摘要:以ADC12铝合金壳体压铸件作为研究对象，根据其结构特点对此工件进行压铸工艺设计。确定铸件分型面、浇注系统、排溢系统所在的位置形式以及压铸工艺参数，初步拟定一套压铸工艺方案。 使用FLOW-3D软件对初始方案的充型过程和充型结果进行数值模拟，并根据压力、温度、卷气以及表面质量等确定铸件产生缺陷的位置和原因。根据分析结果优化原工艺方案，对优化方案进行再一次的模拟分析，得到符合生产要求的工艺方案。

相对于砂型铸造，压铸有着不可比拟的、良好的优势，在汽车，通讯等领域得到广泛应用。水泵壳体作为水泵上核心零部件，需要具备一定的防渗漏、抗腐蚀能力，能满足水中特定条件下力学性能和抗低温冲击能力，因此对气密性和力学性能要求高。利用压铸能够避免铸件在生产过程中的缩孔缩松等问题。将计算机数值模拟技术与实际的生产相结合，可以大大降低成本。本课题利用FLOW-3D软件进行压铸数值模拟，得出无缺陷铸件压铸方案，进行实际生产验证，以满足工厂生产要求。

1、压铸工艺设计

研究对象为水泵系列壳体压铸件，体积为185cm3，最大壁厚为10mm，平均壁厚为3.27 mm，质量大约为450 g，选择具有良好流动性，中等气密性和较好的抗热裂性,特别是高的耐磨性和低热膨胀系数的ADC12铝合金作为压铸件材料。图1为水泵壳体的三维结构图。

图1：压铸件实体三维模型

根据分型面的选择原则，结合研究对象的结构特点，分型方式见图2。

图2：壳体铸件实体分型方式

压铸工艺参数包括压力，速度，温度和时间。压铸件为铝合金壳体，属于一般件。选择压射比压为50 MPa，压铸充型速度为30 m/s。压铸件平均壁厚为3.26 mm，对于铝合金来说，应选取较大的填充时间，选取充型时间为0.1s，持压时间为5 s，留模时间为12 s。计算得到压铸壳体大约需要锁模力为1 123 kN以上的压铸机，选择J1113C卧式冷室压铸机。

设计压铸件内浇口，根据计算公式：

式中，Ag为内浇口截面积，mm² ； Vg为内浇口处金属液的流速，m/s； G为流经内浇口的金属液质量，g； p为液态金属的密度，g/cm³ ；t为型腔的充填时间，s。确定内浇口截面积为Ag =60 mm² 。图3为内浇口尺寸，其中W、A、L分别是为内浇口的宽度、厚度和长度。

图3：内浇口厚度、宽度及长度

取内浇口厚度为1.5 mm，内浇口长度取L=2 mm，总宽度取W=40 mm，设置两个内浇口，每个内浇口宽度取W=20 mm。横浇道截面积为内浇道的3~4倍，根据Ag =60mm2，确定 Ar=180mm2 。

排溢系统设计主要是溢流槽和溢流口的设计。排溢系统可以收集存在于金属液、型腔和浇注系统中的气体，还可以收集首先进入型腔的前金属液。很大程度上减少铸件的各种缺陷，排溢系统的合适与否在很大程度上影响着铸件质量的优劣程度。本方案主要选用的溢流槽形状见图4。

图4：溢流槽形状

其中，b、a、h、A分别为溢流口的宽度，长度、厚度，长度。B、H分别为溢流槽的宽度以及厚度。

选用一个此形状溢流槽具体尺寸为：A=16 mm,a=6 mm，H=7 mm，h=1mm，b=12 mm，B=20 mm；考虑到零件特点，在零件中间增设一个圆形溢流槽。圆形溢流槽尺寸:R=15 mm，H=12 mm，b=12 mm，a=6 mm，h=1 mm。图5为原始工艺方案。

