铝合金汽车转向器压铸过程的数值模拟与产品组织分析.pdf

· ·铝合金汽车转向器压铸过程的数值模拟与产品组织分析基金项目：广东省产学研合作项目（2014B090903016）；奥港共性技术招标项目（2013B010138001）；东莞市产学研合作项目（2015509134108）。收稿日期：2017-01-18收到初稿，2017-02-27收到修订稿。作者简介：张银帅（1992-），男，硕士研究生，研究方向为压铸铝合金的开发及应用。E-mail：1035832797@qq.com通讯作者：黄正华，男，博士，高级工程师。电话：020-61086182，E-mail：zhhuang@live.cn张银帅1,2，黄正华2，宋东福2，徐春杰1，周永欣1，李扬德3，李卫荣3（1. 西安理工大学材料科学与工程学院，陕西西安 710065；2. 广东省材料与加工研究所，广东省金属强韧化技术与应用重点实验室，广东广州 510650；3. 东莞宜安科技股份有限公司，广东东莞 523662）摘要：利用铸造模拟软件ProCAST对ADC12铝合金汽车转向器的压铸充型过程进行数值模拟，包括充型时间、温度场和卷气顺序对压铸件质量的影响，获得较优的压铸工艺参数（浇注温度650 ℃、模具温度220 ℃、快压射速度3.0m/s和慢压射速度0.3m/s），为提高铝合金汽车转向器的压铸质量提供依据。用优化工艺参数制备的压铸件内部质量良好，无明显夹杂和孔洞等缺陷。关键词：汽车转向器；ADC12合金；数值模拟；组织中图分类号：TG249.2+8 文献标识码：A 文章编号：1001-4977（2017）06-0572-05ZHANGYin-shuai1,2,HUANGZheng-hua2,SONGDong-fu2,XUChun-jie1,ZHOUYong-xin1,LIYang-de3,LIWei-rong3(1.SchoolofMaterialsScienceandEngineering,Xi'anUniversityofTechnology,Xi'an710048,Shaanxi,China;2.GuangdongProvincialKeyLaboratoryforTechnologyandApplicationofMetalToughening,GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing,Guangzhou510650,Guangdong,China;3.DongguanEONTECCo.,Ltd.,Dongguan523662,Guangdong,China)NumericalSimulationofAutomobileSteeringGearwithAluminumAlloyDuringtheDie-CastingProcessandItsAnalysisonMicrostructureAbstract：Numericalsimulation,includingtheeffectsoffillingtime,temperatureandvolumeorderonthequalityofdie-castingrespectively,fordie-castingfillingprocessofautomobilesteeringgearwithADC12aluminumalloywasperformedwithcastingsimulationsoftwareProCAST.Theoptimumdie-castingtechnologicalparameterswithpouringtemperatureof650℃,moldtemperatureof220℃,rapidinjectionspeedof3.0m/sandslowinjectionspeedof0.3m/sareobtained.Itcanprovidethebasisforimprovingthequalityofautomobilesteeringgear.Accordingtotheoptimumprocess,thedie-castingexhibitsgoodqualityindifferentlocations,andnoobviousdefectsincludinginclusionsandcavities.Keywords：automobilesteeringgear;ADC12alloy;numericalsimulation;microstructure铸造FOUNDRY高压铸造金属近净成形技术被广泛应用于航空航天、电子和医疗等领域。