压铸型腔排气率影响因素研究

曹韩学  贾从波  姜浩  唐浩兴  李莉

 （重庆大学材料科学与工程学院）

摘要  运用Flu。nt软件对抽真空和压铸模具的排气槽形状与排气率的影响关系进行了数值仿真分析。结果表明，在型腔中抽真空能极大地提高排气率，排气槽口的形状对真空压铸的排气率的影响较大，渐变式和大截面形状的排气槽更有利于抽真空。

关键词  压铸；排气；抽真空

 气孔缺陷是压铸件的主要缺陷之一。普通压铸模具的排气能力越差，压铸件的气孔率越高。对此，研究人员为了降低压铸件的气孔率，做了很多研究工作。MASASHI U和万里等采用真空压铸工艺，降低压铸金属流体充型过程中型腔内的气体含量，减少了气孔缺陷。于雪梅等采用大截面、短距离压铸模具排气通道提高了型腔的排气能力。

 然而，这些工作都没有对压铸模具的排气槽形状与其排气率的影响关系进行分析。本课题主要结合Flu-ent流体分析软件对抽真空、排气槽形状对排气率的影响进行分析。

1数值模拟仿真

对压铸排气过程的数值仿真，将压铸排气复杂的模型进行抽象，主要考虑温度以及抽真空这两个参数对排气槽的排气率的影响，不考虑金属液的作用。对于室温下空气流动，其主要驱动力为流动区域进出口之间的压力差。压力差随时间而大范围的变化，表征各种不同的真空状态。压力值的变化很缓慢时，表明任意时刻都可以认为流动接近于稳态。图1为设计排气槽的几何形状及网格，排气槽入口和出口的尺寸比例为3：1。其中入口指靠近铸件方向，出口与入口方向相反。

在进行排气溢流系统中气体的流动模拟时，选择Spalart-Allmaras湍流模型，其仅考虑了动量相对简单的传递方程模型。对于有固壁边界的气体动力学流动，采用Spalart-Allmaras模型计算边界层内的流动以及较大压力梯度的流动效果。模拟参数设置见表1，出口处的温度设置为300 K，人口处温度设置为600 K。对于普通压铸的排气，其出口处为标准大气压状态，而真空压铸的抽真空排气出口处的气压设置为0.5个大气压。

2  抽真空对排气率的影响

普通压铸和真空压铸排气槽的质量流率分别见图2和图3。可以看出，普通压铸排气率低，而真空压铸排气率高。抽真空会加速压铸模具型腔内气体的排出，有效减少型腔中的气体，从而减少铸件卷入气体。另外，还可以发现普通压铸排气率的波动大，而真空压铸排气率的波动小。抽真空技术的采用在压铸过程中更有效地引导气体的流动，加大型腔排气率，有效减少型腔内残留气体。

 对于普通压铸，其排气槽出口处的静态压强等于其下游区域流体的压强。原因有如下两点：①没有内在的机制导致排气槽出口和入口之间产生静态压差，因此对于亚声速流体，排气槽人口和出口处的压强相同；②排气槽出口处的微小扰动通过整个流场传递至入口处，上游压强的连续增加会引起质量流动及气体流动速度的增加，直到局部马赫数在出口处达到统一。

3  型腔形状对排气率的影响

 在压铸过程中，尤其是在真空压铸中，排气槽处气体流动的速度是极有可能超过声速，在这种条件下就极容易产生激波，从而引起扰动。任何时候，超声速气流形成一个激波时，特别是在非常薄的区域（在空气中为10-s cm量级），通过这一区域时，密度、压力、速度等量都会发生急剧的变化。这些变化在激波区域内以一个连续的方式进行。但是，由于激波通常很薄，宏观观察到的变化是以不连续的方式发生的。因此，在传统的超声速空气动力学中，通常在数学和物理上，将激波看作是突变的间断。

 当气体从一个很大的容器（或型腔）中通过一个小孔向外逸出时，可以近似为稳态、绝热流动，如果容器的体积相比小孔来说足够大的话，那么可以认为容器中的气体近似处于滞止状态。当容器中的气体通过小孔被完全排除达到真空的那一瞬间，小孔中气体的流速达到最大。对于室温时的空气而言，温度为300 K，比热容C。=1 000 J/( kg．K)，空气的最大流速可以达到775m/s。所以，在压铸过程中，尤其是在真空压铸中，排气槽处气体流动的速度是极有可能超过声速，在这种条件下就极容易产生激波，从而引起扰动。

在空气动力学中，压力分布通常以相对压力系数表示，而非压力本身。相对压力系数a。定义为

可见，激波的形成受障碍物的影响。在压铸过程中，这种扰动受制于排气槽的几何形状和尺寸。在设计的突变式排气槽（见图1）的基础上，再设计一种出口为大截面的排气槽（见图4），其出口处尺寸为图1的3倍；另外一种截面形状平稳变化的排气槽——渐变式排气槽，见图5。其中，图4和图5排气槽人口方向的尺寸与图1-样，且这两种形状的的排气槽都应用表1中的抽真空参数进行数值仿真。模拟的出口抽真空质量流率分别见图6和图7。

  本课题设计的排气槽形状，有两种变化方式：从阶梯式到渐变式，从小截面到大截面。对3种形状的排气槽进行抽真空排气率分析。对于阶梯式的排气槽，其排气率偏小，且在排气过程中排气率没有明显的增加，而渐变式的排气槽，其排气率较大，且随着时间的推移，其排气率增加明显。从小截面积到大截面积的排气槽，小截面积的排气率小，而大截面积的排气率大。

4结论

 (1)对于排气槽口的气体流动状态，抽真空能极大地提高型腔排气速度，减少型腔内残留气体。

 (2)排气槽口的形状对真空压铸的排气率的影响较大，渐变式和大截面的排气槽更有利于抽真空。