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 肖世龍1  黃  勇2  安振須2  陳  振2  杜曉明2  孟昭昕2

 (1.沈陽理工大學(xué)藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院；2．沈陽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院)

摘要對(duì)鋁合金壓塊進(jìn)行了半固態(tài)充型及缺陷數(shù)值模擬，提出了半固態(tài)壓鑄模的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并根據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)出壓塊半固態(tài)壓鑄模。通過3組電磁攪拌參數(shù)下的半固態(tài)流變壓鑄試驗(yàn)，確定了優(yōu)化的半固態(tài)漿料制備工藝參數(shù)，生產(chǎn)出合格的壓塊鑄件。

關(guān)鍵詞鋁合金壓塊；半固態(tài)；數(shù)值模擬；壓鑄模

中圖分類號(hào)  TG146.  21；TG249.2 DOI：10.  15 980/j．tzzz. 2016. 05. 015

 半固態(tài)壓鑄具有成形溫度低、模具壽命長、鑄件凝固收縮小、性能優(yōu)良等特點(diǎn)。然而，由于半固態(tài)流變壓鑄工藝設(shè)計(jì)中的問題，產(chǎn)品容易產(chǎn)生卷氣和縮孔、縮松缺陷。韓雄偉等和黃勇等采用數(shù)值模擬的方法對(duì)半固態(tài)漿料的充型和凝固過程進(jìn)行了分析，預(yù)測了鑄件可能產(chǎn)生的缺陷，并對(duì)缺陷的位置和大小進(jìn)行了分析。

 采用鑄造模擬軟件對(duì)A356鋁合金壓塊半固態(tài)壓鑄充型和凝固過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了充型過程的流場和速度場，設(shè)計(jì)了3組半固態(tài)壓鑄工藝參數(shù)，并通過試驗(yàn)確定了壓塊半固態(tài)壓鑄的最佳工藝參數(shù)。

1  壓塊壓鑄工藝分析和澆口的設(shè)計(jì)

1.1  壓塊壓鑄工藝分析

 壓塊是一個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，壁厚不均勻的零件，壓塊三維圖見圖1。零件為曲面對(duì)稱結(jié)構(gòu)；側(cè)面有一個(gè)直徑為9 mm的盲孔，須采用側(cè)抽芯來成形；兩側(cè)壁與曲壁連接處，壁厚相差較大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，冷卻過程中易產(chǎn)生縮孔、縮松和熱裂等缺陷。

1.2  澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)

 在設(shè)計(jì)內(nèi)澆口截面積時(shí)要比液態(tài)壓鑄的截面積大，其厚度一般為壓鑄件壁厚的50%左右。壓塊壓鑄件在設(shè)計(jì)時(shí)采用側(cè)澆口。根據(jù)計(jì)算得出內(nèi)澆口橫截面積大小為52.5 mm2，厚度為1.5 mm，寬度是鑄件邊長的0.7倍，為35 mm。帶澆注系統(tǒng)的壓塊三維圖見圖2。

2  壓塊半固態(tài)壓鑄數(shù)值模擬

 按設(shè)計(jì)出的澆注系統(tǒng)，用鑄造模擬軟件進(jìn)行充型過程和缺陷的數(shù)值模擬。充型過程模擬見圖3。

 充型開始時(shí)，由于壓射沖頭的作用，半固態(tài)漿料首先在直澆道內(nèi)堆積，然后向橫澆道填充，見圖3a。澆道充滿后，半固態(tài)漿料通過內(nèi)澆口向鑄件填充，見圖3b。隨著充型的進(jìn)行，半固態(tài)漿料與型芯接觸，一部分沿肋板折向澆口方向，另一部分繼續(xù)向鑄件的遠(yuǎn)端充型，見圖3c。充型繼續(xù)進(jìn)行，直至充滿整個(gè)型腔，見圖3d。

 通過模擬軟件可以觀察鑄件各部位的充型時(shí)間，見圖4�？梢钥闯�，澆道最先充型，然后逐漸向鑄件的遠(yuǎn)端進(jìn)行，鑄件肋板和遠(yuǎn)端的溢流槽最后充型。

