一种基于ProCAST模拟的ADC12压铸工艺优化方法

   作者：张毅           

      铸件在凝固过程中，由于合金的体积收缩，容易在铸件最后凝固的部位出现缩松、缩孔[ 2]，同时因为浇注排溢系统结构设计不当，亦会在铸件中形成气孔缺陷。运用铸造凝固过程数值模拟[1]，可以预测金属液从进入型腔到完全冷却的过程，预测微观组织凝固缺陷，对出现缺陷的位置、大小及发生的时间进行评估，从而改进工艺，改进铸件的质量，缩短试制周期，降低生产成本。

1  铸件及结构特征

    图1为ADC12铝压铸件的外形和内部结构图，铸件外形尺寸为150 mm×70 mm×90 mm，呈直筒状，两端的补缩距离较长，在铸件上侧存在凸起状结构，类似于溢流槽结构，易产生较多的缩孔及气孔。铸件下侧为薄壁结构，若补缩不足，易出现缩孔缺陷。在铸件内部有一处深腔薄壁环状结构，在加工过程中该处发现较多缩孔及气孔。图2为铸件浇注排溢系统，内浇道设置在铸件右端，将横浇道、料柄等设置在铸件下方，在金属液最后充型的位置设置了两个溢流槽，并在溢流槽后端加设排气槽。

2  数值模拟分析

2.1模拟参数设置

    将铸件在ProCAST中的Visual-mesh模块进行网格划分，并导入到PreCAST模块进行参数设置。铸件材质为ADC12铝合金，表1为ADC12铝合金的化学成分，表2为模拟参数。

2.2  充型过程分析

    铸件充型过程模拟结果见图3。可以看出，当t=0. 034 0 s时，金属液在椭圆区域内开始汇合，并向铸件右端收拢，此处形成闭合区域，易造成卷气现象，同时金属液冲击剧烈，流态紊乱并容易对模具造成损伤(见图3a)。从压铸件充型时间图（见图4）可以看出，椭圆区

域内金属液最后充填，排气困难，同时此处的金属液绝大部分为冷污金属液，含杂质较多。当t=0. 036 4 s时，由于浇注方向的局限性，金属液以较快速度优先充填铸件的侧壁型腔（见图3b）。当t=0. 040 9 s时，金属液继续向下充填，当金属液充填到铸件左端时，并未充填铸件下侧，并形成狭长的镂空状（见图3。椭圆）。当t=0.043 0 s时，金属液向铸件下侧充填，并且铸件左侧金属液充填速度快于右侧并向右下侧包拢(见图3d)。当t=0. 047 1 s时，金属液充填铸件下端，下端椭圆区域是铸件薄壁和厚壁连接的区域（见图3e），同时，上阶段的金属液将气体驱赶至该区域，故图4中的椭圆区域是铸件气孔及缩松、缩孔的高危险区，同时，在铸件上端的圆形区域（见图3e）内亦存在热节且排气不    良[3～5]。当t=0．051 2 s时，金属液即将完成充型，在    铸件右下侧形成闭合区域，易造成卷气(见图3f)。

    图5为液体未充型区图，其中灰暗部分代表该时刻金属液未充填区域。t=0. 019 1 s时，为金属液充填初期，椭圆浇道位置存在一部分镂空，在后续充填过程中极易卷入气体，并被带人型腔形成气孔（见图Sa）。t=0. 045 1 s时，铸件主体部分已经充型完成，即将充填铸件左端的溢流槽，然而图5b中的圆圈区域还未开始充型，导致该处气体排气通道阻断不良，同时此处属于模具的深窄盲槽，极易在压铸过程中形成严重的表面缺陷（见图5b）。

3  模具工艺优化

    针对铸件充型过程的分析结果，对铸件浇注排溢系统进行优化[6~9]，以求改善局部区域缩孔及气孔率较高的问题，见图6。可以看出，将A处主横浇道分出一条分支浇道，通向铸件的右下端部位，提高金属液对铸件左侧部分的补缩能力，并改善铸件下侧充型缓慢的问题，实现顺序充填。在B处增设溢流槽，实现该处冷污金属液的集渣效果并调节其紊乱流态；同时在该溢流槽上增设排气槽，加强排气效果。在C处亦增设溢流槽，转移该处壁厚区存在的热节。

    图7为模具优化方案。针对t-0.019 1 s时的液体未充型区的分析结果，对浇道做出适当修改，使得浇道截面积逐渐减小，避免裹气现象。针对t=0. 045 1 s时液体未充型区图的分析结果，对铸件左侧的型芯杆进行结构改进，在芯轴处钻出通孔并内嵌入顶针(见图7a)，同时将型芯端部做成凹陷状以防止粘模，并在顶针周围做出4个引流槽，引导杂质气体的流向并通过顶针与型芯之间的缝隙将气体排出（见图7b）。

4模拟验证

    对改进后的浇注排溢系统再次进行ProCAST模拟，观察其模拟结果（见图8），可以看出在铸件关键位置无明显的缩松、缩孔缺陷。

5  结  语

通过对ADC12铝合金压铸件结构及其浇注排溢系统进行剖析，运用ProCAST软件对铸件充型过程进行模拟，预测到易出现缩孔和气孔的区域。结合实际生产中发生缩孔及气孔缺陷的位置，提出了优化方案，对模具型芯及浇注排溢系统进行了改进。经检验，该产品合格率得到明显提升。 

6 摘  要针对ADC12铝合金压铸件缩孔及气孔率较高的问题，运用ProCAST软件对铸件的充型过程进行仿真，结合铸件的结构特征，对铸件缩孔及气孔高发区进行缺陷分析，并预测铸件其他区域可能存在的缺陷问题，对现有铸件的模具工艺进行评估并改进。结果表明，改进后的铸件毛坯结构和模具型芯能够减少和消除了缩孔及气孔缺陷。