基于ProCAST的汽車方向盤零件模流分析與壓鑄模具優化設計

于 丹

(無錫技師學院數控技術系，江蘇無錫 214153)

某型號的汽車方向盤零件結構尺寸如圖1a所示，其零件的3D圖如圖1b所示。該型號的汽車方向盤零件為精密壓鑄件，材料為ZLA356鑄造鋁合金，密度為2.7 g/cm3。在技術飛速發展的今天，現代生產要求的周期越來越短，產品精度要求越來越高，所以就要求模具的試模周期縮短，提高試模的成功率。模具的設計往往以經驗設計為主，對于一個較新的產品或者設計經驗不足的工程師來說則較為困難，借助專業的ProCAST壓鑄模流分析軟件則可以預見性地發現設計的缺陷，通過模流分析減少設計缺陷，提高成功率。

1 基于經驗的模具結構設計

如圖1所示的汽車方向盤零件，其主體結構為圓形，最大外圓直徑尺寸為362.5 mm，高度方向最大尺寸為136.5 mm。從零件的主體尺寸看，該方向盤零件屬于較大型的壓鑄件。這樣大型的零件在模具型腔布局上比較困難，如果采用多型腔布局設計，則模具的結構尺寸會成倍的增大，這樣不僅會大量增加成本，而且還會給加工以及模具的周轉、試模等環節帶來很多不便;所以該汽車方向盤零件的壓鑄模具采用單型腔結構形式(即“一模一腔”)。

在模具設計中，其型腔的布局與結構設計是最主要的模具設計工作。根據方向盤零件的結構，在經驗設計的基礎上，其型腔布局與澆注系統、排氣系統的結構設計如圖2所示。在圖2所示的基于經驗的模具型腔結構設計中，為節約成本及減小模具的尺寸，其澆注系統的中心澆口設置在方向盤零件的內部空位處，并根據零件的結構特點，設置了3個方向的分流道，在零件的圓周分型面上均布了6個排氣槽，同時在澆注材料的最后匯合處，設置了緩沖排氣的結構。以上型腔結構的設計是基于常規的壓鑄模具的經驗進行設計的，但是這樣的結構設計是否完全合理，是否有哪些缺陷還不知道，通常要等到模具試模時的方向盤壓鑄件才能得到答案，然后再進行模具的修改及調整。如果模具的試模件結果不理想，往往要對模具進行大量的修改工作，而此時的模具零件已經經過了一系列的制造工藝及熱處理工藝，同時模具的主體結構已經定型，所以模具的修改范圍很有限，有些模具可能會有整體報廢的風險。

2 基于模流分析的優化設計

2.1 模流分析

ProCAST軟件是專業的鑄造模擬有限元分析軟件，該軟件對相關的工程人員來說是個很好的輔助設計工具軟件，其強大的流體分析模塊可以模擬所有包括充型在內的流體分析效應，如澆注系統、排氣和溢流系統的結構與位置的設計等。ProCAST軟件可以準確地模擬型腔的澆注過程，精確地描述凝固過程，模擬結果可以由計算機直接顯示出來。在模具設計的初期，通過應用方向盤零件的數據模型導入到ProCAST軟件中，在進行相關的參數設置后，即可比較迅速地分析型腔充型過程，為模具結構設計提供參考依據，可以優化模具結構設計。ProCAST軟件對方向盤零件分析模擬流動充型過程如圖3所示。

通過型腔的模擬流動充型分析，可以較為準確地了解型腔內部材料的流動與氣體的排氣過程，根據ProCAST軟件的模擬分析發現，基于經驗設計的型腔結構中，排氣槽的布局與結構設計不合理。同時在局部細微的分析中也發現了一些問題，如圖4所示在方向盤零件的中心位置有些包氣的現象。

根據圖4模擬分析發現此處有包氣現象，此處在方向盤零件的結構上處于中心端面位置，一般不能設置排氣槽(此處排氣槽的余料較難去除)。為解決這個問題，模具的結構設計中可以通過增加該處流道的尺寸加大中心進料，同時在內部的型芯處增加排氣。

2.2 模具結構的優化設計

通過多次模流分析，最終確定了模具型腔的澆注系統與排氣系統等結構的布局，優化了模具結構的設計。最終模具型腔結構的優化設計如圖5所示。

圖5所示的模具型腔結構設計中，根據模流分析的結果修改了流道尺寸，重新設置了排氣槽的位置，同時在模流分析中排氣不理想的位置處增加了小排氣槽，在排氣密集處，增加了排氣的數量，并縮小了間距。根據模具型腔結構的優化設計，模具的總體結構設計如圖6。通過模具型腔結構的優化設計，最終確定了圖6所示的模具總體結構形式，在模流分析的基礎上，優化了結構工藝，通過模擬分析使得澆注系統以及整副模具的結構得到了優化設計。通過軟件的功能代替了實際試模的過程，預見性地設計模具結構。

3 結語

基于ProCAST軟件進行模擬流動分析，模擬材料的型腔充型過程，分析過程中可能產生的缺陷，輔助設計人員進行模具結構的優化設計，該方向盤壓鑄模具一次試模成功，這大大縮短了模具制造與試模周期，降低了成本，對類似零件壓鑄模具的設計、制造具有一定的借鑒作用。

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