铝合金低压铸造浇注系统的CAD设计.pdf

铝合金低压铸造浇注系统的CAD设计 廖海洪 13 梁敏洁 1 程 军 2 1 中北大学材料科学与工程学院 山西 太原030051 2 北方工业集团公司科技部 北京100083 摘要 基于低压铸造的基础理论 确定出了低压铸造浇注工艺参数 并根据低压铸造工艺设计流程 以Windows 2000和AutoCAD作为支撑软 件和系统平台 采用Visual C 等软件作为开发工具 成功开发了低压铸造加压规范的程序 并绘制了加压工艺规范曲线 同时 在低压铸 造工艺设计中进行了浇注系统模块的开发 此系统可以方便 快速地计算各工艺参数 完成加压工艺规范及浇注系统模块的开发 生成友好 的人机交互式界面 通过实例验证 证明了该系统的实用性和正确性 关键词 低压铸造 计算机辅助设计 CAD 加压规范 浇注系统 中图分类号 TG233 1 文献标识码 A 文章编号 0258 7076 2006 0043 06 低压铸造是介于压力铸造和重力铸造之间的 一种特种铸造方法 最早由英国人Lake E F于1910 年提出并申请专利 1 是实现铸件少余量 无余量 加工 铸件精密化 薄壁化 轻量化和节能化的重 要措施 具有充型平稳 速度易于控制 冲击和飞 溅小 氧化渣少 组织致密度和力学性能高 浇注 系统比较简单 工艺出品率高 适用范围广等诸多 优点 这使得低压铸造技术发展迅速 并引起了人 们广泛的关注 2 3 随着我国工业水平的迅速发展 铝合金的应用 越来越广泛 且对其铸件的质量和性能也要求越来 越高 这使得铝合金低压铸造技术得以快速发展 并在实际生产中显示了强大的生命力 4 但由于低 压铸造生产工艺的完成大多数都凭借工程技术人员 的经验来进行工艺设计 大大消耗了人力和物力 削弱了生产厂家的竞争力 而采用低压铸造工艺 CAD技术能消除人为的计算误差并达到最优化设 计 还能将设计的结果自动打印记录 绘制铸造工 艺卡 工装图等技术文件 极大的缩短设计周期 提 高生产率 从而降低生产成本 提高产品质量 因此 利用计算机技术改变低压铸造目前的生产设计状况 具有极为现实和重要的意义 近年来国内外在铸造 工艺CAD做出了许多研究和开发 5 6 相继研发了 一批实用的软件 但有关低压铸造浇注工艺CAD系 统的软件开发 目前仍相对较少 鉴于以上几点 作者开发了一套实用的铝合 金低压铸造浇注工艺CAD系统 并成功的将其应 用于实际生产中 且验证了其正确性 1 理论模型 1 1 加压工艺参数的确定 在低压铸造工艺中 各工艺参数的确定 直接 影响着铸件的浇注过程和成型过程 对铸件的内 在质量起着决定性的作用 因此如何正确合理的 设计升液和充型压力 充型速度 结晶压力 保压 时间等参数 是提高铸件质量的关键因素 1 1 1 充型压力 充型速度的确定 充型压力 是合金液进入型腔直到型腔被充满这一阶段作用 在金属液上的压力 当铸件高度确定后 就可以根 据下式 2 来计算充型压力值 p充 H 103316 kg cm 2 1 式中 p充为充型压力 kg cm 2 H为合金液从液 面上升到铸件的顶部的总高度 cm 为合金液的 比重 g cm 3 为充型阻力系数 一般取1 2 1 5 其值与型内反压 铸件的平均壁厚 充型速度 等有关 充型速度v充是指充型过程中 金属液面在型 腔中的平均上升速度 v充数值选择的恰当与否对 铸件的质量有直接的影响 充型速度反映了充型 第30卷 专辑 Vol 30 Spec Issue 稀 有 金 属 CHINESEJOURNAL OF RARE METALS 2006年12月 Dec 2006 繱收稿日期 2006 06 20 修订日期 2006 09 10 作者简介 廖海洪 1972 男 湖南武冈人 硕士 讲师 研究方向 计算机在材料加工中的应用 3 通讯联系人 E 