摘要：通過運用模流分析軟件,對重力鑄件進行工藝分析，找出產品缺陷發(fā)生的部位，開展有針對性的工藝設計，然后再使用軟件進行模擬仿真，驗證工藝方案的有效性，最后鎖定工藝方案，以此來達到提高鑄鋁件模具設計的成功率。解決了以往只能靠試生產來驗證工藝方案的可行性問題，提高了模具設計成功率，縮短了開發(fā)周期。

關鍵詞：模流分析 工藝分析 模擬仿真       

引言：

鋁合金具有密度低、耐腐蝕、比強度高，熔點低、鑄造性能較好等優(yōu)勢。但是鋁合金在鑄造過程中，由于其具有化學性質較活潑、凝固收縮的特性，使得鋁合金液在流動和凝固過程，易產生氣孔、縮孔等缺陷，會降低產品的機械性能，嚴重時會造成產品報廢。以往在模具設計過程中依賴工程技術人員的經驗進行工藝分析，由于模具制作周期長，模具加工完成后再進行方案整改，過程費時、費力。因此需要使用更為科學的手段對鑄造過程進行全方位的模擬仿真，快速驗證工藝方案的有效性，提高模具設計開發(fā)效率，降低成本。

本文以一種支架零件進行舉例分析，使用材料的牌號為AC2B,具有鑄造性能好，可熱處理強化，力學性能較高的特點。采用金屬型重力鑄造工藝，其優(yōu)點是，冷卻速度快，鑄件組織致密，力學性能較砂型高15%左右；本文通過對模流分析的主要過程進行分析，軟件的物理模型進行適當的選用并根據鑄造過程的實際條件設置邊界參數，對重力鑄造過程中的鋁液流動、凝固進行了模擬分析，最終獲得了滿足鑄件質量要求的工藝方案。

1、產品分析：

1.1對支架毛坯數模進行壁厚分析，產品最大壁厚30mm，最薄8mm，本產品整體壁厚較厚，薄壁區(qū)域位于三處螺栓安裝區(qū)，壁厚差異大，因此在厚壁處易形成熱節(jié)，造成產品形成集中的縮孔缺陷。

1.2運用模流軟件對產品進行凝固分析。由圖可見，在產品在厚大的熱節(jié)部位會產生嚴重的縮孔缺陷，必須布置補縮結構消除熱節(jié)才能消除縮孔缺陷；

2、模擬分析

2.1方案設計

為解決產品凝固分析過程發(fā)現的縮孔鑄造缺陷，需要對產品缺陷部位進行充分補縮。由于中注式鋁液填充較頂注式平穩(wěn)，鑄型熱量分布較底鑄式合理，遂采用中注式設計澆注系統，讓高溫鋁液通過澆道，對產品收縮的部位進行補縮，理論上有利于消除縮孔缺陷。

2.2參數設置

使用模流分析軟件對帶澆冒口的工藝方案進行模擬分析，結合我司重力鑄造平臺的實際情況，主要的工藝參數，設置如下；

2.3傾轉充型過程模擬分析

鑄件的充型過程與澆注系統有很大的關系，合理的澆注系統設計能夠使鋁液流動平穩(wěn)，避免鋁液在填充過程中卷氣。使用工具軟件模擬澆注過程中的鋁液流動。

為了使模擬狀態(tài)與實際澆注過程相符，如圖a設置傾轉前等待時間3s，傾轉時間13s所以傾轉結束時間是16s，鋁液在重力的作用下由澆道進入產品型腔，填充過程平穩(wěn)，由下到上充滿型腔，有利于排氣和雜質的上浮圖e，圖d可以明顯看到鋁液在兩側的型腔中充滿高度不一樣，這是由于鋁液填充的形狀不一樣造成的。由于采用中注試澆注系統，鋁液在流動過程中無飛濺和紊流現象，同時也減輕了鋁液對金屬型模具的沖刷，滿足工藝設計要求。

2.4凝固分析

通過工具軟件模擬產品的凝固過程，可以直觀的看到鑄件的熱節(jié)部位和凝固過程的孤立液相區(qū)，為判定鑄造工藝方案的可行性提供依據。

對工藝方案進行凝固模擬分析輸出結果如圖所示，紅色表示未凝固的液相區(qū)域。可見產品凝固方向由四周到中間，由產品到澆口，澆口補縮效果明顯，符合順序凝固方式。產品內部無產生縮孔、縮松的缺陷風險。

2.5模擬分析結論

從模擬的結果來看，鋁液在傾轉流動過程中無明顯的卷氣現象，凝固過程也符合順序凝固方式，產品內部無熱節(jié)，無縮孔的質量風險。因此該支架的澆注系統工藝方案能夠保證鑄件的質量，模具可以按照此工藝方案進行設計、加工。

3、產品試生產

模具制作完成后，進行試生產。經熔煉、澆注、鋸切工序完成后，對試生產的產品進行X-Ray探傷檢查，X射線發(fā)射管設置電壓90KV，探傷效果如圖所示，產品內部無氣孔、縮孔缺陷。

4、結論

4.1使用模流分析軟件，選用合適的物理模型，添加與實際相符的邊界條件參數，能夠對重力傾轉澆注的鋁液流動和凝固過程進行模擬，且模擬結果與產品實際狀態(tài)相符，解決了以往只能靠多次試生產來驗證工藝方案的可行性問題，提高模具開發(fā)效率；

4.2運用模流分析軟件能夠對鑄造工藝方案進行模擬驗證，提高分析、解決問題的效率；

4.3通過對熱節(jié)部位直接搭接澆口方式，能夠對熱節(jié)部位有明顯的補縮效果，對解決縮孔類缺陷有很好的借鑒意義。

參考文獻：

[[i]] 吳數森，萬里，安萍.鋁、鎂合金熔煉與成形加工技術.機械工業(yè)出版社，2012（2）:2

[[ii]] 姜不居.主編.鑄造手冊.第6卷.機械工業(yè)出版社242-243

文章來源：HC輕合金研究中心