铝合金支架压铸模具设计及工艺模拟

摘要：压力铸造是近代金属加工工艺中发展较快的一种先进的少、无切削的特种铸造方法。该方法的生产过程是，液态金属在高速高压作用下射入紧锁的模具型腔内并保压，结晶直至凝固，使原材料变为半成品或成品。压力铸造过程是一个非常复杂的流动、传热以及传质的过程。本文就铝合金支架压铸模具设计及工艺模拟进行详细探讨。仅供大家参考。

关键词：铝合金；支架压铸；模具设计；工艺模拟

引言：压铸是近年来材料成型工艺中发展十分迅速的特种铸造方法之一。铝及铝合金的使用主要分为加工材和铸造材两大类，本文用到的铝合金即属于铸造铝合金，铸造铝合金为保持流动性好、易于充型的特点，除含有一些强化元素外，还有大量的共晶元素。目前，铸造铝合金已被大量用于工业、农业、航天和建筑材料等各个领域，在工业发展过程中有举足轻重的地位。

1.铝合金压铸技术概述

1.1压铸工艺原理

压铸方法可分为热室压铸和冷室压铸两大类。热室压铸中，压射系统的压室置于坩埚内，充型时，压射冲头可以直接将坩埚内的金属液推进压室，然后通过压射系统的鹅颈管进入型腔。冷室压铸中，熔化金属的坩埚和冷室压铸机相分离，冷室压铸生产效率较热室低，但其应用范围较广，铝、锌、镁、铜等有色合金均可使用冷室压铸方法加工。

1.2压铸工艺特点

压铸填充压力一般为几兆帕到几十兆帕，最大填充速度能够达到每秒上百米，使整个压铸过程中压射时间极短，体现了压力铸造技术高速高压的优势。由于充填时有增压过程，得到的压铸件组织致密，能够保证所需要的强度和硬度。互换性方面，在同一压铸厂，同一型号的零件均由同一副压铸模具成型，所以零件的互换性好。压铸工艺的以上特点，使其在提高有色金属合金铸件的精度水平、表面质量及生产效率等方面显示出较大优势。

1.3铝合金支架

副机组支架是将动力转向泵与水泵等附件固定于汽车副机组发动机上的直接支撑，且负责油道和水道的运输，保障发动机的正常运转。在汽车行驶过程中，该零件一方面要保持副机组发动机与动力转向泵等附件的固定和平稳，另一方面还需要承受汽车震动时产生的扭力作用。所以，它是汽车发动机动力系统当中的一个安全件，产品对其表面质量与内部致密性都有严格要求。

零件结构如图1所示，属于复杂薄壁铸件，体积为8.51*1.05mm3，平均壁厚4.3mm，投影面积为1.39*104mm2，质量2.2kg，共有32处加工表面，轮廓基本尺寸约为380mm*158mm*135mm。

该副机组支架结构复杂，从各个方向来看均不对称，前后视图面均为曲面外形，多处有管状开孔特征，支架下端有两个具有特殊角度的固定脚架，每个脚架上有1个沉孔，这两个沉孔在同一平面上，是承受扭力的主要部位。

2.模具的整体设计

压铸模具是压力铸造正常运行的重要保证，它直接决定了压铸件成品率的高低，其制造费用昂贵，制造完成后无法进行大幅度修改，因此压铸模具的设计尤为重要，一般需要综合考虑以下几点：

