I 摘 要 在壓鑄模具設(shè)計(jì)中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理與否，對壓鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具的壽命等都有重要的影響，不合理的澆注系統(tǒng)會導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)各種缺陷，本文針對壓鑄模具不透明性，根據(jù)鋁合金壓鑄模具澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，對鋁合金鑄件壓鑄模的澆注系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，并得用數(shù)值模擬軟件進(jìn)么了在這種澆注系統(tǒng)下金屬液的充型情況，結(jié)果顯示充型平穩(wěn)，排氣良好，溫度分布均勻，鑄件的縮孔，氣體夾雜傾向小，并在實(shí)際生產(chǎn)中得到了驗(yàn)證，可為類似鑄件澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。 關(guān)鍵詞： 鋁合金；壓力鑄造 ； 澆注系統(tǒng)；數(shù)值模擬 II ABSTRACT The reasonable design of gating system in the cast die makes an important impact on the lifespan of the work.the improper design introduce sorts of defects,the treatise is mainly on the design and calculation process of the gating system of mould,which is based on the principle.and simulate the process of filling-up.the result shows that the filling-up flow is stable ,the temperature is average distributed,the inclination to shrinkage is less,which is verified in practical production.it is can be used as reference in similar design. Key word:aluminium alloy；pressure casting；gating system；numerical simulation III 目 錄 第一章 緒論 . 1 1.1 鋁及其合金的基本特性及應(yīng)用范 圍 .1 1.2 中國鋁鑄件生產(chǎn)情況 .2 第二章 PROCAST 軟件的特點(diǎn)和應(yīng)用流程 . 3 2.1PROCAST 軟件介紹 .3 2.2 PROCAST 模擬分析能力 .3 2.2.1 縮孔 .3 2.2.2 裂紋 .3 2.2.3 裹氣 .4 2.2.4 沖砂 .4 2.2.5 冷隔及澆不足 .4 2.2.6 壓鑄模壽合 .4 2.2.7 工藝開發(fā)和優(yōu)化 .4 2.2.8 可重復(fù)性 .4 2.3 PROCAST 模擬過程 .5 第三章 壓鑄模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 7 3.1 金屬液填充理論 .7 3.2 澆注系統(tǒng)對填充條件的影響 .8 3.3 澆注系統(tǒng)的形式和特點(diǎn) .9 3.3.1 側(cè)澆口 .9 3.3.2 環(huán)形澆口 .9 3.3.3 隙澆口 .9 3.3.4 中心澆口 .10 3.3.5 點(diǎn)澆口 .10 3.4 設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的一般程序 .10 第四章 基于 PROCAST 鋁合金壓鑄澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 . 12 4.1 概述 .12 4.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) .12 IV 4.2.1 鑄件尺寸參數(shù) .12 4.2.2 充型時(shí)間的確定 .12 4.2.3 內(nèi)澆口處充型速度 .13 4.2.4 內(nèi)澆口截面積計(jì)算 .13 4.2.5 雙邊錐形道的設(shè)計(jì)計(jì)算 .13 4.3 鑄件充型凝固過程流場、溫度場的數(shù)學(xué)模型 .14 4.3.1 概述 .14 4.3.2 計(jì)算方程的離散 .15 4.4 充型過程數(shù)值模擬及討論 . 