外壳体压铸充型凝固过程数值模拟及工艺技术

根据外壳体铸件的结构特点设计铝合金外壳压铸模具，通过 Pro CAST 模拟软件对外壳体铸件进行充型凝固过程数值模拟，根据模拟的流场、温度场和缩孔缩松的分布，确定合理的工艺参数，经过生产验证，铸件质量合格，同时验证了模拟结果的准确 性 。

压铸是压力铸造的简称，其实质是在高速 、 高 压作用下，使液态或半固态金属以较高的速度充 填铸件型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件 的方法 。 铝合金具有良好的压铸性 、 导电性和导热性，高温力学性能也较好 ; 在低温下工作时， 同样保持良好的力学性能( 尤其是韧性) ，且熔铸 工艺简单，成型及切削加工性能良好，有较高的力 学性能及耐蚀性 。 目前，压铸过程数值模拟已经 有了很大的发展，如杨杰等 对压铸充型的二维 流场的数值模拟进行了研究; 陈彬等 采用有限 元法对压铸模的温度场进行了数值模拟; 曾扬兵等 对压铸过程的三维流场 、 温度场和力学场进 行了数值模拟 。 本文通过 Pro CAST 模拟软件对 外壳体的充型和凝固过程进行数值模拟，通过正 交实验，以不同的浇注温度 、 压射速度 、 模具预热 温度三个因素作为变量，得出不同的模拟结果，并 进行结果分析，优化出最好的方案用于生产 。

1 外壳体网格划分及模具设计

UG NX8. 0 是一款三维造型软件，其中仿真 模块非常强大。将三维模型导入到仿真模块进行面网格剖分，网格剖分要适中，网格太小会导致计 算过大而不收敛，而网格过大将不能准确的显示 模拟结果 ; 将得到的面网格文件导入到 Pro- CAST 中的 M eshing 模块进行体网格剖分 。 将 UGNX8． 0 软件和 Pro CAST 软件剖分网格功能相 结合，避免了单个软件间的数据修复不全，网格剖 分质量较差等缺点，提高工作效率 。 图 1 为外壳 体的三维造型图，图 2 为外壳体有限元网格剖分模型。

外壳体零件外形尺寸为 160mm × 90mm × 76mm ，镶块尺寸为 348mm × 210mm × 186mm ; 外 壳体平均壁厚约为 3. 5mm ，属于复杂的薄壁型铸 件 ; 外壳体的前部存在圆孔和凹槽，需侧抽芯来 实现完成 。 考虑铸件的结构 、 生产成本等因素，设计 了外壳体的压铸模具 。 图 3 为外壳体模具的装配图 。

2 外壳体压铸过程的数值模拟

2. 1 边界条件的确定

外壳体铸件材质为 Al Si 9 Cu 3 铝合金，合金的 液相线温度为 585. 3℃、 固相线温度为 504. 0℃、 密度为 2. 74g·cm 3 。 模具材质为 H13 钢 。 假设铸 件与模具之间没有间隙，金属液与模具之间只有 热传导一种方式，模具外表面与空气之间只有对 流 换 热 。 铸 件 与 模 具 的 换 热 系 数 为 1500W / ( m 2 ·K ) ，模具与空气的换热系数为 10W/( m 2 ·K ) ，模具与模具之间的换热系数为 2000W / ( m 2 ·K ) 。 模拟终止温度: 300℃ ; 模拟终止步长: 5000 步 。

注: 1． 动模座板; 2． 螺钉; 3． 销钉; 4． 垫块; 5． 复位杆; 6． 推板导 柱; 7． 推板导套; 8． 动模镶块; 9． 浇道推杆; 10． 限位钉; 11． 螺钉; 12． 推板; 13． 推板固定板; 14． 销钉; 15． 螺钉; 16． 吊环螺钉; 17． 动 模套版; 18． 限位块; 19． 螺钉; 20． 螺母; 21． 弹簧; 22． 螺栓; 23． 滑 块; 24． 楔紧块; 25． 螺钉; 26． 定模座板; 27． 定模套版; 28． 斜销; 29． 斜销固定板; 30． 活动镶块; 31． 推杆; 32． 定模镶块; 33． 浇口套; 34． 限位导柱; 35． 定模导套; 36． 定模导柱; 37． 支承板 。

2. 2 正交试验设计

正交试验是研究多因素多水平的一种设计方 法 。 它是根据正交性从全面试验中挑选出部分具 有代表性的点进行试验，这些代表性的点具备了 均匀分散 、 整齐可比的特点 。 本试验选用多种因 素多种水平进行耦合 。 比较浇注温度 、 压射速度 和模具预热温度对铸件质量影响，采用三因素三 水平的方式进行对比 。 正交因素及水平如表 1 所 示 。

本文对铸件质量指标的评估，采用百分值的 形式，分数越高，说明铸件内的缺陷越少，压铸件 的质量越好 。 反之分数越低，说明铸件内的缺陷 越严重 。 对 9 组试验结果进行极差值分析: 模具 预热温度是影响铸件产生缺陷最主要的因素，其 次是压射速度，影响最小的是合金的浇注温度 。 模具预热温度为 200℃ 时铸件的质量指标最高，这 说明模具预热温度为 200℃ 时，铸件内缺陷最少; 考虑此时铸件的凝固时间，只有缩短凝固时间，生 产效率才能提高，企业利益才能得到最大化 。 由 表 1 可知模具预热温度为 200℃ 时凝固时间较长， 但仍然在合理的范围内，所以模具预热温度定为 200℃ 。 然后考虑压射速度，压射速度分别取值为 3m / s、4m / s、5m / s ，三组数值在影响铸件的缺陷中 差别较大，压射速度为 5m /s 时，铸件的质量指标 最高，说明铸件内缺陷最少 。 最后考虑合金的浇 注温度，综合铸件内的缺陷和凝固时间与生产成 本等因素，最后选择合金的浇注温度为 620℃。

