鋁合金風(fēng)扇葉片壓鑄模具設(shè)計(jì)初探

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1、鋁合金風(fēng)扇葉片壓鑄模具設(shè)計(jì)初探 摘要:目的采用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料風(fēng)扇葉片,適應(yīng)節(jié)能減排、綠色鑄造發(fā)展的趨勢。方法采用UG建模和Anycasting軟件,對鋁合金風(fēng)扇葉片的壓鑄模具進(jìn)行設(shè)計(jì),包括分型面設(shè)計(jì)、型芯型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、溢流槽設(shè)計(jì)、排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)等,并對其壓鑄成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果風(fēng)扇扇葉部分最后凝固且容易產(chǎn)生縮松和氣孔,將溢流槽向扇葉方向移動,收集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜,加強(qiáng)對缺陷處的排氣,缺陷基本消失。結(jié)論設(shè)計(jì)的壓鑄模具滿足鋁合金風(fēng)扇葉片的生產(chǎn)要求,符合節(jié)能減排、綠色鑄造發(fā)展的趨勢。 關(guān)鍵詞:鋁合金;風(fēng)扇葉片;壓鑄

2、 為了適應(yīng)節(jié)能減排、綠色發(fā)展的趨勢,傳統(tǒng)的塑料風(fēng)扇葉片由于強(qiáng)度低、耐熱性差、抗腐蝕性差、易老化等缺陷,已逐漸無法滿足市場的需求,因此,用鋁合金材料代替塑料來生產(chǎn)鋁合金風(fēng)扇葉片,將具有重量輕、散熱性好、無磁性、易切削、可再生、耐蝕性和耐氣候性好等多方面優(yōu)勢,可應(yīng)用于高速列車?yán)鋮s系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)等場合。傳統(tǒng)鋁合金風(fēng)扇葉片采用鑄鋁ZL402,然而此種合金縮松傾向較大,需設(shè)置較大冒口進(jìn)行補(bǔ)縮,只能采用重力鑄造和低壓鑄造進(jìn)行成形,力學(xué)性能較差。此外由于自動淬火效應(yīng),過飽和的α(Al)基體在較高溫度下容易分解,導(dǎo)致晶間腐蝕,工作溫度也不宜超過100℃。隨著發(fā)動機(jī)高推進(jìn)比的要求,對鋁合

3、金風(fēng)扇葉片的耐熱性能提出了更高要求,因此采用Al-Si-Cu壓鑄合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)ZL402,將有利于擴(kuò)展鋁合金風(fēng)扇葉片的使用范圍。壓鑄作為一種近凈成形工藝,具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度高和力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn),特別適合于薄壁鋁合金鑄件的生產(chǎn)。文中采用UG建模和Anycasting軟件,對鋁合金風(fēng)扇葉片的壓鑄模具進(jìn)行了設(shè)計(jì),并對其壓鑄成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。 1產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析 利用UG軟件測定產(chǎn)品材料及密度,密度為2.685g/cm3,通過"測量體";測得鑄件的體積為V=583377mm3=583.4cm3,質(zhì)量為m=1.57kg。通過UG軟件測量鑄件的壁厚,鑄件的最大壁厚是10.7

4、6mm,平均壁厚為3.2mm。 2壓鑄性能分析 傳統(tǒng)鋁合金風(fēng)扇葉片采用鑄鋁ZL402,然而此種合金縮松傾向較大,需設(shè)置較大冒口進(jìn)行補(bǔ)縮,只能采用重力鑄造和低壓鑄造進(jìn)行成形,力學(xué)性能較差。此外由于自動淬火效應(yīng),過飽和的α(Al)基體在較高溫度下容易分解,導(dǎo)致晶間腐蝕,工作溫度也不宜超過100℃,因此本設(shè)計(jì)中采用ZL107進(jìn)行代替,以擴(kuò)大其在耐熱、重載領(lǐng)域的使用。ZL107屬于Al-Si-Cu系鋁合金,由于其鑄造性能較好,不經(jīng)熱處理就具有較高力學(xué)性能,因而廣泛用作壓鑄合金。此外該合金具有較好的熱強(qiáng)性,可在250℃以下工作。ZL107合金含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.0%~7

5、.5%的Si,3.5%~4.5%的Cu,余量為Al。 3模具設(shè)計(jì) 3.1分型面設(shè)計(jì) 分型面就是用來使型芯和型腔分離的面,一般是指動模與定模結(jié)合的表面,亦稱合模面。一般情況下,分型面選擇在型芯和型腔接觸的表面,也就是鑄件表面積最大的地方。本次設(shè)計(jì)中的分型面設(shè)計(jì)見圖2。 3.2成形零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 型芯和型腔在模具中需要可靠的定位,其固定方式主要有整體式結(jié)構(gòu)和整體組合式結(jié)構(gòu)。整體式結(jié)構(gòu)相比整體組合式結(jié)構(gòu)來說,具有加工量大、浪費(fèi)貴重的熱作模具鋼、不易修復(fù)等缺點(diǎn),同時,給熱處理和表面處理帶來很大困難,適用于批量小、產(chǎn)品試制、形狀簡單、不需要熱處理

