鋁合金車門內(nèi)板擠壓鑄造工藝優(yōu)化的有限元模擬

易 杰，朱必武，李落星

（1.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410208；2.湖南大學(xué)汽車車身先進(jìn)設(shè)計與制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082）

0 引 言

汽車覆蓋件使用輕金屬可以大幅減重，目前鋁合金車身覆蓋件的生產(chǎn)是采用與鋼質(zhì)車身覆蓋件類似的沖壓工藝制造單片車身板件，然后再焊接組裝起來。這種成型工藝需要先將鋁合金軋制成板材以及制造多套復(fù)雜沖壓模具，生產(chǎn)成本較高［1］。通過鑄造方式制備車身覆蓋件的生產(chǎn)成本較低，但是以鑄造方式制備大型復(fù)雜薄壁件存在很大難度，資料顯示，國外企業(yè)通過真空高壓壓鑄鑄造方式成功制備了AA7010和LM13合金件［2－4］。擠壓鑄造是將鑄、鍛工藝相結(jié)合的成型工藝，采用此工藝可使液態(tài)金屬在壓力下結(jié)晶凝固，獲得組織致密、性能高、表面光潔、近凈成型的優(yōu)質(zhì)鑄件，是一種節(jié)能、具有潛在應(yīng)用前景的液態(tài)成形技術(shù)。我國已成功地將擠壓鑄造技術(shù)用于汽（摩托）車、航空、儀表、五金工具、建筑等行業(yè)中，但在復(fù)雜、特大型和薄壁類覆蓋件（如車門內(nèi)板）上未見相關(guān)應(yīng)用的報道［5－6］。

擠壓鑄造又稱液態(tài)模鍛，其成型原理是將熔融態(tài)金屬或合金直接注入敞口模具中，隨后閉合模具，使金屬液產(chǎn)生充填流動，初步形成制件形狀，接著再施以高壓，使已凝固的金屬（外殼）發(fā)生塑性變形，未凝固的金屬承受等靜壓，同時發(fā)生高壓凝固，最后獲得制件。由于高壓凝固和塑性變形同時存在，因此制件無縮孔、縮松等缺陷，組織細(xì)密，力學(xué)性能也高于普通鑄件的，接近或相當(dāng)于鍛件的；而且無需冒口補(bǔ)縮和最后清理，因而金屬利用率高，工序簡單。在擠壓鑄造過程中，澆注溫度、模具預(yù)熱溫度以及壓頭下壓速度等工藝參數(shù)對鑄件充型狀態(tài)以及鑄件質(zhì)量均有很大影響［7－8］。模具溫度的高低直接影響鑄件的質(zhì)量和性能，模具溫度過低，液態(tài)金屬迅速凝固，加壓前，鑄件外層即因?yàn)榧だ渥饔眯纬捎矚?，影響后續(xù)加壓效果；此外，模具溫度低還會增加冷隔、澆不足等缺陷。在進(jìn)行實(shí)際擠壓鑄造前，借助數(shù)值模擬技術(shù)先對金屬成型過程進(jìn)行模擬，可以發(fā)現(xiàn)變形過程中可能出現(xiàn)的一些問題［9－10］，這樣可以大大縮短研制周期和降低研制成本，并為工業(yè)化生產(chǎn)確定工藝提供依據(jù)。

為此，作者采用Flow-3D軟件對ADC12鋁合金車門內(nèi)板擠壓鑄造過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了模具溫度、澆注溫度和壓機(jī)壓下速度等對熔體充型狀況的影響，以確定合適的工藝參數(shù)，最后通過擠壓鑄造試驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，為大型薄壁覆蓋件擠壓鑄造工藝參數(shù)的選擇等提供依據(jù)。

1 擠壓鑄造有限元模型的建立

以國內(nèi)某車型車門內(nèi)板（如圖1所示）為研究對象，其厚度為2.5mm，寬厚比大于200?；贔low-3D軟件對其擠壓鑄造工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析。有限差分法（FDM）的求解精度高，幾何形狀描述精確，特別適合復(fù)雜、薄壁件結(jié)構(gòu)的求解。車門內(nèi)板材料為ADC12鋁合金，其熱物性參數(shù)見表1。

