汽车铝合金壳体压铸件温度场模拟与优化

原标题：南昌航空大学：汽车用铝合金壳体压铸件温度场模拟与优化

某铝合金壳体是汽车用重要构件之一, 需求量大, 合理的压铸工艺设计可以有效降低生产成本并提高成品率。针对该铝合金壳体件实际压铸生产中存在的问题, 对压铸工艺方案进行流场和温度场模拟分析与优化, 并采用优化后工艺方案进行试生产, 旨在生产高品质的压铸件, 并为该类铸件的压铸生产提供参考。

针对铝合金壳体压铸件生产存在的问题, 采用某铸造模流分析软件对该铸件压铸过程进行了数值模拟, 分析了铸件温度场并预测了铸件易出现缩孔、缩松的位置, 提出了两种强制水冷的方案来优化铸件温度场。采用数值模拟对比分析了两种优化方案的温度场, 获得了最优的压铸方案。解剖优化方案试生产的铸件, 发现其内部品质良好, 缩孔、缩松完全消除。

图文结果

针对铝合金壳体件压铸生产存在的问题, 对实际生产的铸造工艺方案进行了模拟分析与优化。通过分析铸件温度场分布和预测铸件易出现缩孔、缩松位置, 采取强制水冷的方法来加强局部冷却, 并结合铸件和模具结构提出了两种优化方案, 并通过数值模拟的手段对比分析了两种优化方案, 获得了最优的冷却方案。通过剖析最优冷却方案试生产的铸件, 其内部缩孔、缩松完全消除, 试生产表明该方案能有效优化凝固温度场。研究表明, 通过强制水冷的工艺方案, 对厚大部位在外围的铸件温度场优化有显著效果。图1为铝合金壳体铸件示意图及其浇注系统, 铸件材质为A356合金, 铸件质量约为0.632kg, 其内部有多个空腔, 模具抽芯部位较多, 较为复杂。该件的最小壁厚为2.6mm, 最大壁厚达到10.6mm, 平均壁厚约为4.0mm, 壁厚不均匀。通过分析铸件结构, 发现最大壁厚位于铸件外围A处。

图1 铝合金壳体铸件示意图及浇注系统

表1 模拟参数和边界条件

图2 初始方案的充型流场

图3 初始方案铸件的温度场模拟

图4 初始方案铸件A处剖面温度场

图5 初始方案缩孔、缩松分布

为了优化铸件的凝固温度场, 避免A处出现缩孔、缩松缺陷, 需要采取局部加快冷却速度的方法。由于A处的壁厚相较于周边壁厚大很多, 因此优化方案拟采用强制水冷的方式来加快冷却速度。分析铸件和模具结构, 在靠近部位A处设计了两种优化方案, 见图6。其冷却水管直径均为φ20mm。优化方案模拟时循环冷却水温度设置为30℃, 水和模具之间的表面传热系数设置为5 000W/ (㎡·K) 。

图6 冷却水道优化温度场设计方案

图7 方案1A处剖面温度场

图8 方案2A处剖面温度场

图9 方案1、方案2铸件缩孔、缩松预测结果

图10 初始方案和优化方案2试生产铸件A处剖析

作者

熊博文 张欣源 陈天禄南昌航空大学轻合金加工技术与科学国防学科重点实验室

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