一、緒論

在高壓鑄造中模具常會以一模多腔的方式來生產(chǎn)鑄件，可以讓整體的產(chǎn)能提高，所以流道的設(shè)計一直是壓鑄的關(guān)鍵因素，需根據(jù)模腔的體積來調(diào)整每個分流道的截面面積，確保每個模腔能夠同時填充并且具有相同的填充時間，用戶可通過計算機輔助仿真進行模具設(shè)計的評估，讓設(shè)計者能夠依據(jù)分析結(jié)果進行修改設(shè)計來提高鑄件的質(zhì)量。在這項研究中這個模擬分析包含了六個模腔，每個模腔的鑄件都不相同(如圖1所示)，并搭配計算流體動力學(xué)（CFD）的方法研究流道系統(tǒng)的設(shè)計。

圖1 模具與鑄件

二、 原始設(shè)計

在這項研究中充填過程仿真是使用軟件FLOW-3D CAST ，并將模具的實體模型（圖1）轉(zhuǎn)為STL，然后導(dǎo)入到FLOW-3D CAST中。為了準確模擬充填過程，整個模具和壓室都包括在模擬中，沖頭的速度為低速0.77m / s和高速1.55m / s，鑄件材質(zhì)是A380。

圖2顯示鑄件的CAD設(shè)計和FLOW-3D模型中的模具剖面圖，從這些圖中可以看出有6個模腔，每個模腔都具有不同形狀和體積，并搭配不同截面積的分流道來連接主流道。

圖2 鑄件CAD設(shè)計與FLOW-3D CAST中的模具剖面圖

圖3顯示原始設(shè)計四個不同時間點(0.011s(圖3a)、0.013s(圖3b)、0.015s(圖3c)、0.017s(圖3d))的充填狀況，流體顏色以壓力來進行表示，可觀察充型過程中流道的壓力變化。在第一時間點（圖3a），熔體開始充填主流道。

圖3 原始設(shè)計的充填過程

在第二時間點（圖3b）主流道充填之后，熔體開始充填分流道。由圖中可看出充填過程是相當不均勻。靠近主流道端部的兩個大分流道是以最快的速率進行充填，而位于最遠的兩個分流道是以最慢的速率充填。

在第三個時間點（圖3c）熔體前端開始進入鑄件模腔，這個時間點可看出這樣的設(shè)計對于每個模腔的充填狀況有很大的不同，當部分熔體開始填充中間的兩個模腔（V3和V4）時，部分的熔體距離V1和V6的入口還很遠，由這樣的結(jié)果可看出V1和V6的流道是最后填充的。

第四個時間點（圖3d）顯示熔體充填模腔的過程，可由結(jié)果看出每個分流道的壓力都不同，模腔V3和V4的分流道壓力值較高，V1和V6 分流道壓力值較低。

這些結(jié)果顯示出要生產(chǎn)高質(zhì)量的高壓鑄造零件模腔需要同時填充，每個分流道和模腔中的填充模式也應(yīng)相似，并且避免主流道中有回流的情況。為了解決原始設(shè)計中的這些問題，繪制了一個改進的流道設(shè)計，并將模擬的結(jié)果與原來的進行比較。

三、流道修改設(shè)計

本研究提出一種修改的主流道設(shè)計(如圖4所示)。主流道為階梯狀，每個分流道與主流道以小角度連接，其橫截面積從流道的入口減小到流道的端部，如圖4中的放大圖。橫截面面積是根據(jù)鑄件模腔的體積與總模腔體積的比值而減小，入口處的橫截面被選擇為與原始設(shè)計相同(A1)，接著是面積減小到A2的第二組分流道，A2 / A1 =（V2 + V3 + V4 + V5）/ V，其中V = V1 + V2 + V3 + V4 + V5 + V6。接下來的兩個分流道截面積進一步減少到A3，A3 / A1 =（V3 + V4）/ V。除了橫截面積的減小，主流道的端部也有改變，最右邊的兩個分流道直接地連接到主流道端部而不是側(cè)面，因此主流道的端部就可移除。

圖4 修改流道設(shè)計圖

分析結(jié)果如圖5a(0.01s)、5b(0.013s)、5c(0.014s)、5d(0.017s)，在第一個時間點（圖5a）熔體充填主流道時，同時也流向各分流道，在第二個時間點（圖5b）分流道以相似的速度充填并有相似的壓力分布，在第三個時間點（圖5c）熔體幾乎在相同的時間點開始進入六個模腔，在第四個時間點（圖5d）熔體以相似的速率填充并具有相似的壓力分布。

圖5  修改設(shè)計的充填過程

對于原始設(shè)計，第一個充填完成的模腔（V3）和最后一個充填完成的模腔（V1）之間的充填時間的差為0.004秒，而修改設(shè)計的差值在0.001秒內(nèi)，因此修改設(shè)計有明顯的減小不同鑄件的充填時間差異，這將有助于提升高壓鑄件的質(zhì)量。

四、結(jié)論

在這項研究中利用計算流體動力學(xué)（CFD）方法來研究流道設(shè)計，通過具有六個模腔的高壓鑄造模具，來觀看充填的影響性，比較兩種流道設(shè)計，一種具有固定的橫截面主流道，另一個具有階梯狀的主流道，截面積與模腔的體積成比例。仿真結(jié)果顯示，分流道與主流道的連接會影響每個模腔的充填，階梯狀的主流道設(shè)計可改善充填，因為充填時間和壓力分布都在具有不同體積的模腔間有很好地平衡，達到提升鑄件質(zhì)量的設(shè)計。