摘要：大型薄壁件在壓鑄中極易產(chǎn)生缺陷，采用正確的壓鑄工藝與模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并將模具型腔抽真空，有效減少缺陷。采用數(shù)值模擬輔助法確定澆口形式，以及壓鑄時(shí)的料包和抽氣口的位置，合理確定抽氣時(shí)序，選擇合理的壓鑄工藝，最后得到合格鑄件。
關(guān)鍵詞：大型薄壁件、真空壓鑄、數(shù)值模擬、模具設(shè)計(jì)
大型薄壁壓鑄件廣泛地應(yīng)用于汽車、摩托車、便攜式農(nóng)林機(jī)械、電動(dòng)工具及電腦機(jī)殼等，年需求量在1000t以上，市場(chǎng)潛力很大;而此類鑄件在壓鑄時(shí)經(jīng)常存在充型困難、氣孔率高、縮孔嚴(yán)重等問題，正確地設(shè)計(jì)真空壓鑄模并合理地選擇工藝參數(shù)，可以很好地解決這些問題。真空壓鑄有兩種方法：一種是用真空罩將模具等進(jìn)行密封;另一種是將模腔抽真空。模腔抽真空法對(duì)裝備要求較低，周期較短，應(yīng)用較普遍。本文闡述了模腔抽真空法壓鑄模的設(shè)計(jì)過程。
1.真空壓鑄模的設(shè)計(jì)方法與工藝
1.1 設(shè)計(jì)方法
模腔抽真空法抽氣點(diǎn)的正確確定對(duì)氣壓的穩(wěn)定有重要的影響;正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)與模具結(jié)構(gòu)是采用真空壓鑄的必備前提。在依據(jù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上初步確定澆口與分型面，采用壓鑄模擬軟件FLOW-3D分析鑄件的成型效果，確定難充滿部位與缺陷所在;調(diào)整優(yōu)化分型面和澆口位置與澆口形式，在難以成型部位設(shè)置抽氣閥，該抽氣閥由控制器控制啟閉，設(shè)計(jì)控制器的時(shí)間時(shí)序，控制抽氣閥門的抽氣時(shí)序和氣壓，再進(jìn)行模擬分析，直到得出滿足需要的結(jié)果為止。
1.2 真空抽氣壓鑄的工藝過程
工藝過程如圖1所示，壓鑄時(shí)，壓鑄機(jī)的壓鑄沖頭運(yùn)動(dòng)到一定距離(液態(tài)合金將型腔內(nèi)的空間封閉時(shí))，感應(yīng)器將信號(hào)傳遞給控制器，使控制器啟動(dòng)開始工作，控制所有的抽氣閥開啟進(jìn)行抽氣，在液態(tài)合金即將流動(dòng)到相應(yīng)的抽氣閥之前，依據(jù)所設(shè)計(jì)的時(shí)序?qū)⒃撎幊闅忾y關(guān)閉;在此期間，沖頭進(jìn)行高速壓射。
要更為有效地解決大型薄壁壓鑄件的縮孔問題，必須很好地設(shè)置沖頭的沖射速度和壓力，使鑄件的內(nèi)外均勻冷卻收縮，并確保補(bǔ)縮的可能。
2.模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.1 鑄件簡(jiǎn)介
圖2是某鑄件的三維圖，該鑄件的殼體表面厚度為0.8mm，內(nèi)部筋肋最高達(dá)20mm，厚度為0.5mm，還有數(shù)個(gè)高達(dá)30mm，直徑為西5mm的螺栓柱，制件的兩側(cè)面各有1個(gè)厚2mm的凸耳，鑄件的外輪廓尺寸為405mmX370mmX165mm，鑄件屬于典型的大型薄殼件，材料是ZAl103。
2.2 分型面和澆口的初步確定
依據(jù)以往的設(shè)計(jì)，初步確定制件的最大輪廓面為分型面;將澆口設(shè)置在左側(cè)邊緣處，形式如圖3所示。在后續(xù)的數(shù)值模擬中，如充型等效果不夠理想，需要對(duì)分型面或澆口等進(jìn)行重新設(shè)定并再進(jìn)行模擬分析。
