基于ProCAST的電機(jī)罩壓鑄模具模流分析*

程 偉，劉大龍，何鵬達(dá)

（廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院機(jī)電與信息工程學(xué)部，廣東廣州 511325）

0 引言

壓力鑄造是高效益、高效率的少、無切削金屬成形方法，其在提高鑄件的精度水平、生產(chǎn)效率、表面質(zhì)量等方面顯示出了巨大優(yōu)勢，已成為世界范圍內(nèi)一種十分重要的特種合金精密鑄件制備方法[1]。壓鑄模具作為壓力鑄造的核心工具，其合理設(shè)計(jì)對于生產(chǎn)出高質(zhì)量的鑄件具有重要意義。

現(xiàn)今壓力鑄造中存在以下幾種狀況：

（1）產(chǎn)業(yè)的全球化導(dǎo)致了鑄造產(chǎn)品競爭日益激烈：生產(chǎn)周期要求縮短，成本要求越來越低，品質(zhì)要求越來越高；

（2）憑傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試作來解決鑄造缺陷問題的舊方法已不能適應(yīng)市場的要求；

（3）熟練技術(shù)工人的高齡化，年輕技術(shù)員脫離制造業(yè)的社會(huì)現(xiàn)象導(dǎo)致了鑄造技術(shù)傳授日趨困難。

由于上述原因，壓力鑄造工藝設(shè)計(jì)人員渴望用法簡單而又實(shí)用的鑄造模擬技術(shù)的出現(xiàn)。

鑄造CAE軟件在發(fā)達(dá)國家鑄造企業(yè)中已基本普及。國內(nèi)的鑄造產(chǎn)業(yè)，由于來自產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期的國際及國內(nèi)同行間的競爭日趨激烈，越來越多的鑄造企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到了應(yīng)用鑄造CAE軟件的重要性[2]。

1 鑄造CAE—ProCAST簡介

ProCAST是專門針對鑄造過程進(jìn)行流動(dòng)、傳熱、應(yīng)力求解的軟件包，能夠模擬鑄造過程中絕大多數(shù)問題和許多物理現(xiàn)象。它將有限元技術(shù)用在鑄造模擬中，有效地提高了鑄造工藝的正確性。借助于ProCAST系統(tǒng)，鑄造工程師在完成鑄造工藝編制之前，就能夠?qū)﹁T件在形成過程中的流場、溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行仿真分析并預(yù)測鑄件的質(zhì)量、優(yōu)化鑄造設(shè)備參數(shù)和工藝方案，通過對金屬流動(dòng)過程的模擬，可以精確顯示澆不足、冷隔、裹氣和熱節(jié)的位置及殘余應(yīng)力和變形的大小，準(zhǔn)確地預(yù)測縮孔縮松和微觀組織[3]。

本設(shè)計(jì)壓鑄件電機(jī)罩如圖1所示，材料為ADC10。

該壓鑄件基本形狀為圓形端蓋類零件，最大外形尺寸108.7 mm，外圓直徑為145.4 mm，內(nèi)圓直徑為136.6 mm，鑄件特征不規(guī)則，鑄件孔較多，鑄件厚2～12mm，平均壁厚為4.4 mm，但也有局部不均勻。

針對電動(dòng)罩以上結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用Pro/E、Solidworks等三維造型以及CAD二維繪圖軟件，構(gòu)造出端蓋的三維數(shù)據(jù)模型，完成電機(jī)罩的壓鑄模設(shè)計(jì)。考慮到所選的壓鑄件內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且薄壁上有孔洞，要求脫模時(shí)候，防止表面特別是底部產(chǎn)生裂紋，推桿頂出時(shí)候受力要均勻，加工支承面應(yīng)平整無毛刺、氣泡和鑄造殘留物[4]。本文借助了ProCAST模流分析軟件應(yīng)用到件電機(jī)罩壓鑄件的成型分析上。

ProCAST具有良好的用戶界面，配有圖文、圖表說明，3D的圖示可以使用戶一目了然，甚至對壁厚不到1mm且形狀復(fù)雜的鑄件也可模擬。ProCAST軟件模流模擬界面如圖2所示。

