基于CFD 軟件壓室金屬液流動(dòng)特性與速度控制及試驗(yàn)研究

程 鵬，徐建華，汪 洋

（寧波保稅區(qū)海天智勝金屬成型設(shè)備有限公司，浙江 寧波 315806）

0 引言

CFD 是專門用于流場(chǎng)分析的流場(chǎng)計(jì)算軟件，用于流場(chǎng)預(yù)測(cè)。利用CFD 軟件可以分析和顯示流場(chǎng)中的現(xiàn)象。能夠在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)產(chǎn)品性能并修改并便于模擬實(shí)際工況，以達(dá)到最佳的設(shè)計(jì)效果。壓鑄工藝作為成型效率高、無(wú)金屬切屑的精密金屬成形技術(shù)之一[1]，其具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品尺寸精度高、產(chǎn)品表面光潔度好、易自動(dòng)化等特點(diǎn)[2]已被廣泛應(yīng)用在汽車零部件、5G 濾波器、手機(jī)邊框、鋁合金型材等的生產(chǎn)中。當(dāng)前，隨著人們對(duì)汽車的需求量日益增加，對(duì)汽車的零部件的性能要求也越來越嚴(yán)格，因此，環(huán)保、節(jié)能、減排等綜合指標(biāo)成為了汽車制造的重要指示[3]。

壓鑄件的常見缺陷包括氣孔、疏松等。主要原因：壓鑄過程金屬液卷氣后進(jìn)入模具型腔，導(dǎo)致模具型腔填充時(shí)，出現(xiàn)氣孔和夾渣等缺陷[4]。氣孔會(huì)影響到壓鑄件的氣密性，使壓鑄件的性能下降、可熱處理性、抗腐蝕等性能也受到影響，鑄件表面粗糙度[5]。因此，在實(shí)際生產(chǎn)中，控制慢壓射速度顯得尤為重要，在目前慢壓射工藝設(shè)定中，一方面主要通過控制金屬液進(jìn)入模具型腔前避免金屬液卷氣進(jìn)入模具內(nèi)部；另一方面，盡量避免金屬液紊流進(jìn)入模具型腔中[6]。

針對(duì)慢壓射速度控制問題，本文通過CFD 仿真技術(shù)來對(duì)壓室內(nèi)金屬液的流動(dòng)特性進(jìn)行分析，并通過試驗(yàn)來驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性，給實(shí)際壓鑄件提供生產(chǎn)指導(dǎo)，提高壓鑄產(chǎn)品的質(zhì)量。

1 壓室內(nèi)金屬液動(dòng)力學(xué)建模研究

本研究針對(duì)壓室內(nèi)金屬液的流動(dòng)進(jìn)行分析，金屬液體通過活塞桿推動(dòng)，從靜止開始在啟動(dòng)到金屬液充滿壓室型腔的運(yùn)動(dòng)過程。通過分析金屬液在壓室型腔內(nèi)流動(dòng)的特性，建立金屬液流動(dòng)模型來表征其動(dòng)力特性問題。壓室型腔與活塞桿的模型與技術(shù)參數(shù)如下。

根據(jù)壓鑄機(jī)工藝參數(shù)，確定壓鑄機(jī)壓室型腔尺寸、壓室型腔長(zhǎng)度L、壓室型腔直徑D、金屬溶液的質(zhì)量m和密度ρ計(jì)算出壓鑄機(jī)壓射前的充滿度F。

基于壓室型腔的機(jī)械參數(shù)，熔融的金屬液在壓室型腔內(nèi)數(shù)學(xué)模型可以用下式[7]進(jìn)行計(jì)算。

式中：t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，x為錘頭運(yùn)動(dòng)的方向，H為金屬熔體自由表面的高度，v為液體的運(yùn)動(dòng)速度，S為金屬溶液的截面積，S1為自由表面寬度，g為重力加速度。

在初始狀態(tài)下求解的初始狀態(tài)和結(jié)束時(shí)的狀態(tài)。在初始條件下有：

金屬液體臨界運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，錘頭的速度必須等于金屬液體臨界運(yùn)動(dòng)速度，即：

