摘要：基于Flow-3D軟件，分析了工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用模擬分析軟件，經(jīng)過(guò)多版模流的相互對(duì)比和分析，確定了減震塔鑄件產(chǎn)品成型優(yōu)化的澆注系統(tǒng)方案，而根據(jù)這個(gè)方案模擬抽真空的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)模擬分析，預(yù)測(cè)其可能產(chǎn)生的缺陷，在模具上設(shè)計(jì)出相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

研究表明，T5處理后，高真空鑄件的伸長(zhǎng)率可達(dá)到8.4%，T6處理后高真空鑄件屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率分別達(dá)到了339.8 MPa和6.7%。為了獲得較搞的屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率，汽車(chē)結(jié)構(gòu)件通常都需要進(jìn)行T5或T6處理。而由于熱處理溫度較高，因而對(duì)鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求極高，模具上也需要引用抽真空的排氣技術(shù)減少產(chǎn)品內(nèi)部氣縮孔問(wèn)題。

本課題采用Flow-3D軟件，定性分析了鋁合金液流動(dòng)的充型狀態(tài)與鑄件缺陷的分布，著重研究了梳形澆道、扇形澆道、集中進(jìn)澆、分散進(jìn)澆、長(zhǎng)澆道與短澆道對(duì)充型流動(dòng)狀態(tài)、充型溫度、充型速度、氣壓阻力與鑄件成形的關(guān)系；確定了鑄件的澆注系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)，大大縮短了模具的開(kāi)發(fā)周期。

一、利用Flow-3D選取進(jìn)澆位置和確定產(chǎn)品擺位

1、鑄件結(jié)構(gòu)分析

某汽車(chē)減震塔鑄件三維模型見(jiàn)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(zhì)量為3.74 kg，鑄件收縮：1.0045。該鑄件內(nèi)部品質(zhì)要求較高，需進(jìn)行T6處理。該鑄件對(duì)鋁液填充的順序性、連續(xù)性要求很高，所以通常會(huì)選擇一個(gè)側(cè)面進(jìn)澆。分析鑄件結(jié)構(gòu)可知，該鑄件不需要滑塊抽芯，理論上可選擇任意面進(jìn)澆。位置C和位置D進(jìn)澆位置不足，排除進(jìn)澆可能。位置A和位置B通過(guò)初步觀察無(wú)法判斷優(yōu)劣，需要通過(guò)Flow-3D模流分析判定最佳進(jìn)澆面。

圖1：汽車(chē)減震塔三維模型及進(jìn)澆位置示意圖

2、鑄件進(jìn)澆面選擇

設(shè)計(jì)了兩條流道進(jìn)行模流分析對(duì)比，其填充速度模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。可以看出，從位置A進(jìn)澆時(shí)，鋁液填充連續(xù)性較好，沒(méi)有出現(xiàn)紊流及卷氣；而從位置B進(jìn)澆時(shí)，鋁液進(jìn)入型腔后出現(xiàn)了紊流，填充連續(xù)性較差。這是因?yàn)閺奈恢肂進(jìn)澆時(shí)，鋁液首先經(jīng)過(guò)的鑄件型腔有幾級(jí)不同的高度，而且造型較復(fù)雜。而從位置A進(jìn)澆時(shí)，鋁液首先經(jīng)過(guò)的鑄件型腔較為平坦，只有兩側(cè)有兩處較小區(qū)域出現(xiàn)小局部高度差。因此，位置A進(jìn)澆有較大優(yōu)勢(shì)。

圖2：不同進(jìn)澆位置填充速度模擬分析對(duì)比

二、 確定進(jìn)澆位置后，通過(guò)模流分析優(yōu)化澆排系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、方案1模擬分析

圖3為方案1的填充速度模擬圖，其中紅圈區(qū)域?yàn)榘韰^(qū)域。可以看出，鑄件在兩側(cè)出、末端以及厚料區(qū)均存在一定程度的包卷，這可能會(huì)導(dǎo)致在該處形成氣縮孔等缺陷，還會(huì)影響后續(xù)的流態(tài)。產(chǎn)品外側(cè)出現(xiàn)包卷的原因是產(chǎn)品外側(cè)型位造型出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，外側(cè)填充速度較快。末端卷氣的原因是兩側(cè)填充過(guò)快。產(chǎn)品中部厚料區(qū)域包卷嚴(yán)重的原因是兩側(cè)填充過(guò)快，鋁液流進(jìn)中部厚料區(qū)域時(shí)不順暢。

