汽車鋁合金殼體壓鑄件溫度場模擬與優化

原標題：南昌航空大學：汽車用鋁合金殼體壓鑄件溫度場模擬與優化

某鋁合金殼體是汽車用重要構件之一, 需求量大, 合理的壓鑄工藝設計可以有效降低生產成本並提高成品率。針對該鋁合金殼體件實際壓鑄生產中存在的問題, 對壓鑄工藝方案進行流場和溫度場模擬分析與優化, 並採用優化後工藝方案進行試生產, 旨在生產高品質的壓鑄件, 並爲該類鑄件的壓鑄生產提供參考。

針對鋁合金殼體壓鑄件生產存在的問題, 採用某鑄造模流分析軟件對該鑄件壓鑄過程進行了數值模擬, 分析了鑄件溫度場並預測了鑄件易出現縮孔、縮鬆的位置, 提出了兩種強制水冷的方案來優化鑄件溫度場。採用數值模擬對比分析了兩種優化方案的溫度場, 獲得了最優的壓鑄方案。解剖優化方案試生產的鑄件, 發現其內部品質良好, 縮孔、縮鬆完全消除。

圖文結果

針對鋁合金殼體件壓鑄生產存在的問題, 對實際生產的鑄造工藝方案進行了模擬分析與優化。通過分析鑄件溫度場分布和預測鑄件易出現縮孔、縮鬆位置, 採取強制水冷的方法來加強局部冷卻, 並結合鑄件和模具結構提出了兩種優化方案, 並通過數值模擬的手段對比分析了兩種優化方案, 獲得了最優的冷卻方案。通過剖析最優冷卻方案試生產的鑄件, 其內部縮孔、縮鬆完全消除, 試生產表明該方案能有效優化凝固溫度場。研究表明, 通過強制水冷的工藝方案, 對厚大部位在外圍的鑄件溫度場優化有顯著效果。圖1爲鋁合金殼體鑄件示意圖及其澆注系統, 鑄件材質爲A356合金, 鑄件質量約爲0.632kg, 其內部有多個空腔, 模具抽芯部位較多, 較爲復雜。該件的最小壁厚爲2.6mm, 最大壁厚達到10.6mm, 平均壁厚約爲4.0mm, 壁厚不均勻。通過分析鑄件結構, 發現最大壁厚位於鑄件外圍A處。

圖1 鋁合金殼體鑄件示意圖及澆注系統

表1 模擬參數和邊界條件

圖2 初始方案的充型流場

圖3 初始方案鑄件的溫度場模擬

圖4 初始方案鑄件A處剖面溫度場

圖5 初始方案縮孔、縮鬆分布

爲了優化鑄件的凝固溫度場, 避免A處出現縮孔、縮鬆缺陷, 需要採取局部加快冷卻速度的方法。由於A處的壁厚相較於周邊壁厚大很多, 因此優化方案擬採用強制水冷的方式來加快冷卻速度。分析鑄件和模具結構, 在靠近部位A處設計了兩種優化方案, 見圖6。其冷卻水管直徑均爲φ20mm。優化方案模擬時循環冷卻水溫度設置爲30℃, 水和模具之間的表面傳熱系數設置爲5 000W/ (㎡·K) 。

圖6 冷卻水道優化溫度場設計方案

圖7 方案1A處剖面溫度場

圖8 方案2A處剖面溫度場

圖9 方案1、方案2鑄件縮孔、縮鬆預測結果

圖10 初始方案和優化方案2試生產鑄件A處剖析

作者

熊博文 張欣源 陳天祿南昌航空大學輕合金加工技術與科學國防學科重點實驗室

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