原标题：基于ProCAST的壳座压铸数值模拟及工艺优化

变送器是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号的转换器,其壳座支撑着变送器的仪表装置，是变送器的重要组成部件。壳座的材质为YL113，强度够，质量也轻。壳座采用压力铸造。相对其他工艺方法来说，压力铸造可以连续地、大批量地生产出与压铸型腔相符的压铸件，压铸件切削量少，可以很好地节约成本。

但是如何减少压铸件的缺陷，一直是生产的难题。采用人工试模，试验周期长，成本也高。使用ProCast软件，对壳座进行正交试验的数值模拟，通过分析模拟结果，优化出合理的压铸工艺参数并应用于实际生产中，节省了人工试模的成本和时间。

一、壳座结构特点

壳座的尺寸为128 mm×116 mm×119 mm ，平均壁厚为7.86 mm，体积为-42.64 g•cm^{•K)，模具与空气的传热系数为10 W/(m2•K)。选择高压压铸，模拟终止步长为5000步。}

^{四、正交试验设计及工艺参数优化}

^{正交试验设计}

^{影响压铸件质量的因素有很多，例如内浇口的厚度大小及模具预热温度、浇注温度、压射速度等 。选择压射速度（A）、模具预热温度（B）、浇注温度（C）、内浇口厚度（D）为因素，以充型时间、凝固时间、缩孔缩松量及裹气量为指标建立4因素3水平正交试验表。其中，缩孔、缩松量由平均体积分数来表示。表1为因素水平表，表2为正交试验结果表。}

^{模拟结果分析}

^{根据正交试验的结果，分析铸件充型、铸件凝固及铸件缩孔、缩松值的情况，得到分析结果见表3。}

^{通过充型时间和充型指标两个判断标准来确定各组工艺参数下充型过程的好坏。充型指标是对在压力铸造过程中的流动状态：层流、紊流、裹气、冲刷、浇不足等现象的综合评价。根据表3可知，压射速度对铸件充型时间的影响较大，当压射速度越大，充型时间也就相对越少。由于在相同条件下，压射速度越大，金属液体进入内浇口的速度越大，导致了铸件的充型时间越少。}

^{凝固过程的模拟主要是观察和分析温度的的变化与趋势。分析表3可知，模具预热温度对凝固时间的影响最大，这是因为模具预热温度越高，金属液的散热速度就越慢，凝固时间也就越长。}

^{由表3可知，随着压射速度增大，铸件的缩孔、缩松值呈现先减小再增加的趋势。当压射速度为3.4 m/s时，铸件的缩孔、缩松值最小；随着模具预热温度升高，铸件的缩孔、缩松值也呈现了先减小再增加的趋势，在预热温度为165 ℃时，铸件的缩孔、缩松值最小；随着浇注温度升高，铸件的缩孔、缩松值呈现增加的趋势，在浇注温度在590 ℃时，铸件缩孔、缩松值最小；适当的增加内浇口的厚度，有利于减少铸件裹气缺陷及补缩压力的传递，内浇口的厚度为2.4 mm时,铸件的缩孔、缩松值最小。}

^{优化后的工艺参数}

^{在压铸生产中，铸件的缩松、缩孔值和裹气量应尽量少，以保证铸件的强度。在保证铸件质量的基础上应尽量减少充型时间及凝固时间，来缩短铸件的生产周期，提高生产效率。因此，以缩孔、缩松值和裹气量为主，综合考虑来确定优化的工艺参数为A2B2C1D3，即压射速度为3.4 m/s，模具预热温度为165 ℃，浇注温度为590 ℃，内浇口厚度为2.4 mm。}

^{五、优化后的工艺参数数值模拟}

^{根据优化出的工艺参数对壳座进行数值模拟，图3为壳座充型模拟过程，图4为壳座缩孔、缩松缺陷，图5为壳座裹气图。}

^{由图3可知，金属液经过直浇道、横浇道及内浇口后，进入型腔内，先填充中央部分，然后向型腔四周填充，直到型腔被填满，充型过程完毕。金属流动方式总体平稳，流动状态较好。}

^{由图4可知，铸件的缩孔、缩松主要集中在铸件壁厚较大的位置处。该位置不是受力部位，因而对铸件的整体质量并没有影响。}

^{由图5可知，壳座铸件的裹气部分主要集中在靠近内浇口处，由于内浇口附近金属液流动速度相对较快，卷入的气体也会较多。}

^{用优化的工艺参数模拟得出的壳座铸件充型时间为0.0 555 s,凝固时间为11.12 s,缩孔、缩松平均体积分数为1.10 %，平均裹气量为0.00 059 g?cm-3，与9组正交试验比较，总体相对较小，铸件质量得到了较大提高，因此优化工艺可行。}

^{六、生产验证}

^{选用J1125型卧式冷室压铸机，利用设计制造出的壳座压铸模具及优化的压铸工艺参数进行壳座压铸。图7为生产出来的壳座，铸件形状清晰，未发现明显缺陷。根据模拟结果对铸件容易产生缩孔、缩松的位置（图4中A点位置处）进行金相组织观察，图8为A处金相组织图，可以看出铸件微观孔洞较少，且容易产生缩孔缩松的位置位于铸件厚壁中间，不是工作位置，对铸件质量影响较小。证明该铸件质量合格，可以大批量生产。}

^七、结论

^{（1）对壳座压铸件进行了充型凝固过程数值模拟，优化出合理的内浇口厚度为2.4 mm和压铸件工艺参数：浇注温度为590 ℃，模具预热温度为165 ℃，压射速度3.4 m/s。}

^{（2）建立正交试验得出内浇口厚度对缩松缩孔的影响大于浇注温度、预热温度和浇注速度的影响。}

<sup>（3）根据模拟结果设计并制造出了壳座压铸模具，进行了压铸试验，得到了合格的壳座压铸件，验证了模拟结果的正确性且可应用于实际生产中。

作者：
陈峰  王成玥  赵鹏
沈阳理工大学艺术设计学院
胡清和
沈阳理工大学汽车与交通学院</sup>