基于 FLOW-3D 的減震塔真空壓鑄工藝設計與優化
基于 FLOW-3D 的減震塔真空壓鑄工藝設計與優化

 

基于 FLOW-3D 的減震塔真空壓鑄工藝設計與優化

 

吳耀榮,岑偉明,鄧宇斌,梁富

(廣州市型腔模具制造有限公司)

 

摘要:基于 FLOW-3D 軟件,分析了工藝設計過程中,利用模擬分析軟件,經過多版模流的相互對比和分析,確定了減震塔鑄件產品成型優化的澆注系統方案,而根據這個方案模擬抽真空的狀態,經過模擬分析,預測其可能產生的缺陷,在模具上設計出相應的優化結構。

關鍵詞:減震塔;真空壓鑄;澆注系統;FLOW-3D

 

Design and Optimization of Die Casting Process for Vacuum Die CastingShocking Tower Based on FLOW-3D Software

Wu Yaorong, Cen Weiing, Den Gyubin, Liang Fu

(Guangzhou Cavity Mould Manufacturing Co., Ltd)

Abstract: the optimized gating system was determined for the vacuum die casting shocking tower based on the Flow-3D software with different editions to analyze comparatively the gating system design. Through simulation analysis, the potential defects in the shocking tower during filling and solidification process were visualized, and the optimized structure in the mould design was conducted.

Key Words:Shocking Tower, Vacuum Die Casting,Gating System,Flow-3D

由于壓鑄技術日趨成熟,可通過調整壓鑄工藝和噴涂、冷卻、抽真空等輔助手段,實現鑄件的批量生產。隨著產品功能的多樣化以及性能要求的提高,對鑄件填充流態的要求也就越來越高。澆排系統的設計對鑄件質量的影響重大。隨著計算機技術在鑄造生產中的應用逐漸成熟,澆排系統的設計變得更加科學、高效,大大節省了試制周期及成本?;阼T造模擬軟件,根據鑄造過程的模擬結果,可有針對性的調整液流走向,優化模具設計,提升產品質量,避免產品缺陷的產生[1,2]。

研究表明,T5處理后,高真空鑄件的伸長率可達到8.4%,T6處理后高真空鑄件屈服強度和伸長率分別達到了339.8 MPa6.7%[5]。為了獲得較搞的屈服強度和伸長率,汽車結構件通常都需要進行T5T6處理。而由于熱處理溫度較高,因而對鑄件內部質量要求極高,模具上也需要引用抽真空的排氣技術減少產品內部氣縮孔問題。

本課題采用Flow-3D軟件,定性分析了鋁合金液流動的充型狀態與鑄件缺陷的分布,著重研究了梳形澆道、扇形澆道、集中進澆、分散進澆、長澆道與短澆道對充型流動狀態、充型溫度、充型速度、氣壓阻力與鑄件成形的關系;確定了鑄件的澆注系統與排氣系統,大大縮短了模具的開發周期[3,4]。

 

1 利用Flow-3D選取進澆位置和確定產品擺位

1.1鑄件結構分析

某汽車減震塔鑄件三維模型見圖1,其最大外形尺寸549 mm×408 mm×281 mm,鑄件投影面積:188 686 mm2,鑄件基本壁厚≥3 mm(局部有厚料位),鑄件成品質量為3.74 kg,鑄件收縮:1.0045。該鑄件內部品質要求較高,需進行T6處理。該鑄件對鋁液填充的順序性、連續性要求很高,所以通常會選擇一個側面進澆。分析鑄件結構可知,該鑄件不需要滑塊抽芯,理論上可選擇任意面進澆。位置C和位置D進澆位置不足,排除進澆可能。位置A和位置B通過初步觀察無法判斷優劣,需要通過Flow-3D模流分析判定最佳進澆面。

圖1 汽車減震塔三維模型及進澆位置示意圖

 

1.2鑄件進澆面選擇

設計了兩條流道進行模流分析對比,其填充速度模擬結果見圖2??梢钥闯?,從位置A進澆時,鋁液填充連續性較好,沒有出現紊流及卷氣;而從位置B進澆時,鋁液進入型腔后出現了紊流,填充連續性較差。這是因為從位置B進澆時,鋁液首先經過的鑄件型腔有幾級不同的高度,而且造型較復雜。而從位置A進澆時,鋁液首先經過的鑄件型腔較為平坦,只有兩側有兩處較小區域出現小局部高度差。因此,位置A進澆有較大優勢。

(a)位置A進澆  (b)位置B進澆

圖2不同進澆位置填充速度模擬分析對比

 

2 確定進澆位置后,通過模流分析優化澆排系統設計

2.1 方案1模擬分析

3方案1填充速度模擬圖,其中紅圈區域為包卷區域??梢钥闯?,鑄件在兩側出、末端以及厚料區均存在一定程度的包卷,這可能會導致在該處形成氣縮孔等缺陷,還會影響后續的流態。產品外側出現包卷的原因是產品外側型位造型出現轉折,外側填充速度較快。末端卷氣的原因是兩側填充過快。產品中部厚料區域包卷嚴重的原因是兩側填充過快,鋁液流進中部厚料區域時不順暢。