圖1 車門內(nèi)板實(shí)體造型Fig.1 Solid modeling diagram of the inner door panel

表1 ADC12鋁合金的熱物性參數(shù)Tab.1 Thermal physical parameters of ADC12aluminum alloy

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation for FE model

由圖2可知，幾何實(shí)體一共有三個類型（Solid，Hole和Complement），將凸模與凹模設(shè)定為Solid類型，采用自動方式劃分差分網(wǎng)格，劃分時必須保證網(wǎng)格的數(shù)量，否則網(wǎng)格在描述曲面時會產(chǎn)生一定的破面，并且網(wǎng)格數(shù)量不宜太多，否則會增加計算負(fù)擔(dān)。x，y，z方向的網(wǎng)格數(shù)量分別為402個，239個，83個，差分網(wǎng)格總數(shù)量為7 974 474個。為了節(jié)省計算時間將模型進(jìn)行簡化，忽略模具與空氣的熱交換，假設(shè)整個擠壓鑄造過程為絕熱過程，凸模與凹模同空氣接觸的6個邊界面均選擇Symmetry類型。由于澆注完成到?jīng)_頭下壓大約需要6s，熔體在凹模內(nèi)靜止時間為6s，沖頭合模過程需要2s，模擬計算時間為8s。模擬的工藝參數(shù)如表2所示。

表2 模擬的基本工藝參數(shù)Tab.2 Main process parameters of simulation

由于流體類型為不可壓縮的單相流體，需要對擠壓鑄造的物理選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置，選擇流體類型，其中包括卷氣選項(xiàng)、氣泡選項(xiàng)、密度變化選項(xiàng)、漂移選項(xiàng)、移動選項(xiàng)、自由表面缺陷及湍流和黏度模型。

自由流體流動時會發(fā)生湍流，從而影響到流體的表面，進(jìn)而會發(fā)生卷氣現(xiàn)象。而在金屬熔體充型過程中所發(fā)生的卷氣現(xiàn)象會產(chǎn)生氣孔或其它表面缺陷，所以在研究擠壓鑄造過程時需要對卷氣問題進(jìn)行分析，從而預(yù)測鑄件可能發(fā)生氣孔等缺陷的區(qū)域。其中卷氣系數(shù)必須設(shè)置為正值，默認(rèn)數(shù)值為0.5，空氣密度為1.2kg·m－3；由于擠壓鑄造模具中設(shè)置有冷卻水路，故要考慮模具的溫度分布，選擇二階熱傳導(dǎo)方式與全能量方式；由于在擠壓鑄造過程中，金屬澆注和合模過程中都會出現(xiàn)湍流現(xiàn)象，只采用層流模型會在計算中產(chǎn)生誤差，而湍流本身紊亂的本質(zhì)難以完全模擬出工業(yè)中遇到的實(shí)際問題。采用Renormarlized Group model湍流模型，該模型考慮了以下因素：充型過程中湍流是尚未充分發(fā)展的湍流；在近型壁處對湍流模型應(yīng)做必要的處理；湍流模擬不應(yīng)給計算帶來太大的負(fù)擔(dān)，模型的準(zhǔn)確性與計算量相協(xié)調(diào)。

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 模具溫度對充型的影響

由圖3可知，當(dāng)鋁合金液澆入凹模中后首先匯聚在較為低洼的凹槽處，并呈現(xiàn)出熔體中心溫度高而液面前沿溫度較低的分布，然后在凸模的垂直推動下，液面逐漸向前推進(jìn)。由于在所示區(qū)域中的凸起結(jié)構(gòu)會阻礙液面推進(jìn)的速度，液流會首先填充凸起兩側(cè)區(qū)域并最終在此區(qū)域匯聚，此處容易產(chǎn)生氣孔、氧化渣等缺陷。此后液面繼續(xù)逐漸沿著前沿方向推進(jìn)，接觸到凹模壁后開始填充凹模并與平板部分匯合充滿整個凹模，溢流槽成為最后的充型區(qū)域，它對減少縮松、縮孔等缺陷具有一定的作用，并可以收集氧化渣、涂料等雜質(zhì)。由鑄件充型最終時刻的充型狀態(tài)可知，凹槽區(qū)域?yàn)槿垠w最高溫度所在位置，即鑄件最終凝固區(qū)域溫度為868K，高于液相溫度，此處會形成“熱節(jié)”，由于液體收縮和補(bǔ)充凝固層的凝固收縮，體積縮小，液面下降，鑄件內(nèi)部易出現(xiàn)縮孔。鑄件充型完成時刻，鑄件大部分區(qū)域的溫度位于固液兩相區(qū)域（789～855K）。