目前，高压铸造是铸造铝合金的常规工艺，由于铝合金优异的充型性使其能够用于生产大型、薄壁和复杂铸件[1]。铸件在凝固过程中，合金的体积会发生收缩，易在最后凝固位置出现缩松、缩孔和气孔等缺陷，且模具浇注系统的结构设计对压铸件的质量也至关重要[2-3]。利用数值模拟软件对压铸凝固过程进行模拟，可预先了解金属液从压铸开始到结束全过程的动态情况[4]。从高温铝合金液压入模具型腔到开模取件及喷涂整个过程中，模具表面和表层的温度变化不一致，会导致模具表层受到拉应力和压应力的交替作用。当交替应力作用超过材料疲劳极限时，会产生塑性变形。为了降低或者延长疲劳的出现，许多学者在温度场数值模拟方面做了大量工作[5-11]，对改善工艺参数和提高模具寿命起到一定作用，但对于压铸模具的热应力场数值模拟并利用热应力模拟结果进行模具寿命预测和疲劳分析等方面的研究工作相对较少。为了提高铝合金压铸件的质量和模具的使用寿命，压铸过程的温度场受到越来越多研究工作者和实际生Jun.2017Vol.66No.6572万方数据· ·产者的重视。Lee等人[12]研究了浇注温度和脱模剂对铸件与模具接触面的温度场分布规律。Kaiser等人[13]分析了模具预热温度对铸件质量和模具寿命的影响。贾良荣等人[14]实现了用有限差分法对压铸过程铸件和模具温度场的模拟。因此，实现精确的数值模拟，温度场的研究必不可少。本文针对铝合金转向器压铸件，利用ProCAST软件中热分析模块研究铝合金压铸充型过程的温度分布规律，验证预测的工艺参数合理，以期达到对实际生产的指导作用。1 工艺性分析和压铸工艺参数的确定首先采用三维画图软件CATIA构建汽车转向器的三维模型。运用ProCAST中MeshCAST模块对构建的汽车转向器三维模型进行修复，修复模型中的未定义曲线和曲面，然后生成面网格和体网格。为简化模拟，实际模拟过程采用虚拟模具。压铸模拟过程中，使用的合金材料和铸型材料分别为ADC12合金和H13模具钢，其热物性参数如表1所示。表1 ADC12合金和H13模具钢的热物性参数Table1ThermophysicalparametersofADC12alloyandH13diesteel材料ADC12H13密度/(g·cm-3)2.77.361液相线温度/℃607.51473固相线温度/℃525.81355热导率/（W·m-1·K-1）9228.07熔化潜热/（kJ·kg-1）389209.35比热容/（J·kg-1·K-1)963460在实际浇注过程中须预防铝合金液的氧化变质。浇注温度过高，压铸过程中合金液易产生飞溅。同时，浇注温度过高将导致模具温度升高，增加铸件的冷却脱模时间，影响实际生产效率。初选铝合金转向器的浇注温度不超过680 ℃，本文选择的模拟参数为650 ℃。模具温度指压铸模具的表面温度，其标准状态应为合金液浇注温度的1/3左右。模具温度影响铸件的力学性能、尺寸精度和模具寿命。初选模具温度为180~240℃，本文选择的模具温度为220℃。压射速度指压铸机的冲头在压室中推动合金液向前移动的速度，本文选择快压射速度和慢压射速度分别为3.0m/s和0.3m/s。在模拟过程中，铸件和铸型之间的界面换热系数为1000W/（m2·K）。压铸件上选取不同位置试样，经打磨和抛光的金相试样用4%硝酸酒精溶液（体积分数）腐蚀后在LeicaDMI3000M型金相显微镜（OM）上进行组织观察。2 结果与分析2.1 压铸过程的数值模拟2.1.1 充型时间的模拟图1为铝合金汽车转向器的充型时间模拟结果。可见，充型过程中合金液由浇口流经直浇道和横浇道，通过内浇道充填整个型腔。当充型时间为0.1378s时，熔体开始填充型腔，填充型腔时熔体发生分流，分流会造成几股合金液不同步填充型腔，可能会在铸件的表面产生流痕，这就表明在充型过程中需要适当提高快压射速度，提高合金液的流动性来避免产生流痕，改善铸件表面质量。整个充型过程用时0.1620s，其中型腔填充时间仅为0.0242s，整个充型过程相对较平稳，没有出现合金液的飞溅，很大程度上可避免卷气，表明模具设计总体较为合理。2.1.2 充型过程温度场图2为铝合金汽车转向器充型过程的温度场分布。当充型时间为0.1498s时，合金液充填量为51%。当充型时间为0.1553s时，金属液充填量为79%，此时合金液的流动速度和方向发生一定变化，合金液产生交汇。合金液交汇处可能会产生夹杂等铸造缺陷，铸件在交汇部位的质量需要重点检测。铸件最后充填的部位为溢流槽，很大程度上可避免卷入气体和夹杂物。随着充填过程的进行，合金液在充填过程中的温度逐渐降低。待充型结束后，铸件各位置温度均在640℃以上，均高于ADC12合金的液相线温度，从而避免由于合金液温度低而造成的冷隔和浇不足缺陷。