鋁合金風扇葉片壓鑄模具設計

許銳，李浩宇，林波

（貴州大學，貴陽 550025）

鋁合金風扇葉片壓鑄模具設計

許銳，李浩宇，林波

（貴州大學，貴陽 550025）

目的 采用鋁合金代替傳統塑料風扇葉片，適應節能減排、綠色鑄造發展的趨勢。方法 采用UG建模和 Anycasting軟件，對鋁合金風扇葉片的壓鑄模具進行設計，包括分型面設計、型芯型腔結構設計、澆注系統設計、溢流槽設計、排氣系統設計、推出機構設計、冷卻系統設計等，并對其壓鑄成形過程進行了數值模擬。結果 風扇扇葉部分最后凝固且容易產生縮松和氣孔，將溢流槽向扇葉方向移動，收集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜，加強對缺陷處的排氣，缺陷基本消失。結論 設計的壓鑄模具滿足鋁合金風扇葉片的生產要求，符合節能減排、綠色鑄造發展的趨勢。

鋁合金；風扇葉片；壓鑄

為了適應節能減排、綠色發展的趨勢，傳統的塑料風扇葉片由于強度低、耐熱性差、抗腐蝕性差、易老化等缺陷，已逐漸無法滿足市場的需求，因此，用鋁合金材料代替塑料來生產鋁合金風扇葉片，將具有重量輕、散熱性好、無磁性、易切削、可再生、耐蝕性和耐氣候性好等多方面優勢，可應用于高速列車冷卻系統、汽輪發電機等場合。傳統鋁合金風扇葉片采用鑄鋁ZL402，然而此種合金縮松傾向較大，需設置較大冒口進行補縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進行成形，力學性能較差。此外由于自動淬火效應，過飽和的α(Al)基體在較高溫度下容易分解，導致晶間腐蝕，工作溫度也不宜超過100 ℃。隨著發動機高推進比的要求，對鋁合金風扇葉片的耐熱性能提出了更高要求，因此采用 Al-Si-Cu壓鑄合金代替傳統ZL402，將有利于擴展鋁合金風扇葉片的使用范圍。壓鑄作為一種近凈成形工藝，具有生產效率高、尺寸精度高和力學性能優異等特點，特別適合于薄壁鋁合金鑄件的生產。文中采用UG建模和Anycasting軟件，對鋁合金風扇葉片的壓鑄模具進行了設計，并對其壓鑄成形過程進行了數值模擬。

1 產品結構分析

利用UG軟件測定產品材料及密度，密度為2.685 g/cm3，通過“測量體”測得鑄件的體積為V=583 377 mm3=583.4 cm3，質量為m=1.57 kg。通過UG軟件測量鑄件的壁厚，鑄件的最大壁厚是 10.76 mm，平均壁厚為3.2 mm。

圖1 鑄件平均壁厚(mm)Fig.1 Average wall thickness of castings

2 壓鑄性能分析

傳統鋁合金風扇葉片采用鑄鋁ZL402，然而此種合金縮松傾向較大，需設置較大冒口進行補縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進行成形，力學性能較差。此外由于自動淬火效應，過飽和的α(Al)基體在較高溫度下容易分解，導致晶間腐蝕，工作溫度也不宜超過100 ℃，因此本設計中采用ZL107進行代替，以擴大其在耐熱、重載領域的使用。ZL107屬于Al-Si-Cu系鋁合金，由于其鑄造性能較好，不經熱處理就具有較高力學性能，因而廣泛用作壓鑄合金。此外該合金具有較好的熱強性，可在250 ℃以下工作。ZL107合金含有質量分數為 6.0%～7.5%的 Si，3.5%～4.5%的Cu，余量為Al。

3 模具設計

3.1 分型面設計

分型面就是用來使型芯和型腔分離的面，一般是指動模與定模結合的表面，亦稱合模面。一般情況下，分型面選擇在型芯和型腔接觸的表面，也就是鑄件表面積最大的地方。本次設計中的分型面設計見圖2。

圖2 分型面設計Fig.2 Design of parting surface

3.2 成形零件結構設計

型芯和型腔在模具中需要可靠的定位，其固定方式主要有整體式結構和整體組合式結構。整體式結構相比整體組合式結構來說，具有加工量大、浪費貴重的熱作模具鋼、不易修復等缺點，同時，給熱處理和表面處理帶來很大困難，適用于批量小、產品試制、形狀簡單、不需要熱處理的單腔模具，所以采用整體組合式結構。型腔型芯結構設計分別見圖3a和3b。

圖3 成形零件結構設計Fig.3 Design of forming parts

3.3 澆注系統設計

首先由于側澆口在液態金屬充填時容易產生渦流、包裹氣體雜質，而且型腔內部交錯橫生，比較復雜并且型腔比較深，所以金屬液的流動比較混亂，金屬液之間相互匯合后容易形成冷隔、氣孔、縮孔或表面花斑等缺陷。其次，金屬液流動的路程曲折且比較長，而風扇鑄件的壁厚比較薄，導致金屬液充滿型腔不容易。最后，澆口處的溫度比較高，容易形成熱節點，導致鑄件比較容易發生翹曲變形，不能達到期望的質量要求，所以依據風扇的構造和技術條件，選擇輪輻式澆口。澆注系統設計見圖4。