16 4.5 結(jié)論 . 17 參考文獻(xiàn) . 18 致謝 . 19 1 第一章 緒論 1.1 鋁及其合金的基本特性及應(yīng)用范圍 鋁是地殼中分布電廣、儲量最多的一種金屬元素之一，約占地殼總質(zhì)量的8.2%,僅次于氧和硅 ,比鐵 (約 5.1%)、鎂 (約 2.1%)和鈦 (約 0.6%)的總和還多 .它的化學(xué)元素符 號為 AL,在元素周期表中第三周期主族元素 ,具有面心立方點(diǎn)陣 ,元同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 .原子序數(shù)為 13,相對原子質(zhì)量為 26.9815,具有質(zhì)量輕，強(qiáng)度好，比強(qiáng)度高，加工容易，美觀，適于各種表面處理，而蝕性能及而氣候性能良好，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能良好，對光、熱、電波的反射性能好，沒有磁性，無毒，具有吸音性及耐低溫的特性。 鋁合金是一種較年輕的金屬材料 ,在 20 世紀(jì)初才開始工業(yè)應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)期間，鋁材主要用于制造軍用飛機(jī)。戰(zhàn)后，由于軍事工業(yè)對鋁材的需求量驟減，鋁工業(yè)界便著手開發(fā)民用鋁合金，使其慶用范圍由航空工業(yè)擴(kuò)展到建筑業(yè)、容 器包裝業(yè)、交通運(yùn)輸來、電力和電子工業(yè)、機(jī)械制造業(yè)和石沒化工等國民經(jīng)濟(jì)各部門，應(yīng)用到人們的日常生活當(dāng)中，現(xiàn)在，鋁材的用量之多，范圍之廣，僅次于鋼鐵，成迷第二大金屬材料，鋁材應(yīng)用的迅速發(fā)展是世界鋁工業(yè)界不斷開發(fā)新的鋁合金材料的結(jié)果。 鋁合金鐵的發(fā)展可追溯到 1906 年進(jìn)效強(qiáng)化現(xiàn)象在柏林被 Alfred Wilm 偶然發(fā)現(xiàn)，硬鋁隨之研制成功并用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件上，在此基礎(chǔ)上隨后開發(fā)出的Al-Cu-Mg 系合金，至今仍在使用。在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍用航空材料的需要，抗拉強(qiáng)芳超過 500MPa 的 Al-Zn-Mg-Cu合金發(fā) 展起來，其中最著名的合金是 7075。第二次世界大戰(zhàn)后，一系列新合金（尤其是 7000 系），如 7050、 7010、7475、 7055 等研制成功，這些鋁合金的研制，在不斷提高強(qiáng)度的同時(shí)，更加注重改善其抗應(yīng)力腐蝕性能和斷裂韌性，以提高構(gòu)件的工作可靠性。目前，高強(qiáng)度，高韌性是鋁合金發(fā)展的主要方向，成本低，而且使用一種加工工藝可以大量生產(chǎn)同樣的零部件也做為發(fā)展方向之一。根據(jù)鋁合金的化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝特點(diǎn)，鋁合金通常分為變形鋁合金與鑄造鋁合金兩大類。工業(yè)上應(yīng)用的主要有鋁 -錳。鋁 -鎂，鋁 -鎂 -銅，鋁 -鎂 -硅 -銅等鋁合金。 鋁合金仍然保持了質(zhì)輕的特點(diǎn)，但其機(jī)械性能明顯提高。鋁合金材料的應(yīng)用有以下三個方面： 一、作為受力構(gòu)件。二、作為門、窗、管、蓋、殼等材料。 三、作為裝飾和絕熱材料，利用鋁合金陽極氧化處理后可以進(jìn)行著色的特點(diǎn)，制成各種裝飾品、 2 鋁合金板材、型材表面可以進(jìn)么防腐、軋花、涂裝、印刷等二次加工，制成各種裝飾板材、型材，作為裝飾材料。鋁合金具有密度小、導(dǎo)熱性好、易于成形、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。已廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、輕工建材等部門，是輕合金中應(yīng)用最廣、用量最多的合金，隨著電力工業(yè)的發(fā)展和冶煉技術(shù)的突破，其性價(jià)比大為提高 ，目前交通運(yùn)輸業(yè)已成為鋁合金材料的第一大用戶，隨著交通運(yùn)輸業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，鋁及鋁合金材料在航空航天和汽車三大領(lǐng)域的應(yīng)用日益增加。 1.2 中國鋁鑄件生產(chǎn)情況 中國有鋁鑄造廠數(shù)千，年產(chǎn)量超過兩百萬噸。