压铸变速箱体参数的模拟分析，有效预防缺陷

魏言标等发表于2022/8/9 11:12:42 铝合金仿真分析压铸工艺参数优化

原标题：压铸铝合金变速箱体参数的有限元分析

摘要：利用ProCAST有限元分析软件并采用带压室的流态分析对压铸铝合金变速箱体压铸参数进行可视化调节，更能接近实际生产环境。在软件中进行不同参数试验，得出最佳低压速度为0.2 m/s、高速切换点为630 mm、高压速度为5 m/s。将这些参数在32 000kN布勒压铸机进行试验验证，发现压铸出的变速箱体铸件外观质量良好，没有冷隔、气孔等缺陷，用X射线进行探伤，铸件内部没有发现观察到缩松缩孔等缺陷。

压铸工艺是将压铸机、压铸模和合金加以综合运用的过程。随着压铸模的设计与制造越来越成熟，合金的性能越来越好，压铸机上的工艺参数设置变得越来越重要。高压铸造件虽然平均壁厚比较薄，但是其结构复杂且某些地方壁厚较厚，导致很容易产生缺陷。铝合金壳体零件一般应用于汽车、通讯、航空等零部件中，且多以压铸为主。随着我国汽车零部件的发展，铝合金压铸件使用越来越广泛。利用计算机技术进行模拟，可以有效控制铸件某些地方的缺陷。研究者对模具和压铸件在压铸过程中的温度场的分布和温度梯度等问题进行了很多研究。SHARIF P等通过试验研究了工艺参数在压铸过程中对铸件的影响。结果表明，在诸多工艺参数中冲头速度对铸件的气孔率影响最大，但是，有一些合金，慢的压射速度的影响更大。因此，研究合金液在压室中的流动状态十分重要，即分析合金液在压室中的低压速度高、速切换点和高压速度。合理的选择这些参数可以大大改善铸件的质量，给实际生产提供参考。

1、浇注系统设计

1.1 铸件

变速箱壳体铸件见图1，材质为ADC12合金，尺寸为165 mm×379 mm×185.11 mm，质量为11.21kg；体积为4 150 491.14 mm³；投影面积为1108711.70m㎡。产品最大壁厚为25.31mm，平均壁厚为5.97mm,大部分壁厚在4 mm左右。铸件形状复杂，壁厚不均匀。ADC12合金的化学成分见表1。

图1 变速箱壳体三维示意图

表1 ADC12各元素含量 wb/%

1.2 浇口设计

合适的内浇口设计既有利于金属液的稳态流动，又有利于充满模具型腔。内浇口横截面积的设计由下式计算。

式中，Ag为内浇口截面积，m㎡；V为压铸件与溢流槽体积，mm³；t为填充时间，s；v为内浇口速度，mm/s。由于铸件质量为11.21 kg，为了不过多的浪费材料，又可以有效的排出气体和夹渣，溢流槽质量设计为2 kg，合金密度=0.0027 g/mm³,那么由下式计算得出V。

内浇口速度v是根据铸件壁厚来得出的，可以参考图2进行设定。

图2 内浇口速度与铸件壁厚的关系

虽然铸件平均壁厚在5.97 mm，但需要考虑到铸件形状复杂且大部分壁厚较小，基本在4 mm左右，最大壁厚与最小壁厚相差大，内浇口速度不宜过低，因此选择40 m/s。根据图2可知，平均壁厚为5.97 mm的铸件充型时间为0.048~0.072 s，同样考虑到铸件壁厚不均，且最大壁厚与最小壁厚相差大，取充型时间为0.06s，将以上数据带入式(1)，计算得出Ag=2038m㎡。

1.3 浇道以及排溢系统设计

铸件的直浇道、横浇道设计见图3。考虑到铸件形状复杂且壁厚不一，采用7个分支的流道系统，流道截面积均匀减小直至内浇口位置，排溢系统布置在铸件大面和小面的四周，中间两孔布置溢流槽。

