基于 FLOW-3D 的减震塔真空压铸工艺设计与优化
基于 FLOW-3D 的减震塔真空压铸工艺设计与优化

 

基于 FLOW-3D 的减震塔真空压铸工艺设计与优化

 

吴耀荣,岑伟明,邓宇斌,梁富

(广州市型腔模具制造有限公司)

 

摘要:基于 FLOW-3D 软件,分析了工艺设计过程中,利用模拟分析软件,经过多版模流的相互对比和分析,确定了减震塔铸件产品成型优化的浇注系统方案,而根据这个方案模拟抽真空的状态,经过模拟分析,预测其可能产生的缺陷,在模具上设计出相应的优化结构。

关键词:减震塔;真空压铸;浇注系统;FLOW-3D

 

Design and Optimization of Die Casting Process for Vacuum Die CastingShocking Tower Based on FLOW-3D Software

Wu Yaorong, Cen Weiing, Den Gyubin, Liang Fu

(Guangzhou Cavity Mould Manufacturing Co., Ltd)

Abstract: the optimized gating system was determined for the vacuum die casting shocking tower based on the Flow-3D software with different editions to analyze comparatively the gating system design. Through simulation analysis, the potential defects in the shocking tower during filling and solidification process were visualized, and the optimized structure in the mould design was conducted.

Key Words:Shocking Tower, Vacuum Die Casting,Gating System,Flow-3D

由于压铸技术日趋成熟,可通过调整压铸工艺和喷涂、冷却、抽真空等辅助手段,实现铸件的批量生产。随着产品功能的多样化以及性能要求的提高,对铸件填充流态的要求也就越来越高。浇排系统的设计对铸件质量的影响重大。随着计算机技术在铸造生产中的应用逐渐成熟,浇排系统的设计变得更加科学、高效,大大节省了试制周期及成本。基于铸造模拟软件,根据铸造过程的模拟结果,可有针对性的调整液流走向,优化模具设计,提升产品质量,避免产品缺陷的产生[1,2]

研究表明,T5处理后,高真空铸件的伸长率可达到8.4%T6处理后高真空铸件屈服强度和伸长率分别达到了339.8 MPa6.7%[5]。为了获得较搞的屈服强度和伸长率,汽车结构件通常都需要进行T5T6处理。而由于热处理温度较高,因而对铸件内部质量要求极高,模具上也需要引用抽真空的排气技术减少产品内部气缩孔问题。

本课题采用Flow-3D软件,定性分析了铝合金液流动的充型状态与铸件缺陷的分布,着重研究了梳形浇道、扇形浇道、集中进浇、分散进浇、长浇道与短浇道对充型流动状态、充型温度、充型速度、气压阻力与铸件成形的关系;确定了铸件的浇注系统与排气系统,大大缩短了模具的开发周期[3,4]

 

1 利用Flow-3D选取进浇位置和确定产品摆位

1.1铸件结构分析

某汽车减震塔铸件三维模型见图1,其最大外形尺寸549 mm×408 mm×281 mm,铸件投影面积:188 686 mm2,铸件基本壁厚≥3 mm(局部有厚料位),铸件成品质量为3.74 kg,铸件收缩:1.0045。该铸件内部品质要求较高,需进行T6处理。该铸件对铝液填充的顺序性、连续性要求很高,所以通常会选择一个侧面进浇。分析铸件结构可知,该铸件不需要滑块抽芯,理论上可选择任意面进浇。位置C和位置D进浇位置不足,排除进浇可能。位置A和位置B通过初步观察无法判断优劣,需要通过Flow-3D模流分析判定最佳进浇面。

图1 汽车减震塔三维模型及进浇位置示意图

 

1.2铸件进浇面选择

设计了两条流道进行模流分析对比,其填充速度模拟结果见图2。可以看出,从位置A进浇时,铝液填充连续性较好,没有出现紊流及卷气;而从位置B进浇时,铝液进入型腔后出现了紊流,填充连续性较差。这是因为从位置B进浇时,铝液首先经过的铸件型腔有几级不同的高度,而且造型较复杂。而从位置A进浇时,铝液首先经过的铸件型腔较为平坦,只有两侧有两处较小区域出现小局部高度差。因此,位置A进浇有较大优势。

(a)位置A进浇  (b)位置B进浇

图2不同进浇位置填充速度模拟分析对比

 

2 确定进浇位置后,通过模流分析优化浇排系统设计

2.1 方案1模拟分析

3方案1填充速度模拟图,其中红圈区域为包卷区域。可以看出,铸件在两侧出、末端以及厚料区均存在一定程度的包卷,这可能会导致在该处形成气缩孔等缺陷,还会影响后续的流态。产品外侧出现包卷的原因是产品外侧型位造型出现转折,外侧填充速度较快。末端卷气的原因是两侧填充过快。产品中部厚料区域包卷严重的原因是两侧填充过快,铝液流进中部厚料区域时不顺畅。