图5：原始工艺方案

2、数值模拟与优化

2.1 数值模拟

将原始压铸方案导入FLOW-3D软件中进行数值模拟，图6为原始方案流场分布结果。通过模拟结果可得，压铸件最高温度为680 ℃，最低温度约为603 ℃。型腔内金属温度随着与内浇口距离的增大，其温度大致呈逐渐降低的状态。温度决定凝固的顺序，温度较低的位置首先凝固，温度较高的位置凝固较慢。充型过程较不平稳，在t=0.027 s时发生液滴飞溅现象。综合分析得到，在模拟过程中，压铸件凝固方式为逐层凝固，并且按照远离内浇口的方向先凝固的顺序，所以能够及时得到补缩，故而不会出现较为严重的缩松缩孔。

图：6流场分布模拟

图7为本方案压铸件夹带气体的体积分数。颜色为红色的区域卷气最为严重，高达56 %，本方案中铸件上大部分区域卷气量为28 % ，有部分区域卷气高达38 %。压铸件的重要部位卷气较为严重，因此该工艺方案的设计需要进一步改善。

图7：卷气分布模拟结果

根据模拟结果来看，压铸件表面缺陷最高处达到7.3%左右，但处于排溢系统上，而铸件主体大部分表面质量低于2%，基本不会影响铸件的使用。再结合图7发现，在表面缺陷最严重的位置的卷气量也很高。因此判断表面缺陷的产生和铸件内的卷气量有着很大的关系。因此想要改善表面质量，则需要从卷气量来入手,进行优化方案的设计。

图8：表面缺陷模拟结果及分析

2.2 工艺优化

原始压铸方案卷气较严重，需要进行工艺优化，正确选择浇口的位置和导流方式，对于非良形状的铸件多采用多股内浇口，设置3个内浇口，内浇口宽度为8 mm、10 mm、20 mm。长度为5 mm，增加了内浇口截面积从而使得压射速度提高。为了改善排气条件，在铸件两侧增设环形溢流槽，溢流槽1尺寸为A=5 mm，H=8 mm，B=15 mm；溢流槽2尺寸为A=10 mm，H=10 mm，B=15 mm, 溢流槽3尺寸为A=5 mm，H=8 mm，B=15 mm吊耳处增设溢流槽，尺寸为A=15 mm，H=10 mm，B=20 mm，同时设置一个圆柱形冒口，R=10 mm，H=15 mm。为了增加排气效果，改善卷气，在铸件端盖处增加排气槽。排气槽用于从型腔中排出空气及涂料挥发产生的气体。为了使型腔中的气体在压射时尽可能多的被金属液排出，将排气槽设置在金属液最后填充的位置。优化工艺的三维图见图9。

图9：优化方案三维图

将优化方案进行数值模拟，图10为优化方案温度场模拟结果。可以看出铸件从内浇口开始凝固，在铸件的充型过程中金属液充型比较平稳，未发生金属液飞溅的现象，说明优化方案的充型效果良好。

图10：优化方案流动场模拟

图11为优化方案卷气结果。从模拟结果上可以发现，卷气严重的地方集中在溢流槽和排气槽，说明设置的溢流槽和排气槽起到了作用，铸件上并未发生卷气，进一步表明优化方案设计合理可行。

图11：优化方案卷气模拟结果

图12为优化方案模拟的缺陷分布。可以看出，铸件中未出现缺陷，最大表面缺陷在2%以下，表面缺陷严重部位出现在溢流槽上，可以在压铸完成后将溢流槽切除。综上，优化方案合理可行。将优化方案应用到实际生产中，得到无缺陷铸件。图13为实际生产铸件。

图12：优化方案缺陷模拟结果

图13：实际生产铸件

3、结论

根据水泵壳体结构要求，设计合理压铸方案，将压铸工艺与数值模拟技术相结合，利用FLOW-3D软件对压铸工艺进行数值模拟，分析卷气及缺陷产生原因并进行工艺优化，增加多股内浇口，增设溢流槽和排气槽，模拟显示无缺陷。进行生产验证后得到符合实际生产铸件。