摘要：基于Flow-3D軟件，分析了工藝設(shè)計過程中，利用模擬分析軟件，經(jīng)過多版模流的相互對比和分析，確定了減震塔鑄件產(chǎn)品成型優(yōu)化的澆注系統(tǒng)方案，而根據(jù)這個方案模擬抽真空的狀態(tài)，經(jīng)過模擬分析，預(yù)測其可能產(chǎn)生的缺陷，在模具上設(shè)計出相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

研究表明，T5處理后，高真空鑄件的伸長率可達到8.4%，T6處理后高真空鑄件屈服強度和伸長率分別達到了339.8 MPa和6.7%。為了獲得較搞的屈服強度和伸長率，汽車結(jié)構(gòu)件通常都需要進行T5或T6處理。而由于熱處理溫度較高，因而對鑄件內(nèi)部質(zhì)量要求極高，模具上也需要引用抽真空的排氣技術(shù)減少產(chǎn)品內(nèi)部氣縮孔問題。

本課題采用Flow-3D軟件，定性分析了鋁合金液流動的充型狀態(tài)與鑄件缺陷的分布，著重研究了梳形澆道、扇形澆道、集中進澆、分散進澆、長澆道與短澆道對充型流動狀態(tài)、充型溫度、充型速度、氣壓阻力與鑄件成形的關(guān)系；確定了鑄件的澆注系統(tǒng)與排氣系統(tǒng)，大大縮短了模具的開發(fā)周期。

一、利用Flow-3D選取進澆位置和確定產(chǎn)品擺位

1、鑄件結(jié)構(gòu)分析

某汽車減震塔鑄件三維模型見圖1，其最大外形尺寸549 mm×408 mm×281 mm，鑄件投影面積：188 686 mm2，鑄件基本壁厚≥3 mm(局部有厚料位），鑄件成品質(zhì)量為3.74 kg，鑄件收縮：1.0045。該鑄件內(nèi)部品質(zhì)要求較高，需進行T6處理。該鑄件對鋁液填充的順序性、連續(xù)性要求很高，所以通常會選擇一個側(cè)面進澆。分析鑄件結(jié)構(gòu)可知，該鑄件不需要滑塊抽芯，理論上可選擇任意面進澆。位置C和位置D進澆位置不足，排除進澆可能。位置A和位置B通過初步觀察無法判斷優(yōu)劣，需要通過Flow-3D模流分析判定最佳進澆面。

圖1：汽車減震塔三維模型及進澆位置示意圖

2、鑄件進澆面選擇

設(shè)計了兩條流道進行模流分析對比，其填充速度模擬結(jié)果見圖2。可以看出，從位置A進澆時，鋁液填充連續(xù)性較好，沒有出現(xiàn)紊流及卷氣；而從位置B進澆時，鋁液進入型腔后出現(xiàn)了紊流，填充連續(xù)性較差。這是因為從位置B進澆時，鋁液首先經(jīng)過的鑄件型腔有幾級不同的高度，而且造型較復(fù)雜。而從位置A進澆時，鋁液首先經(jīng)過的鑄件型腔較為平坦，只有兩側(cè)有兩處較小區(qū)域出現(xiàn)小局部高度差。因此，位置A進澆有較大優(yōu)勢。

圖2：不同進澆位置填充速度模擬分析對比

二、 確定進澆位置后，通過模流分析優(yōu)化澆排系統(tǒng)設(shè)計

1、方案1模擬分析

圖3為方案1的填充速度模擬圖，其中紅圈區(qū)域為包卷區(qū)域。可以看出，鑄件在兩側(cè)出、末端以及厚料區(qū)均存在一定程度的包卷，這可能會導(dǎo)致在該處形成氣縮孔等缺陷，還會影響后續(xù)的流態(tài)。產(chǎn)品外側(cè)出現(xiàn)包卷的原因是產(chǎn)品外側(cè)型位造型出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，外側(cè)填充速度較快。末端卷氣的原因是兩側(cè)填充過快。產(chǎn)品中部厚料區(qū)域包卷嚴重的原因是兩側(cè)填充過快，鋁液流進中部厚料區(qū)域時不順暢。

