復雜殼體的壓鑄模具設計

原標題：基於 CAE 分析的復雜殼體壓鑄模具設計

摘要

分析了殼體壓鑄件的特點，應用鑄造模擬軟件ProCAST對流動充型、壓鑄模具熱平衡和溫度場進行了分析，爲該模具澆注系統、冷卻系統設計合理性提供了驗證。壓鑄實際生產表明，該模具設計合理，壓鑄件質量高。

隨着汽車、航空航天和電器等工業的發展，爲了提高壓鑄件質量，同時實現節省能耗、降低污染等設計要求，鋁合金壓鑄件的應用越來越廣泛。目前壓鑄已成爲汽車用鋁合金成形中應用最廣泛的工藝之一。壓鑄作爲一種終形和近終形的成形方法，能夠得到薄壁、結構復雜、輪廓清晰、組織致密、強度較高的鑄件，且生產效率高，適用於大批量生產。壓鑄模具是進行壓鑄生產的主要工藝裝備，它直接影響着壓鑄件的質量、成本和生產效率。本文針對復雜殼體零件，基於ProCAST進行了模擬分析，爲壓鑄模具設計提供了支撐。

1 殼體零件

該壓鑄件材料爲A380，用作輸油管路的閥體，如圖1所示。零件結構較爲復雜，存在許多肋筋結構。閥體上三個端面開口薄壁內側壓鑄成形後需要加工螺紋，用以連接油管部件。爲了保證螺紋連接的強度及滿足閥體氣密性的要求，這些開口薄壁處必須質量良好，致密無氣孔。殼體質量爲2.952 kg，殼體零件整體厚度較薄，壁厚主體爲5 mm左右，但壁厚懸殊，最小壁厚爲2.5 mm，最大壁厚爲9.4 mm。

圖1 殼體零件

2 壓鑄模具設計

2.1 分型面及澆注系統

根據殼體壓鑄件的結構特點，分型面選在殼體的最大開口處。澆注系統不僅對金屬液在模具型腔內的流向與狀態、排氣條件、模具的壓力傳遞起到重要的控制作用，還能夠調節填充速度、填充時間和模具的溫度分布。該殼體爲圓筒形鑄件，在最大的圓柱端部採用六個內澆道，使得金屬液沿壁進入型腔避免直接衝擊型芯，先填充型腔底部，有利於排除氣體。澆注系統如圖2所示。

圖2 殼體鑄件澆注系統

2.2 冷卻系統

冷卻系統的布置對於產品的成形、變形具有決定意義。爲達到冷卻效果，採用點冷與冷卻水路相結合的方式，圖3爲壓鑄模具內部冷卻水道的分布情況，每個鑲塊內都有獨立的冷卻水道或點冷，這些水道分布在鑄件各個薄壁開口的中心位置，加強各薄壁部位的冷卻。

圖3 冷卻水道和點冷布局

2.3 模具結構

本副模具體積較大，模框長寬分別爲990 mm和910 mm。模芯結構如圖4所示，定模爲整體，動模包含鑲塊5；殼體四周開口由4個滑塊成形，由4個液壓缸實現抽芯運動；在4個深孔部位做成可更換的長銷型芯。模具圖如圖5所示。

圖4 動、定模及鑲塊

圖5 模具圖

3 CAE分析

利用HyperMESH劃分鑄件和模具的面網格，再將高質量的面網格模型輸入ProCAST的MeshCAST，檢查無誤後生成四面體網格，壓鑄件和模具的網格數爲445萬。在PreCAST中設置邊界條件，進行仿真計算。

3.1 邊界條件

鑄件材質爲A380，模具材質爲H13鋼。鋁液澆注溫度650 ℃，模具預熱溫度220 ℃，澆口速度3 m/s，水冷溫度20 ℃。根據相關文獻，將模具與鑄件間的換熱系數設爲20 000 W/（㎡·K），動模與定模間的換熱系數設爲1 000 W/（㎡·K），模具與空氣間傳熱系數設爲100 W/（㎡·K），脫模劑與模具間換熱系數設爲 100 W/（㎡·K）。冷卻水道直徑爲10 mm，冷卻水流速爲1 m/s，計算得到冷卻水與模具的換熱系數爲5 000 W/（㎡·K）。

壓鑄生產周期可劃分爲四個階段：①金屬液填充，保壓凝固；②開模、取出鑄件；③噴脫模劑；④合模。四階段時間分別爲40 s、15 s、5 s、10 s，一次循環的總時間爲70 s。澆口澆注速度設爲3 m/s，脫模劑和空氣的溫度均設爲20 ℃。

3.2 充型分析

圖6爲金屬液在充型過程不同時刻的流場分布情況。整個填充過程爲0.08 s ，開始時金屬液沿壁進入型腔，流動平穩，六股金屬液流速差距不大。鑄件左右兩側的金屬液填充充足且均勻，充型過程是整體推進的，避免了金屬液沿壁腔回流形成的“渦流”。金屬液最後填充的位置是離澆口距離最遠的溢流槽，基本實現了填充順序。

圖6 殼體鑄件充型過程的流場

3.3 壓鑄過程溫度場分析

壓鑄循環中，模具熱量的主要來源爲澆注的高溫金屬液，而模具散發熱量則是通過向空氣散熱和流動的冷卻水帶走部分熱量。如果在單位時間內模具吸收的熱量和散發的熱量相等，達到一個平衡狀態，則稱爲模具的熱平衡。

在動模、定模、鑄件的型腔表面各取一點，如圖7中1、2、3點所示。繪制溫度-時間曲線，如圖8所示，可以看出，經過10次壓鑄，模具達到熱平衡狀態。

圖7 模具與鑄件上的選取的點

圖8 三個點的溫度-時間曲線

3.4 溫度場分析

選取模具達到熱平衡的第11個循環的溫度場進行分析。圖9爲動模、定模和鑲塊5在一次循環內的溫度場變化情況。這裏選取了三個具有代表性的時刻進行分析，分別是一個周期內的第0、第4.98 s和第55 s，即充型前，充型保壓和噴塗脫模劑前的時刻。充型前，模具的溫度場分布較均勻，平均溫度在370 ℃左右；金屬液填充時，模具型腔表面溫度急劇上升；在保壓階段，模具通過向空氣散發熱量以及流動的冷卻水帶走部分熱量逐漸降溫，在開模、取件，隨後噴塗脫模劑，受脫模劑和空氣激冷作用，型腔表面溫度迅速降低，大部分的模具型腔表面溫度下降到420 ℃以下。

圖9 一次循環內模具動、定模及鑲件5不同時刻的溫度場

由圖9可知，動模和各個鑲塊的溫度分布較均勻，型腔表面的溫度梯度變化較小，表明冷卻系統設計合理。

4 壓鑄生產

該模具已應用於課題鑄件生產，完成機加工後的壓鑄件如圖10所示，在三個需要加工螺紋的薄壁內無氣孔，薄壁質量良好；螺紋部分完整、無氣孔，滿足螺紋連接的強度和閥體氣密性要求。

圖10 加工後的殼體零件

5 結束語

基於CAE分析進行了鋁合金殼體零件的壓鑄模具設計，CAE分析結果驗證了模具澆注系統、冷卻系統的合理性。該模具投入實際生產表明，三個需加工螺紋的薄壁致密無氣孔，能夠滿足螺紋連接強度和閥體氣密性要求，模具設計合理。

作者：賈志欣 子平 李繼強 劉立君浙江大學寧波理工學院霍慶文天正模具有限公司本文來自：鑄造雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