原標(biāo)題：壓鑄鋁合金變速箱體參數(shù)的有限元分析

摘 要：利用ProCAST有限元分析軟件并采用帶壓室的流態(tài)分析對壓鑄鋁合金變速箱體壓鑄參數(shù)進(jìn)行可視化調(diào)節(jié)，更能接近實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境。在軟件中進(jìn)行不同參數(shù)試驗(yàn)，得出最佳低壓速度為0.2 m/s、高速切換點(diǎn)為630 mm、高壓速度為5 m/s。將這些參數(shù)在32 000kN布勒壓鑄機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)壓鑄出的變速箱體鑄件外觀質(zhì)量良好，沒有冷隔、氣孔等缺陷，用X射線進(jìn)行探傷，鑄件內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)觀察到縮松縮孔等缺陷。

壓鑄工藝是將壓鑄機(jī)、壓鑄模和合金加以綜合運(yùn)用的過程。隨著壓鑄模的設(shè)計(jì)與制造越來越成熟，合金的性能越來越好，壓鑄機(jī)上的工藝參數(shù)設(shè)置變得越來越重要。高壓鑄造件雖然平均壁厚比較薄，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且某些地方壁厚較厚，導(dǎo)致很容易產(chǎn)生缺陷。鋁合金殼體零件一般應(yīng)用于汽車、通訊、航空等零部件中，且多以壓鑄為主。隨著我國汽車零部件的發(fā)展，鋁合金壓鑄件使用越來越廣泛。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行模擬，可以有效控制鑄件某些地方的缺陷。研究者對模具和壓鑄件在壓鑄過程中的溫度場的分布和溫度梯度等問題進(jìn)行了很多研究。SHARIF P等通過試驗(yàn)研究了工藝參數(shù)在壓鑄過程中對鑄件的影響。結(jié)果表明，在諸多工藝參數(shù)中沖頭速度對鑄件的氣孔率影響最大，但是，有一些合金，慢的壓射速度的影響更大。因此，研究合金液在壓室中的流動狀態(tài)十分重要，即分析合金液在壓室中的低壓速度高、速切換點(diǎn)和高壓速度。合理的選擇這些參數(shù)可以大大改善鑄件的質(zhì)量，給實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 鑄件

變速箱殼體鑄件見圖1，材質(zhì)為ADC12合金，尺寸為165 mm×379 mm×185.11 mm，質(zhì)量為11.21kg；體積為4 150 491.14 mm³；投影面積為1108711.70m㎡。產(chǎn)品最大壁厚為25.31mm，平均壁厚為5.97mm,大部分壁厚在4 mm左右。鑄件形狀復(fù)雜，壁厚不均勻。ADC12合金的化學(xué)成分見表1。

圖1 變速箱殼體三維示意圖

表1 ADC12各元素含量 wb/%

1.2 澆口設(shè)計(jì)

合適的內(nèi)澆口設(shè)計(jì)既有利于金屬液的穩(wěn)態(tài)流動，又有利于充滿模具型腔。內(nèi)澆口橫截面積的設(shè)計(jì)由下式計(jì)算。

式中，Ag為內(nèi)澆口截面積，m㎡；V為壓鑄件與溢流槽體積，mm³；t為填充時(shí)間，s；v為內(nèi)澆口速度，mm/s。由于鑄件質(zhì)量為11.21 kg，為了不過多的浪費(fèi)材料，又可以有效的排出氣體和夾渣，溢流槽質(zhì)量設(shè)計(jì)為2 kg，合金密度=0.0027 g/mm³,那么由下式計(jì)算得出V。

內(nèi)澆口速度v是根據(jù)鑄件壁厚來得出的，可以參考圖2進(jìn)行設(shè)定。

圖2 內(nèi)澆口速度與鑄件壁厚的關(guān)系

雖然鑄件平均壁厚在5.97 mm，但需要考慮到鑄件形狀復(fù)雜且大部分壁厚較小，基本在4 mm左右，最大壁厚與最小壁厚相差大，內(nèi)澆口速度不宜過低，因此選擇40 m/s。根據(jù)圖2可知，平均壁厚為5.97 mm的鑄件充型時(shí)間為0.048~0.072 s，同樣考慮到鑄件壁厚不均，且最大壁厚與最小壁厚相差大，取充型時(shí)間為0.06s，將以上數(shù)據(jù)帶入式(1)，計(jì)算得出Ag=2038m㎡。