圖1 鑄件的結(jié)構(gòu)圖

圖2 ProCAST模流模擬界面

在ProCAST模流模擬界面上可以直觀地觀測到金屬液的流向，并獲得鑄件所處狀態(tài)對應(yīng)的時(shí)間和溫度。金屬液的流動(dòng)平衡是設(shè)計(jì)流道時(shí)需要考慮的一個(gè)重要因素，流動(dòng)平衡是保證鑄件質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)，金屬流液均勻流入鑄件各個(gè)部位，有利于減少因流動(dòng)差所產(chǎn)生的局部沖擊產(chǎn)生冷隔或造成部分缺料等壓鑄缺陷，有利于金屬流動(dòng)時(shí)將型腔內(nèi)空氣擠出減少鑄件氣孔缺陷的產(chǎn)生，再結(jié)合觀測鑄件各階段的金屬溫度和對應(yīng)的時(shí)間，了解鑄件溫度在鑄件各部位的分布以及冷卻時(shí)各部位溫度的變化情況，這將有助于分析鑄件是否存在拉模和凹陷等壓鑄缺陷[5]。因此，通過直觀的模擬分析數(shù)據(jù)即可對鑄件進(jìn)行質(zhì)量預(yù)測，這將有助于及時(shí)改善流道的設(shè)計(jì)，使所設(shè)計(jì)的模具符合實(shí)際生產(chǎn)的需要，縮短模具制造周期。

圖3 充型過程模擬

圖4 冷卻過程模擬

2 產(chǎn)品鑄造成型模擬分析

壓力鑄造中常伴有冷隔、拉模、卷氣、氣孔等常見的鑄造缺陷。這些常見鑄造缺陷通常與澆鑄溫度及模具溫度過低或充型時(shí)間過長有關(guān)[6]。通過鑄件成型過程模擬，觀測鑄件熔湯的流勢，結(jié)合充型時(shí)間和溫度的分布情況進(jìn)行分析，以此判斷本次澆道與溢流系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)作的合理性。

電機(jī)罩壓鑄件充型過程模擬如圖3所示。

分析結(jié)論：模擬充型過程溫度均衡，兩側(cè)流道金屬流液流動(dòng)平衡如圖3（a）所示，由圖3（b）到圖3（c）階段未發(fā)現(xiàn)局部缺料缺陷，故此流道設(shè)計(jì)合理。

鑄件冷卻模擬過程如圖4所示。

分析結(jié)論：由模流分析模擬冷卻過程可以看到鑄件各部位溫度分布均勻，各階段過渡平滑，階段一鑄件最高溫度在584.6℃，階段二為393.8℃，階段三為266.6℃，無局部高溫存在，減少了鑄件粘模缺陷[7]。

3 結(jié)論

本文通過ProCAST軟件對鑄件進(jìn)行模流分析，評(píng)估模具流道設(shè)計(jì)的合理性，避免實(shí)際壓鑄生產(chǎn)中產(chǎn)生氣泡、變形等壓鑄缺陷，為模具的合理設(shè)計(jì)提供了有效地依據(jù)，縮短了模具從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的制造周期，有效地提升產(chǎn)品的質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本，從而提高了生產(chǎn)率，增強(qiáng)了市場競爭優(yōu)勢。

［1］付宏生，張景黎.壓鑄成型工藝與模具［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［2］陳金城.國外壓鑄的新發(fā)展［J］.特種鑄造及有色合金，1997（3）：47-50.

［3］胡紅軍.ProCAST軟件的特點(diǎn)及在鑄造成形過程中的應(yīng)用［J］.生產(chǎn)技術(shù)與應(yīng)用，2005（1）：70-71.

［4］董濤.干燥筒體的低壓鑄造工藝［J］.特種鑄造及有色合金，2003（5）：34-35.

［5］潘憲曾.壓鑄模設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［6］于彥東.壓鑄模具設(shè)計(jì)及CAD［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

［7］李飛.ProCAST鋁合金壓鑄模澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)及充型凝固數(shù)值模擬［J］.鑄造技術(shù)，2010（4）：465-467.