（1）模具设计应结合实际，掌握现有设备及装备情况，设计出的模具结构应满足现场要求，使压铸机的生产能力得到最大程度的发挥。

（2）采用与铸件具体结构相匹配的浇注系统，注意内浇口布局与方向需保证合金液平稳充型，且尽量使铸型中的空气全部排出，进而避免气孔缺陷的产生。

（3）压铸模具要有足够的强度，足以承受锁模力及合金液压力的作用，并在压铸制造时不产生变形，保证生产安全可靠。

（4）尽量使压铸模具结构设计得简单，保证动模行程平稳可靠。

（5）确保铸型、浇注与溢流系统在试模后可以作适当修改。

（6）压铸模具结构设计合理，方便进行维护和拆装。

（7）选取恰当的模具材料及合理的热处理工序，延长模具的使用寿命。

（8）尽量选取标准模具通用零部件，缩短制造周期，使其有良好的互换性，节省维修成本。

2.1拟定模具总体设计的方案

压铸模具总体的设计原则是让模具满足铸件成型工艺要求，同时具有高效低耗的经济效益。压铸模设计主要内容在上文已提及。拟定了初步方案后，现场调研，并对设计方案加以补充和修正，使所设计的压铸模结构更加合理、实用和经济。

2.1.1绘制零件图纸

首先绘制主要零件图，对装配草图中有些考虑不周的地方加以修正和补充。

在绘制零件图时，应注意如下几点：

（1）图面尽量1：1的比例画出，以便于发现问题；

（2）合理选择各视图的视角，注意投影、剖视等的正确表达，避免繁琐、重复：

（3）标注尺寸、制造公差、形位精度、表面粗糙度以及热处理等技术要求：

在主要零件的绘制过程中，需要对装配草图进行审查，存在遗漏的问题，在装配草图的基础上加以修正和补充并注意以下几点：

（1）对零件正式编号，并列出完整的零件明细表、技术要求和标题栏；

（3）装配图上应标注模型的立体尺寸，模具的定位安装信息，模具的安装方向也要加以标示：

（4）所选用压铸机的型号、压室的内径及喷嘴直径；

（5）压铸件合金种类、压射比压、推出机构的推出行程、冷却系统的进出口等：

（6）模具制造的技术要求。

2.1.2制定模拟工艺

根据实际生产条件和设计好的浇注系统，对模型进行网格划分和参数设置，以缩孔缩松率为考察标准，浇注温度、压射速度、模具温度为考察因素，对压铸过程进行数值模拟。分析模拟的结果，对压铸过程进行考察，通过合理的分析手段取得合理的工艺参数，并分析问题的形成原因。

3.压铸数值模拟技术的理论基础

3.1铸造过程模拟的主要内容

铸件充型过程数值模拟：充型顺序和金属液的流动方式是铸件充型过程重要的评价因素，关系到许多铸造缺陷如卷气、夹杂、缩孔等。传统手段很难观察和控制充型状态和流动方式，计算机数值模拟技术出现后，对充型过程的可视化模拟成为现实。

3.2铸件凝固过程的数值模拟

压铸凝固过程一个非常复杂的物理化学过程。大部分的铸造缺陷即是产生于凝固过程中。因此，凝固过程的数值模拟对预测各种铸造缺陷，改善铸件质量，优化铸造工艺，以及提高生产效率都具有非常重要的作用。在压力铸造过程中，高温金属液在冷却凝固时向铸型及其周围环境传递热量。

3.3铸造应力场数值模拟

应力场模拟铸件凝固和冷却过程中，由于各部位收缩率不同，不同温度区间出现的箱变，铸型或者型芯受到连续的加热和冷却导致的膨胀收缩，都会使铸件在成形过程受到不同的应力，通过数值模拟软件对铸件凝固过程中的应力场进行分析，可以帮助铸造工艺人员提前预测铸件可能产生的形变，残余应力的大小和铸件裂纹可能存在的位置，减少因应变而造成的缺陷，以较低的成本优化铸造工艺，提高T件精度和性能。

3.4铸件微观组织数值模拟

计算机数值模拟技术可以预测铸件微观组织的形成，并以此进一步预测铸件的力学性能和工艺性能，从而达到控制铸件品质的目的。通常采用有限元法或者有限差分法来求解诸如温度速度等宏观量，而微观领域内的枝晶端部，共晶薄层或球粒的动力学生长状态则采用解析法来分析。

4.总结语

面对目前和将来的形势，我国压铸业别无选择，只有在现有基础上努力提高技术水平，加快技术进步，培养核心竞争实力，确保压铸件质量，扩展压铸件品种，追求高效率和高效益，才能在竞争中获得发展。