鑄造數(shù)值模擬，可以幫助工程技術(shù)人員在鑄造工藝設(shè)計(jì)階段對可能出現(xiàn)的各種缺陷及其大小、部位和發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行有效的預(yù)測，從而優(yōu)化鑄造工藝設(shè)計(jì)，確保鑄件的品質(zhì)，縮短試制周期，降低生產(chǎn)成本。傳統(tǒng)上，鑄造技術(shù)人員通過多次試制和修改模具以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，既浪費(fèi)時(shí)間，又增加成本。如果在未制造模具之前，能有效預(yù)測鑄造缺陷，并采取相應(yīng)的解決方案，可以縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。通過采取多次模擬和優(yōu)化，可以驗(yàn)證模具方案的有效性。接下來以壓鑄工藝為例，探討如何應(yīng)用模擬分析解決鑄造品質(zhì)問題。
1 壓鑄模擬策略分析
技術(shù)人員壓鑄模擬策略分析見圖1，可根據(jù)缺陷預(yù)測選擇計(jì)算模塊，在實(shí)際應(yīng)用中有明確指導(dǎo)意義。以汽車雨刮器臂為例，討論如何正確合理使用鑄造模擬分析軟件。
圖1 壓鑄模擬分析策略圖
2 在汽車雨刮器臂缺陷預(yù)測中的應(yīng)用
該型號(hào)汽車雨刮器臂為鋁合金壓鑄件，采用ADC12合金，質(zhì)量為94g。在零件噴涂和裝配后需要進(jìn)行疲勞測試，要求連續(xù)低速工作25h，雨刮器不出現(xiàn)故障。但是，8個(gè)零件中有5個(gè)在25h內(nèi)斷裂，且所有斷裂零件的位置相同，見圖2。
圖2 疲勞試驗(yàn)后斷裂的雨刮器臂
首先，對斷裂零件作了掃描電鏡斷口分析，在斷面上發(fā)現(xiàn)了氣孔和縮孔，見圖3和圖4。另外，生產(chǎn)的雨刮臂鑄件，經(jīng)過X光檢查和斷面觀察，再次確認(rèn)該處存在氣孔和縮孔，見圖5和圖6。
在斷裂處的氣孔和縮孔將影響雨刮器臂的強(qiáng)度，是產(chǎn)生疲勞斷裂的主要原因。因此，解決斷裂處的氣孔和縮孔問題非常重要。借助AnyCasting模擬軟件來對此氣孔和縮孔問題進(jìn)行分析和解決。
2.1 初始雨刮器臂模擬分析
利用AnyCasting對初始?jí)鸿T模設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬。通過對充型流動(dòng)及凝固模擬結(jié)果的分析發(fā)現(xiàn)，在雨刮臂斷裂位置有卷氣及縮孔缺陷，與實(shí)際缺陷零件吻合，模擬的結(jié)果見圖7和圖8，在發(fā)生斷裂缺陷位置有清晰的卷氣現(xiàn)象和縮松缺陷。
雨刮臂鑄件在斷裂處存在卷氣，氣體在此處包卷被壓縮形成微小的孔洞，在零件長時(shí)間工作后氣孔會(huì)有擴(kuò)張傾向，缺陷嚴(yán)重的零件就會(huì)發(fā)生斷裂。
2.2 第一次優(yōu)化分析
消除熱節(jié)、降低縮孔缺陷和改善充型避免卷氣是模具改進(jìn)的方向。首先，考慮到解決縮孔問題，在加強(qiáng)筋厚壁對應(yīng)模具處，在加強(qiáng)筋兩側(cè)設(shè)置了點(diǎn)冷(見圖9)，冷卻水的速度為0.5L/s。經(jīng)過凝固分析，縮孔的尺寸由原來的3.2mm×2.2mm縮小到1.8mm×1.3mm。其次，通過零件設(shè)計(jì)更改對加強(qiáng)筋處的倒角進(jìn)行了修改。
圖9 加強(qiáng)筋兩側(cè)增加點(diǎn)冷
從第一次優(yōu)化分析(見圖10和圖11)來看，縮孔傾向減小，但沒有徹底解決，還需要進(jìn)一步分析;由于倒角R的改進(jìn)，有利于液流在加強(qiáng)筋處比較順暢地填充，通過充型分析，發(fā)現(xiàn)在加強(qiáng)筋斷裂處卷氣壓力減少了13%。
2.3 第二次優(yōu)化分析
根據(jù)第一次模擬分析，繼續(xù)對流道及冷卻管路進(jìn)行了改進(jìn)。在凝固方面，在動(dòng)模和靜模上都設(shè)計(jì)了點(diǎn)冷水管，而且都設(shè)計(jì)在熱節(jié)正上方和正下方(見圖12)，更加靠近加強(qiáng)筋，優(yōu)化冷卻效果。從凝固分析上看，加強(qiáng)筋處縮孔尺寸縮小到1.0 mm×0.5mm，見圖13。
在充型方面，將流道澆口延伸到加強(qiáng)筋的位置，使金屬液較早的填充。從模擬結(jié)果可知，在斷裂處卷氣現(xiàn)象已經(jīng)消除，但是，還有少量的卷氣在側(cè)壁靠近加強(qiáng)筋后方，見圖14和圖15。
2.4 第3次優(yōu)化分析
為了進(jìn)一步改進(jìn)冷卻效果，將圖12的3根點(diǎn)冷水管變?yōu)閲娎涔?即超點(diǎn)冷)，水流量由原來的0.5L/s調(diào)整為1.5L/s，從模擬分析上看，縮孔尺寸減小到0.5mm×0.5mm，見圖16。考慮到加強(qiáng)筋后方還有部分卷氣，對流道又加長了5mm，但是這一方案并沒有解決加強(qiáng)筋后方卷氣問題，卻又在加強(qiáng)筋處產(chǎn)生了微量卷氣，見圖17。所以，加長流道方案并沒有起到預(yù)想的結(jié)果。
2.5 綜合分析和實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證
根據(jù)以上分析，在充型上，采取了圖15的方案，并在圖15的少量卷氣處使用頂桿輔助排氣;在凝固上，采取了圖12水管設(shè)計(jì)方案并采取噴冷管。新模具按此方案開模并試制，所生產(chǎn)的鑄件全部經(jīng)X光機(jī)檢測，都滿足ASTM E505等級(jí)1的氣孔要求，即X射線上看不到氣孔或縮孔。另外，從部分鑄件切開目視觀察，在鑄件截面上沒有氣孔和縮孔。通過改進(jìn)后的零件，疲勞測試試驗(yàn)達(dá)到50h以上，雨刮器臂沒有發(fā)生斷裂。
3 結(jié)語
借助鑄造CAE軟件對產(chǎn)品現(xiàn)有模具設(shè)計(jì)進(jìn)行模擬分析之后，發(fā)現(xiàn)問題發(fā)生的原因并提出有針對性的優(yōu)化對策。通過多次對模具方案修改并模擬，得到最佳方案，并在模具上執(zhí)行此方案。此后，跟蹤雨刮器臂疲勞測試驗(yàn)證，未再發(fā)生斷裂，從而提高了產(chǎn)品品質(zhì)。(end)
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