2.1.3 充型过程卷气模拟图3为铝合金汽车转向器充型过程的卷气顺序模拟结果。可见，卷气顺序与熔体充型顺序基本一致，卷气顺序依次为浇口→浇道→型腔→溢流槽。溢流槽作为最后的卷气部位表明排气系统设计合理，可以大大降低铸件的卷气量。压铸件壁厚不均匀，但有一点需要注意的是，在充型时间为0.1604s时，如图3d白色线框所示，该位置作为铸件最后卷气部位，且周围没有设置溢流槽，可能导致该部位卷气和夹杂，需要多加关注。在浇道及大部分型腔部位，气体压力较小。在型腔轮缘周围气体压力较大，有产生气体陷入的可能，这是因为铸件轮缘处结构复杂突兀，容易产生气体残留。溢流槽处空气压力较大，这是因为大量气体最终集中于此部位。另外，靠近模具壁位置压力要小于远离模具壁位置压力。另外，随着充型距离的增加，铸件主体部分卷入气体的趋势增大。2.2 压铸组织分析图4a为铝合金汽车转向器的宏观图，在三个不同位置取样，厚度分别为4.0mm、6.2mm和3.6mm，其金相照片分别如图4b-d所示。可见，不同位置的金相照片中均未见到明显的夹杂物和孔洞等缺陷，这表明采用模拟优化工艺压铸后获得的铝合金汽车转向器压铸件组织较好，无明显缺陷。虽然三处位置的厚度有所不同，但其微观组织差异不大，均为α-Al基体、深铸造 张银帅等：铝合金汽车转向器压铸过程的数值模拟与产品组织分析 573万方数据· ·（e）t=0.1604s （f）t=0.1620s图1 铝合金汽车转向器的充型时间模拟Fig.1Simulationoffillingtimeforautomobilesteeringgearwithaluminumalloy（c）t=0.1553s （d）t=0.1620s图2 铝合金汽车转向器充填过程中的温度场分布Fig.2Temperaturefielddistributionforaluminumalloyautomobilesteeringgear（a）t=0.0764s （b）t=0.1248s（c）t=0.1378s （d）t=0.1458s（a）t=0.1462s （b）t=0.1498sFOUNDRYJun.2017Vol.66No.6574万方数据· ·色长针状或板条富Si相、较浅色无规则的Al8SiFe2相和少量Al2Cu相组成。这说明该产品压铸过程中选取的工艺参数合理。另外，凝固收缩过程中溢流槽和铸件最外部应该最先凝固，随后是铸件内部，浇注系统凝固时间最长的规律。由于合金液在铸件薄壁处和溢流槽处先于内部厚壁区凝固而阻碍其对该液相区的补缩作用，所以最后凝固的截面厚大的热节处可能容易出现宏观或显微收缩，铸件轴心和热节部位易形成分散细小的缩孔、疏松。但由于整体铸件小而薄，工艺参数选择合理，所以并未出现上述缩孔、疏松缺陷。（c）t=0.1474s （d）t=0.1604s图3 铝合金汽车转向器充填过程中的卷气顺序模拟Fig.3Simulationofgasvolumesequenceforaluminumalloyautomobilesteeringgear（a）t=0.1151s （b）t=0.1442s（c）位置B （d）位置C图4 铝合金汽车转向器的宏观图和不同位置的金相照片Fig.4Macrographandmetallographondifferentlocationsofaluminumalloyautomobilesteeringgear（a）转向器宏观图 （b）位置A铸造 张银帅等：铝合金汽车转向器压铸过程的数值模拟与产品组织分析 575万方数据· ·3 结论运用铸造模拟软件ProCAST对ADC12铝合金转向器压铸件的充型过程进行数值模拟分析。在选择的压铸工艺参数下（浇注温度650℃，模具温度220℃，快压射速度3.0m/s和慢压射速度0.3m/s），从充型时间、温度场和卷气顺序三个方面对参数进行验证。得出以下结论。（1）整个充型过程相对较平稳，没有出现合金液飞溅，卷气顺序依次为浇口→浇道→型腔→溢流槽，溢流槽作为铸件最后充填的部位，可以很大程度上降低铸件的卷气量和夹杂物的卷入，表明模具设计总体较为合理。（2）充型结束后，铸件各位置温度均在640 ℃以上，高于ADC12合金的液相线温度，从而避免由于合金液温度低而造成的冷隔和浇不足缺陷，通过金相组织观察，铸件不同位置内部质量良好，无明显夹杂和孔洞等缺陷。参考文献：[1] 罗爱华，AnilKSachdev，BobRPowell.汽车轻量化先进铸造技术[J].铸造，2011，60（2）：113-118.[2] 张国俊，孙志平，邹丽艳.铸造过程数值模拟的应用与展望[J].热加工工艺，2010，39（21）：61-64.