壓塊充型速度模擬過程見圖5。在澆道沒有充滿之前，半固態(tài)漿料的流動(dòng)速度基本與壓射沖頭的移動(dòng)速度保持一致，見圖5a。當(dāng)澆道充滿后，漿料通過內(nèi)澆口向鑄件填充，受到內(nèi)澆口面積的制約，漿料的速度增大，在32～37 m／s之間，見圖5b。漿料通過內(nèi)澆口后，由于橫截面面積增大，漿料的速度下降，當(dāng)與型芯接觸后發(fā)生碰撞，速度又出現(xiàn)一定程度的上升，見圖5c。充型完成后，漿料的流動(dòng)速度降為0，見圖5d。由圖5可知，漿料在充型過程中沒有出現(xiàn)紊流，充型平穩(wěn)。

 壓塊裹氣分布見圖6。由圖6可知，壓塊沒有發(fā)生裹氣現(xiàn)象。壓塊縮松分布見圖7。由圖7可知，壓塊產(chǎn)生了一定數(shù)量的分散縮松，這些縮松主要分布在壓塊壁厚較大的部位，但數(shù)量較少，因此，該澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本合理，可以應(yīng)用于實(shí)際中。

3  壓塊半固態(tài)壓鑄模設(shè)計(jì)

 根據(jù)壓塊壓鑄件的結(jié)構(gòu)及模擬分析結(jié)果，設(shè)計(jì)出壓塊壓鑄件的半固態(tài)壓鑄模具，見圖8。半固態(tài)壓鑄模具在結(jié)構(gòu)上與一般的壓鑄模具相同，在生產(chǎn)前要對(duì)模具充分預(yù)熱，由于半固態(tài)的溫度較低，凝固時(shí)間短，因此模具在預(yù)熱時(shí)要比液態(tài)壓鑄高，一般在280～300℃，需在動(dòng)、定模套板上設(shè)計(jì)加熱元件和測溫孔，安裝熱電偶測溫，以便控制模具溫度，同時(shí)要求模具各個(gè)部位溫度均勻穩(wěn)定。

4  壓塊半固態(tài)壓鑄試驗(yàn)

 壓塊壓鑄件選用A356鋁合金，其固相線溫度為556 ℃，液相線溫度為616℃，具有較寬的半固態(tài)區(qū)間，適合進(jìn)行半固態(tài)流變壓鑄成形。試驗(yàn)選用電磁攪拌法制備半固態(tài)漿料。

 電磁攪拌裝置采用低頻電源配合坩堝電阻爐，攪拌溫度為580 ℃，其固相率約為50%，并通入A r氣保護(hù)。為了獲得更高質(zhì)量的壓塊壓鑄件，設(shè)計(jì)了3組不同的攪拌工藝進(jìn)行試驗(yàn)，見表1。

 按照表1的3組電磁攪拌工藝參數(shù)進(jìn)行半固態(tài)漿料的制備，并分別進(jìn)行壓鑄生產(chǎn)，然后在鑄件上取樣。經(jīng)磨平、拋光后用HNO2+HF+HC1溶液腐蝕，在金相光學(xué)顯微鏡上觀察枝晶斷裂情況及晶粒尺寸。3種不同攪拌工藝參數(shù)下的微觀組織見圖9。

 從圖9可以看出，工藝1下枝晶并未完全被打碎，且晶粒的大小不均勻；工藝2下獲得的半固態(tài)顯微組織中樹枝晶已經(jīng)完全被打碎，組織細(xì)小圓整，呈球狀顆粒分布且均勻；在工藝3下獲得的半固態(tài)顯微組織中球形組織己經(jīng)開始長大，其原因是攪拌時(shí)間過長，晶粒發(fā)生

了長大。

 通過對(duì)上面3組工藝下鑄件微觀組織的分析，可知在工藝2下的鑄件組織細(xì)小，效果好。所以選擇工藝2為壓塊鑄件漿料制備工藝。

 按工藝2生產(chǎn)得到的壓塊壓鑄件表面光潔，無明顯缺陷，鑄件質(zhì)量合格，見圖10。

5  結(jié)  論

 (1)根據(jù)壓塊鑄件結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了壓塊半固態(tài)壓鑄的澆注系統(tǒng)，通過數(shù)值模擬，澆注系統(tǒng)充型平穩(wěn)，缺陷減少。

 (2)半固態(tài)壓鑄模內(nèi)澆口截面積比液態(tài)壓鑄金屬內(nèi)澆口截面積大，壓塊內(nèi)澆口厚度為鑄件壁厚的50%。

 (3)半固態(tài)漿料制備工藝參數(shù)：攪拌溫度為580℃、攪拌電流為450 A、攪拌頻率為6 Hz、攪拌時(shí)間為25min時(shí)，壓鑄出的壓塊質(zhì)量較好。