圖3 澆注溫度為983K、模具溫度為623K、下壓速度為24mm·s－1條件下不同時刻的充型狀態(tài)Fig.3 Filling final state at different times under the conditions of pouring temperature of 983K，die temperature of 623Kand pressing speed of 24mm·s－1

由圖4可知，鑄件溫度分布梯度使充型鑄件區(qū)域充型結(jié)束后鑄件邊緣區(qū)域已經(jīng)有部分低于固相線溫度，從而影響鑄件成型質(zhì)量。模具溫度在543K充型結(jié)束時，A區(qū)域的溫度已經(jīng)低于固相線；模具溫度為583K時，B區(qū)域?yàn)榈陀诠滔嗑€區(qū)域，與模具溫度為543K時相比，邊緣黃色區(qū)域已經(jīng)縮小很多；當(dāng)模具溫度升至623K時，充型結(jié)束后鑄件的整體溫度均高于789K（516℃）。所以在試驗(yàn)中考慮將模具溫度加熱到不低于583K。

圖4 澆注溫度為983K、下壓速度為24mm·s－1、不同模具溫度下鑄件充型結(jié)束時的溫度分布Fig.4 Filling final temperature distribution at pouring temperature of 983K，pressing rate of 24mm·s－1 and different die temperatures

2.2 澆注溫度對充型的影響

提高澆注溫度可以提高鑄件的充型性能，但是過高的澆注溫度會增加熔體中的氫含量，并且會顯著增大鑄件晶粒尺寸。由圖5可知，澆注溫度為923K時，充型結(jié)束時鑄件邊緣大部分區(qū)域的溫度已經(jīng)低于固相線（789K）；隨著澆注溫度的升高，充型結(jié)束時黃色區(qū)域（低于固相線的區(qū)域）逐漸減小；當(dāng)澆注溫度升至983K時，鑄件全部區(qū)域的溫度均高于789K。所以澆注溫度不能低于953K。

2.3 下壓速度對充型的影響

圖5 模具溫度為583K、下壓速度為24mm·s－1、不同澆注溫度下鑄件充型結(jié)束時的溫度分布Fig.5 Filling final temperature distribution at die temperature of 583K，pressing rate 24mm·s－1 and different pouring temperatures

圖6 澆注溫度為983K、模具溫度為583K、壓機(jī)下壓速度分別為24，48mm·s－1時鑄件充型結(jié)束時的溫度分布Fig.6 Filling final temperature distribution at pouring temperature of 983K，die temperature of 583Kand pressing rates of 24，48mm·s－1

由圖6可知，鋁合金熔體在凹模內(nèi)停留6s后，熔體充型狀態(tài)發(fā)生了變化，在24mm·s－1的下壓速度下，熔體液面前端緩慢推進(jìn)，最后填充鑄件邊緣區(qū)域（A區(qū)域）；在48mm·s－1的下壓速度下，熔體快速覆蓋熔體在凹模中的原始停留區(qū)域（不會出現(xiàn)圖6中A區(qū)域的最后充型區(qū)域），并呈中心區(qū)域向四周輻射的填充狀態(tài)，當(dāng)完成鑄件區(qū)域充型時，在48mm·s－1下壓速度下的鑄件溫度全部位于固相線789K（516℃）以上，而在24mm·s－1的速度下鑄件邊緣部分區(qū)域已經(jīng)低于固相線溫度。另外，在48mm·s－1的下壓速度下，由于壓機(jī)速度的原因并未實(shí)現(xiàn)順序充型而是呈發(fā)散狀充型，所以在高速充型下有可能會產(chǎn)生過多的氣孔、氧化物夾雜，不利于鑄件的順序凝固。