圖4 澆注系統設計Fig.4 Design of pouring system

3.4 溢流槽設計

通常半圓形的溢流槽主要用于壁厚較薄的壓鑄件，較厚的壓鑄件往往采用梯形或者雙梯形溢流槽，因此，本設計中溢流槽設計在壁厚較薄的風扇葉片處，故采用半圓形結構。溢流槽設計見圖5。

圖5 溢流槽設計Fig.5 Design of spillway trough

3.5 排氣系統設計

一般情況下，溢流槽的后面需要設計排氣槽，這樣有利于氣體和其他雜質的溢出。排氣槽的設計主要有以下幾點要求：① 排氣槽最好設置在分型面上，并且要么同在動模上，要么同在定模上，制造的時候比較方便；② 當型腔內要排出的氣體比較多時，一般都是增加更多排氣槽或者將排氣槽做得更寬一點，而不是將排氣槽做得更深，因為排氣槽太深容易導致金屬液外流；③ 型芯或推桿與鑲塊之間的間隙也具有排氣的作用，但設計時可不列入排氣總面積。結合以上設計要點，本次排氣系統設計見圖6。

圖6 排氣槽設計Fig.6 Design of vents

3.6 推出機構設計

推桿推出機構在模具開模過程中的運動簡單，不容易發生干涉，運動準確可靠，因此在本次設計中，推出采用推桿推出的形式。推桿機構設計見圖7，通過強度校核，本設計中采用12根推桿作為頂出機構，可以滿足實際生產要求。

圖7 推桿機構設計Fig.7 Design of push rod mechanism

3.7 冷卻系統設計

冷卻系統是壓鑄模中用來降低模具溫度的系統，冷卻系統可以帶走模具上金屬液給予的不需要的熱量，使模具冷卻到最佳的工作溫度。冷卻方式有水冷卻、風冷卻、用傳熱系數高的合金間接冷卻、熱管冷卻等冷卻方式。在本次設計中采用的是水冷卻的方式，因為水隨處可見，所以方便取用，水的降溫效果顯著，可以進一步提高冷卻效率。冷卻系統的布置形式很多，大多受到型芯和型腔形式的影響，在本次設計中，為了加強冷卻效果，采用的是螺旋水道的冷卻形式，冷卻系統設計見圖8。

圖8 冷卻系統設計Fig.8 Design of cooling system

4 計算機模擬

4.1 充填分析

對壓鑄件進行充填模擬分析，分析結果見圖9，其中1區域是金屬液匯合的區域，容易裹入氣體、夾雜，所以在此處應該設置溢流槽；2區域扇葉容易發生卷氣，而且扇葉是金屬液最后充填的部分，容易產生氣孔、縮松等缺陷，所以應加強扇葉部分的排氣，設置溢流槽進行排渣。

圖9 充填分析Fig.9 Filling analysis

4.2 優化方案

根據以上的充型分析，在鑄件的扇葉和扇葉之間容易產生氣孔、縮松等缺陷，因此對鑄件的溢流槽位置進行優化。將溢流槽向扇葉方向移動，收集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜。對改進的方案再次進行模擬分析，分析鑄件的殘余熔體參數，鑄件容易產生缺陷的部分由每個扇葉轉移至如圖10a所示的部位。最后對該部位進行加強排氣等措施，從而減少缺陷產生的概率，優化后的結果見圖10b，可以發現風扇葉片處的鑄造缺陷基本消失。

圖10 概率缺陷分析Fig.10 Analysis of probabilistic defects

5 結語

1) 采用ZL107鋁合金代替傳統塑料和ZL402，并采用壓鑄的工藝方法代替傳統的重力鑄造及低壓鑄造，來生產風扇葉片，應用于高溫、重載工況下，擴大鋁合金風扇葉片的使用范圍。采用UG建模的方法，對風扇葉片壓鑄模具進行了設計，包括分型面設計、型芯型腔結構設計、澆注系統設計、溢流槽設計、排氣系統設計、推出機構設計、冷卻系統設計等。

2) 采用 Anycasting對壓鑄鋁合金風扇葉片成形過程進行了數值模擬，結果發現風扇扇葉部分最后凝固，且容易產生縮松和氣孔。通過對溢流槽的位置進行調整，加強對缺陷處的排氣，缺陷基本消失。

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Design of Die Casting Mold for Aluminum Alloy Fan Blade

XU Rui,LI Hao-yu,LIN Bo
(Guizhou University, Guiyang 550025, China)

The paper aims to replace traditional plastic fan blades with aluminum alloy to adapt to the trend of energy-saving, emission reduction, and green casting development. The die-casting molds of aluminum alloy fan blades were designed by UG modeling and Anycasting software, including design of parting surface, core cavity structure, pouring system,spillway trough, vents, push rod mechanism and cooling system, and numerical simulation of the die-casting process was also carried out. The blade portion of the fan was finally solidified and prone to shrinkage and pore. By adjusting the position of the spillway trough, strengthening the exhaust at the defect and collecting gas and inclusions between blades, the defect basically disappeared. The die-casting mold designed can meet the production requirement on aluminum alloy fan blade and fit in with the trend of energy-saving emission reduction, green casting development.

aluminum alloy; fan blade; die casting

2017-10-31

貴州省自然科學基金（黔科合基礎JC(2016)1026）；貴州省教育廳青年人才成長項目（黔教合KY字[2017]101）

許銳（1992—），男，碩士研究生，主要研究方向為輕金屬近凈成形。

林波（1985—），男，博士，副教授，主要研究方向為輕金屬近凈成形。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.022

TG249.2

A

1674-6457(2018)01-0167-05