原标题：基于 CAE 分析的复杂壳体压铸模具设计

摘要

分析了壳体压铸件的特点，应用铸造模拟软件ProCAST对流动充型、压铸模具热平衡和温度场进行了分析，为该模具浇注系统、冷却系统设计合理性提供了验证。压铸实际生产表明，该模具设计合理，压铸件质量高。

随着汽车、航空航天和电器等工业的发展，为了提高压铸件质量，同时实现节省能耗、降低污染等设计要求，铝合金压铸件的应用越来越广泛。目前压铸已成为汽车用铝合金成形中应用最广泛的工艺之一。压铸作为一种终形和近终形的成形方法，能够得到薄壁、结构复杂、轮廓清晰、组织致密、强度较高的铸件，且生产效率高，适用于大批量生产。压铸模具是进行压铸生产的主要工艺装备，它直接影响着压铸件的质量、成本和生产效率。本文针对复杂壳体零件，基于ProCAST进行了模拟分析，为压铸模具设计提供了支撑。

1 壳体零件

该压铸件材料为A380，用作输油管路的阀体，如图1所示。零件结构较为复杂，存在许多肋筋结构。阀体上三个端面开口薄壁内侧压铸成形后需要加工螺纹，用以连接油管部件。为了保证螺纹连接的强度及满足阀体气密性的要求，这些开口薄壁处必须质量良好，致密无气孔。壳体质量为2.952 kg，壳体零件整体厚度较薄，壁厚主体为5 mm左右，但壁厚悬殊，最小壁厚为2.5 mm，最大壁厚为9.4 mm。

图1 壳体零件

2 压铸模具设计

2.1 分型面及浇注系统

根据壳体压铸件的结构特点，分型面选在壳体的最大开口处。浇注系统不仅对金属液在模具型腔内的流向与状态、排气条件、模具的压力传递起到重要的控制作用，还能够调节填充速度、填充时间和模具的温度分布。该壳体为圆筒形铸件，在最大的圆柱端部采用六个内浇道，使得金属液沿壁进入型腔避免直接冲击型芯，先填充型腔底部，有利于排除气体。浇注系统如图2所示。

图2 壳体铸件浇注系统

2.2 冷却系统

冷却系统的布置对于产品的成形、变形具有决定意义。为达到冷却效果，采用点冷与冷却水路相结合的方式，图3为压铸模具内部冷却水道的分布情况，每个镶块内都有独立的冷却水道或点冷，这些水道分布在铸件各个薄壁开口的中心位置，加强各薄壁部位的冷却。

图3 冷却水道和点冷布局

2.3 模具结构

本副模具体积较大，模框长宽分别为990 mm和910 mm。模芯结构如图4所示，定模为整体，动模包含镶块5；壳体四周开口由4个滑块成形，由4个液压缸实现抽芯运动；在4个深孔部位做成可更换的长销型芯。模具图如图5所示。

图4 动、定模及镶块

图5 模具图

3 CAE分析

利用HyperMESH划分铸件和模具的面网格，再将高质量的面网格模型输入ProCAST的MeshCAST，检查无误后生成四面体网格，压铸件和模具的网格数为445万。在PreCAST中设置边界条件，进行仿真计算。

3.1 边界条件

铸件材质为A380，模具材质为H13钢。铝液浇注温度650 ℃，模具预热温度220 ℃，浇口速度3 m/s，水冷温度20 ℃。根据相关文献，将模具与铸件间的换热系数设为20 000 W/（㎡·K），动模与定模间的换热系数设为1 000 W/（㎡·K），模具与空气间传热系数设为100 W/（㎡·K），脱模剂与模具间换热系数设为 100 W/（㎡·K）。冷却水道直径为10 mm，冷却水流速为1 m/s，计算得到冷却水与模具的换热系数为5 000 W/（㎡·K）。

压铸生产周期可划分为四个阶段：①金属液填充，保压凝固；②开模、取出铸件；③喷脱模剂；④合模。四阶段时间分别为40 s、15 s、5 s、10 s，一次循环的总时间为70 s。浇口浇注速度设为3 m/s，脱模剂和空气的温度均设为20 ℃。

3.2 充型分析

图6为金属液在充型过程不同时刻的流场分布情况。整个填充过程为0.08 s ，开始时金属液沿壁进入型腔，流动平稳，六股金属液流速差距不大。铸件左右两侧的金属液填充充足且均匀，充型过程是整体推进的，避免了金属液沿壁腔回流形成的“涡流”。金属液最后填充的位置是离浇口距离最远的溢流槽，基本实现了填充顺序。

图6 壳体铸件充型过程的流场

3.3 压铸过程温度场分析

压铸循环中，模具热量的主要来源为浇注的高温金属液，而模具散发热量则是通过向空气散热和流动的冷却水带走部分热量。如果在单位时间内模具吸收的热量和散发的热量相等，达到一个平衡状态，则称为模具的热平衡。

在动模、定模、铸件的型腔表面各取一点，如图7中1、2、3点所示。绘制温度-时间曲线，如图8所示，可以看出，经过10次压铸，模具达到热平衡状态。

图7 模具与铸件上的选取的点

图8 三个点的温度-时间曲线

3.4 温度场分析

选取模具达到热平衡的第11个循环的温度场进行分析。图9为动模、定模和镶块5在一次循环内的温度场变化情况。这里选取了三个具有代表性的时刻进行分析，分别是一个周期内的第0、第4.98 s和第55 s，即充型前，充型保压和喷涂脱模剂前的时刻。充型前，模具的温度场分布较均匀，平均温度在370 ℃左右；金属液填充时，模具型腔表面温度急剧上升；在保压阶段，模具通过向空气散发热量以及流动的冷却水带走部分热量逐渐降温，在开模、取件，随后喷涂脱模剂，受脱模剂和空气激冷作用，型腔表面温度迅速降低，大部分的模具型腔表面温度下降到420 ℃以下。

图9 一次循环内模具动、定模及镶件5不同时刻的温度场

由图9可知，动模和各个镶块的温度分布较均匀，型腔表面的温度梯度变化较小，表明冷却系统设计合理。

4 压铸生产

该模具已应用于课题铸件生产，完成机加工后的压铸件如图10所示，在三个需要加工螺纹的薄壁内无气孔，薄壁质量良好；螺纹部分完整、无气孔，满足螺纹连接的强度和阀体气密性要求。

图10 加工后的壳体零件

5 结束语

基于CAE分析进行了铝合金壳体零件的压铸模具设计，CAE分析结果验证了模具浇注系统、冷却系统的合理性。该模具投入实际生产表明，三个需加工螺纹的薄壁致密无气孔，能够满足螺纹连接强度和阀体气密性要求，模具设计合理。

作者：

贾志欣 子平 李继强 刘立君
浙江大学宁波理工学院
霍庆文
天正模具有限公司
本文来自：铸造杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