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大型铝合金薄壁件低压铸造工艺模拟
杨天云,余瑾,杨兵,姜海博
(合肥工业大学材料科学与工程学院,安微合肥230009)
摘要:采用有限元模拟仿真软件结合正交实验方法,对铝合金汽车座椅骨架低压铸造工艺进行数值模
拟,研究了低压铸造工艺参数对铸件缩松缩孔、充型及凝固规律的影响。模拟结果表明,当浇注温度为
720℃、充型加压速率为920Pa/s及模具预热温度为380℃时为最佳工艺参数,铸件缩孔孔隙率最小,且成形
质量最佳。
关键词:铝合金;低压铸造;正交试验;数值模拟
中图分类号:TG146.2-1;文献标识码:A;文章编号:1006-9658(2012)01-4
低压铸造具有经济性好,充型能力强,平稳
签爱充型顺畅3。低压铸造内
可控等诸多优点而被广泛用于汽车用铝合金铸件
浇口不只是起导入金属液
生产,尤其是在薄壁、优质铝合金铸件上近年来得
的作用,而且还担当补缩
到越来越多的应用。由于件大、壁薄,金属液完整
铸件的作用。这里采用“热
充型比较困难,单纯提高浇注温度将使金属液质量节圆法”计算内浇道的最
恶化,因此,对低压铸造工艺参数进行优化是非常
小尺寸为113m3。选择内
必要的。
浇口位置时,按照沿内浇
本研究以铝合金汽车座椅靠背为对象,重点考图1件及浇注系统口中心线将铸件划分为上
察浇注温度、充型升压速率和模具预热温度三个主下两部分,使上下体积之比接近1:1,以保证分别向
要低压工艺参数对铸件的缩松缩孔、充型及凝固的上和向下的液流能够同时填充完毕和同时凝固?。
影响。采用正交实验手段,建立三因素三水平的正
交表,以靠背铸件内缩孔孔隙值为实验指标,进行2有限元模型的建立
工艺参数的优化,从中找出最佳的工艺参数使铸件2.1网格划分
内缩松缩孔最少,改善铸件的成型质量,从而提高
运用Pro/E对零件进行三维造型,并设计出浇
产品的结构强度。
注系统。然后利用该软件中的 Mechanica模块对铸
件进行表面网格的划分,然后以.ans的格式输出。再
1零件工艺分析
将表面网格导人 Meshcast中,网格检査合格后,进
汽车座椅靠背骨架的材质为A356铝合金,模行体网格的划分。有限元模型如图2所示。
具材质为H13钢。该铸件为大型框架式壳体结构,2.2边界条件的加载
左右完全对称,厚度均匀为4mm,外形轮廓尺寸为
385mmx660mmx110m,如图1所示。
分析零件的结构特征,选用多个内浇道浇注系
统,保证合金液在型腔中流程短、降温慢、阻力小,
收稿日期
文章编号:2011-144
作者简介:杨天云(1985-),男,在读硕土研究生,研究方向:结构设
图2铸件有限元模型
计及先进液态成型工艺
中国铸造装备与技术1/2012FNMT
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边界条件的设置对模拟结果有着重要影响,为
表2正交试验方案与结果
使模拟和实际生产更加姑近,主要技术参数设置
因
充型时间缩孔百分比
为:铸件/模具换热系数=1200W/(m2k),模具模具
水平
C
(9%)
换热系数=1500W/(mk),空气与模具换热系数=
Li
20W/(m2k),空气温度为25℃。
B123
5.26.3
0.0334
5.614
0.0303
3工艺参数的优化
6.055
0.0138
3.1工艺参数的确定
12-2
2
5.4530.0258
影响低压铸造件成形质量的因素有很多。本文
.5
5.880
0.0119
重点选用浇注温度、充型加压速率、模具预热温度
L6
10.93
0.1604
个因素作为考察对象
L了
5.443
0.0136
低压铸造的浇注温度比相同条件下的重力浇
I.8
5.9270.0416
注的浇注温度低10~20℃。对于大型复杂薄壁铝合
19
6.210
0.0190
金件,铝合金的成形问题是主要矛盾,应适当提高
0.07750.07280.2354
合金的浇注温度和模具预热温度。因薄壁件的热容
K
0.198!0.08380.075
量相对较小,凝固速度可较快,比较容易得到晶粒
K
0.07420.19320.0393
细小的组织,且补缩问题也因壁薄而不突出。所以
k=K30.02580.024310.0785
本文选择浇注温度为700℃,720℃,740℃。模具预热
0.06600.02790.0250
温度选择320℃,350℃,380℃。
k=Kv
0.02470.06440.0131
付于加压规范的选择,由公式p充=Hywu/10336
14x1.3x2.4/103.6kg/cm2=4300Pa,由于我们所研究
极差04130.0401100654
的是薄壁金属型铸件,金属液流程较长,容易出现
依据表2的9组实验所给的工艺参数,建立有
冷隔,故结合经验值,取充型压力为4600Pa,加压速限元仿真模型,进行数值模拟、在后处理程序中取出
率选取767Pa/s,920Pa/s,1150Pa/s。
铸件内缩松缩孔的孔隙值并计算总和,将孔隙值总
3.,2实验方案的设计
和填入实验结果这一栏。
为寻求最佳低压铸造工艺参数,进行了三因素
K1、K2、K3为各因数水平指标求和,再将其求平
三水平正交试验叩模拟,因素和水平的选取见表1。均值填人相应栏。本次实验要求实验指标越小越好。
表1正交试验方案
从表中可以看出试验L5的孔隙值为0.0119,是九
因素
组中最小的,缩松缩孔的倾向最小,试验L6的孔隙
水平浇注温度(℃)「升压速率(Pas)模具温度(℃)
值为0.1604,是最大的方案,铸件质量最差。为进
步选择更加合理的工艺方案,对试验数据进行综合
分析。
700
1150
320
由正交试验结果可以看出随着加压速率的增
920
350
加,铸件的充型时间变短。由表2中对数据的极差计
740
767
算分析可以看出,因数的极差△F>△F。>△F。根据
汽车座椅靠背属于结构件,要求内部无欠铸、极差数的大小,可以判断因数对试验结果影响的大
冷隔、气泡、裂纹、缩松等表观及内部影响力学性能小,极差越大,说明因数对试验结果影响越大,反之
的铸造缺陷。所以本实验选取靠背铸件内缩松缩孔则越小。由此可知,模具预热温度(因数C)对铸件缩
孔隙率总和为试验指标。在确定好因素水平和实验松缩孔的影响最大,浇注温度(因数A)的影响次之,
指标之后,就可以安排实验。实验方案如表2所示。升压速率(因数B)的影响最小。
33模拟结果及分析
试验指标越小越好,由极差分析法可知,最优水
3.3.1工艺参数对缩松缩