鋁合金支架壓鑄模具設計及工藝模擬

黎亮

摘要：壓力鑄造是近代金屬加工工藝中發展較快的一種先進的少、無切削的特種鑄造方法。該方法的生產過程是，液態金屬在高速高壓作用下射入緊鎖的模具型腔內并保壓，結晶直至凝固，使原材料變為半成品或成品。壓力鑄造過程是一個非常復雜的流動、傳熱以及傳質的過程。本文就鋁合金支架壓鑄模具設計及工藝模擬進行詳細探討。僅供大家參考。

關鍵詞：鋁合金；支架壓鑄；模具設計；工藝模擬

引言：壓鑄是近年來材料成型工藝中發展十分迅速的特種鑄造方法之一。鋁及鋁合金的使用主要分為加工材和鑄造材兩大類，本文用到的鋁合金即屬于鑄造鋁合金，鑄造鋁合金為保持流動性好、易于充型的特點，除含有一些強化元素外，還有大量的共晶元素。目前，鑄造鋁合金已被大量用于工業、農業、航天和建筑材料等各個領域，在工業發展過程中有舉足輕重的地位。

1.鋁合金壓鑄技術概述

1.1壓鑄工藝原理

壓鑄方法可分為熱室壓鑄和冷室壓鑄兩大類。熱室壓鑄中，壓射系統的壓室置于坩堝內，充型時，壓射沖頭可以直接將坩堝內的金屬液推進壓室，然后通過壓射系統的鵝頸管進入型腔。冷室壓鑄中，熔化金屬的坩堝和冷室壓鑄機相分離，冷室壓鑄生產效率較熱室低，但其應用范圍較廣，鋁、鋅、鎂、銅等有色合金均可使用冷室壓鑄方法加工。

1.2壓鑄工藝特點

壓鑄填充壓力一般為幾兆帕到幾十兆帕，最大填充速度能夠達到每秒上百米，使整個壓鑄過程中壓射時間極短，體現了壓力鑄造技術高速高壓的優勢。由于充填時有增壓過程，得到的壓鑄件組織致密，能夠保證所需要的強度和硬度。互換性方面，在同一壓鑄廠，同一型號的零件均由同一副壓鑄模具成型，所以零件的互換性好。壓鑄工藝的以上特點，使其在提高有色金屬合金鑄件的精度水平、表面質量及生產效率等方面顯示出較大優勢。

1.3鋁合金支架

副機組支架是將動力轉向泵與水泵等附件固定于汽車副機組發動機上的直接支撐，且負責油道和水道的運輸，保障發動機的正常運轉。在汽車行駛過程中，該零件一方面要保持副機組發動機與動力轉向泵等附件的固定和平穩，另一方面還需要承受汽車震動時產生的扭力作用。所以，它是汽車發動機動力系統當中的一個安全件，產品對其表面質量與內部致密性都有嚴格要求。

零件結構如圖1所示，屬于復雜薄壁鑄件，體積為8.51*1.05mm3，平均壁厚4.3mm，投影面積為1.39*104mm2，質量2.2kg，共有32處加工表面，輪廓基本尺寸約為380mm*158mm*135mm。

該副機組支架結構復雜，從各個方向來看均不對稱，前后視圖面均為曲面外形，多處有管狀開孔特征，支架下端有兩個具有特殊角度的固定腳架，每個腳架上有1個沉孔，這兩個沉孔在同一平面上，是承受扭力的主要部位。

2.模具的整體設計

壓鑄模具是壓力鑄造正常運行的重要保證，它直接決定了壓鑄件成品率的高低，其制造費用昂貴，制造完成后無法進行大幅度修改，因此壓鑄模具的設計尤為重要，一般需要綜合考慮以下幾點：