大型企業(yè)較少，年產(chǎn)量超過萬噸的不過幾十家，而且技術(shù)水平一般都很低，產(chǎn)品品質(zhì)尚需進(jìn)一步提高。 利用鑄造鋁合金主要生產(chǎn)汽車和摩托車托車輪轂和發(fā)動等零部件，制冷壓縮機(jī)、空壓機(jī)零件、縫紉機(jī)、電機(jī)零件、電動工具、電子儀器儀表、普通機(jī)械零件，建筑五金、燈具、電風(fēng)扇以及其他用途零件等上千種。中國鋁鑄件生產(chǎn)情況（不完全統(tǒng)計(jì)）見 表 1.1。 日本鋁協(xié)及其下屬的車輪委員會，日前公布的第 12 次日本鋁制車輪（輪轂）安裝率統(tǒng)計(jì)的結(jié)果，各種機(jī)動車的鋁制輪轂安裝率比以前統(tǒng)計(jì)結(jié)果都在穩(wěn)妥步地上升。應(yīng)該說，鋁制輪轂安裝率仍在不斷地增加。我國鑄造鋁行業(yè)也會不斷地發(fā)展。 3 第二章 PROCAST 軟件的特點(diǎn)和應(yīng)用流程 2.1PROCAST 軟件介紹 PROCAST 軟件是由美國 USE 公司開發(fā)的鑄造過程的模擬軟件，采用基于有限（ FEM）的數(shù)值計(jì)算和綜合求解的方法。對鑄件充型、凝固和冷卻過程中的流場、溫度場、應(yīng)力場、電磁場進(jìn)行模擬分析。 由于采用了標(biāo) 準(zhǔn)化、通用的用戶界面，任何一種鑄造過程都可以用同一軟件包 PROCAST TM 進(jìn)行分析和優(yōu)化。它可以用來研究設(shè)計(jì)結(jié)果，例如澆注系統(tǒng)、通氣孔和溢流孔的位置、冒口的位置和大小等。實(shí)踐證明 PROCAST TM 可以準(zhǔn)確地模擬型腔的澆注過程，精確地描述凝固過程?？梢跃_地計(jì)算冷卻或加熱通道的位置以及加熱冒口的使用。 2.2 PROCAST 模擬分析能力 PROCAST 幾乎可以模擬分析任何鑄造生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的問題，為鑄造工程師提供新的途徑來研究鑄造過程，使他們有機(jī)會看到型腔內(nèi)所發(fā)生的一切，從而產(chǎn)生新的設(shè)計(jì)方案。其結(jié)果也 可以在網(wǎng)絡(luò)瀏覽器中顯示，這樣對比較復(fù)雜的鑄造過程能夠通過網(wǎng)際網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行討論和研究。 2.2.1 縮孔 縮孔是由于凝固收縮過程中液體不能有效地從澆注系統(tǒng)和冒口得到補(bǔ)縮造成的。由于冒口補(bǔ)縮不足而導(dǎo)致了很大的內(nèi)部叫縮缺陷。 PROCAST 可以確認(rèn)封閉液體的位置。使用特殊的判據(jù)，例如宏觀縮孔或 NIYAMA 判據(jù)來確定縮孔縮松是否會在這些敏感區(qū)域內(nèi)發(fā)生。同時(shí) PROCAST 可以計(jì)算與縮孔縮松有關(guān)的補(bǔ)縮長度。在砂型鑄造中，可以優(yōu)化冒口的位置、大小和絕熱保溫套的使用。在壓鑄中，PROCAST 可以詳細(xì)準(zhǔn)確計(jì)算模型中的熱節(jié)、冷卻加熱通 道的位置和大小，以及溢流口的位置。 2.2.2 裂紋 鑄造在凝固過程中容易產(chǎn)生熱裂以至在隨后的冷卻過程中產(chǎn)生裂紋。利用熱應(yīng)力分析， PROCAST TM 可以模擬凝固和隨后冷卻過程中產(chǎn)生的裂紋。在真正的生產(chǎn)之前，這些模擬結(jié)果可以用來確定和檢驗(yàn)為防止缺陷產(chǎn)生而嘗試進(jìn)行的各種設(shè)計(jì)。 4 2.2.3 裹氣 由于液體充填受阻而產(chǎn)生的氣泡和氧化夾雜物會影響鑄件的機(jī)械性能。充型過程中的紊流可能導(dǎo)致氧化夾雜物的產(chǎn)生， PROCAST能夠清楚地指示紊流的存在。這些缺陷的位置可以在計(jì)算機(jī)上顯示和跟蹤出來，由于能夠直接監(jiān)視裹氣的運(yùn)行軌跡，從 而使設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、合理安排氣孔和溢流孔變得輕而易舉。 2.2.4 沖砂 在鑄造中，有時(shí)沖砂是不可避免的。如果沖砂發(fā)生在鑄造零件的關(guān)鍵部位，那將影響鑄件的質(zhì)量。 PROCAST 可以通過對速度場和壓力場的分析確認(rèn)沖砂的產(chǎn)生。通過虛擬的料子跟蹤則能很容易確認(rèn)最終夾砂的區(qū)域。 2.2.5 冷隔及澆不足 在澆注成型過程中，一些不當(dāng)?shù)墓に噮?shù)如型腔過冷、澆速過慢、金屬液溫度過低等都會導(dǎo)致一些缺陷的產(chǎn)生。通過傳熱和流動的耦合計(jì)算，設(shè)計(jì)者可以冷確計(jì)算充型過程中的液體溫度的變化。