[3] HuBH.Designandoptimizationofrunnerandgatingsystemsforthediecastingofthin-walledmagnesiumtelecommunicationpartsthroughnumericalsimulation[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology，2000，105：128-133.[4] 李仁峰.压铸模具浇注排溢系统优化设计技术研究[D].大连：大连理工大学，2008.[5] 谭建荣，吴培宁，张树有，等.压铸件凝固过程温度场变化的计算机模拟[J].农业机械学报，2002，33（2）：105-108.[6] 陈瑶，白雪峰，朱日明，等.铸造过程应力场数值模拟集成化技术的研究[J].铸造，1997，46（3）：1-5.[7] 李朝霞，刘文辉，熊守美，等.压铸镁合金模具温度场分布的研究[J].铸造，2008，57（8）：1050-1058.[8]HattelJP，AndersonS，HensonP.Modelingofthermalinducedstressesindiecastingdies[C]//Transactionof17thInternationalDieCastingCongressandExposition，1993.[9] 杨裕国.压铸模的热流量与温度梯度[J].特种铸造及有色合金，1997，17（4）：3-6.[10]OhnngS，JensB.Thermalfatiguetestingofchromiummartensitichotworktoolsteelafterdifferentaustenitizingtreatments[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology，2004，153-154：1089-1096.[11]SarkaraA，CharlesL，WebberJ，etal.RecurrenceanalysisofthePortevin-Lechateliereffect[J].PhysicsLettersA，2008， 372：1101-1105.[12]LeeS，ThangTN，GeorgeML.Coolingeffectoflubricantspraysindiecastingdies[J].DieCastingEngineer，1994，7（8）：30-35.[13]GroeneveldTP，KaiserWD.Guidelinesforlocatingwaterlines[J].DieCastingEngineer，1977，21（5）：14-21.[14]JiaLR，XiongSM，LiuBC.Studyonnumericalsimulationofmoldfillingandheattransferindiecastingprocess[J].JournalofMaterialsScienceandTechnology，2000，16（32）：269-272.（编辑：张允华，zyh@foundryworld.com）FOUNDRYJun.2017Vol.66No.62017年5月，由浙江楠源机械制造有限公司投资的汽车制动系统关键零部件项目，在杭州市萧山区瓜沥镇开工建设。据了解，浙江楠源汽车关键部件项目，建设研发车间、汽车制动系统关键部件加工车间一、铝压铸车间二建筑面积共计11977平方米，实现年产400万套汽车制动系统关键部件。建设周期为一年，预计2018年3月建成投产。浙江楠源机械制造有限公司前身为杭州楠源机械制造有限公司，成立于2010年9月，注册资本1018万元人民币，位于杭州市萧山区，主要从事机械配件、汽车配件、五金配件、水泵、电机的生产、加工和销售。（来源：中国铝业网）浙江楠源投2亿元建铝压铸项目2017年5月，霍林郭勒市嘉晟铝合金压铸项目前期手续已经办理完毕，设备运行稳定，试生产顺利，投产后预计每天能消耗约10吨铝锭，日生产3~5万套合金锁，产品主要销往赤峰、东北三省、河南河北等地。霍林郭勒市嘉晟铝材料有限公司铝合金压铸项目是内蒙古自治区重大项目，于2015年投资建设，规划总投资3.5亿元，已完成投资5500万元。该公司拥有压铸材料加工、型材挤压、均匀喷砂、阳极氧化、双盐着色、铜盐着色、无机染色、电泳电镀、精品喷涂、仿真木纹、隔热铝材、铝材深加工等技术。项目全部达产后，可实现年销售收入20.5亿元，利润总额、利税各1亿元，拉动就业200人。（来源：霍林郭勒政府网）霍林郭勒市嘉晟铝合金压铸项目试生产顺利576万方数据