摘要：壓射機(jī)構(gòu)內(nèi)部徑向變形會引起沖頭和壓室配合間隙變化，是造成壓射機(jī)構(gòu)失效的主要原因。以1 250kN熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)為研究對象，基于流固耦合分析了壓射過程中的熱變形以及熱力耦合分析,并對其進(jìn)行對比驗(yàn)證。結(jié)果表明，金屬熔頁產(chǎn)生的熱量傳遞到壓射機(jī)構(gòu)的壓室和鵝頸壺會引起其內(nèi)部徑向變形，導(dǎo)致壓射機(jī)構(gòu)失效。據(jù)此進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的壓射機(jī)構(gòu)變形、質(zhì)量均有所降低。

鑄造是制造業(yè)中的重要組成部分,其中熱室壓鑄機(jī)因其效率高、結(jié)構(gòu)簡單且金屬熔液不與空氣直接接觸、鑄件品質(zhì)好等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。在熱室壓鑄壓射過程中壓室內(nèi)壁不僅受到?jīng)_頭運(yùn)動造成的的摩擦磨損，還受到高溫金屬液引起的腐蝕，使得壓室內(nèi)壁與沖頭產(chǎn)生徑向變形造成配合間隙變化，嚴(yán)重時會發(fā)生卡擦卡死，是導(dǎo)致壓射機(jī)構(gòu)失效的主要原因。

朱謙等對擠壓鑄造機(jī)的壓射機(jī)構(gòu)動態(tài)配合進(jìn)行研究，認(rèn)為引起配合間隙變化劇烈的主要原因是壓室的溫度不均勻。宋雷等對擠壓鑄造的壓室進(jìn)行了卡擦現(xiàn)象定性分析，其認(rèn)為壓射機(jī)構(gòu)內(nèi)部熱變形引起的配合間隙變化是造成卡擦現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因。目前對壓射機(jī)構(gòu)的研究主要集中在由熱變形引起的間隙變化造成的卡擦現(xiàn)象，但針對熱室壓鑄機(jī)的研究報道較少。熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)與冷室壓鑄機(jī)不同，其工作環(huán)境復(fù)雜，易發(fā)生失效，且壓室與沖頭更換困難。因此，對熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)在工作中的失效問題進(jìn)行研究十分必要。

本課題對熱室壓鑄機(jī)工作狀態(tài)下壓射機(jī)構(gòu)的變形失效原因進(jìn)行研究，通過數(shù)值模擬分析得知金屬熔液產(chǎn)生的熱量傳遞到壓射機(jī)構(gòu)的壓室和鵝頸壺會引起其內(nèi)部發(fā)生徑向變形。

1、壓射機(jī)構(gòu)模型的建立

1.1 壓射機(jī)構(gòu)

熱室壓鑄機(jī)的壓射機(jī)構(gòu)主要由鵝頸壺、壓室及沖頭3部分構(gòu)成。其工作原理見圖1，金屬液由進(jìn)料口進(jìn)入壓室內(nèi)部，沖頭緩慢向下移動直至封住進(jìn)料口，之后壓射沖頭以高速壓射推動金屬液進(jìn)入鵝頸壺直至模具中保壓。待模具成形后沖頭退回，金屬液回流，頂出裝置將壓鑄件頂出完成一個壓鑄流程。

圖1 熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)工作原理

1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

在進(jìn)行流固耦合分析時，需根據(jù)一個耦合方程，在同一個時間步內(nèi)對流體域和固體域中的所有未知量同時求解。而在流體分析中，關(guān)于封閉容腔內(nèi)流體分析問題需通過建立數(shù)學(xué)模型假設(shè)來計(jì)算。模型分析選用κ-ε湍流模型。其湍流耗散率表達(dá)式為：

湍流能量運(yùn)輸方程為:

能量耗散輸送方程為：

式中，ε為湍動能耗散率；μτ為湍動粘度；μτjj為平均速度梯度引起的湍動能的產(chǎn)生κ項(xiàng)；sij為浮力引起的湍動能產(chǎn)生κ項(xiàng)；Cε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；、κ為用戶自定義源項(xiàng)。
流固耦合方程式為：

式中，f為流體；s為固體。

1.3 三維模型的建立

在進(jìn)行有限元分析前需對壓射機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模，采用SolidWorks對1 250 kN熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模裝配。壓室和鵝頸壺的尺寸均根據(jù)實(shí)際圖紙尺寸繪制，其剖面圖見圖2。

圖2 壓射機(jī)構(gòu)尺寸及剖面圖

2、壓射過程數(shù)值模擬分析

2.1 邊界條件設(shè)置

以1 250 kN熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)為研究對象，壓射機(jī)構(gòu)簡化為由沖頭、壓室和鵝頸壺組成的有限元模型。數(shù)值模擬采用流固耦合分析，忽略重力、磁力、慣性力等對計(jì)算結(jié)果影響很小的因素。有限元分析中所有的零件材料與實(shí)際材料一致。壓鑄前需將壓射機(jī)構(gòu)預(yù)熱至200 ℃，因此設(shè)定初始溫度為200 ℃，鎂合金熔液為750 ℃。壓射過程中一個壓鑄周期需50 s，壓鑄工藝流程分4個步驟組成：①在0~5 s金屬液流入壓室；②在5~15 s時沖頭下壓完成模具的充型；③在15~45 s時沖頭保壓金屬液在高壓下凝固；④在45~50 s時沖頭退回，金屬液回流，頂出成形鑄件。鵝頸壺和沖頭材質(zhì)為QT600，壓室材質(zhì)為H13鋼，沖頭直徑為70 mm，壓室外徑為110 mm，內(nèi)徑為70 mm，高395 mm，壓室底厚為45 mm，鵝頸壺管道內(nèi)徑為15 mm，底厚為75 mm。定義壓室及鵝頸壺管道內(nèi)為流體域，其余部分為固體域。沖頭在壓射時的速度為0.125 m/s，壓射壓力為22.88 MPa，出口壓力設(shè)為靜壓0，鵝頸壺上方及鵝頸壺出口外表面與壓室外表面設(shè)為位移支撐，沖頭下方為位移支撐給定一個自由度。模型選用κ-ε湍流模型，各系數(shù)設(shè)為默認(rèn)值。壓力與速度之間的耦合算法為SIMPLE。壓射機(jī)構(gòu)中各部件的的材料性能參數(shù)見表1。

表1 壓射機(jī)構(gòu)各部件材料性能參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行有限元分析前需對要分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在每個網(wǎng)格劃分的區(qū)域內(nèi)采用相應(yīng)的熱力學(xué)或流體力學(xué)方程求解，最終可以得到整個結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)。流體域劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量8 681個，網(wǎng)格單元數(shù)量39 548個。固體域劃分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量121 150個，網(wǎng)格單元數(shù)量75 519個，見圖3。

圖3 流體和固體網(wǎng)格劃分

2.1 計(jì)算結(jié)果分析

當(dāng)壓射機(jī)構(gòu)工作至45 s即一個壓鑄周期結(jié)束，沖頭即將退回時，壓室及鵝頸壺所受等效應(yīng)力及變形云圖見圖4。可以看到，壓射機(jī)構(gòu)整體的等效應(yīng)力及變形分布都是不均勻的。壓室中的最大變形位于壓室底部，這是由于沖頭壓力的作用以及金屬液在壓室內(nèi)停留時間太長所致，這會導(dǎo)致沖頭與壓室的配合間隙發(fā)生變化，沖頭在此處運(yùn)動發(fā)生摩擦磨損及卡擦現(xiàn)象的概率將顯著增大。壓室上方在壓鑄過程中不與金屬液直接接觸，溫度較低，其變形也相應(yīng)較小。沖頭的變形由沖頭上方到?jīng)_頭底部遞增，因?yàn)闆_頭底部與金屬液直接接觸且持續(xù)時間較長。鵝頸壺中的等效應(yīng)力較為均勻，最大的變形位于底部區(qū)域，與壓室變形方向一致，因?yàn)轾Z頸壺底部長時間接觸金屬液所致。壓室及鵝頸壺內(nèi)壁受到的等效應(yīng)力均小于材料的屈服應(yīng)力。分析得知，壓射機(jī)構(gòu)內(nèi)部徑向變形的主要原因是高溫金屬液的熱傳遞導(dǎo)致的。