在充型過程中，凝固了的金屬將會改變液體在充型中的流動 形式。 PROCAST 可以預(yù)測這些鑄造充型過程中發(fā)生的問題，并且可以隨后快速地制定和驗(yàn)證相應(yīng)的改進(jìn)方案。 2.2.6 壓鑄模壽合 熱循環(huán)疲勞會降低壓鑄模的使用壽命。 PROCAST 能夠預(yù)測壓鑄模中的慶力周期和最大抗壓應(yīng)力，結(jié)合與之相應(yīng)的溫度場便可冷確預(yù)測模具的關(guān)鍵部位進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)以延長壓鑄模的使用壽命。 2.2.7 工藝開發(fā)和優(yōu)化 在新產(chǎn)品市場定位之后，就應(yīng)開始進(jìn)行生產(chǎn)線的開發(fā)和優(yōu)化。 PROCAST 可以虛擬測試各種革新設(shè)計(jì)而取之最優(yōu)，因此大大減少工藝開發(fā)時(shí)間，同時(shí)把成本降得最低。 2.2.8 可重復(fù)性 即使一個工藝過 程已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行幾個月，意外情況也有可能發(fā)生。由于鑄造工藝參數(shù)繁多而又相互影響。因而無法在實(shí)際操作中長時(shí)間連續(xù)監(jiān)控所有的參數(shù)。然而任何看起來微不足道的某個參數(shù)的變化都有可能影響到整個系統(tǒng)，這使得實(shí)際車間的工作左右為難。 PROCAST 可以讓鑄造工程師快速定量地檢查每個參數(shù)的影響。從而確定為了得到可重復(fù)的、連續(xù)平穩(wěn)生產(chǎn)的參數(shù)范圍。 5 2.3 PROCAST 模擬過程 6 7 第三章 壓鑄模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 金屬液填充理論 在壓鑄過程中，金屬液的流態(tài)是極其復(fù)雜的，它與壓鑄件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和成型設(shè)計(jì)、合金液的黏度以及 壓鑄條件都有著密切的關(guān)系，而金屬液的流態(tài)對壓鑄件的質(zhì)量起著決定性的作用。 所以有必要了解填充特性，掌握金屬流動形態(tài)的規(guī)律以有助于正確地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)，獲得優(yōu)質(zhì)壓鑄件。 經(jīng)典的金屬液填充理論歸納起來有如下三種。（因篇幅原因，其具體理論分析在些不做詳述，可參見鋁壓鑄成型及質(zhì)量控制）： 1噴射填充的理論 2全壁厚填充的理論 3三階段填充的理論 長期以來，從科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究中以及從實(shí)際生產(chǎn)中各種不同類型壓鑄件所產(chǎn)生的缺陷分析和觀察壓鑄件表面的流痕中，可看出金屬液在型腔中的流態(tài)及填充過程不是單一的因素所能決定 的，往往在同一壓鑄件上，由于其他工藝參數(shù)的改變，也會影響流態(tài)的轉(zhuǎn)變，而且在同一壓鑄件上，由于各部位結(jié)構(gòu)形式的差異亦可能產(chǎn)生不同的流態(tài)。按照噴射填充的理論，顯然不能獲得優(yōu)質(zhì)的壓鑄件，按照全壁厚填充的理論，正是理想中所迫求的填充形態(tài)，而這種填充形態(tài)對大多數(shù)壓鑄件是不易實(shí)現(xiàn)的。 由于壓鑄件填充時(shí)最有害的缺點(diǎn)是金屬液的渦流和包氣，而產(chǎn)生原因則是金屬液高速射向型壁或兩股金屬相對碰撞，因此，較為理想流態(tài)的獲得應(yīng)著手于金屬液能充滿型腔的條件下，以最低的流動速度和澆注溫度，使金屬液形成與型腔基本一致的金屬液柱，從一端順序地 充滿型腔，排出氣體。這一狀態(tài)的獲得，即使在適宜的澆注系統(tǒng)中使金屬液起到較完善的整流和定向作用，若沒有其他工藝條件的配合，亦難達(dá)到填充過程中各階段間的要求。 三級壓射的壓射機(jī)構(gòu)是人們尋求改善填充狀態(tài)的一種較為有效的方法。在第一級壓射中，壓射頭以較慢的速度推進(jìn)，以有利于將壓室中的氣體擠出，直至金屬液充滿壓室為止。第二級壓射速度則是按鑄件的結(jié)構(gòu)和壁厚，選擇適當(dāng)?shù)牧魉伲栽诔錆M型腔過程中不凝固和盡可能避免填充中的包卷氣及渦流為原則，將金屬液填充滿型腔，并在型腔表面形成一層極薄的激冷表皮層。第三級壓射是在金屬液充滿型 腔的瞬間，壓射頭以高壓施加于金屬液上，使壓鑄件在靜壓力作用下凝固，以獲得表面和內(nèi)部質(zhì)量好的優(yōu)質(zhì)壓鑄件。 