即錘頭最大速度可在臨界位置取得，通過積分運(yùn)算即可得出

2 基于模流仿真優(yōu)化建模研究

通過理論分析慢壓射填充結(jié)果主要用于臨界狀態(tài)的判斷，采用Flow-3D 進(jìn)行模擬分析，通過三維軟件繪制料筒壓室模型及填充優(yōu)化設(shè)計(jì)。以下重點(diǎn)對(duì)填充速度進(jìn)行模擬及金屬鋁液的流動(dòng)特性分析。

本文采用的仿真數(shù)據(jù)見表1，采用三維軟件繪制立體模型如圖1 所示。

表1 壓室內(nèi)金屬液的機(jī)械參數(shù)

圖1 數(shù)值仿真模型

采用公式（1）～（9）理論計(jì)算結(jié)果計(jì)算其在臨界位置的臨界速度和臨界加速度，計(jì)算臨界位置為理論上壓射速度不高于該臨界速度，壓射內(nèi)卷氣量相對(duì)較少。采用軟件進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果是否相符合。同時(shí)，考慮到金屬液體與壓室內(nèi)壁之間存在一定的阻力和熱傳導(dǎo)，必然影響到壓室內(nèi)金屬液的流動(dòng)特性，因此，在實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)中，實(shí)際臨界速度應(yīng)大于理論臨界速度，本文采用臨界速度的1.1 倍進(jìn)行測(cè)試。設(shè)計(jì)的2 種慢壓射曲線仿真分析如圖2 所示。其中圖2（a）在臨界位置的速度小于臨界速度，從初速度為零勻加速到0.25 m/s，勻加速運(yùn)動(dòng)一段距離后，再加速到1 m/s，最后勻速到臨界位置；圖2（b）在臨界位置的速度大于臨界速度，從初速度為零勻加速到0.25 m/s，接著勻加速到0.8 m/s，再勻速到1.1 m/s，最后勻速到臨界位置；圖2（c）在臨界位置的速度小于臨界速度，從初速度為零，先勻加速到0.3 m/s，接著勻加速到0.5 m/s，再勻速到1 m/s，到達(dá)臨界位置；圖2（d）在臨界位置的速度小于臨界速度，從初速度為零，勻加速到1.1 m/s，在勻速到臨界位置。

圖2 速度控制曲線

如圖3 所示，圖a 展現(xiàn)了壓射曲線速度控制方案一中出現(xiàn)的錘頭速度過快引起的卷氣現(xiàn)象，在填充階段的前期，錘頭運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致金屬液表面的波動(dòng)，在金屬液到達(dá)壓室上表面時(shí)，由于金屬液形成的波速度大于錘頭速度，導(dǎo)致金屬液形成局部小范圍卷氣狀態(tài)。

如圖3 所示，圖b 展現(xiàn)了壓射曲線速度方案二的控制方案，錘頭速度過慢引起的卷氣現(xiàn)象，在填充階段的前期，波面呈現(xiàn)向前運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，在金屬液到達(dá)上頂部后，由于金屬引起的波面速度會(huì)提前到達(dá)內(nèi)澆口處，圖中紅色部分表示速度較高的流場(chǎng)，將澆口堵住，引起金屬液的卷氣現(xiàn)象，導(dǎo)致內(nèi)澆口堵住引起困氣現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是，錘頭在速度控制上，加速度相對(duì)過大，使得金屬液表面的速度較快，而錘頭速度相對(duì)較慢，導(dǎo)致金屬液進(jìn)入內(nèi)澆口前，將氣體夾渣在金屬液中，導(dǎo)致卷氣現(xiàn)象。