(a)外侧包卷            (b)末端卷气         (c)中间厚料区域包卷

图3 方案1的填充速度模拟

2.2 方案2模拟分析

为解决上述问题,采取将内浇口收窄的措施,见图4:采取该措施后,避开了产品转折位置,降低了两侧的填充速度,从而实现填充流态的优化。

图4  方案2的铸件及浇注系统三维模型

5为方案2的铸件填充速度模拟。可以看出,铸件外侧包卷和末端包卷情况明显改善。与方案1的填充过程相比,方案2的填充更顺畅,但从整个流态看,方案2中两侧填充较迟,甚至出现回流现象。这种回流现象,对于结构件产品的填充而言是致命的,违反了结构件流道填充顺序性和连续性的设计原则,所以方案2不合理。

(a)两侧填充缓慢  (b)两侧回流

图5 方案2的填充速度模拟

2.3 方案3模拟分析

6为铸件外侧铝液和末端铝液的填充方向示意图。可以看出,方案1中铸件外侧填充过快是由于外侧几股铝液由于惯性,首先将产品外侧型位填满,然后再向内部卷过来,包住还没来得及排出的气体。

(a)外侧铝液     (b)末端铝液

图6方案1外侧铝液和末端铝液的填充方向

7为方案3的铸件及浇注系统三维模型。可以看出,在铸件外侧增加了一缓冲段,缓冲横流道的冲击能量。对外侧几股铝液起到降低速度和改变入射角度的作用。内浇口宽度和方案1相差不大,但外侧两个内浇口适当改小(见绿色箭头)。此外,针对方案1中间厚料区域包卷较严重的问题,在铸件内部增加筋条,将筋条连通到铸件中部厚料区域。对铝液起到一定的引流作用,改善厚料区域填充质量。改进方案见图8

图7 方案3的铸件及浇注系统三维模型

(a)原有筋条      (b)筋条改进

图8 铸件筋条改进

图9为方案1和方案3的外侧包卷和末端卷气问题对比。可以看出,采用方案3后,铸件卷气问题得到明显改善。

(a)方案1                       (b)方案3

图9 方案1和方案3卷气情况对比

 

3 结合Flow-3D抽真空分析

3.1 结合冲头模拟分析Ver3版本的两个状态

针对方案3,进行了两种对比方案:腔内不抽气;按实际生产情况。

10为压射和抽真空参数图。按相同的速度设置,是否抽真空的两种状态分析料筒内铝液流态基本相同。图11为冲头移动模拟的结果。可以看出,料筒内铝液平稳,未出现紊流。速度设置合理。

图10  压射和抽真空参数图       图11  方案3冲头移动模拟结果

3.2 排气槽分析

12为加入抽真空后的速度模拟。可以看出,排气槽两股铝液几乎同时到达交汇点,这种情况较理想,避免了封堵通道导致排气不顺畅的情况。

  图12  方案3加入抽真空后的填充速度模拟

3.3速度对比和卷气对比

13和图14分别为抽真空前后的填充速度和卷气模拟对比。可以看出,抽真空状态,腔内填充效果和卷气情况得到明显改善。

(a)抽真空前              (b)抽真空后

图13  方案3加入抽真空前、后的填充速度模拟对比

(a)抽真空前              (b)抽真空后

图14  方案3版本加入抽真空前、后的填充卷气模拟对比

 

4 缺陷预判和对策

15分别为速度模拟和卷气模拟分析得出的缺陷位置。可以看出,无论是速度分析还是卷气分析,两个悬置孔附近的填充效果不理想,出现铸造缺陷的风险较高。而悬置孔的受力要求较高。可通过设置局部挤压来改善。图16为设置挤压的两个悬置孔。

(a)填充速度    (b)卷气模拟

图16  填充速度和卷气模拟的缺陷位置

图17  挤压悬置孔

 

5 结语

经过多版模流的相互对比和分析,确定优化后铸件的浇排方案,而根据这个方案模拟抽真空的状态,­­­­­­­­经过模拟分析,预测其可能产生的缺陷,在模具上设计出相应的优化结构。该种方案在生产过程中得到验证,效果良好。

参考文献

[1]马广兴,万里,梁振进,等.轿车底盘铝合金后副车架的压铸工艺及模具设计[J].特种铸造及有色合金,2012,32(1):55~59.

[2]潘宪曾.压铸模具设计手册[M].北京:机械工业出版社,2006.

[3]魏娟娟,米国发,张锦志,等. 基于Flow-3D软件的铝合金滤清器座的压铸工艺优化[J]. 铸造, 2017, 66(6):568-571.

[4]安肇勇. 高真空压铸汽车底盘结构件浇注系统分析[J]. 特种铸造及有色合金,2018,38(7):738-741.

[5]张百在. 型腔真空度及热处理对AlSiMgMn压铸件性能的影响[J]. 特种铸造及有色合金,2016,36(7) :673-676.