8 3.2 澆注系統(tǒng)對填充條件的影響 壓鑄件的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式取決于其所選用的壓鑄機(jī)。 壓鑄件澆注系統(tǒng)的位置、形狀和大小除直接影響金屬液在型腔中填充形式外，還影響到金屬液的填充時(shí)間、填充速度、排氣和壓鑄模的熱分布等，而這些因素都對壓鑄件的成型質(zhì)量有很大的影響。 從填充時(shí)間來看，澆注系統(tǒng)都應(yīng)保證在壓鑄件填充結(jié)束之前，金屬不應(yīng)產(chǎn)生凝固，以便傳遞丈夫力至最終。直澆道和橫澆道是很容易滿足這個要求的。厚的內(nèi)澆口雖然也能 滿足這個要求，但還應(yīng)考慮所造成低的填充速度與應(yīng)有的填充時(shí)間是否相適應(yīng)。最佳填充時(shí)間慶是壓鑄的金屬尚未凝固而允許最稀薄的填充時(shí)間，在許可的情況下，內(nèi)澆口截面盡可能大些是所希望的，因?yàn)檫@時(shí)金屬液具有較好的填充條件和較低的壓力跳動與沖擊。 從金屬液的填充速度來看，當(dāng)壓射速度和壓室截面積不變時(shí)，內(nèi)澆口截面積加大，填充速度將會降低，這有助于形成良好的填充形態(tài)，有利于排氣，不過，過低的內(nèi)澆口速度，則使填充時(shí)間過長，又會使金屬液凝固過早，甚至于填充不足，至于小的澆口截面積，固然能獲得較高的填充速度，但過高的內(nèi)澆口速度又會 使金屬液噴射程度加劇，甚至彌散成液滴，加快了熱量的損失和卷入更多的氣體。 填充過程的排氣，在很大程度上是由壓鑄件開頭和澆注系統(tǒng)所決定的，一般來說，低的流動速度有利于排氣，便當(dāng)型腔很深難以排氣時(shí)，讓高流動速度的金屬液先填充此處，同樣有利于排氣，若澆注系統(tǒng)能形成湍流程度較小的金屬液液時(shí)，那么卷入氣體就會減少。 從模具的熱分布來看，澆注系統(tǒng)的尺寸、形狀及位置對模具吸收熱量的速率、熱傳遞的效時(shí)以及模體內(nèi)部的溫度分布都有一定程度的影響。 綜合上述的各種因素，最終主要反映在填充時(shí)間的長短這個問題上，要做到在最短的時(shí)間內(nèi) ，壓鑄件的各個部分填充同時(shí)結(jié)束，將是十分困難的，但是尋求最為知適宜的填充時(shí)間值則是多年來人們?yōu)橹Φ哪繕?biāo)，而內(nèi)澆口截面積與填充時(shí)間的長短有著密切的關(guān)系，有時(shí)甚至還是決定因素之一，正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)需要了解金屬液流動的基本規(guī)律，而這些在用壓鑄法生產(chǎn)大批事格壓鑄件初期卻是不被人們了解的，長期以來壓鑄件的澆注系統(tǒng)都是從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或利用少數(shù)幾個簡單的公式來設(shè)計(jì)的。如今科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展，已能模擬和檢測各種形式的澆注系統(tǒng)和型腔中的金屬液流動狀態(tài)。這就為科學(xué)地設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。 9 3.3 澆注系統(tǒng)的形式和特點(diǎn) 按照壓 鑄件的形狀和結(jié)構(gòu) ,考慮到內(nèi)澆口位置和引導(dǎo)金屬液的流向不同 ,將澆注系統(tǒng)歸納為如下典型的形式。 3.3.1 側(cè)澆口 側(cè)澆口特點(diǎn)如下 : 1 對壓鑄件流入部位的適應(yīng)性強(qiáng) ,可以按壓鑄件填充條件的需要 ,在壓鑄件的各個部位流入 ,而不像其他形式的澆注系統(tǒng)那樣受到一定部位的限制。如在框形或環(huán)形壓鑄件上，內(nèi)澆口可以設(shè)置在外側(cè)，而當(dāng)其內(nèi)孔有足夠位置時(shí)，亦可以將內(nèi)澆口設(shè)置在壓鑄件的內(nèi)側(cè)，這樣不僅有利于壓鑄模的熱平衡，同時(shí)也有利縮小壓鑄模外廓尺寸。 2 內(nèi)澆口位置、寬度和厚度等在壓鑄件輪廓部位上具有較大的選擇余地。 3適用 于多腔模，不僅減少了澆注系統(tǒng)的合金消砂量，亦可提高生產(chǎn)效率。 4為了滿足個別不易填充的型腔部位的需要，可開設(shè)分支側(cè)澆口改善填充條件，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使金屬液在型腔中的漢動方向基本一致，防止金屬液在型腔內(nèi)發(fā)生正面對沖。 5去除澆口較為方便。 