基於Flow-3D的三通閥壓鑄工藝設計及優化

原標題：基於Flow-3D的三通閥壓鑄工藝設計及優化

鋁合金因密度小、比強度高、耐腐蝕等特點，在工業中得到廣泛使用。鋁合金常採用壓鑄成形，在壓鑄過程中，金屬液充型速度快，如果澆注系統和溢流系統設計不合理，會造成氧化夾雜和卷氣等缺陷，影響鑄件品質，降低其力學性能。傳統壓鑄工藝設計要依靠經驗進行多次嘗試，極大提高了成本並延長設計周期。

基於三通閥的結構特點，設計了壓鑄工藝的澆注系統和溢流槽，採用Flow-3D軟件進行充型過程數值模擬。在初始方案中, 鑄件整體卷氣較嚴重，隨着對澆注系統和溢流槽的逐步優化，降低了鑄件的內部卷氣量。根據優化後的方案，設計制造了壓鑄模具並進行了生產驗證。通過對鑄件的模擬分析, 基於鑄件的卷氣量、溫度場和金屬液的流動特徵，設計並優化了澆注系統和溢流槽。利用優化後的系統設計模具並進行生產，獲得了合格的鑄件。

圖文結果

三通閥的輪廓尺寸爲152.5mm×119.5mm×121mm，平均壁厚約爲5.56mm。鑄件的外形爲圓筒形，左側有一圓形平臺和階梯通孔，其上下對稱，下表面帶有凸臺，中心有一帶有隔板的通孔，直徑爲φ90mm，通過UG軟件建立1∶1實體三維體造型，見圖1。鑄件分型面的選擇要考慮壓鑄模設計的繁簡程度、易於加工和保證鑄件的尺寸精度等。根據鑄件的結構特點，因其左側平臺上完全對稱，所以優化的方案選擇三通閥主通道的水平面，即平臺中心線和圓筒軸線組成的面作爲分型面。分型面處於鑄件水平中心，有利於排氣。

圖1 三通閥實體造型示意圖

圖2 分型面示意圖

圖3 初步設計澆注系統示意圖

圖4 鑄件充型過程

可以看出，鑄件正面桶壁卷氣較爲嚴重，會嚴重影響鑄件質量。對於上述情況，可能是由於金屬液在橫澆道上的流速過快導致。通過在澆道上增加彎道可以降低金屬液的流速使其獲得良好的充型，改善澆道未充滿問題。

圖5 改進方案澆注系統示意圖

圖6 改進方案1鑄件充型過程

圖7 改進方案1鑄件溫度場

圖8 改進方案2澆注系統示意圖

圖9 改進方案2模擬結果

圖10 增加輔助澆道後溫度場

圖11 改進方案3澆注系統示意圖

圖12 不同方案卷氣量對比

圖13 不同方案氧化渣對比

圖14 不同澆注系統下卷氣體積

從圖14可以看出，改進方案1和改進方案3明顯降低鑄件內的卷氣量，改進方案2雖然整體卷氣量並沒有明顯下降，但是從卷氣雲圖可以看出，鑄件內的卷氣位置發生改變，其中一部分已轉移到溢流槽中，也相當於降低內部卷氣量。改進方案3的卷氣量最低、整體充型順序良好、無澆不足缺陷、且溫度無明顯降低、氧化夾雜聚集較少，可以作爲最終試制方案。

圖15 實際生產的三通閥鑄件

圖16 X射線檢測結果

本文作者：

郭廣思 陳晨沈陽理工大學材料科學與工程學院孫晶瑩東北大學材料科學與工程學院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰略合作夥伴