2mail lhh 过程中金属液的上升情况 如果充型速度太快 型 腔中的气体来不及排出 则会使铸件产生气孔 轮 廓不清晰等缺陷 如果充型速度太慢 则会使金属 液温度下降而使粘度增大 铸件产生冷隔或浇不 足等铸造缺陷 所以充型速度和充型压力的合理 准确控制是控制铸件质量的关键环节 3 本次程序设计选用H M卡尔金公式 2 来计算 充型速度 充min 0122 h ln t浇 380 2 式中 充min为金属液在铸型中的平均上升速度 沿 铸件高度 cm s 1 h为铸件高度 cm 为铸件 壁厚 cm t浇为合金的浇注温度 充型时间 t充 H h 充min s h为坩埚中金属液面到升液管顶部的距离 cm 1 1 2 结壳时间的确定 对于有一定壁厚的铸 件 采用干砂型或金属型干砂型进行低压铸造时 充型结束后 必须有一段压力保持不变的结壳时 间 一般为15 30 s 1 1 3 增压压力 增压时间的确定 液态金属 在一定的压力下进行结晶 是低压铸造的特点之 一 在低压铸造的加压规范中一般都会有增压阶 段 即充型 结壳 结束后 在充型压力的基础上 再使压力增加一定数值 增压压力可以使金属液 在一定压力下对铸件进行补缩凝固 防止铸件出 现缩孔 缩松等铸造缺陷 可以使铸件不同壁厚处 的力学性能比较接近 并有效阻止合金中气体的 析出 从而提高铸件致密度 7 实践证明 补缩压 力越高 铸件组织越致密 然而过大的压力会使铸 件产生胀箱或铸件粘砂等缺陷 影响铸件尺寸精 度和表面光洁度 本程序增压压力采用下面的公式计算 8 p增压 k1p充 3 式中 p充为充型压力 k1为增压系数 对于金属型及金属芯的铸型 k1 1 5 2 0 金属型砂芯及干砂型 k1 1 3 1 5 对于湿砂 型 一般不增压 或稍许增加一点也可 如在p充 基础上 增加2 7 kPa 薄壁干砂型或金属型干砂 芯 增压压力可取0 05 0 08 MPa 金属型 芯 增压压力一般为0 05 0 1 MPa 对于特殊要求的 铸件可增至0 2 0 3 MPa 9 增压时间的确定 对于厚壁且有较高结晶压 力的铸件 增压速度一般控制在175 350 kg m 2 s 1 对于凝固速度快 薄壁 有较高结晶压力的铸 件 增压速度一般控制在350 500 kg m 2 s 1 故 t增压 p增压 p充 vp增压速度 4 1 1 4 保压时间的确定 保压时间就是当金属 液面上的压力 升至凝固压力后 保持至铸件完全 凝固所需要的时间 保压时间的精确控制是保证 获得优质铸件的重要工艺因素 保压时间过长 浇 口残留部分增多 不仅降低金属利用率 而且造成 铸件取出困难 增加清理铸型和升液管的工作量 若保压时间过短 铸件中尚未凝固的金属液会回 流至坩埚 使铸件 中空 报废 通常情况下以铸件 内浇口处无缩孔或浇口残留40 mm左右所需的保 压时间为宜 铸件的保压时间需根据铸件的壁厚 结构 合 金材料 浇注温度 模具冷却条件等多方面因素来 考虑 本程序保压时间采用下面的公式计算 3 t k t熔 t模 b L t浇 t熔 C M 5 式中 k为合金的比热系数 铝合金的比热系数为 1 1 t熔为合金的熔化温度 t模为浇注时的 模具平均温度 b为铸型的蓄热系数 b 模 C模 模 6 式中 模为铸型的导热系数 J m s 1 C模 为铸型的热容 J m s 1 2 1 模为铸型材料 的比重 kg m 3 L为金属的结晶潜热 J kg 1 T浇为浇注温度 C为金属液的热容量 J kg 1 为金属凝固后的比重 kg m 3 1 2 浇注系统尺寸的确定 浇注系统是引导金属进入铸型的一系列通道 浇注系统的基本组元主要有 直浇道 横浇道和内 浇道等 对于低压铸造而言 金属液是在一定的加 压过程中进入型腔的 设计浇注系统主要考虑的 因素是内浇口补缩 顺序凝固 结构简单 易于与 