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复杂泵体铸件压铸工艺设计及参数优化

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产品描述

导读

分析泵体结构,设计泵体压铸工艺方案,以压射速度、浇注温度、模具预热温度为因素建立正交试验,采用ProCAST软件进行数值模拟,分析泵体铸件产生的卷气和缩孔缺陷。结果表明,当压射速度为2.5 m/s,浇注温度为660 ℃,模具预热温度为230 ℃时,泵体铸件产生的卷气和缩孔缺陷最少,并采用该优化参数进行试生产,获得合格的产品。


关键词:泵体铸件;压铸工艺设计;数值模拟;工艺参数优化


压铸生产的泵体铸件形状复杂、致密度好、精度高、力学性能好,成本较低。随着汽车轻量化的发展,压铸件越来越多应用在汽车上。泵体铸件是汽车发动机中的重要零部件,形状复杂,要求具有良好的气密性和高耐压性,故采用压铸生产。通过数值模拟压铸生产过程,分析铸件的温度场、流场、应力场及预测产生的缺陷,可以有效的对压铸工艺参数进行优化,避免在实际生产中反复调试的操作,节省成本、提高生产效率。采用ProCAST软件对压铸工艺参数进行数值模拟,分析充型过程中产生的卷气和泵体铸件产生的缩孔缺陷,优化工艺参数,并进行实际生产,为同类零件的工艺优化提供参考。


泵体铸件的三维形状见图1,泵体铸件有3个侧孔,需要设置3个抽芯机构,模具结构复杂,采用一模一件方式,泵体铸件材质为ADC12,其成分见表1,轮廓尺寸为180 mm´91 mm´35 mm,质量为0.28 kg,平均壁厚为3 mm。泵体要求组织致密、去毛刺、各孔表面不许拉毛、无裂痕、缺料、冷隔、飞边等缺陷;在承受2.8 MPa压力并保压5 min后不泄露。


泵体铸件 (1)

图1  泵体铸件三维造型图


泵体铸件 (2)


1 压铸工艺方案设计


1.1分型面的选择


图2为铸件分型面示意图。由铸件分型面的选择原则:铸件轮廓尺寸最大截面处,铸件选择上下分型。有3个侧孔,为了便于铸件能顺利脱模,将分型面设置在侧孔直径位置。


泵体铸件 (3)

图2  分型面示意图


直浇道的尺寸与压铸机的压室内径有关,由压铸机的压室参数知,压室直径有F60、F70、F80mm 3种规格,铸件的体积较小,选择压室直径为F60 mm,因此设置直浇道起模斜度为5º。


1.2溢流系统的设计


为了便于溢流槽加工,将其设置在动模上,由溢流槽设计原则[3]:①型腔难以排气的地方,因此在3个侧孔区域设置4个溢流槽;②金属液最后充填的区域,因此在泵体底端设置一个溢流槽。图3为铸件浇注系统示意图。


泵体铸件 (4)

图3  浇注系统示意图


2正交试验及数值模拟分析


2.1压铸工艺参数的选择


选取铸件压射速度为2~3 m/s;铸件浇注温度和模具预热温度的参考值分别见表2和表3,选取浇注温度为650~670 ℃、模具预热温度为210~230 ℃。


泵体铸件 (5)
泵体铸件 (6)


2.2正交试验的确定


以压射速度、浇注温度、模具预热温度为因素,建立正交试验表,见表4。


泵体铸件 (7)


3数值模拟结果


将三维造型以stp格式导入模拟软件ProCAST中,对其进行面缺陷修复,铸件和浇注系统的壁厚不同,采用不均匀网格划分,铸件采用1.5 mm网格划分,浇注系统、溢流槽采用1 mm网格划分,溢流口采用0.5 mm网格划分,模具采用5 mm网格划分,划分后单元格数1 071 895。