1.3 澆道以及排溢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑄件的直澆道、橫澆道設(shè)計(jì)見圖3。考慮到鑄件形狀復(fù)雜且壁厚不一，采用7個(gè)分支的流道系統(tǒng)，流道截面積均勻減小直至內(nèi)澆口位置，排溢系統(tǒng)布置在鑄件大面和小面的四周，中間兩孔布置溢流槽。

圖3 澆道以及排溢系統(tǒng)

壓鑄機(jī)選擇布勒3200T臥式冷室壓鑄機(jī)，壓室直徑D=140 mm，由下式計(jì)算壓射沖頭的橫截面積。

式中，A1為壓射沖頭(近似腔室)的橫截面積，m㎡。

2、仿真和參數(shù)化

采用ProCAST 軟件進(jìn)行模擬，壓室的界面?zhèn)鳠釤嵯禂?shù)為1 200 kW/（㎡K），模具界面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為4 000 kW/（㎡K）。為了使模擬更接近生產(chǎn)的狀態(tài),采用帶壓室的模具進(jìn)行仿真，沖頭用來推動熔化的金屬進(jìn)入型腔以模擬合金的流動性。圖4為鑄件的參數(shù)化網(wǎng)格。

圖4 參數(shù)化網(wǎng)格

低速壓射速度低使金屬液溫度降低過多，很容易進(jìn)入固相區(qū)，不利于鑄件的成形，而低速壓射速度高又會出現(xiàn)卷氣。為此進(jìn)行低速壓射速度試驗(yàn)，參數(shù)見表2。

表2 低速壓射速度試驗(yàn)參數(shù)

選擇澆注溫度為680 ℃，低速壓射速度分別為0.1、0.2、0.3 m/s進(jìn)行速度試驗(yàn),模擬結(jié)果見圖5.。從圖5a和圖5b可以看出，低速壓射速度在0.1m/s和0.2m/s都有預(yù)結(jié)晶產(chǎn)生，其中在0.1m/s時(shí)，速度過小，導(dǎo)致鋁液溫度降低過多，產(chǎn)生的預(yù)結(jié)晶量過多，降低鋁液的流動性，進(jìn)一步降低鑄件質(zhì)量，而從圖6c可以看出，低速壓射速度在0.3 m/s時(shí)，速度過高，熔融金屬在壓室內(nèi)出現(xiàn)了卷氣，易形成氣孔。低速壓射速度在0.2 m/s時(shí)，鋁液整體流動平穩(wěn)且產(chǎn)生預(yù)結(jié)晶量少，因此選擇低速壓射速度為0.2m/s。

圖5 ADC12的流動狀態(tài)隨壓射速度的變化結(jié)果

另外，模擬了3種溫度下（670、680和690℃）的充型過程，見圖6，可以看出三種溫度下預(yù)結(jié)晶量無明顯差異。為了防止由于壓射溫度高而導(dǎo)致氣體溶解度增大，在壓鑄過程中難以析出，降低鑄件性能，且溫度過高，使合金氧化加劇，易產(chǎn)生縮孔、裂紋等。因此選擇澆注溫度為680 ℃。

圖6 不同澆注溫度下對預(yù)結(jié)晶量的模擬結(jié)果

2.1 高速切換點(diǎn)