铸型分离等因素 10 基于以上原则 本文作者对 浇注系统的尺寸设计如下 1 2 1 内浇道截面积的确定 根据低压铸造的 特点将内浇口看作冒口 按冒口设计的三次方程 法确定内浇口尺寸 推导机制和计算方程式如下 44 稀 有 金 属 30卷 推导机制 冒口凝固的时间应大于或等于铸 件受补缩部位的凝固时间 计算方程式 4 d 3 k1d 2 k2 0 7 式中d为冒口直径 k1 k2为参数系数 式 7 为冒口方程的通式 适用于各类冒口 只是不同形式的冒口有不同的k1 k2值 在采用 三次方程计算冒口的方法来确定内浇道截面积后 再用公式核对内浇道尺寸 试模后 根据实践进行 修正 Ag W t 8 式中Ag为内浇道截面积 cm 2 W为铸件重量 g 为合金密度 g cm 3 为内浇道出口处的线速 度 cm s 1 当取 150 cm s 1时 可实现平稳充 型 t为充型时间 s 按合金在型内上升线速度计 算 即 t h 升 h型腔高度cm 升 1 6 cm s 1 复杂薄壁件取上限 由于圆形内浇口的比表面最小 所以选取圆 形作为内浇口理想的截面形状 内浇口断面尺寸 确定以后 再选择横浇道的断面面积 1 2 2 横浇道及直浇道截面积的确定 对于易 氧化的金属 应采用开放式的浇注系统即 6Ag 6Aru 6A升液管出口 但对单个内浇道 横浇道及升 液管出口的面积来说 应保证A升液管出口 Aru Ag 具体数值可以为 2 2 3 1 5 1 7 1 对于不 易氧化的金属 应采用封闭式浇注系统 即 6Ag 6Aru 6A升液管出口 对于低压铸造升液管可近似看 成直浇道 Aru为横浇道 4 1 2 3 升液管出口面积的确定 为实现金属液 充型时的 层流 状态 除了合理控制液面上所加 的压力等因素外 合理选取升液管出口处截面积 的大小也是个重要因素 可以用公式 4 算出升液管 出口面积 F 1000G Z 2gH 9 式中F为升液管出口面积 cm 2 G为铸件所需金 属液重量 kg Z为铸件的充型时间 s 为金属 液在该温度时的流动阻力系数 铝合金700 时的 阻力系数为0 3 0 4 为金属液在该温度时的 比重 g cm 3 g为重力加速度 980 cm s 2 H为 金属液所需上升的高度 cm 为避免金属液在充型过程中发生涡流冲刷而 混杂气体 金属液的线速度应不超过1 5 1 6 m s 1 否则就会产生紊流 控制升液管的出 口面积 实际上是控制金属液通过升液管出口后 的充型速度 可用下式来核算 F Z cm s 1 10 式中 为金属液流在型腔中线速度 cm s 1 为 通过升液管出口的金属液体积 cm 3 F为升液管出 口处截面积 cm 2 Z为金属液的充型时间 s 因此 增大升液管出口面积能有效地限制金 属液在型腔里的线速度 从而保证低压铸造实现 平稳充型的优点 但在实际生产中 升液管的出口 面积除了要考虑上述因素外 还需根据铸件的特 点来决定 2 程序实现及实例应用 通过对浇注过程中加压工艺参数及浇注系统 尺寸参数的确定 我们以Windows 2000和AutoCAD 作为支撑软件和系统平台 采用Visual C 6 0 作为系统开发软件 成功的开发出了 铝合金低压 铸造浇注工艺CAD系统软件 该软件设计生成的 界面 用户可直接输入相关铸件的基本数据信息 便能够快速 准确地完成各加压参数 浇道尺寸的 计算及加压规范曲线的绘制 实现良好的人机交 互 操作简单 方便 直观 图1为整个浇注系统 程序实现的流程 图2 3分别为开发的软件生成 的加 压 规 范 设 计 界 面 和 浇 注 系 统 的 计 算 界 面 为了验证程序编制的准确性与适用性 作者 对传动箱箱体使用CAE软件进行了充型模拟计算 铸件基本信息 传动箱上箱体的三维实体如 图4 外轮廓尺寸为 983 5 mm 677 mm 540 mm 