压力铸造是在高压下将金属液快速充填模具型 腔内,获得的铸件具有强度高、表面硬度高等较好力 学性能的特种成形工艺。 压铸现在已成为成形铝 合金零件的重要方式。 在充型过程中,由于压铸工 艺的高速充型及高压凝固特点,不能完全消除裹气 现象,易产生气孔、冷隔等缺陷。 另由于铸件壁厚不 均匀,金属熔体在型腔内不易做到顺序凝固,压铸件 在成形中会出现缩松、缩孔。 铸件一旦产生明显缺 陷,将导致零件的气密性下降,在使用过程中易出现 泄漏,产品报废率明显上升。 运用铸造模拟软件 仿真分析铸件的充型及凝固过程,预测可能会出现 的缩孔、缩松等缺陷,提高了铸件的设计质量,且节 约了生产成本,缩短了生产试制周期。
本文利用铸造软件 Ａｎｙｃａｓｔｉｎｇ,模拟分析换挡 塔铸造过程,根据模拟结果改进浇注系统及优化工 艺参数,提高产品的设计质量。
1 压铸分析数学模型
在充型过程中,金属液以紊流方式流动,因而 铸造模拟过程中多采用 k-ε 双方程紊流模型。 在 直角坐标系下,将紊流的对流换热控制方程、紊流 模型中的动能、耗散率以及处理自由表面的体积函 数方程用统一传输方程表示为
2 原工艺方案
2.1 工艺特点分析
换挡塔属于汽车换挡系统,是汽车换挡机构的 重要部件之一。 其是整个汽车变速器的骨架,内外 安装换挡机构的各种零部件。 换挡塔内装有机油, 其主要作用是润滑和传递力矩。 因此该产品须满足 一定的密封要求,在使用中不允许发生泄漏。 外形 尺寸为:１６４ ｍｍ ×８０ ｍｍ ×１４０ ｍｍ ,铸件最厚处尺寸 为 １７ ｍｍ ,最薄处尺寸为 ２.５ ｍｍ ,平均壁厚尺寸为 ４.８ ｍｍ 。 鉴于换挡塔壳体壁厚均匀性差,局部太 厚,铸造成形过程中容易产生冷隔、缩孔、缩松等缺 陷。 铸件材料采用 ＡＤＣ１２ 铝合金,其物理性能参 数:固相线温度为 ５１５ ℃,液相线温度为 ５８０ ℃,热 传导率为 ９２ Ｗ·ｍ－１·Ｋ－１,热焓为 ３８９ ｋＪ·ｋｇ－１,体 积收缩率为 ７.１４% ,模具材料采用 ＳＫＤ６１ 模具钢。
2.2 原生产工艺
原压铸工艺的溢流槽及浇注系统见图 １。 初 始参数见表 １。
2.3 产品缺陷及分析
在铸件的充型和凝固过程中,浇注温度、充型 速度、模具预热温度是影响铸件品质的关键工艺因 素。 金属液的浇注温度过低,其流动性会下降,造 成浇不足、冷隔等缺陷。 浇注温度过高,金属液凝 固的收缩量会变大,易产生缩孔、缩松。 金属液充 型的速度慢会降低组织致密度。 充型的速度太快 易使内部气孔率增加;模具预热温度过高,会使金 属液冷却速度变慢,晶粒较大;模温过低会使进入 模具的金属液因激冷而无法成形。
原工艺生产的压铸件的缺陷有冷隔、缩孔、缩 松。 产生上述缺陷的原因经过理论分析有:①浇注 系统设计不合理,金属液不能快速充填模型,会使 铸件出现冷隔。 ②模具的预热温度低,使得金属液 流动性差,易造成冷隔缺陷。 ③铸件壁厚不均匀, 局部壁厚太厚,存在较大的温度梯度,是产生缩孔、 缩松等缺陷原因。
3 优化方案
3.1 优化工艺
通过理论分析和做正交模拟实验,提出解决铸 件存在的缺陷措施改善浇注系统,且优化压铸工艺 参数。 在浇注系统方面,增加浇道的数量,在壳体 压铸模下方的换挡塔后壳体长边肋板处增设一条 横浇道作为主浇道,其截面形状采用扁梯形,金属液充型时散热慢,流动平稳;另为获得较好表面质 量及较高致密度的压铸件,保证最终静压力的传递 作用,增加了内浇口的数量及厚度,可使充型时 间变短。 运用三维 ＣＡＤ 软件完成换挡塔壳体、浇 注及排溢系统的实体建模,并导入到铸造软件的前 处理模块中,完成装配,见图 ２。
由于铸件的不规则性,为了保证模拟精度,减 少计算时间,采用可变网格划分铸件,网格数量为 ２４６５５８０。 优化工艺参数,见表 ２。
3.2 优化结果分析
3.2.1 充型过程 通过软件后处理模块可查看金属液充填型腔 的流动过程,并未出现卷气等不良现象。
图 ３ 是铸件充型开始和将要结束的充型状态。 从图上看出,整个型腔的充型时间约为 ０.０１５ ｓ 。 从整体来说,金属液由直浇道进入横浇道,分流成 两股,由主副浇道共同充填型腔,金属液在主副浇 道交汇的位置易产生卷气,需注意。 金属液经内 浇口进入型腔后,平稳地向换挡塔的远端流动,直 到完成型腔充填,整个换挡塔基本实现了顺序充 型,金属液流动较为平稳,能够有效地排出型腔内 的气体,减少了卷气缺陷,符合全壁厚充填理论, 能够满足生产要求。
3.2.2 凝固过程
充型完成后整个型腔及浇注系统的凝固状态 如图 ４ 所示,可以看出整个系统完全凝固时所用时 间约为 ４０.５ ｓ 。 从铸件的凝固次序图 ４ 可以看出,由于铸件壁 厚相差较大,导致凝固时的温度场未能作同速下降, 内浇口及铸件薄壁由于凝固过早,壁厚较大的位置 凝固时不能得到有效的补缩,因而形成了圆圈位置 的孤立液相区(图 ４(ｃ)),缩孔、缩松缺陷极易出 现在孤立液相区。 因此在模具设计中要加大这 些地方的冷却。
3.2.3 模拟验证
在 ＡｎｙＣａｓｔｉｎｇ 中采用 Ｎｉｙａｍａ１ 进行缺陷分析,结 果见图 ５。 图中圆圈位置残余熔体模数最高大于 ０.９, 铸件可能出现缺陷,实际生产中发现的铸件缺陷,与 测试的结果相吻合。 根据以上模拟结果正确指导换挡塔铸件铸造工艺方案及模具设计,为了消除局部壁 厚引起的缩孔、缩松缺陷,我们可采用超点冷工艺, 这样可使换挡塔铸件质量更符合性能要求,减少了原 铸件中缩孔、缩松缺陷,提高了铸件质量(图 ６)。
4 结论
(１)利用软件 ＡｎｙＣａｓｔｉｎｇ 动态模拟压铸过程, 有效地预测出铸件中缩孔、缩松等缺陷及位置。
(２)根据模拟结果,改进浇注系统,优化工艺 参数,可缩短工艺试制周期、降低试验成本和提高 铸件的质量。
(３)改进后所得换挡塔,缩孔、缩松现象明显 减少,但无法消除上述缺陷,这是压铸工艺特点所 决定的,考虑采用挤压铸造工艺进行改善。