图3 浇道以及排溢系统

压铸机选择布勒3200T卧式冷室压铸机，压室直径D=140 mm，由下式计算压射冲头的横截面积。

式中，A1为压射冲头(近似腔室)的横截面积，m㎡。

2、仿真和参数化

采用ProCAST 软件进行模拟，压室的界面传热热系数为1 200 kW/（㎡K），模具界面传热系数为4 000 kW/（㎡K）。为了使模拟更接近生产的状态,采用带压室的模具进行仿真，冲头用来推动熔化的金属进入型腔以模拟合金的流动性。图4为铸件的参数化网格。

图4 参数化网格

低速压射速度低使金属液温度降低过多，很容易进入固相区，不利于铸件的成形，而低速压射速度高又会出现卷气。为此进行低速压射速度试验，参数见表2。

表2 低速压射速度试验参数

选择浇注温度为680 ℃，低速压射速度分别为0.1、0.2、0.3 m/s进行速度试验,模拟结果见图5.。从图5a和图5b可以看出，低速压射速度在0.1m/s和0.2m/s都有预结晶产生，其中在0.1m/s时，速度过小，导致铝液温度降低过多，产生的预结晶量过多，降低铝液的流动性，进一步降低铸件质量，而从图6c可以看出，低速压射速度在0.3 m/s时，速度过高，熔融金属在压室内出现了卷气，易形成气孔。低速压射速度在0.2 m/s时，铝液整体流动平稳且产生预结晶量少，因此选择低速压射速度为0.2m/s。

图5 ADC12的流动状态随压射速度的变化结果

另外，模拟了3种温度下（670、680和690℃）的充型过程，见图6，可以看出三种温度下预结晶量无明显差异。为了防止由于压射温度高而导致气体溶解度增大，在压铸过程中难以析出，降低铸件性能，且温度过高，使合金氧化加剧，易产生缩孔、裂纹等。因此选择浇注温度为680 ℃。

图6 不同浇注温度下对预结晶量的模拟结果

2.1 高速切换点

图7为高速切换点位置示意图。高速行程L1与冲头截面积A1的乘积与铸件体积和溢流槽体积之和V相等。

图7 高速切换点位置示意图

由前述分析A1=15 38 6m㎡，V=4.89259×106 mm³，代入(4)得L1=318mm。那么理论高速切换点L2由下式计算得出。

为了验证理论高速切换点，设置了3个位置进行试验，由以上分析设置压射温度为680 ℃。低压速度为0.2 m/s，设置冲头高速切换点位置为600、640和680 mm，见图8。可以看出，相同填充率(57%)下，600 mm高速切换点的分流锥腔内铝液没有充满，气体不能及时排出，铸件很大可能出现缩松缩孔，降低铸件质量(图8a)，在680 mm冲头高速切换点的浇道内也没有充满铝液（图8c），而在640 mm冲头高速切换点铝液充型平稳 (图8b)，金属液有效地充满了浇道，但是需要考虑实际生产中电气设备工作时间的延迟，因此高速切换点选择630 mm。

图9 不同高速切换点对铸件质量的模拟结果

2.2 高速压射

在32 000 kN布勒压铸机中，压室，浇道和压铸模型腔为一个封闭连续空间，且假设合金液为不可压缩流体，高压速度和填充速度满足连续方程。高压速度可由下式计算。

式中，v1为高压速度，m/s；v为填充速度，m/s；A1为压射冲头(近似腔室)的横截面积，m㎡；Ag为内浇口的横截面积，m㎡。由Ag= 2 038 m㎡，v=40 000 mm/s，A1=15 386 m㎡，计算可得v1= 5.298m/s。为验证计算的理论高压速度是否合适，设置3组参数为5、5.5和6 m/s，模拟不同高压速度下的高压铸造过程。观察填充率为85%、90%和95%左右的情况，见图9。

从图9b（3）和9c（3）可以看出，在5.5 m/s和6 m/s的速度下，溢流通道被金属液堵塞，会影响排气效果。填充速度越大，金属液充填越多，溢流通道堵塞越明显。从图9a（3）可以看出，溢流通道没有发生堵塞，排气效果较好，因此，选择高速压射速度为5 m/s较为合适。