带工艺铸件重量为 116 kg 低压铸造加压工艺规范参数和曲线的确定 将铸件的基本信息选择输入低压铸造CAD加压工 艺规范界面 见图5 如 铸型类别 干砂型 铸 件结构 厚壁 铸件壁厚 20 mm 浇注高度 540 mm 54专辑 廖海洪等 铝合金低压铸造浇注系统的CAD设计 图1 程序设计流程图 Fig 1 Flow chart of designing procedure 图2 加压规范设计界面 Fig 2 Design of regulation of pressure 图3 浇注系统界面 Fig 3 Interface of gating system 图4 上箱体三维实体 Fig 4 Three2dimensional entity of up case 可得到如下参数计算结果 充型压力 116 10 4 Pa 充型时间 31 5 t 增压压力 2 9 10 4 Pa 增压时间 6 99 t 保压压力 219 10 4 Pa 保压时 间 3384 2 t 升液管最小截面积 F 89 9 cm 2 浇注系统尺寸的计算结果 整个浇注系统为开放 式 其截面比例为 F直 F横 Ag 1 1 4 1 9 内浇道面积 Ag W t 116000 2 4 150 31 5 10 23 cm 2 经校正后取 Ag 170 81 cm 2 Ag 170 81 6 28 5 cm 2 直浇道面积 据公式F 1000G Z 2gH cm 2 计算 并 经公式W V F Z cm s 1 校验 得出F 89 9 cm 2 F直 F直 89 9 cm 2 横浇道面积 F横 89 9 1 4 125 86 cm 2 F横 125 86 2 62 93 cm2 通过该软件可快速 准确地计算出该传动箱 的各工艺参数 同时 绘制出该传动箱的加压工艺 规范曲线 生成友好的人机交互式界面 见图5 为了进一步验证该传动箱上箱体狡算的浇注 系统尺寸 及加压工艺参数等设计的正确性 通过 CAE软件对该传动箱上箱体进行了流场模拟 及 缩孔 缩松预测 图6传动箱上箱体流动场计算结 果 图7 8分别溪传动箱上箱体缩孔 缩松模拟 从模拟结果我们可分析得出 采用该浇注系统 工艺及所确定的加压工艺参数曲线 能够完成低压 铸造的工艺设计 所设计出的铸造工艺能够达到使 铸件充型流态平稳 不容易形成涡流卷进气体 减 少气孔 夹杂等缺陷的产生机会 从而验证了此系 统的正确性 此设计已应用于某厂实际的上箱体铸 64 稀 有 金 属 30卷 图5 上箱体的加压工艺曲线图 Fig 5 Design of regulation of pressure 图6 上箱体流动场计算结果 Fig 6 Calculating result of flow field 图7 上箱体缩松预测 Fig 7 Prediction of shrinkage porosity 图8 上箱体缩孔预测 Fig 8 Prediction of shrinkage cavity 造生产之中 得到了较好的验证 3 结 论 11 完成了低压铸造加压工艺参数的确定 开 发了低压铸造加压工艺规范系统 通过此系统可 以准确 快速地绘制出所需铸件的加压工艺规范 曲线 21 设计了低压铸造浇注系统 通过该软件可 快速计算出浇注系统的尺寸并生成人机交互式界 面 3通过实际铸件的模拟 证明所开发的铝合金 低压铸造浇注CAD系统 能够完成铸件的浇注工 艺设计 达到充型流态平稳 减少气孔 夹杂 缩 松等缺陷的目的 证明了该系统的正确性和实用 性 参考文献 1 Dwain M M A global review of magnesium parts in automobiles J Light Metal Age 1996 10 62 2 潘增源 编 低压铸造 M 北京 机械工业出版社 197