圖7為高速切換點(diǎn)位置示意圖。高速行程L1與沖頭截面積A1的乘積與鑄件體積和溢流槽體積之和V相等。

圖7 高速切換點(diǎn)位置示意圖

由前述分析A1=15 38 6m㎡，V=4.89259×106 mm³，代入(4)得L1=318mm。那么理論高速切換點(diǎn)L2由下式計(jì)算得出。

為了驗(yàn)證理論高速切換點(diǎn)，設(shè)置了3個(gè)位置進(jìn)行試驗(yàn)，由以上分析設(shè)置壓射溫度為680 ℃。低壓速度為0.2 m/s，設(shè)置沖頭高速切換點(diǎn)位置為600、640和680 mm，見圖8?？梢钥闯?，相同填充率(57%)下，600 mm高速切換點(diǎn)的分流錐腔內(nèi)鋁液沒有充滿，氣體不能及時(shí)排出，鑄件很大可能出現(xiàn)縮松縮孔，降低鑄件質(zhì)量(圖8a)，在680 mm沖頭高速切換點(diǎn)的澆道內(nèi)也沒有充滿鋁液（圖8c），而在640 mm沖頭高速切換點(diǎn)鋁液充型平穩(wěn) (圖8b)，金屬液有效地充滿了澆道，但是需要考慮實(shí)際生產(chǎn)中電氣設(shè)備工作時(shí)間的延遲，因此高速切換點(diǎn)選擇630 mm。

圖9 不同高速切換點(diǎn)對鑄件質(zhì)量的模擬結(jié)果

2.2 高速壓射

在32 000 kN布勒壓鑄機(jī)中，壓室，澆道和壓鑄模型腔為一個(gè)封閉連續(xù)空間，且假設(shè)合金液為不可壓縮流體，高壓速度和填充速度滿足連續(xù)方程。高壓速度可由下式計(jì)算。

式中，v1為高壓速度，m/s；v為填充速度，m/s；A1為壓射沖頭(近似腔室)的橫截面積，m㎡；Ag為內(nèi)澆口的橫截面積，m㎡。由Ag= 2 038 m㎡，v=40 000 mm/s，A1=15 386 m㎡，計(jì)算可得v1= 5.298m/s。為驗(yàn)證計(jì)算的理論高壓速度是否合適，設(shè)置3組參數(shù)為5、5.5和6 m/s，模擬不同高壓速度下的高壓鑄造過程。觀察填充率為85%、90%和95%左右的情況，見圖9。

從圖9b（3）和9c（3）可以看出，在5.5 m/s和6 m/s的速度下，溢流通道被金屬液堵塞，會影響排氣效果。填充速度越大，金屬液充填越多，溢流通道堵塞越明顯。從圖9a（3）可以看出，溢流通道沒有發(fā)生堵塞，排氣效果較好，因此，選擇高速壓射速度為5 m/s較為合適。

圖9 不同高速壓射速度對鑄件質(zhì)量的模擬結(jié)果

2.3 生產(chǎn)驗(yàn)證

將優(yōu)化壓鑄工藝參數(shù)在32 000kN布勒壓鑄機(jī)上做生產(chǎn)驗(yàn)證，壓鑄的鑄件外觀見圖10，表面質(zhì)量良好，沒有冷隔、氣孔等缺陷。

圖10 生產(chǎn)的鑄件

鑄件的X-射線檢測結(jié)果見圖12，內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)縮松縮孔現(xiàn)象，仿真的結(jié)果可以用于實(shí)際生產(chǎn)。

圖12 鑄件X射線檢測結(jié)果

3、結(jié)論

（1）對鑄件工藝參數(shù)進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明，低壓射溫度和低壓射速度都會使壓室內(nèi)產(chǎn)生過多的預(yù)結(jié)晶量。低壓速度過高液態(tài)金屬會在壓室內(nèi)出現(xiàn)卷氣。高速切換點(diǎn)應(yīng)確保液態(tài)金屬有效及時(shí)充滿流道。高壓速度的選擇不能堵塞最終充型位置的排氣孔。

（2）根據(jù)仿真結(jié)果，確定出了最佳壓鑄工藝參數(shù)。最佳低壓速度為0.2m/s、高速切換點(diǎn)為630mm、高壓速度為5m/s。

作者：

魏言標(biāo)
南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院
雄邦壓鑄(南通)有限公司開發(fā)部

盧潤澤
江蘇文燦壓鑄有限公司開發(fā)部

王俊有
雄邦壓鑄(南通)有限公司開發(fā)部
江蘇文燦壓鑄有限公司開發(fā)部

黃明宇
南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第4期