铸件材质为ADC12,模具材质为H13。模具与铸件的传热系数为1500 W/(m2·K);铸件和模具的温度,按正交结果分别对每组设置;压射速度按照正交结果设置,设置铸件采用空冷冷却方式。


金属液在填充过程中会发生飞溅现象,产生卷气从而使铸件的孔洞变多,气密性不好。在充型过程中,产生的卷气越少,铸件的质量越好,9组不同工艺参数下产生的卷气示意图见图4。



泵体铸件 (8)

图4  卷气分布图


由图4知,速度为2 m/s时,第3组产生的卷气较多;速度为2.5 m/s时,第6组的卷气较多,因为浇注温度都为670 ℃,金属液中卷入了大量的气体。速度为3 m/s时,铸件产生的卷气较多,其原因是充填速度较大,型腔内的气体在充填过程中没有及时排除,卷入了金属液中。


9组的卷气含量见表5。可以看出,速度对卷气的影响最大,浇注温度对卷气的影响次之,模具预热温度对卷气影响较少。第2组和第5组产生的卷气含量较少,是较优的工艺参数。


泵体铸件 (9)


泵体铸件在凝固过程中,由于凝固速率不同,易产生缩孔缺陷。铸件在9组参数条件下产生的缩孔缺陷示意图见图5。


泵体铸件 (10)

图5   缩孔缺陷示意图


由图5知,在9组工艺参数条件下,泵体铸件都在中间壁厚的区域产生了缩孔缺陷,是在凝固过程中,壁厚区域的凝固速度较慢,得不到金属液的补缩,产生了孤立的液相,最后形成了细小的孔洞,形成缩孔。


图6为9组工艺参数产生的缩孔体积。可以看出,压射速度为2 m/s时,第1组产生的缩孔缺陷最少,随着浇注温度和模具预热温度升高,铸件产生缩孔缺陷的体积增大,主要原因是泵体铸件在凝固过程中,随着温度升高,凝固速率变慢,孤立液相区域变大,产生的缩孔缺陷变多;压射速度为2.5 m/s时,第5组产生的缩孔缺陷最少,在此压射速度下,浇注温度和模具预热温度之间通过热传递使金属液充填型腔的温度降低,铸件在凝固时温度比第4组和第5组的温度低、凝固速率快,产生的缩孔缺陷体积少;压射速度为3 m/s时,第9组产生的缩孔缺陷最少,随着浇注温度升高,缩孔体积减少,是在此压射速度下,浇注温度、模具预热温度和压射速度之间产生了相互作用,在泵体铸件凝固过程中,发生了热量的传递和转化,第9组的凝固速率更快。


综上,浇注温度对泵体铸件缩孔缺陷的影响最大,压射速度和模具预热温度影响较小,产生缩孔体积较少的是第4组、第5组、第9组。由产生的卷气和缩孔缺陷综合考虑,压射速度为2.5 m/s,浇注温度为660 ℃,模具预热温度为230℃,工艺参数较优。


泵体铸件 (11)

图6   9组工艺参数缩孔缺陷体积


4生产验证


采用优化的工艺参数生产的泵体铸件实物见图7,泵体铸件各孔中间无毛刺,表面光洁,无裂痕、缺料、冷隔、飞边等缺陷,对泵体铸件进行高压性能测试,发现泵体铸件无爆破、无泄漏,满足技术要求,可进行批量生产。


泵体铸件 (12)

图7  铸件生产实物图


5结论


(1)压射速度对卷气的影响最大,浇注温度对缩孔缺陷的影响最大,当压射速度达到一定程度后,浇注温度、压射速度、模具预热温度三者之间会发生交互作用,缩孔缺陷会随着浇注温度的升高而变少。

(2)压射速度为2.5 m/s,浇注温度为660 ℃,模具预热温度为230 ℃,采用此工艺参数进行试生产,泵体铸件表面光洁,无裂痕、缺料、冷隔、飞边等缺陷,对泵体铸件进行高压性能测试,发现泵体铸件无爆破、无泄漏,满足技术要求。


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