圖3 不同填充速度下金屬液流動(dòng)特性

如圖4 所示為壓射曲線速度控制方案三、四的控制方案錘頭速度處于臨界速度下的填充狀態(tài)。在填充階段的前期，波面呈現(xiàn)平緩運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。由于速度合適狀態(tài)下金屬液（合金金屬液成分見表2）表面形成層流狀態(tài)，金屬液并未出現(xiàn)之前兩種狀態(tài)下的卷氣和困氣現(xiàn)象，在金屬進(jìn)入內(nèi)澆口時(shí)，壓室內(nèi)的空氣全部排出，該填充速度能較好地將金屬液平緩?fù)频侥＞咧小Ｍㄟ^對(duì)比壓射速度曲線可知，在金屬到達(dá)內(nèi)澆口位置時(shí)，速度相對(duì)較平緩，在錘頭推動(dòng)過程中，金屬液的速度明顯呈低速狀態(tài)，形成層流狀態(tài)，使得金屬液表面波動(dòng)速度與錘頭運(yùn)行速度更加接近。通過控制錘頭推動(dòng)金屬液運(yùn)動(dòng)速度來控制金屬液速度，使得金屬液速度與錘頭速度兩者相對(duì)平穩(wěn)，這樣就不會(huì)引起金屬液表面速度過高，形成卷氣缺陷，理論上而言，速度控制方案三、四更加合理，后面將進(jìn)一步驗(yàn)證該速度控制的合理性。

圖4 臨界填充速度下金屬液流動(dòng)特性

3 搭建壓室填充試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該理論的正確性，搭建了試驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證。試驗(yàn)采用鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)，并采用不同的速度控制鋁合金的填充狀態(tài)，采用以上分析數(shù)據(jù)進(jìn)行填充，試驗(yàn)采用的合金金屬液的化學(xué)成分如表2 所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖5 所示，試驗(yàn)的壓室結(jié)構(gòu)與速度控制方案如圖6 所示。

圖6 填充測(cè)試驗(yàn)測(cè)模型與速度控制方案

表2 合金金屬液的化學(xué)成分W（%）

圖5 填充測(cè)試試驗(yàn)測(cè)

采用第三種仿真的速度進(jìn)行壓室內(nèi)金屬液填充測(cè)試（初速度為0，勻加速到速度為1.15 m/s 的速度曲線測(cè)試），測(cè)試后的結(jié)果如圖7 所示。

圖7 填充測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明模擬較準(zhǔn)確，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，臨界速度需要比模擬數(shù)值大，在實(shí)際壓射速度設(shè)定為理論臨界速度時(shí)，還存在局部卷氣現(xiàn)象，當(dāng)實(shí)際臨界速度設(shè)置為模擬計(jì)算得到的1.1 倍時(shí)，在實(shí)際填充壓室內(nèi)金屬液并無(wú)卷氣現(xiàn)象，進(jìn)一步驗(yàn)證了該方法的可行性。

4 結(jié)論

（1）在金屬液進(jìn)入模具之前的壓鑄工藝中，在壓鑄機(jī)填充階段的曲線設(shè)定中，壓室尺寸、錘頭尺寸、填充質(zhì)量固定條件下，填充階段存在最優(yōu)的填充曲線，即臨界速度和臨界加速度。

（2）在壓室內(nèi)錘頭推動(dòng)金屬液到達(dá)壓室上沿、錘頭速度小于臨界速度時(shí)，由于金屬液形成的波速會(huì)提前到達(dá)內(nèi)澆口處，堵住了內(nèi)澆口，使得金屬液發(fā)生局部困氣現(xiàn)象。

（3）當(dāng)錘頭速度大于臨界速度、金屬液達(dá)到壓室上沿時(shí)，由于錘頭速度過快，會(huì)導(dǎo)致金屬液前沿速度過慢，與金屬液表面形成局部卷氣現(xiàn)象，使得氣體包裹了金屬液，導(dǎo)致卷氣現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）當(dāng)錘頭速度在臨界速度范圍內(nèi)，壓室內(nèi)金屬液會(huì)形成層流狀態(tài)，避免了發(fā)生困氣和卷氣現(xiàn)象。

（5）錘頭的臨界速度與壓室直徑成正比，臨界速度與金屬液填充質(zhì)量成二次函數(shù)關(guān)系。

（6）在實(shí)際壓射工藝設(shè)定中，可以將計(jì)算出來的慢壓射速度放大1.1 倍，該方法能有效地避免壓室內(nèi)金屬液的卷氣現(xiàn)象。