原標(biāo)題：基于Flow-3D的三通閥壓鑄工藝設(shè)計及優(yōu)化

鋁合金因密度小、比強度高、耐腐蝕等特點，在工業(yè)中得到廣泛使用。鋁合金常采用壓鑄成形，在壓鑄過程中，金屬液充型速度快，如果澆注系統(tǒng)和溢流系統(tǒng)設(shè)計不合理，會造成氧化夾雜和卷氣等缺陷，影響鑄件品質(zhì)，降低其力學(xué)性能。傳統(tǒng)壓鑄工藝設(shè)計要依靠經(jīng)驗進(jìn)行多次嘗試，極大提高了成本并延長設(shè)計周期。

基于三通閥的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了壓鑄工藝的澆注系統(tǒng)和溢流槽，采用Flow-3D軟件進(jìn)行充型過程數(shù)值模擬。在初始方案中, 鑄件整體卷氣較嚴(yán)重，隨著對澆注系統(tǒng)和溢流槽的逐步優(yōu)化，降低了鑄件的內(nèi)部卷氣量。根據(jù)優(yōu)化后的方案，設(shè)計制造了壓鑄模具并進(jìn)行了生產(chǎn)驗證。通過對鑄件的模擬分析, 基于鑄件的卷氣量、溫度場和金屬液的流動特征，設(shè)計并優(yōu)化了澆注系統(tǒng)和溢流槽。利用優(yōu)化后的系統(tǒng)設(shè)計模具并進(jìn)行生產(chǎn)，獲得了合格的鑄件。

圖文結(jié)果

三通閥的輪廓尺寸為152.5mm×119.5mm×121mm，平均壁厚約為5.56mm。鑄件的外形為圓筒形，左側(cè)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，直徑為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(shè)計的繁簡程度、易于加工和保證鑄件的尺寸精度等。根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點，因其左側(cè)平臺上完全對稱，所以優(yōu)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為分型面。分型面處于鑄件水平中心，有利于排氣。

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(shè)計澆注系統(tǒng)示意圖

圖4 鑄件充型過程

可以看出，鑄件正面桶壁卷氣較為嚴(yán)重，會嚴(yán)重影響鑄件質(zhì)量。對于上述情況，可能是由于金屬液在橫澆道上的流速過快導(dǎo)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(jìn)方案澆注系統(tǒng)示意圖

圖6 改進(jìn)方案1鑄件充型過程

圖7 改進(jìn)方案1鑄件溫度場

圖8 改進(jìn)方案2澆注系統(tǒng)示意圖

圖9 改進(jìn)方案2模擬結(jié)果

圖10 增加輔助澆道后溫度場

圖11 改進(jìn)方案3澆注系統(tǒng)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(tǒng)下卷氣體積

從圖14可以看出，改進(jìn)方案1和改進(jìn)方案3明顯降低鑄件內(nèi)的卷氣量，改進(jìn)方案2雖然整體卷氣量并沒有明顯下降，但是從卷氣云圖可以看出，鑄件內(nèi)的卷氣位置發(fā)生改變，其中一部分已轉(zhuǎn)移到溢流槽中，也相當(dāng)于降低內(nèi)部卷氣量。改進(jìn)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，可以作為最終試制方案。

圖15 實際生產(chǎn)的三通閥鑄件

圖16 X射線檢測結(jié)果

本文作者：

郭廣思 陳晨
沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
孫晶瑩
東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

本文來自：《特種鑄造及有色合金》雜志，《壓鑄周刊》戰(zhàn)略合作伙伴