3.3.2 環(huán) 形 澆口 在圓筒形壓鑄件一端的整個圓周端部開設(shè)的一種環(huán)形內(nèi)澆口，采用這種形式的澆口時(shí)，往往在壓鑄件的另一端開設(shè)環(huán)形集渣包，環(huán)形澆口特點(diǎn)如下 : 1 對圓筒形壓鑄件，其金屬液的流態(tài)比較理想能避免正面沖擊型芯，排氣條件較好。 2 澆口和集渣包處可設(shè)推桿，使壓 鑄件不留桿的痕跡。 3澆注系統(tǒng)的金屬消耗量有所增加。 4澆口切除較困難。 3.3.3 隙澆口 隙澆口的流入形式基本上與側(cè)澆口一樣，便其內(nèi)澆口寬度方向與分型面垂直。這種形式的澆注系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是從型腔深處將金屬液引入型腔，對填充不易排氣的深腔部位有良好的效果，但常有可能增加模具結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。這種形式的澆口一般用于散熱器、帶有凸緣的殼形壓鑄件或用于復(fù)雜型組合而成的高度較大的壓鑄件。 10 3.3.4 中心澆口 深腔殼形和箱形而在其底部有足夠大的的通孔的壓鑄件，在其孔內(nèi)設(shè)置分流錐，并將直澆道直接置于鑄件的端面，這種形 式的澆注系統(tǒng)稱為中心澆口，中心澆口一般多用于立式冷壓室或熱壓室鑄機(jī)上。中心澆口的特點(diǎn)如下： 1金屬液從深腔中心部位流入并推向分型面，有利于排氣。 2金屬液由壓鑄件中心流入，到型腔各部位的流程最短和流動距離較為接近，有利于模具的熱平衡。 3金屬液流程短、轉(zhuǎn)折少，在填充過程中動能損失少，有利于最終壓力的傳遞，因此，對壓鑄件成型及結(jié)晶致密度的提高均有良好的作用。 4提高了壓鑄模的有效面積利用率，改善了壓鑄機(jī)的受力情況。 5一般常用于單型腔的壓鑄模。 3.3.5 點(diǎn)澆口 點(diǎn)澆口是中心澆口的另一種特 殊形式，點(diǎn)澆口的特點(diǎn)如下： 1金屬液導(dǎo)入型腔猛烈沖擊處，容易產(chǎn)生飛濺和粘?，F(xiàn)象，影響壓鑄件表面質(zhì)量，故被沖擊處需設(shè)計(jì)成鑲塊結(jié)構(gòu)。 2金屬液由壓鑄件頂部填充型腔，流程短且均勻，故壓鑄件內(nèi)部結(jié)晶致密。 3生產(chǎn)率高，去除澆口容易，但模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需經(jīng)二次分型。 4必須嚴(yán)格地確定澆注系統(tǒng)的尺寸和嚴(yán)格控制壓鑄工藝參數(shù)。 3.4 設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的一般程序 澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)壓鑄工藝性很強(qiáng)的工作，設(shè)計(jì)時(shí)，既需要理論的分析，又需要實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)。正常的壓鑄生產(chǎn)，首先取決于澆注系統(tǒng)的正確設(shè)計(jì)和計(jì)算。當(dāng)生產(chǎn)一些形狀簡 單的小壓鑄件時(shí)，不需要過多地考慮澆注系統(tǒng)的位置、形狀和尺寸，也可以得到滿意的結(jié)果，但是，在生產(chǎn)質(zhì)量大、壁厚相差懸殊、形狀復(fù)雜、對結(jié)晶晶粒組織、表面質(zhì)量和工藝質(zhì)量要求嚴(yán)格的壓鑄件時(shí)，澆注系統(tǒng)的位置和構(gòu)成就需要精心設(shè)計(jì)了，在任何情況下，由于澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)不恰當(dāng)所造成的影響，想通過改善其他壓鑄參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償都將是十分困難的，有時(shí)甚至是不可能的，所以澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)關(guān)鍵的而又復(fù)雜的工作。 分析壓鑄件特點(diǎn)的工作，應(yīng)在具全設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)工作之前完成，它包括以下主要內(nèi)容。 1分析壓鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和壓鑄 藝性。 11 2根據(jù)壓鑄件的外形尺寸和復(fù)雜程度，合金種類、壓鑄件質(zhì)量和投影面積，所確定采用的壓鑄機(jī)的類別和型號，為確定澆注系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。 3了解壓鑄件的使用場合、內(nèi)部和表面質(zhì)量要注，尺寸精度、承受負(fù)荷狀況以及耐壓要求等。 