基于模拟仿真技术的出水器本体低压铸造模具设计及其工艺优化

56模具工业2012年第38卷第2期基于模拟仿真技术的出水器本体低压铸造模具设计及其工艺优化田磊，沈江南，段惠珍，王沁峰，李延平集美大学MY程学院，福建厦门361021摘要利用专业铸造模拟仿真有限元分析软件PROCAST对某出水器本体初始低压铸造工艺过程进行模拟仿真分析，模拟结果显示，出水器本体内部型腔多处出现孤岛现象，产生严重的缩孔、缩松缺陷。对出水器本体及其模具结构进行改进，并对改进方案进行模拟分析，结果表明改进后工艺方案明显减少了孤岛效应。将改进后的工艺方案投入试生产，产品抽检结果与模拟结果基本吻合。关键词出水器本体；低压铸造；模具设计；模拟仿真；工艺优化中图分类号TG2492；024221文献标识码B文章编号10012168201202005605DESIGNOFLOWPRESSURECASTINGDIEANDPROCESSOPTIMIZATIONBASEDONSIMULATIONTECHNOLOGYFORWATEROUTLETDEVICEBODYTIANLEI，SHENJIANGNAN，DUANHUIZHEN，WANGQINFENG，LINYANPINGCOUEGEOFMECHANICALENGINEERING，JIMEIUNIVERSITY,XIAMEN，JIAN361021，CHINAABSTRACTFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREPROCAST，APROFESSIONALSOFTWAREFORSIMULATINGCASTINGPROCESS，WASUSEDTOSIMULATEANDANALYZETHEINITIALLOWPRESSURECASTINGPROCESSFORAWATEROUTLETDEVICEBODYTHERESULTSHOWSTHATTHEINTERNALCAVITYOFTHEBODYHASMANY“ISOLATEDISLANDS”ANDSEVERENECKINGANDSHRINKAGEPOROSITYDEFECTSIMPROVEMENTWASTHENMADEONTHEBODYANDDIESTRUCTURESIMULATIONANALYSISINDICATESTHATTHEISLANDINGHASBEENREDUCEDALOTWITHTHENEWPROCESSANDTHERESULTOFSAMPLESURVEYSAGREESWELLWITHTHATFROMTHESIMULATIONKEYWORDSWATEROUTLETBODY；LOWPRESSURECASTING；DIEDESIGN；SIMULATION；PROCESSOPTIMIZATIONL引言低压铸造是一种特种铸造技术，原理为通过可控气体传递压力将金属液自下而上流经升液管，压入模具型腔并在压力作用下冷却、凝固成型最终获得所需铸件UL。其主要优点为加工尺寸精度高，加工余量小甚至无加余量，生产效率高，易进行自动化生产等。当前低压铸造技术的主要问题为铸件成品率低，开模周期长甚至需要反复试模、修模，模具寿命短，铸件质量低等。应用数值模拟技术可收稿日期201卜LO一26。基金项目福建省自然科学基金2010JO1302厦门市科技计划项目3502Z2OL03020。作者简介田磊1985一，男，河北保定人，硕士研究生，研究方向为模具CADICAE，地址厦门市集美区石鼓路9号集美大学机械L程学院，电话05925962627，电子信箱YPLIJML1EDUCA。以有效解决上述问题。铸造数值模拟技术是针对铸造工艺建立反映实际生产状态的本构方程，然后运用计算机技术，在符合实际生产的边界条件下，进行模拟计算，从而得到可视化的铸造生产过程，并对铸造结果进行预测。2铸造模拟仿真数学模型口低压铸造充型过程中金属液为牛顿流体且具有以下特点不可压缩，受热不膨胀，液体黏度随温度升高而降低。21连续性方程连续性方程即质量守恒方程见式1，其实质为质量守恒定律在流体力学中的数学表达式，表示模具工业2012年第38卷第2期57的意义为单元体内质量流出量等于周围流入该单元的质量。OA。缸。AV。A、式中P流体密度流体速度在坐标轴的分量流体速度在L，坐标轴的分量一流体速度在Z坐标轴的分量。22粘性流体运动万槿粘性流体运动方程是动量守恒定律即牛顿第二定律在流体力学中的表达形式。由牛顿第二定律得到在流体中应力与流体在X、Y、Z轴上的速度分量关系式分别为LD警一筹丢2一DIV，岳AUXLD一2一号DIV0瓦AUYYYID警一警岳一号DIV丢OUXJ0OUYMYJ式中轴方向单位质量的体积力分量；L，轴方向单位质量的体积力分量；卜Z轴方向单位质量的体积力分量；R切应力；压力；速度分量。式24中有9个应力，3个速度分量，共计12个未知数，故无法求解。根据切应力与角变形的关系以及法向应力与线变形速度的关系，可以得到足够的方程组求解未知数，整理得警LGRADP5式中一拉普拉斯算子，。暴导善。LDF器OTATA去麦S式中P流体密度；R比热容。24数学模型的求解流体方程采用SOLAVOF解法进行求解，其中SOLASOLUTIONALGORITHM用于求解速度场和压力场；VOF即体积函数法用于处理流体的自由表面问题。3出水器本体低压铸造初始工艺设计31出水器本体概述图1所示出水器水龙头本体为无铅铜合金材质的卫浴五金铸件，铸件形状为不规则管状，平均壁厚约33MM，平均半径为R44MM，高度为117MM。使用PROENGINEER软件对铸件进行三维实体造型如图2所示，其中A处为进水口，B处为开关阀门，C处为出水口。阀门B处内壁设计2MM的机械加工余量，要求内壁处不得出现漏水缺陷。图1铸件二维图32低压铸造初始模具设计23能量守恒方程低压铸造