2. 3 充型过程模拟

通过正交试验得到优化的工艺参数，对此方 案进行充型和凝固过程模拟，图 4 为外壳体流场 的模拟结果。

图 4a、4b 是金属液体在浇道内的流动状况， 金属液体在压力作用下进入直浇道，并在直浇道 、 横浇道 、 内浇道堆积，当金属液体充满浇道后开始 进入型腔 ; 随着充型过程的进行，金属液体进入 型腔并向铸件壁厚最薄避处流射，如图 4c 所示; 充型进行到 60% 后，金属液在铸件两侧薄壁圆筒 内交汇，交汇部位的金属液可能出现紊流情况，容 易卷入气体，形成气孔等缺陷，如图 4d 所示; 到充 型末期，金属液体流射入铸件的最末端，如图 4e 所示; 金属液充满型腔，铸件形状完整，轮廓清晰， 没有出现欠铸和浇不足现象，如图 4f 所示 。 铸件 充型完成的时间为 0. 0275s ，充型时间适中 。

2. 4 凝固过程模拟

为观察外壳体铸件凝固过程中温度的变化和 缩孔缩松的分布情况，对铸件进行凝固过程模拟， 图 5 为外壳体铸件凝固过程的模拟结果 。

图 5a 为凝固 5 秒时铸件的固相分数，图 5b 为凝固 5 秒时的温度场，由图可以看到，铸件浇道 的温度最高，而溢流槽最先凝固，这种情况浇道对 铸件起到很好的补缩作用，减少铸件内部缺陷的 产生，实现了顺序凝固 。 图 5c 为缩孔缩松分布图，可以观察到铸件的缺陷大部分出现在液态金 属交汇的位置和溢流槽内，溢流槽中的缺陷对铸 件没有影响，其余部分的缺陷也在合理范围之内 。 铸件凝固时间为 75. 58s ，较为合理 。 模拟结果体 现了铸件良好的补缩能力，铸件缺陷存在的数量 较少，铸件内总的缩孔疏松比为 2. 142 ，在压铸缺 陷允许的范围内，对外壳体铸件的质量没有实质影响 。

通过外壳体铸件的数值模拟和正交试验结果 分析，当合金的浇注温度为 620℃ ，压射速度 5m / s ，模具预热温度为 200℃ 时，模拟的结果较理想 。 铸件的充型时间为 0. 0275s ，凝固时间为 75. 58s ， 铸件内总的缩孔疏松比为 2. 142 ，凝固时间合适， 提高了生产效率 。

3 压铸实验

3. 1 铝合金的熔炼

铝合金的熔炼是压铸过程的重要环节 。 金属从固态变为熔融状态，是一个复杂的物理 、 化学反 应及热交换过程 。 熔炼过程中合金可能产生金属 和非金属的夹杂物 、 吸收气体以及合金中的组分 与杂质含量有所变化，因而在不同程度上影响到 合金的力学性能 。

熔炼的第一步为装料: 装料顺序因炉料不同 而变化，首先装入金属锭，然后再加入调整化学成 分所需加入的金属锭或中间合金 。 对于一些易于 损耗 、 熔点低的炉料( 如 Mg、Zn、Sn ) ，应该在熔化 末期加入 。 装料之后熔化合金，熔融的合金在熔 炉中停留时间应尽量缩短，熔化过程中的最高温 度一般不宜超过 760℃。

3. 2 压铸实验

根据压铸机的最大锁模力计算，选用压铸机 型号为 J1130C 的卧式冷室压铸机对外壳体进行 压铸试验验证 。 由于外壳体对强度和气密性有一 定要求，所以调试压射比压 100MPa 进行实验 。 进行压铸实验前需要对模具进行预热，并通过温 度检测系统观察温度，把温度控制在 200℃ 左右 。 通过保温炉和温度控制箱把浇注的金属液体温度 控制在 620℃ 左右，调好工艺参数后进行试验 。 需 要注意的是: 合金精炼后至浇铸完毕的时间不宜 超过 4h ; 坩埚底剩余 50 ～ 100mm 的合金液因杂质 较多不适宜浇注铸件 。 图 6 为压铸出的合格压铸 件 。 从图 6 中可以看出，外壳体表面较光滑，没有 出现明显的表面缺陷 。

对外壳体铸件不同部位进行取样，观察其金 相组织，如图 7 所示( 其中缩孔缩松已圈出) 。

图 7a 为外壳体压铸件两侧圆筒薄壁的金相 组织图，该处是金属液流交汇的位置，气体集中于 此，容易产生缩孔缩松等缺陷，缺陷尺寸都是微米 级，在该铸件允许的范围内; 图 7b 为铸件内最先 凝固部位的金相组织视图，由于受压铸模具温度的影响，激冷效果较为明显，晶粒较为均匀，没有 出现缩孔缩松等缺陷 。 总体上说该铸件在凝固过 程中补缩效果良好，没有出现宏观尺寸较大的缺 陷，与模拟结果相似，证明了模拟结果的准确性， 可以用于生产实践 。

4 结论

( 1 ) 用 Pro CAST 模拟软件进行充型和凝固过 程数值模拟，优化出最佳的工艺参数: Al Si 9 Cu 3 合 金的浇注温度 620℃ ，压射速度 5m /s ，模具预热温 度 200℃。

( 2 ) 将模拟工艺参数实验验证，得到了合格的 压铸件，证明模拟结果可行 。