圖3：方案1的填充速度模擬

為解決上述問(wèn)題，采取將內(nèi)澆口收窄的措施，見(jiàn)圖4：采取該措施后，避開(kāi)了產(chǎn)品轉(zhuǎn)折位置，降低了兩側(cè)的填充速度，從而實(shí)現(xiàn)填充流態(tài)的優(yōu)化。

圖4：方案2的鑄件及澆注系統(tǒng)三維模型

圖5 ：方案2的填充速度模擬

圖6為鑄件外側(cè)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(cè)填充過(guò)快是由于外側(cè)幾股鋁液由于慣性，首先將產(chǎn)品外側(cè)型位填滿，然后再向內(nèi)部卷過(guò)來(lái)，包住還沒(méi)來(lái)得及排出的氣體。

圖7為方案3的鑄件及澆注系統(tǒng)三維模型?？梢钥闯?，在鑄件外側(cè)增加了一緩沖段，緩沖橫流道的沖擊能量。對(duì)外側(cè)幾股鋁液起到降低速度和改變?nèi)肷浣嵌鹊淖饔谩?nèi)澆口寬度和方案1相差不大，但外側(cè)兩個(gè)內(nèi)澆口適當(dāng)改小（見(jiàn)綠色箭頭）。此外，針對(duì)方案1中間厚料區(qū)域包卷較嚴(yán)重的問(wèn)題，在鑄件內(nèi)部增加筋條，將筋條連通到鑄件中部厚料區(qū)域。對(duì)鋁液起到一定的引流作用，改善厚料區(qū)域填充質(zhì)量。改進(jìn)方案見(jiàn)圖8。

圖7：方案3的鑄件及澆注系統(tǒng)三維模型

圖8：鑄件筋條改進(jìn)

圖9為方案1和方案3的外側(cè)包卷和末端卷氣問(wèn)題對(duì)比。可以看出，采用方案3后，鑄件卷氣問(wèn)題得到明顯改善。

圖9：方案1和方案3卷氣情況對(duì)比

三、結(jié)合Flow-3D抽真空分析

1、結(jié)合沖頭模擬分析Ver3版本的兩個(gè)狀態(tài)

針對(duì)方案3，進(jìn)行了兩種對(duì)比方案：腔內(nèi)不抽氣；按實(shí)際生產(chǎn)情況。

圖10為壓射和抽真空參數(shù)圖。按相同的速度設(shè)置，是否抽真空的兩種狀態(tài)分析料筒內(nèi)鋁液流態(tài)基本相同。圖11為沖頭移動(dòng)模擬的結(jié)果。可以看出，料筒內(nèi)鋁液平穩(wěn)，未出現(xiàn)紊流。速度設(shè)置合理。

圖10：壓射和抽真空參數(shù)圖                                                              圖11：方案3沖頭移動(dòng)模擬結(jié)果

2、排氣槽分析

圖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(shí)到達(dá)交匯點(diǎn)，這種情況較理想，避免了封堵通道導(dǎo)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、速度對(duì)比和卷氣對(duì)比

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

圖13：方案3加入抽真空前、后的填充速度模擬對(duì)比

圖14：方案3版本加入抽真空前、后的填充卷氣模擬對(duì)比

圖15分別為速度模擬和卷氣模擬分析得出的缺陷位置。可以看出，無(wú)論是速度分析還是卷氣分析，兩個(gè)懸置孔附近的填充效果不理想，出現(xiàn)鑄造缺陷的風(fēng)險(xiǎn)較高。而懸置孔的受力要求較高。可通過(guò)設(shè)置局部擠壓來(lái)改善。圖16為設(shè)置擠壓的兩個(gè)懸置孔。

圖16：填充速度和卷氣模擬的缺陷位置

圖17：擠壓懸置孔

五、 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)多版模流的相互對(duì)比和分析，確定優(yōu)化后鑄件的澆排方案，而根據(jù)這個(gè)方案模擬抽真空的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)模擬分析，預(yù)測(cè)其可能產(chǎn)生的缺陷，在模具上設(shè)計(jì)出相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。該種方案在生產(chǎn)過(guò)程中得到驗(yàn)證，效果良好。

作者：吳耀榮  岑偉明  鄧宇斌  梁富