2.3 抽氣點(diǎn)和料包的設(shè)計(jì)
在初步確定分型面和澆口的基礎(chǔ)上，利用軟件模擬，得到充型效果，根據(jù)分析得出：鑄件的兩側(cè)凸耳和澆口對(duì)面的側(cè)壁不能很好地充滿，或有很明顯的冷隔。據(jù)此可以確定壓鑄時(shí)液態(tài)金屬的流動(dòng)次序如圖4所示：①澆口一②分流道一③殼體上表面和兩側(cè)面一④殼體后側(cè)面。其中：在A處所示的加強(qiáng)筋、小柱銷等處，由于厚度薄，具有一定高度，料冷卻快，該處型腔容易被液態(tài)合金封口而致使氣壓不穩(wěn)，難充滿成型;氣壓的變化也容易形成料流紊亂，造成該處質(zhì)量差，是制件難以成型的部位;B處突起的耳狀部位由于液態(tài)合金將型腔口部封住，使氣體不容易排除，造成該處成型質(zhì)量較差;C處和D處是殼體壁部的邊緣部位，是料流的末端，很多氣體被擠壓到該處，也很難成型。如圖5所示，在相對(duì)難以成型的部位A1、A2、A3、A4、B1、B2、C1、C2、D處設(shè)置若干個(gè)抽氣閥和料渣包，將抽氣閥與控制器相連接，設(shè)置好控制器的時(shí)間時(shí)序，用以控制抽氣閥的抽氣時(shí)序和氣壓。
型腔真空度為60mbar，制件的體積1.605671×106mm3，通過計(jì)算所得的抽氣時(shí)間為0.5 s，再依據(jù)所確定的流動(dòng)時(shí)序，采用PLC編程設(shè)計(jì)控制器對(duì)閥門進(jìn)行時(shí)序控制，使控制器與壓鑄機(jī)匹配。
抽氣閥門關(guān)閉的時(shí)序如圖6所示。合模后，在壓鑄沖頭運(yùn)動(dòng)到一定距離時(shí)，控制器得到壓射啟動(dòng)信號(hào)，開始工作;所有抽氣閥開啟，進(jìn)行抽氣，這也是壓鑄沖頭低速壓射時(shí)段t1，也叫真空延遲時(shí)段;而后進(jìn)入快速壓射階段t2，真空啟動(dòng)，并使真空度達(dá)到要求，液態(tài)合金開始填充型腔;在t3高速壓射階段，控制器的關(guān)閉信號(hào)按照時(shí)序給抽氣閥，tA、tB、tC、tD為關(guān)閉相應(yīng)抽氣閥的時(shí)間間隔;關(guān)閉的順序依次是A1、A2、A3、A4、B1、B2、C1、C2和D1關(guān)閉抽氣閥后，真空停止，才可開模。
2.4 模擬效果及實(shí)物圖
工藝參數(shù)初選為壓射比壓420MPa、壓射速度0.75m/s、合金填充速度38～46 m/s、合金澆注溫度650～700℃，圖7是充型結(jié)束的鑄件模擬圖。從充型狀況看，流動(dòng)前沿均勻向前推進(jìn)，流動(dòng)狀況良好;燈罩上表面質(zhì)量良好;燈罩下表面小柱銷頂端有點(diǎn)缺陷，強(qiáng)度會(huì)降低;側(cè)面開蓋處有少量夾雜。
圖8是采用文中工藝最后得到的壓鑄件，經(jīng)過檢驗(yàn)?zāi)軌驖M足要求，現(xiàn)已量產(chǎn)。
3.結(jié)束語
采用真空壓鑄工藝生產(chǎn)大型薄壁殼體鋁合金件，首先要正確設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)，正確選擇工藝參數(shù)，這樣氣孔能夠極大減少、提高壓鑄件表面質(zhì)量和性能、鑄件氣密性要求也能得到滿足;在生產(chǎn)中也可以減小型腔內(nèi)的反壓力，有利于延長(zhǎng)模具壽命，同時(shí)可以選用壓射力稍小的壓鑄機(jī)。