（1）模具設計應結合實際，掌握現有設備及裝備情況，設計出的模具結構應滿足現場要求，使壓鑄機的生產能力得到最大程度的發揮。

（2）采用與鑄件具體結構相匹配的澆注系統，注意內澆口布局與方向需保證合金液平穩充型，且盡量使鑄型中的空氣全部排出，進而避免氣孔缺陷的產生。

（3）壓鑄模具要有足夠的強度，足以承受鎖模力及合金液壓力的作用，并在壓鑄制造時不產生變形，保證生產安全可靠。

（4）盡量使壓鑄模具結構設計得簡單，保證動模行程平穩可靠。

（5）確保鑄型、澆注與溢流系統在試模后可以作適當修改。

（6）壓鑄模具結構設計合理，方便進行維護和拆裝。

（7）選取恰當的模具材料及合理的熱處理工序，延長模具的使用壽命。

（8）盡量選取標準模具通用零部件，縮短制造周期，使其有良好的互換性，節省維修成本。

2.1擬定模具總體設計的方案

壓鑄模具總體的設計原則是讓模具滿足鑄件成型工藝要求，同時具有高效低耗的經濟效益。壓鑄模設計主要內容在上文已提及。擬定了初步方案后，現場調研，并對設計方案加以補充和修正，使所設計的壓鑄模結構更加合理、實用和經濟。

2.1.1繪制零件圖紙

首先繪制主要零件圖，對裝配草圖中有些考慮不周的地方加以修正和補充。

在繪制零件圖時，應注意如下幾點：

（1）圖面盡量1：1的比例畫出，以便于發現問題；

（2）合理選擇各視圖的視角，注意投影、剖視等的正確表達，避免繁瑣、重復：

（3）標注尺寸、制造公差、形位精度、表面粗糙度以及熱處理等技術要求：

在主要零件的繪制過程中，需要對裝配草圖進行審查，存在遺漏的問題，在裝配草圖的基礎上加以修正和補充并注意以下幾點：

（1）對零件正式編號，并列出完整的零件明細表、技術要求和標題欄；

（3）裝配圖上應標注模型的立體尺寸，模具的定位安裝信息，模具的安裝方向也要加以標示：

（4）所選用壓鑄機的型號、壓室的內徑及噴嘴直徑；

（5）壓鑄件合金種類、壓射比壓、推出機構的推出行程、冷卻系統的進出口等：

（6）模具制造的技術要求。

2.1.2制定模擬工藝

根據實際生產條件和設計好的澆注系統，對模型進行網格劃分和參數設置，以縮孔縮松率為考察標準，澆注溫度、壓射速度、模具溫度為考察因素，對壓鑄過程進行數值模擬。分析模擬的結果，對壓鑄過程進行考察，通過合理的分析手段取得合理的工藝參數，并分析問題的形成原因。

3.壓鑄數值模擬技術的理論基礎

3.1鑄造過程模擬的主要內容

鑄件充型過程數值模擬：充型順序和金屬液的流動方式是鑄件充型過程重要的評價因素，關系到許多鑄造缺陷如卷氣、夾雜、縮孔等。傳統手段很難觀察和控制充型狀態和流動方式，計算機數值模擬技術出現后，對充型過程的可視化模擬成為現實。

3.2鑄件凝固過程的數值模擬

壓鑄凝固過程一個非常復雜的物理化學過程。大部分的鑄造缺陷即是產生于凝固過程中。因此，凝固過程的數值模擬對預測各種鑄造缺陷，改善鑄件質量，優化鑄造工藝，以及提高生產效率都具有非常重要的作用。在壓力鑄造過程中，高溫金屬液在冷卻凝固時向鑄型及其周圍環境傳遞熱量。

3.3鑄造應力場數值模擬

應力場模擬鑄件凝固和冷卻過程中，由于各部位收縮率不同，不同溫度區間出現的箱變，鑄型或者型芯受到連續的加熱和冷卻導致的膨脹收縮，都會使鑄件在成形過程受到不同的應力，通過數值模擬軟件對鑄件凝固過程中的應力場進行分析，可以幫助鑄造工藝人員提前預測鑄件可能產生的形變，殘余應力的大小和鑄件裂紋可能存在的位置，減少因應變而造成的缺陷，以較低的成本優化鑄造工藝，提高鑄件精度和性能。

3.4鑄件微觀組織數值模擬

計算機數值模擬技術可以預測鑄件微觀組織的形成，并以此進一步預測鑄件的力學性能和工藝性能，從而達到控制鑄件品質的目的。通常采用有限元法或者有限差分法來求解諸如溫度速度等宏觀量，而微觀領域內的枝晶端部，共晶薄層或球粒的動力學生長狀態則采用解析法來分析。

4.總結語

面對目前和將來的形勢，我國壓鑄業別無選擇，只有在現有基礎上努力提高技術水平，加快技術進步，培養核心競爭實力，確保壓鑄件質量，擴展壓鑄件品種，追求高效率和高效益，才能在競爭中獲得發展。