AZ91D鎂合金變速箱后殼擠壓鑄造成型工藝數值模擬分析

管滔滔，楊浩成，朱陽（臺州廣播電視大學高職學院，浙江臺州 318000）

AZ91D鎂合金變速箱后殼擠壓鑄造成型工藝數值模擬分析

管滔滔，楊浩成，朱陽
（臺州廣播電視大學高職學院，浙江臺州 318000）

通過對現實情況的分析，提出了在汽車上使用鎂合金材料，從而達到汽車輕量化，實現節能減排的目的。通過Pro/E軟件建模后，應用ProCAST仿真軟件對鎂合金變速箱殼體在擠壓鑄造時的多項性能進行了研究分析，并通過直觀分析法，找到了最佳的工藝參數組合，為后續進一步研究提供了指導。

鎂合金；擠壓鑄造；數值模擬

鎂合金具有使汽車輕量化、節約能源、降低成本的天然優勢，使用高性能鎂合金，可使汽車零件質量減輕，節約汽、柴油可達10%以上[1]。但采用高性能鎂合金生產汽車零部件，需要我們研究和解決材料性能、成形機理、成形工藝及其生產裝備等科學與工程問題。本文通過Pro/E軟件建模后，應用ProCAST仿真軟件對鎂合金變速箱殼體在擠壓鑄造時的多項性能進行了研究分析，并通過直觀分析法，找到了最佳的工藝參數組合，為后續進一步研究提供了指導。

1 實驗條件的確定

常用的鑄造鎂合金AZ91D，比強度高，耐腐蝕性好，彈性模量大，散熱性、消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，密度在1.8 g/cm3左右，遠低于常用鋁合金（密度在2.5～2.88 g/cm3）[2]。因此，我們以AZ91D鎂合金為例，對變速箱后殼的擠壓鑄造成型工藝進行了數值模擬分析。

由于變速器后殼體結構相對復雜，通過各種力學分析，在保持整體結構基本不變的前提下，在應變最大部位（凸臺與圓盤連接邊緣）適當添加加強筋，如圖1（變速箱后殼結構三維優化模型）所示，可以極大地提高殼體的強度。

圖1 變速箱后殼三維優化模型

1.1 軟件的選擇與應用

ProCAST是一種常用的鑄造模擬仿真軟件，可進行縮孔、澆不足、模具壽命等各方面缺陷的預測分析[3]。在鑄造模擬分析中可以按圖2（模擬步驟）所示來應用該軟件。

圖2 ProCAST模擬步驟

1.2 物理模型的構建

在整個鑄造模擬過程中，ProCAST前處理起到極為重要的作用，整個鑄造模擬中的計算效率和求解所達到的精度，直接取決于模型構建的合理程度。有時在構建模型時，經常由于局部細節的處理不當，從而導致計算效率與精度降低，更嚴重的，會直接導致求解過程的中斷。

1.2.1 網格劃分

由于ProCAST軟件的前處理模塊不具備建模功能，可以先選擇其他建模軟件（如Pro/E等）建立模型，再以“iges”格式導入ProCAST軟件，再經MeshCAST劃分網格[4]。

1.2.2 模具材料定義

常用的熱作模具鋼H13（國標牌號為4Cr5MoSiV1），淬透性、耐磨性好[5]，韌性及彈性變形相對較小，高溫強度和硬度較高，綜合力學性能優良，可以將其視作剛性材料并作為鑄造模擬過程中的模具材料，然后再對AZ91D進行導熱性、流動性等鑄造性能進行研究分析。

1.2.3 熱邊界條件確定

在模擬過程中，我們可以假定擠壓鑄造環境在恒溫30 ℃左右，各零部件之間的接觸熱傳導系數確定為1 000 W/(m2·K)，而各零部件與周圍介質之間的接觸熱傳導系數確定為20 W/( m2·K)[6]。整個模具假設為空冷。

1.2.4 初始條件確定

根據鎂合金鑄造工藝的相關文獻，以及相關企業的變速器殼體的鑄造過程總結，可以設定600～700 ℃為AZ91D的澆注溫度，將300～700 mm/ s作為沖頭的工作速度，10～20 MPa作為工作壓力的大小，模具溫度按常規一般設為200 ℃左右。

2 協調準則的建立

在實際壓鑄時，塑形變形、縮孔等缺陷的產生與逐漸改善的過程是不斷變化的動態過程，如圖3所示。應該從力學和時間兩方面綜合考慮，才能搞清楚其中的相互關系。

圖3 各現象之間的聯系

從圖3可以發現，不管是加壓過程還是冷卻過程，以及由于加壓和冷卻時引起的凝固和變形，均會使鑄件體積產生不同程度的變化。鑄件的縮孔與縮松的產生，其內在因素是鑄件在冷卻與凝固過程中體積發生了收縮，而出現補縮現象的動力則是加壓變形。所以，如何協調好壓鑄的過程，最終就歸結為如何協調好體積的變化過程[7]。設鑄件在液體凝固及固后冷卻收縮產生的體積總變化量為ΔVs，鑄件在比壓變化時產生的體積變化量為ΔVP，兩者在壓鑄過程中的相互關系必須符合公式ΔVP=ΔVs。