3 擠壓鑄造成型試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 模具設(shè)計

圖7為車門內(nèi)板擠壓鑄造模具裝配圖。在擠壓鑄造中，溢流槽的設(shè)計需考慮以下原則：溢流槽應(yīng)位于合金液最后流過的區(qū)域；渦流區(qū)域應(yīng)設(shè)置溢流槽以便使渦流在溢流槽區(qū)域形成，防止表面波紋的產(chǎn)生；在模具溫度較低及易發(fā)生缺陷處應(yīng)設(shè)置溢流槽。根據(jù)溢流槽的的設(shè)計原則，并結(jié)合車門內(nèi)板的幾何特點(diǎn)設(shè)計了擠壓鑄造模具的溢流區(qū)域，如圖8所示。溢流槽位于鑄件的邊緣位置，以便更好地收集多余熔體，因此在鋁合金熔體流向的側(cè)面與正面設(shè)置溢流槽而加高背向流動方向模具的高度，以便熔體能自低向高順序充型（圖中箭頭方向），并保證溢流區(qū)域?yàn)樽詈竽虆^(qū)域。

圖9 不同模具中的加熱管布置Fig.9 Heating tubes layout in dies：（a）top view of down die；（b）bright view of down die；（c）top view of top die and（d）bright view of top die

圖7 車門內(nèi)板擠壓鑄造模具裝配圖Fig.7 Die assembly drawing of inner door pannel

圖8 溢流槽結(jié)構(gòu)截面圖Fig.8 Section structure diagram of overflow

由于試驗(yàn)需要制備的車門內(nèi)板寬厚比約為200，因此，擠壓鑄造成型時必須對模具進(jìn)行加熱。試驗(yàn)中采用電阻棒（共29根）對模具進(jìn)行加熱，該方式使用方便，溫度可控性強(qiáng)，操作安全，但是預(yù)熱時間較長、成本較高。凹模與凸模加熱管的具體分布如圖9所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

有限元模擬優(yōu)化后的車門內(nèi)板擠壓鑄造工藝參數(shù)：澆注溫度為983K，模具溫度為583K，壓機(jī)下壓速度下為24mm·s－1。試驗(yàn)用公稱力10 000kN沖壓液壓機(jī)的最大功率為25kW。鋁合金車門內(nèi)板模具通過壓板將凸模與凹模安裝在壓機(jī)之上，工作時壓機(jī)帶動凸模上升至一定高度，用定量澆勺將鋁合金熔體澆入凹模型腔中，液壓機(jī)帶動凸模部分下降合模、加壓、保壓一定時間（見表2），使鋁合金熔體在壓力下成型、凝固。成型時，凸模首先與液態(tài)金屬接觸，隨著凸模的進(jìn)一步下降，鋁合金內(nèi)板鑄件成型，多余的鋁合金熔體流入溢流槽中，隨著凸模的進(jìn)一步下降，液態(tài)金屬被壓實(shí)補(bǔ)縮并在壓力下凝固，待鑄件完全成型后液壓機(jī)帶動凸模上升，上升到一定高度時，頂桿將鑄件頂出并從凹模中取出。取出擠壓鑄件后，液壓機(jī)下壓，頂桿回退，模具經(jīng)清理、噴刷涂料后開始下一擠壓鑄造循環(huán)。圖10為采用數(shù)值模擬優(yōu)化的工藝參數(shù)成功制備的車門內(nèi)板。鑄件試樣抗拉強(qiáng)度的平均值為169.34MPa，伸長率為3.5%，這證明了模擬結(jié)果是正確的。

圖10 用數(shù)值模擬優(yōu)化的工藝參數(shù)制備的車門內(nèi)板鑄件Fig.10 Inner door panel was prepared by numerical simulation optimal process parameters

4 結(jié) 論

（1）建立了ADC12鋁合金車門內(nèi)板擠壓鑄造的有限元模型，討論了澆注溫度、模具溫度以及壓機(jī)下壓速度對鑄件充型狀態(tài)的影響；澆注溫度高于953K，充型結(jié)束時低于固相線溫度的區(qū)域逐漸減?。荒＞邷囟葧绊戣T件充型邊緣區(qū)域的溫度；高的下壓速度會產(chǎn)生過多氣孔、氧化物夾雜，不利于鑄件順序凝固。

（2）模擬優(yōu)化得到了車門內(nèi)板擠壓鑄造工藝參數(shù)：澆注溫度不低于953K，模具溫度不低于583K，壓機(jī)下壓速度為24mm·s－1；合理設(shè)計了鋁合金車門內(nèi)板擠壓鑄造模具溢流槽和凸凹模加熱管的布置；采用上述工藝參數(shù)成功制備出結(jié)構(gòu)完整、質(zhì)量良好的鋁合金車門內(nèi)板鑄件。

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