CAE 技术在厚壁铸件压铸工艺中的应用

CAE 技术是当前压铸工艺发展的主要方向，通 过CAE 技术的仿真模拟，可以实现压铸工艺方案 与参数的科学改进与优化，降低铸造成本，缩短铸 造产品设计周期，提高铸件质量。尤其对于厚壁压 铸件的压铸工艺，由于铸件壁厚超过经验值范围， 提高了铸造工艺设计难度，在此情况下， CAE 技术可以提高方案设计的确定性，提高了模具加工 效率与铸件质量，研究中以镁合金拉伸试棒与冲击 试棒厚壁压铸件压铸工艺设计为例，以Pro/E 三维 造型平台与MAGMASoft 软件为CAE 技术手段， 对工艺方案设计与参数优化进行研究，为类似厚壁 压铸件压铸工艺设计提供参考。

1 铸件结构与分型面确定

研究中的拉伸试棒与冲击试棒镁合金材料牌 号为AZ91D，主要用于测试合金材料组织与性能试 验。铸件结构尺寸如图1、图2 所示。拉伸试棒截 面为圆形，壁厚不均，直径最大、最小处分别为15 mm、8 mm。冲击试棒截面为正方形，壁厚均匀， 两种试棒平均壁厚近13 mm，属于厚壁压铸件。压 铸件设计结构为3 根拉伸试棒与1 根冲击试棒并排 排列于同一平面，浇注系统与溢流系统由试棒两端 连接。设计中采用试棒均设立内浇口的方案，为了 给内浇口提供足够截面的面积空间，将分型面设置在与最大截面平行的平面上。



2 浇注系统设计



根据铸件为四根试棒水平并列排放的特点，设 计多股内浇口与横浇道相配合，多股内浇道保证了 四根试棒获得相同的压射速度，初步设计内浇口尺 寸如图3 所示。由于铸件为厚壁铸件，为了更好改 善模具热平衡状态，降低缺陷出现风险，设计中将 试棒溢流槽设计为连通状，连通形式的溢流槽可以 避免开模时包紧力引起试棒铸件变形现象，另外为 了避免连通溢流槽出现金属液倒流情况，采用了双 极溢流槽的设计方式。


充分考虑厚壁铸件及结构特点，设计横浇道梯 形截面厚度为12 mm，底边长24 mm，截面积为264 mm2。直浇道厚度12 mm，位置与横浇道相同。具 体浇注系统结构如图4 所示。

3 压铸机选择

压铸机锁模力按照F=K(F1+F2)关系式计算，其中K 为安全系数，取1.25， F1 表示主胀型力，F2 表示分胀型力。经计算锁模力为1 566.47 kN，由 此在MAGMASoft 系统中，选取Demo_400 压铸机， 其主要参数如图5 所示。



4 数值模拟

运用Pro/E 软件在同一坐标系中对设计好的铸 件、浇注系统、冷却系统进行绘制，通过Pro/E 自 带三角离散功能得到.stl 文件，再按照特定顺序导入 MAGMAsoft 软件中，通过铸件各部分单独划分网 格的方式完成网格划分。

4.1 初始条件设置

充分考虑本铸件壁厚超过了一般经验值提供 参考范围，结合铸件结构复杂程度，对导入前的部 分初始条件设置如表1 所示。



4.2 参数选择

充型时间参考基于热物理原理开发的最佳充 型时间与最小壁厚关系图，并考虑镁合金试棒特 点，将充型时间选定为0.2~0.4 s。结合压铸机性能 考虑，增压减压时间确定范围7~20 ms。持压时间 根据压铸件平均壁厚，选择为10 s。留模时间研究 中选择45 s。各时间加上模具准备时间5 s，单个循 环为60 s。

