓鑄工藝方案進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬結(jié)果顯示，在散熱片下部4個邊角部位出現(xiàn)卷氣缺陷。對工藝方案進(jìn)行試生產(chǎn)，并對生產(chǎn)出的試樣進(jìn)行探傷和剖切觀察，發(fā)現(xiàn)與模擬結(jié)果相符, 在邊角部位出現(xiàn)大量氣孔、針孔。

圖文結(jié)果

散熱片外形尺寸為99mm×89mm×41.7mm，質(zhì)量約為375g，最大壁厚為33mm，最小壁厚為2.5mm，屬于中小型鑄件。散熱片主體是厚度為13mm的長方體，在散熱片中部有一處高20mm的凸起，為鑄件的厚大部位；在鑄件4個邊角處各有一根長為28mm的延伸腿，在延伸腿的側(cè)邊有厚度為2.5mm、高度為26mm的斜肋，為鑄件的薄壁區(qū)。鋁合金材質(zhì)為ADC12鋁合金，選用DM180臥式冷室壓鑄機(jī)，采用一模兩件的方式生產(chǎn)，鋁合金散熱片的三維立體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 鋁合金散熱片三維立體圖

圖2 鋁合金散熱片分型面示意圖

圖3 帶有澆排系統(tǒng)的散熱片示意圖

首先在Flow-3D軟件中對壓鑄工藝參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，澆注溫度為680℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，充型速度為20m/s。將初始工藝設(shè)計的實體三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式導(dǎo)入Flow-3D軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖4 初始工藝溫度場模擬結(jié)果

圖5 初始工藝卷氣模擬結(jié)果

圖6 實際生產(chǎn)件剖切結(jié)果

圖7 工藝優(yōu)化后的溫度場模擬結(jié)果

圖8 工藝優(yōu)化后的卷氣模擬結(jié)果

圖9 工藝優(yōu)化后壓鑄件的剖切圖

通過對散熱片結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，設(shè)計出了合理的壓鑄工藝，對所設(shè)計的初始工藝進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測缺陷產(chǎn)生的部位和嚴(yán)重程度，分析缺陷產(chǎn)生原因。通過調(diào)整內(nèi)澆口尺寸進(jìn)行工藝優(yōu)化，優(yōu)化后模擬結(jié)果顯示缺陷被有效消除。對優(yōu)化方案進(jìn)行試生產(chǎn)，并對生產(chǎn)出的試樣進(jìn)行探傷和剖切觀察，結(jié)果表明，氣孔、針孔得到有效消除，滿足使用要求的同時降低了廢品率。通過改進(jìn)內(nèi)澆口大小等措施對工藝進(jìn)行優(yōu)化，并對改進(jìn)后的工藝進(jìn)行驗證，基本解決了初始工藝中出現(xiàn)的缺陷。

本文作者：

宋政驄1 米國發(fā)1 周志杰2 歷長云1 許磊1

1.河南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.河南平原光電科技有限公司

本文轉(zhuǎn)載自：《特種鑄造及有色合金》雜志