圖3：方案1的填充速度模擬

為解決上述問題，采取將內(nèi)澆口收窄的措施，見圖4：采取該措施后，避開了產(chǎn)品轉(zhuǎn)折位置，降低了兩側(cè)的填充速度，從而實現(xiàn)填充流態(tài)的優(yōu)化。

圖4：方案2的鑄件及澆注系統(tǒng)三維模型

圖5 ：方案2的填充速度模擬

圖6為鑄件外側(cè)鋁液和末端鋁液的填充方向示意圖。可以看出，方案1中鑄件外側(cè)填充過快是由于外側(cè)幾股鋁液由于慣性，首先將產(chǎn)品外側(cè)型位填滿，然后再向內(nèi)部卷過來，包住還沒來得及排出的氣體。

圖7為方案3的鑄件及澆注系統(tǒng)三維模型。可以看出，在鑄件外側(cè)增加了一緩沖段，緩沖橫流道的沖擊能量。對外側(cè)幾股鋁液起到降低速度和改變?nèi)肷浣嵌鹊淖饔谩?nèi)澆口寬度和方案1相差不大，但外側(cè)兩個內(nèi)澆口適當改小（見綠色箭頭）。此外，針對方案1中間厚料區(qū)域包卷較嚴重的問題，在鑄件內(nèi)部增加筋條，將筋條連通到鑄件中部厚料區(qū)域。對鋁液起到一定的引流作用，改善厚料區(qū)域填充質(zhì)量。改進方案見圖8。

圖7：方案3的鑄件及澆注系統(tǒng)三維模型

圖8：鑄件筋條改進

圖9為方案1和方案3的外側(cè)包卷和末端卷氣問題對比。可以看出，采用方案3后，鑄件卷氣問題得到明顯改善。

圖9：方案1和方案3卷氣情況對比

三、結(jié)合Flow-3D抽真空分析

1、結(jié)合沖頭模擬分析Ver3版本的兩個狀態(tài)

針對方案3，進行了兩種對比方案：腔內(nèi)不抽氣；按實際生產(chǎn)情況。

圖10為壓射和抽真空參數(shù)圖。按相同的速度設(shè)置，是否抽真空的兩種狀態(tài)分析料筒內(nèi)鋁液流態(tài)基本相同。圖11為沖頭移動模擬的結(jié)果。可以看出，料筒內(nèi)鋁液平穩(wěn)，未出現(xiàn)紊流。速度設(shè)置合理。

圖10：壓射和抽真空參數(shù)圖                                                              圖11：方案3沖頭移動模擬結(jié)果

2、排氣槽分析

圖12為加入抽真空后的速度模擬。可以看出，排氣槽兩股鋁液幾乎同時到達交匯點，這種情況較理想，避免了封堵通道導(dǎo)致排氣不順暢的情況。

圖12：方案3加入抽真空后的填充速度模擬

3、速度對比和卷氣對比

圖13和圖14分別為抽真空前后的填充速度和卷氣模擬對比。可以看出，抽真空狀態(tài)，腔內(nèi)填充效果和卷氣情況得到明顯改善。

圖13：方案3加入抽真空前、后的填充速度模擬對比

圖14：方案3版本加入抽真空前、后的填充卷氣模擬對比

圖15分別為速度模擬和卷氣模擬分析得出的缺陷位置。可以看出，無論是速度分析還是卷氣分析，兩個懸置孔附近的填充效果不理想，出現(xiàn)鑄造缺陷的風險較高。而懸置孔的受力要求較高。可通過設(shè)置局部擠壓來改善。圖16為設(shè)置擠壓的兩個懸置孔。

圖16：填充速度和卷氣模擬的缺陷位置

圖17：擠壓懸置孔

五、 結(jié)語

經(jīng)過多版模流的相互對比和分析，確定優(yōu)化后鑄件的澆排方案，而根據(jù)這個方案模擬抽真空的狀態(tài)，經(jīng)過模擬分析，預(yù)測其可能產(chǎn)生的缺陷，在模具上設(shè)計出相應(yīng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。該種方案在生產(chǎn)過程中得到驗證，效果良好。

作者：吳耀榮  岑偉明  鄧宇斌  梁富