2.1 壓力協調準則

在鑄造過程中，凝固和冷卻均會導致鑄件收縮，而在外力作用下，導致材料發生流動和塑性變形，可以用于補償，因此，在擠壓鑄造時，鑄件體積的協調首先體現在力學的協調方面。由“最小阻力定律”得知，假如施加的擠壓力足夠大，則會使得已凝固金屬層的塑性變形流向附近阻力較小的縮孔區、液態區及固液并存區，就會順利達到預期補縮的目的。反之，如果擠壓力不足，已凝固金屬層不能夠往縮孔區、液態區及固液并存區流動，則難以消除縮孔缺陷。所以，擠壓鑄造時，工件上所受的比壓P大于臨界比壓，是首要的協調準則。

2.2 時間協調準則

鑄件形成縮孔是需要一段時間的，液體流動進行補縮也同樣需要一段時間。如果補縮時間不足，則金屬由液態冷凝為固態及固態后降溫過程產生的收縮將得不到有效補償，即無法解決縮孔與縮松的問題。補縮時液體的流動需要外力的作用，因此作用外力的時間tp不得少于鑄件凝固收縮與降溫收縮的時間總和ts，記為：tp≥ts。

有關鑄件凝固收縮與降溫收縮的時間計算，目前還沒有比較精確的方式，只有利用計算機進行模擬，以獲得凝固收縮與降溫收縮的總時間。

3 數值模擬

3.1 因素水平表的制定

鑄件的澆注溫度、沖頭工作速度、比壓等幾個工藝參數，在澆注過程中起到關鍵作用，任一參數的變化，最后都會影響到工件的品質。由于不清楚以上幾個工藝參數對鑄件成形品質的影響如何，什么樣的參數組合對成形品質最好，因此，有必要對這三個工藝參數作為考察對象進行數值模擬的正交試驗研究[8]。具體的因素水平設置情況如表2所示，正交試驗情況如表3所示。

表2 因素水平設置數值模擬情況表

表3 正交試驗表

3.2 模擬結果分析

鑄件的充形品質根據凝固速度和縮松縮孔兩方面進行評分，找出不合格組，充型品質總得分為50的實驗組，定為不合格，其余實驗組的得分均在65以上，全部合格，且分數越高表示其鑄件的成形品質越高，其結果如表4所示。

表4 模擬結果

直觀分析法，又稱極差分析法，是正交試驗法的一種，它可以確定同一因素的不同水平對實驗指標的影響，也可以確定各因素對實驗指標的影響。有了直觀分析法，就可以幫我們找到影響指標的主要因素，并找到最佳因素水平組合，確定最佳方案。其分析如表5所示。

由表5可以發現，比壓（即因素C）對鑄件成形品質影響最大，其次是沖頭的工作速度（即因素B），對鑄件影響最小的是澆注溫度（即因素A），根據表4繪制的因素水平影響趨勢圖（如圖4所示）。

分析圖4可以發現，A2B2C3組合為最佳的工藝參數組合，分別為650 ℃時候的澆注溫度，500 mm/s的沖頭工作速度和20 MPa的比壓，可知該方案在上述的正交組合之中。

表5 各因素及水平直觀分析表

圖4 因素水平影響趨勢圖

4 結論

通過對正交試驗和因素水平表的綜合分析，A2B2C3的工藝參數組合能夠達到最佳的充形品質。可以在此研究的基礎上，對工裝設備進一步研發，如鑄造機的結構再設計，壓射機構的控制等，完成鎂合金汽車變速箱類零件的全部成形工藝研發。

[1] 商情報網.[EB/OL].http://www.askci.com/news/ chanye/2015/01/20/15288guuf.shtml.

[2] 好搜百科.鎂合金AZ91D[EB/OL].http://info.b2b168.com/s168-27961981.html.

[3] 紀小虎.鋁合金薄壁件熔模精密鑄造研究[D].安徽合肥:合肥工業大學,2013.

[4] 項春,應新法.凸式沖頭擠壓鑄造中比壓的數值模擬分析[J].特種鑄造及有色合金,2011,31(6):535-539.

[5] 聶小武. 常用熱作模具材料的選用及其發展[J]. 中國鑄造裝備與技術,2012,(2) 46-48.

[6] 黃志偉,陳明,花澤薈,等. 鎂合金擠壓鑄造凝固過程數值模擬[J].精密成形工程,2013,(2):31-35.

[7] 應新法.凸式沖頭擠壓鑄造擠壓力研究[D].浙江杭州:浙江工業大學,2010.

[8] 沈家棟,張海亮. 鋁合金活塞鑄造工藝數值模擬研究[J].機電工程,2013,(3) 322-324+328.

[9] 于百庫,白文弟.鑄件凝固過程溫度場的數值模擬[J].中國鑄造裝備與技術,2002(2).

Numerical simulation analysis of the squeeze casting and molding process of AZ91D magnesium alloy gearbox housing

GUAN TaoTao ，YANG HaoCheng，ZHU Yang
(Vocational College of Taizhou Radio and TV University, Taizhou 318000 , Zhejiang，China )

Based on the analysis of reality, this paper proposes the use of magnesium alloy material in the car to achieve automotive lightweight, energy-saving and emission reduction. By Pro/E software modeling, the ProCAST simulation software is applied in the analysis of the multiple functions of the squeeze casting process of magnesium alloy gearbox housing. Through the intuitive analysis, the best combination of process parameters is found, providing further guidance for follow-up studies.

magnesium alloy; squeeze casting; numerical simulation

TG292；

A；

1 006-9658（2016）06-0009-04

10.3969/j.issn.1 006-9 658.2016.06.003

2015年浙江省大學生科技創新項目（2015R419001）

2016-05-11

稿件編號:1605-1374

管滔滔（1995—），男，在讀,主要研究方向為鑄造材料的開發應用.