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原标题

铝合金壳体压铸工艺设计及优化

摘要

以ADC12铝合金壳体压铸件作为研究对象，根据其结构特点对此工件进行压铸工艺设计。确定铸件分型面、浇注系统、排溢系统所在的位置形式以及压铸工艺参数，初步拟定一套压铸工艺方案。使用FLOW-3D软件对初始方案的充型过程和充型结果进行数值模拟，并根据压力、温度、卷气以及表面质量等确定铸件产生缺陷的位置和原因。根据分析结果优化原工艺方案，对优化方案进行再一次的模拟分析，得到符合生产要求的工艺方案。

相对于砂型铸造，压铸有着不可比拟的、良好的优势，在汽车，通讯等领域得到广泛应用。水泵壳体作为水泵上核心零部件，需要具备一定的防渗漏、抗腐蚀能力，能满足水中特定条件下力学性能和抗低温冲击能力，因此对气密性和力学性能要求高。利用压铸能够避免铸件在生产过程中的缩孔缩松等问题。将计算机数值模拟技术与实际的生产相结合，可以大大降低成本。本课题利用FLOW-3D软件进行压铸数值模拟，得出无缺陷铸件压铸方案，进行实际生产验证，以满足工厂生产要求。

一

压铸工艺设计

研究对象为水泵系列壳体压铸件，体积为cm3，最大壁厚为10mm，平均壁厚为3.27mm，质量大约为g，选择具有良好流动性，中等气密性和较好的抗热裂性,特别是高的耐磨性和低热膨胀系数的ADC12铝合金作为压铸件材料。图1为水泵壳体的三维结构图。

图1：压铸件实体三维模型

根据分型面的选择原则，结合研究对象的结构特点，分型方式见图2。

图2：壳体铸件实体分型方式

压铸工艺参数包括压力，速度，温度和时间。压铸件为铝合金壳体，属于一般件。选择压射比压为50MPa，压铸充型速度为30m/s。压铸件平均壁厚为3.26mm，对于铝合金来说，应选取较大的填充时间，选取充型时间为0.1s，持压时间为5s，留模时间为12s。计算得到压铸壳体大约需要锁模力为kN以上的压铸机，选择JC卧式冷室压铸机。设计压铸件内浇口，根据计算公式：

式中,Ag为内浇口截面积，mm2；Vg为内浇口处金属液的流速，m/s；G为流经内浇口的金属液质量，g；p为液态金属的密度，g/cm3；t为型腔的充填时间，s。确定内浇口截面积为Ag=60mm2。图3为内浇口尺寸，其中W、A、L分别是为内浇口的宽度、厚度和长度。

图3：内浇口厚度、宽度及长度

取内浇口厚度为1.5mm，内浇口长度取L=2mm，总宽度取W=40mm，设置两个内浇口，每个内浇口宽度取W=20mm。横浇道截面积为内浇道的3~4倍，根据Ag=60mm2，确定Ar=mm2。排溢系统设计主要是溢流槽和溢流口的设计。排溢系统可以收集存在于金属液、型腔和浇注系统中的气体，还可以收集首先进入型腔的前金属液。很大程度上减少铸件的各种缺陷，排溢系统的合适与否在很大程度上影响着铸件质量的优劣程度。本方案主要选用的溢流槽形状见图4。

图4：溢流槽形状

其中，b、a、h、A分别为溢流口的宽度，长度、厚度，长度。B、H分别为溢流槽的宽度以及厚度。选用一个此形状溢流槽具体尺寸为：A=16mm，a=6mm，H=7mm，h=1mm，b=12mm，B=20mm；考虑到零件特点，在零件中间增设一个圆形溢流槽。圆形溢流槽尺寸:R=15mm，H=12mm，b=12mm，a=6mm，h=1mm。图5为原始工艺方案。