4區(qū)別壓鑄悠揚(yáng)上有特殊要求的尺寸，基準(zhǔn)面和機(jī)械加工要求。 完成了對壓鑄件特點(diǎn)的分析后，主要的工作就是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)。設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的一般程序是： 選擇內(nèi)澆口位置。 考慮引導(dǎo)金屬液的流向 劃內(nèi)內(nèi)澆口的股數(shù) 直澆道設(shè)計(jì) 橫澆道設(shè)計(jì) 內(nèi)澆口設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)過程中，這樣的程序僅僅是考慮的步驟，除了內(nèi)澆 口的位置往往應(yīng)首先考慮外，蓁的先后次序并不是十分嚴(yán)格，實(shí)際上這幾方面是互相制約、互相影響的，在考慮后一個步驟時(shí)，可能要對前一個已作初步選定的步驟進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改變，所以，必須根據(jù)具體情況全面地加以考慮，從而設(shè)計(jì)出位置適宜，導(dǎo)流方式良好，能提供穩(wěn)定的金屬流，流動阻動小，包卷氣體少，有適宜的凝固時(shí)間和有利于壓力傳遞以及對模具熱平衡提供良好條件的澆注系統(tǒng)。 12 第四章 基于 PROCAST 鋁合金壓鑄澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 4.1 概述 在壓鑄模具設(shè)計(jì)中，澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理與否，對壓鑄件質(zhì)量、生產(chǎn)效率、模具壽命等都有重要的影 響，不合理的澆注系統(tǒng)會導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)如氣孔、縮孔、縮松、冷隔等缺陷。在生產(chǎn)過程中澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)常用的方法是試錯法，但是這種方法成本高、周期長、數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)，使得澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成本降低、周期縮短，同時(shí)也對提高鑄件質(zhì)量等方面有著重要意義。壓鑄充型凝固過程的數(shù)值模擬，可以幫助人們在壓鑄工藝設(shè)計(jì)階段對鑄件可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時(shí)間予以有效的預(yù)測，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，以確保鑄件的質(zhì)量，縮短試制周期和降低生產(chǎn)成本。 4.2 澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本實(shí)驗(yàn)選擇的壓鑄件為一套筒類信號接收件 ,由于零件的形狀 特點(diǎn) ,實(shí)際壓鑄成型時(shí)容易出現(xiàn)氣孔、縮孔、縮松、冷隔、澆不足等缺陷，根據(jù)其尺寸和形狀的特點(diǎn)，需采用在三個方向抽芯、故采用一模一腔式，在 J1125 型壓鑄機(jī)上壓鑄，擬采用雙邊切向錐形澆道澆注。 4.2.1 鑄件尺寸參數(shù) 此信號接收件的平均壁厚 2.2mm,鑄件材料采用 YL104,鑄件重約 190g,最大尺寸為 200mm*70mm*70mm,如圖 1 所示。 4.2.2 充型時(shí)間的確定 充型時(shí)間是設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的一個關(guān)鍵因素，利用經(jīng)驗(yàn)公式： 13 bTT TTTrmym 640346.0式中， Tm 為內(nèi)澆道溫度， Ty 為 液相線溫度， Tm 為填充前的模具表面的溫度，b 為平均壁厚。 Tm 取 670 ,Ty 為 616 ,在填充前模具表面溫度 Tm 為 220 ,平均壁厚為 2.1mm,計(jì)算出充型時(shí)間為 0.02S。 4.2.3 內(nèi)澆口處充型速度 內(nèi)澆口的速度往往會影響鑄件的充型質(zhì)量，根據(jù)壓鑄件的特點(diǎn)和平均壁厚，得用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并查壓鑄模設(shè)計(jì)手冊，得內(nèi)澆口速度為 40m/s。 