圖4 壓室和鵝頸壺等效應(yīng)力及變形云圖

3、對比驗(yàn)證及優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 分析結(jié)果驗(yàn)證

通過數(shù)值模擬分析得知金屬液熱傳遞影響是造成熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)內(nèi)部變形的主要因素，通過熱力耦合分析的方式來驗(yàn)證。在熱力耦合過程中，設(shè)定流體為固定的熱源，不考慮內(nèi)部流體壓力的影響。材料屬性等定義同上，限制約束也相同，采用穩(wěn)態(tài)熱分析的方式,見圖5，鵝頸壺與壓室的總變形與等效應(yīng)力的結(jié)果基本與流固耦合分析相似，驗(yàn)證了上述分析的正確性。

圖5 壓室和鵝頸壺應(yīng)力及變形圖

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

完成有限元分析后，可知金屬液的熱傳遞影響是導(dǎo)致熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)發(fā)生徑向變形的主要原因，而壓室內(nèi)部的徑向變形會導(dǎo)致沖頭與壓室的配合間隙發(fā)生變化，加劇壓室內(nèi)壁的摩擦磨損，甚至?xí)斐蓻_頭運(yùn)動中發(fā)生卡擦卡死現(xiàn)象。因此，根據(jù)熱變形對壓射機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證其等效應(yīng)力、總變形降低的情況下，不增加其質(zhì)量以期達(dá)到降低壓鑄故障率，并節(jié)約生產(chǎn)成本的目的。

通過Optimization優(yōu)化分析，隨機(jī)生成了20個設(shè)計(jì)點(diǎn)，分別對每個點(diǎn)進(jìn)行求解計(jì)算，選擇其中的最優(yōu)解。

設(shè)定在保證壓室內(nèi)部腔體容積不變的情況下改變壓室與鵝頸壺的厚度。分別設(shè)定其相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)變量，具體參數(shù)見表2。

表2 壓射機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

通過求解設(shè)定的20個設(shè)計(jì)點(diǎn)，得到其壓室、鵝頸壺厚度對總變形、等效應(yīng)力以及質(zhì)量的敏感性與參數(shù)變量之間的關(guān)系見圖6。

圖6 各參數(shù)之間的關(guān)系

根據(jù)上述的各個節(jié)點(diǎn)計(jì)算得到了3組最佳的候選點(diǎn)，通過對比選擇第3組候選點(diǎn)，將數(shù)值帶入模型中進(jìn)行分析，得到壓射機(jī)構(gòu)的總變形與等效應(yīng)力圖見圖8和圖9。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)點(diǎn)

圖9 壓射機(jī)構(gòu)優(yōu)化后變形圖和等效應(yīng)力圖

4、結(jié)論

通過對1 250 kN熱室壓鑄機(jī)壓射機(jī)構(gòu)進(jìn)行流固耦合數(shù)值模擬分析并結(jié)合熱力耦合分析驗(yàn)證的方式，得出金屬液的熱傳遞影響是造成壓射機(jī)構(gòu)徑向變形的主要原因。之后根據(jù)熱變形的影響對其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，在減小了總變形與等效應(yīng)力的基礎(chǔ)上其質(zhì)量也有所降低，減小了生產(chǎn)成本。

作者：

王昌 王宇鑫 水樂峰
內(nèi)蒙古科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

周忠鋒
山東新華醫(yī)療器械股份有限公司

本文來自:《特種鑄造及有色合金》雜志2022年第42卷第06期