4.3 充型方案设计

为了对比不同压射速度对铸件质量的影响，设 计了3 种不同压射速度的充型方案，具体方案参数 如表2 所示。



将三种方案对应的参数及相应边界条件导入 MAGMAsoft 软件中，利用软件结合压铸机性能与内浇口面积分别绘制PQ2 图，具体PQ2 图如图6 所示。



由图6 可知，方案1 由于压射速度过小，导致 PQ2 图中数值与坐标轴重合，故舍弃该设计方案， 而方案2、方案3 设计的压铸参数可以满足压铸机 与内浇口的匹配范围，所以选择方案2 与方案3 进 行进一步数值模拟。

4.4 充型过程数值模拟

方案2 与方案3 的充型过程数值模拟结果如图 7、图8 所示。



由图7 方案2 充型过程数值模拟图可知，在金 属液重力的影响下，横浇道部分首先被充填，而后 金属液通过内浇口进入型腔，由于拉伸试棒型腔大 于冲击试棒，所以冲击试棒型腔先于拉伸试棒被充满，而型腔中气体也按照设计预想，排入溢流槽， 充型过程最后充满的位置是二级溢流槽，有效避免 了金属液回流情况的出现。



由图8 方案3 充型过程数值模拟图可知，由于 内浇口压射速度增大，金属液首先进入压室相对的 两根拉伸试棒内，这在一定程度上妨碍了横浇道内 气体的排除，所以在浇注的过程中，出现了横浇道 中的金属液卷杂了大量气体的现象，气体最终进入 型腔并在凝固过程形成气孔。同时较快的压射速度 也使金属液快速通过型腔，不利于冷却系统传递热 量，导致充型结束后，型腔内仍具有较高的温度， 影响了热节区域的补缩。

对照图7、图8 可知，在压射速度增加的情况 下，铸件充型的部位发生了变化。方案2 镁合金液 首先填充横浇道部分型腔，而后再经内浇口，按照 先冲击试棒、后拉伸试棒的顺序填充铸件型腔，最 后充满二级溢流槽，气体也按照预想设计，排入连 通式溢流槽，效果理想。方案3 中镁合金液首先填 充位置为两个拉伸试棒型腔，由此阻碍了横浇道内 气体排出，致使横浇道内镁合金液体卷杂较多气体 进入型腔，最终凝固过程将在铸件内形成较多气 孔，造成铸件的缺陷。

4.5 缩孔缩松数值模拟

对方案2、方案3 进行的铸件缺陷模拟结果如 图9 所示。


对比图9 中两方案可知，由于方案3 内浇口压 射速度较大，使得方案3 中铸件缺陷面积比方案2 明显增大，并且方案3 中拉伸试棒的工作区域也有 缺陷出现，根据此模拟结果，最终确定方案2 为最 佳压铸方案。

5 结语

针对厚壁铸件压铸工艺设计及参数选择困难 的问题，以镁合金试棒厚壁压铸件为研究对象，在 对其结构进行分析的基础上，以Pro/E 三维造型平 台与MAGMASoft 软件为CAE 技术手段[6-7]，对厚 壁铸件压铸工艺及参数分析进行了全过程的CAE 研究，并得出如下结论：

（1）对于厚壁铸件压铸工艺设计，由于壁厚 超过经验值给定范围时，可通过PQ2 图辅助完成浇 注系统工艺参数设计以及压铸机参数选择，效果理 想。（2）根据CAE 技术仿真模拟结果显示，随着 压射速度与内浇口速度增加，铸件缺陷位置增多， 面积增大，因此对于厚壁铸件压铸参数的选择，在 经验参数适用性不高的情况下，数值模拟可以为参 数的合理选择提供可靠依据。（3）利用铸造CAE 技术对厚壁压铸件不同压铸方案进行对比分析，最 终确定方案2 所选参数为最佳工艺参数即压射速度 为1.26 m/s，内浇口速度为30 m/s，模具预热温度 为220 ℃，镁合金浇注温度为620 ℃，此工艺参 数下铸件质量最佳。

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