4.2.4 內(nèi)澆口截面積計(jì)算 鑄件的質(zhì)量約為 190g，利用流量計(jì)算法計(jì)算內(nèi)澆口的截面積為： tVGASS 式中 As 為內(nèi)澆口的截面積； G 為鑄件及溢流槽的 質(zhì)量； 為鑄件的密度， Vs為充型速度； t為充型時(shí)間，計(jì)算得到 As為 92mm2。 4.2.5 雙邊錐形道的設(shè)計(jì)計(jì)算 雙邊錐形澆道由兩個錐形澆道、緩沖包和三角區(qū)域構(gòu)成：切向澆口截面積（單側(cè)） At=0.6As,緩沖包口處截面積 Au=0.05As,寬度 W= Au ，主流道截面積Ar=1.4As。寬度 Wt=1.247 At ，經(jīng)計(jì)算得到 At=5.2mm2， Au=2.76mm2， Wu=1.66mm，Ar=128.8mm2， Wr=9.26mm。對 于直澆道設(shè)計(jì)一般由壓鑄機(jī)上的壓室和壓鑄模上的澆口套尺寸來計(jì)算，根據(jù)所需壓射比壓和壓室充滿度造定壓室和澆口套的內(nèi)徑，從而確定直澆道的尺寸。其澆注系統(tǒng)見圖 2所示。 14 4.3 鑄件充型凝固過程流場、溫度場的數(shù)學(xué)模型 4.3.1 概述 壓鑄充型過程與液態(tài)金屬的流動、傳熱及傳質(zhì)過程密切相關(guān)，是一個伴隨著熱量散失，以及凝固的非恒溫的流動過程。對具有自由表面的非穩(wěn)定流動計(jì)算，關(guān)鍵在于確定自由表面的位置及移動，同時(shí)需要處理自由表面的邊界問題等，據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)建立的數(shù)學(xué)模型如下： 凝固過程流場、溫度場的數(shù)學(xué)模型 1動量守恒 N-S 方程 2 sgtuzuyuxutu 2 ygyzyxt 2 gzzzyxt 2質(zhì)量守恒 -連續(xù)性方程 0 zuyuxuD 式中， D 為散度， 、 、 為速度矢量在坐標(biāo)系中的 X、 Y、 Z方向上的分量， P 為壓力， 為運(yùn)動粘度； g為重力加速度， 為拉普拉斯算子， 為金屬流體密度。 3能量守恒方程 15 VV CQzTyTxTCzTyTtTtT 222222 式中， T 為溫度； 為流體導(dǎo)熱率； Cp 為流體定壓比熱容； Q 為內(nèi)熱源。 4體積函數(shù)數(shù)方程 0 zFyFxFtF 0)( iixt 式中， F流體體積分?jǐn)?shù)； 為速度 。 4.3.2 計(jì)算方程的離散 數(shù)值求解上述議程前要對偏微分方程組在空間和時(shí)間上進(jìn)行離散，原則為 1為了滿足連續(xù)性方程，壓力必須進(jìn)行迭代修正，由此引起的速度改變值需要加到上一步計(jì)算的速度場上，反復(fù)迭代直至滿足精度要求。 2對動量方程進(jìn)行顯式差分，以初始條件或者上一時(shí)刻的數(shù)值作為基礎(chǔ)，試算出下一時(shí)刻的猜測速度值； 3由體積函數(shù)方程確定新的流 體表面的流動前沿。 4計(jì)算流體傳熱時(shí)，同時(shí)考慮邊界換熱、結(jié)晶潛熱。要重復(fù)上面的計(jì)算，直至壓鑄件充型凝固結(jié)束，對每次的迭代都必須保證滿足速度、壓力，以及數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性條件。同時(shí)在速度、壓力的迭代中每一個時(shí)間步長后對于流量的計(jì)算要進(jìn)行修正，這就保證了流量、充型形態(tài)，以及充型時(shí)間的準(zhǔn)確。 5邊界傳熱方程 mm TTTgthfTK )()( 式中， h 為對流交換系數(shù)； Tm為邊界溫度； g（ T）函數(shù)。 16 4.4 充型過程數(shù)值模擬及討論 采用的模型由 PRO/E 造型，并生成格式為 ans 的面網(wǎng)格，利用 ans.sm 程序轉(zhuǎn)化為面網(wǎng)格，再利用 PROCAST 自帶網(wǎng)格劃分模塊進(jìn)行 .mesh 網(wǎng)格的劃分。采用PROCAST 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。澆注溫度為 670，模具工作溫度為 220，鑄件與模具表面的傳熱系數(shù)為 1500W/（ m2 K），壓射比壓為 80MPa，壓室直徑為 60mm。 17 充型云圖以不同的顏色表示金屬液流動的不同速度，由圖 3可以看出，金屬液在內(nèi)澆道處以 42m/s 的速度充填，在充型到 30%時(shí)有輕微的紊流現(xiàn)象，金屬液以近似噴射的形式向型腔充填。在充型達(dá)到 80%時(shí)，金屬液速度較平穩(wěn)，氣體被金屬推到型腔上端 A 區(qū)域，如圖 4所示，在 A處附近布置了溢流槽和排氣槽，氣