图5：原始工艺方案

二

数值模拟与优化

2.1数值模拟

将原始压铸方案导入FLOW-3D软件中进行数值模拟，图6为原始方案流场分布结果。通过模拟结果可得，压铸件最高温度为℃，最低温度约为℃。型腔内金属温度随着与内浇口距离的增大，其温度大致呈逐渐降低的状态。温度决定凝固的顺序，温度较低的位置首先凝固，温度较高的位置凝固较慢。充型过程较不平稳，在t=0.s时发生液滴飞溅现象。综合分析得到，在模拟过程中，压铸件凝固方式为逐层凝固，并且按照远离内浇口的方向先凝固的顺序，所以能够及时得到补缩，故而不会出现较为严重的缩松缩孔。

图：6流场分布模拟

图7为本方案压铸件夹带气体的体积分数。颜色为红色的区域卷气最为严重，高达56%，本方案中铸件上大部分区域卷气量为28%，有部分区域卷气高达38%。压铸件的重要部位卷气较为严重，因此该工艺方案的设计需要进一步改善。

图7：卷气分布模拟结果

根据模拟结果来看，压铸件表面缺陷最高处达到7.3%左右，但处于排溢系统上，而铸件主体大部分表面质量低于2%，基本不会影响铸件的使用。再结合图7发现，在表面缺陷最严重的位置的卷气量也很高。因此判断表面缺陷的产生和铸件内的卷气量有着很大的关系。因此想要改善表面质量，则需要从卷气量来入手,进行优化方案的设计。

图8：表面缺陷模拟结果及分析

2.2工艺优化原始压铸方案卷气较严重，需要进行工艺优化，正确选择浇口的位置和导流方式，对于非良形状的铸件多采用多股内浇口，设置3个内浇口，内浇口宽度为8mm、10mm、20mm。长度为5mm，增加了内浇口截面积从而使得压射速度提高。为了改善排气条件，在铸件两侧增设环形溢流槽，溢流槽1尺寸为A=5mm，H=8mm，B=15mm；溢流槽2尺寸为A=10mm，H=10mm，B=15mm,溢流槽3尺寸为A=5mm，H=8mm，B=15mm吊耳处增设溢流槽，尺寸为A=15mm，H=10mm，B=20mm，同时设置一个圆柱形冒口，R=10mm，H=15mm。为了增加排气效果，改善卷气，在铸件端盖处增加排气槽。排气槽用于从型腔中排出空气及涂料挥发产生的气体。为了使型腔中的气体在压射时尽可能多的被金属液排出，将排气槽设置在金属液最后填充的位置。优化工艺的三维图见图9。

图9：优化方案三维图

将优化方案进行数值模拟，图10为优化方案温度场模拟结果。可以看出铸件从内浇口开始凝固，在铸件的充型过程中金属液充型比较平稳，未发生金属液飞溅的现象，说明优化方案的充型效果良好。

图10：优化方案流动场模拟

图11为优化方案卷气结果。从模拟结果上可以发现，卷气严重的地方集中在溢流槽和排气槽，说明设置的溢流槽和排气槽起到了作用，铸件上并未发生卷气，进一步表明优化方案设计合理可行。

图11：优化方案卷气模拟结果

图12为优化方案模拟的缺陷分布。可以看出，铸件中未出现缺陷，最大表面缺陷在2%以下，表面缺陷严重部位出现在溢流槽上，可以在压铸完成后将溢流槽切除。综上，优化方案合理可行。将优化方案应用到实际生产中，得到无缺陷铸件。图13为实际生产铸件。

图12：优化方案缺陷模拟结果

图13：实际生产铸件

三

结论

根据水泵壳体结构要求，设计合理压铸方案，将压铸工艺与数值模拟技术相结合，利用FLOW-3D软件对压铸工艺进行数值模拟，分析卷气及缺陷产生原因并进行工艺优化，增加多股内浇口，增设溢流槽和排气槽，模拟显示无缺陷。进行生产验证后得到符合实际生产铸件。

作者：

陈鹏飞米国发王有超河南理工大学材料科学与工程学院王凯河南英利特科技股份有限公司周志杰河南平原光电科技有限公司

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