(a)外側包卷            (b)末端卷氣         (c)中間厚料區域包卷

圖3 方案1的填充速度模擬

2.2 方案2模擬分析

為解決上述問題,采取將內澆口收窄的措施,見圖4:采取該措施后,避開了產品轉折位置,降低了兩側的填充速度,從而實現填充流態的優化。

圖4  方案2的鑄件及澆注系統三維模型

5為方案2的鑄件填充速度模擬??梢钥闯?,鑄件外側包卷和末端包卷情況明顯改善。與方案1的填充過程相比,方案2的填充更順暢,但從整個流態看,方案2中兩側填充較遲,甚至出現回流現象。這種回流現象,對于結構件產品的填充而言是致命的,違反了結構件流道填充順序性和連續性的設計原則,所以方案2不合理。

(a)兩側填充緩慢  (b)兩側回流

圖5 方案2的填充速度模擬

2.3 方案3模擬分析

6為鑄件外側鋁液和末端鋁液的填充方向示意圖??梢钥闯?,方案1中鑄件外側填充過快是由于外側幾股鋁液由于慣性,首先將產品外側型位填滿,然后再向內部卷過來,包住還沒來得及排出的氣體。

(a)外側鋁液     (b)末端鋁液

圖6方案1外側鋁液和末端鋁液的填充方向

7為方案3的鑄件及澆注系統三維模型??梢钥闯?,在鑄件外側增加了一緩沖段,緩沖橫流道的沖擊能量。對外側幾股鋁液起到降低速度和改變入射角度的作用。內澆口寬度和方案1相差不大,但外側兩個內澆口適當改?。ㄒ娋G色箭頭)。此外,針對方案1中間厚料區域包卷較嚴重的問題,在鑄件內部增加筋條,將筋條連通到鑄件中部厚料區域。對鋁液起到一定的引流作用,改善厚料區域填充質量。改進方案見圖8。

圖7 方案3的鑄件及澆注系統三維模型

(a)原有筋條      (b)筋條改進

圖8 鑄件筋條改進

圖9為方案1和方案3的外側包卷和末端卷氣問題對比??梢钥闯?,采用方案3后,鑄件卷氣問題得到明顯改善。

(a)方案1                       (b)方案3

圖9 方案1和方案3卷氣情況對比

 

3 結合Flow-3D抽真空分析

3.1 結合沖頭模擬分析Ver3版本的兩個狀態

針對方案3,進行了兩種對比方案:腔內不抽氣;按實際生產情況。

10為壓射和抽真空參數圖。按相同的速度設置,是否抽真空的兩種狀態分析料筒內鋁液流態基本相同。圖11為沖頭移動模擬的結果??梢钥闯?,料筒內鋁液平穩,未出現紊流。速度設置合理。

圖10  壓射和抽真空參數圖       圖11  方案3沖頭移動模擬結果

3.2 排氣槽分析

12為加入抽真空后的速度模擬??梢钥闯?,排氣槽兩股鋁液幾乎同時到達交匯點,這種情況較理想,避免了封堵通道導致排氣不順暢的情況。

  圖12  方案3加入抽真空后的填充速度模擬

3.3速度對比和卷氣對比

13和圖14分別為抽真空前后的填充速度和卷氣模擬對比??梢钥闯?,抽真空狀態,腔內填充效果和卷氣情況得到明顯改善。

(a)抽真空前              (b)抽真空后

圖13  方案3加入抽真空前、后的填充速度模擬對比

(a)抽真空前              (b)抽真空后

圖14  方案3版本加入抽真空前、后的填充卷氣模擬對比

 

4 缺陷預判和對策

15分別為速度模擬和卷氣模擬分析得出的缺陷位置??梢钥闯?,無論是速度分析還是卷氣分析,兩個懸置孔附近的填充效果不理想,出現鑄造缺陷的風險較高。而懸置孔的受力要求較高??赏ㄟ^設置局部擠壓來改善。圖16為設置擠壓的兩個懸置孔。

(a)填充速度    (b)卷氣模擬

圖16  填充速度和卷氣模擬的缺陷位置

圖17  擠壓懸置孔

 

5 結語

經過多版模流的相互對比和分析,確定優化后鑄件的澆排方案,而根據這個方案模擬抽真空的狀態,­­­­­­­­經過模擬分析,預測其可能產生的缺陷,在模具上設計出相應的優化結構。該種方案在生產過程中得到驗證,效果良好。

參考文獻

[1]馬廣興,萬里,梁振進,等.轎車底盤鋁合金后副車架的壓鑄工藝及模具設計[J].特種鑄造及有色合金,2012,32(1):55~59.

[2]潘憲曾.壓鑄模具設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3]魏娟娟,米國發,張錦志,等. 基于Flow-3D軟件的鋁合金濾清器座的壓鑄工藝優化[J]. 鑄造, 2017, 66(6):568-571.

[4]安肇勇. 高真空壓鑄汽車底盤結構件澆注系統分析[J]. 特種鑄造及有色合金,2018,38(7):738-741.

[5]張百在. 型腔真空度及熱處理對AlSiMgMn壓鑄件性能的影響[J]. 特種鑄造及有色合金,2016,36(7) :673-676.

 

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