6、的單腔模具,所以采用整體組合式結(jié)構(gòu)。型腔型芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分別見圖3a和3b。 3.3澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì) 首先由于側(cè)澆口在液態(tài)金屬充填時容易產(chǎn)生渦流、包裹氣體雜質(zhì),而且型腔內(nèi)部交錯橫生,比較復(fù)雜并且型腔比較深,所以金屬液的流動比較混亂,金屬液之間相互匯合后容易形成冷隔、氣孔、縮孔或表面花斑等缺陷。其次,金屬液流動的路程曲折且比較長,而風(fēng)扇鑄件的壁厚比較薄,導(dǎo)致金屬液充滿型腔不容易。最后,澆口處的溫度比較高,容易形成熱節(jié)點(diǎn),導(dǎo)致鑄件比較容易發(fā)生翹曲變形,不能達(dá)到期望的質(zhì)量要求,所以依據(jù)風(fēng)扇的構(gòu)造和技術(shù)條件,選擇輪輻式澆口。澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖4。 3.4溢流槽設(shè)計(jì)

7、 通常半圓形的溢流槽主要用于壁厚較薄的壓鑄件,較厚的壓鑄件往往采用梯形或者雙梯形溢流槽,因此,本設(shè)計(jì)中溢流槽設(shè)計(jì)在壁厚較薄的風(fēng)扇葉片處,故采用半圓形結(jié)構(gòu)。溢流槽設(shè)計(jì)見圖5。 3.5排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一般情況下,溢流槽的后面需要設(shè)計(jì)排氣槽,這樣有利于氣體和其他雜質(zhì)的溢出。排氣槽的設(shè)計(jì)主要有以下幾點(diǎn)要求:①排氣槽最好設(shè)置在分型面上,并且要么同在動模上,要么同在定模上,制造的時候比較方便;②當(dāng)型腔內(nèi)要排出的氣體比較多時,一般都是增加更多排氣槽或者將排氣槽做得更寬一點(diǎn),而不是將排氣槽做得更深,因?yàn)榕艢獠厶钊菀讓?dǎo)致金屬液外流;③型芯或推桿與鑲塊之間的間隙也具有排氣的作用,但設(shè)計(jì)時可

8、不列入排氣總面積。結(jié)合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn),本次排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖6。 3.6推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 推桿推出機(jī)構(gòu)在模具開模過程中的運(yùn)動簡單,不容易發(fā)生干涉,運(yùn)動準(zhǔn)確可靠,因此在本次設(shè)計(jì)中,推出采用推桿推出的形式。推桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖7,通過強(qiáng)度校核,本設(shè)計(jì)中采用12根推桿作為頂出機(jī)構(gòu),可以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。 3.7冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì) 冷卻系統(tǒng)是壓鑄模中用來降低模具溫度的系統(tǒng),冷卻系統(tǒng)可以帶走模具上金屬液給予的不需要的熱量,使模具冷卻到最佳的工作溫度。冷卻方式有水冷卻、風(fēng)冷卻、用傳熱系數(shù)高的合金間接冷卻、熱管冷卻等冷卻方式。在本次設(shè)計(jì)中采用的是水冷卻的方式,因?yàn)樗S處可見,所

9、以方便取用,水的降溫效果顯著,可以進(jìn)一步提高冷卻效率。冷卻系統(tǒng)的布置形式很多,大多受到型芯和型腔形式的影響,在本次設(shè)計(jì)中,為了加強(qiáng)冷卻效果,采用的是螺旋水道的冷卻形式,冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)見圖8。 4計(jì)算機(jī)模擬 4.1充填分析 對壓鑄件進(jìn)行充填模擬分析,分析結(jié)果見圖9,其中1區(qū)域是金屬液匯合的區(qū)域,容易裹入氣體、夾雜,所以在此處應(yīng)該設(shè)置溢流槽;2區(qū)域扇葉容易發(fā)生卷氣,而且扇葉是金屬液最后充填的部分,容易產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷,所以應(yīng)加強(qiáng)扇葉部分的排氣,設(shè)置溢流槽進(jìn)行排渣。 4.2優(yōu)化方案 根據(jù)以上的充型分析,在鑄件的扇葉和扇葉之間容易產(chǎn)生氣孔、

10、縮松等缺陷,因此對鑄件的溢流槽位置進(jìn)行優(yōu)化。將溢流槽向扇葉方向移動,收集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜。對改進(jìn)的方案再次進(jìn)行模擬分析,分析鑄件的殘余熔體參數(shù),鑄件容易產(chǎn)生缺陷的部分由每個扇葉轉(zhuǎn)移至如圖10a所示的部位。最后對該部位進(jìn)行加強(qiáng)排氣等措施,從而減少缺陷產(chǎn)生的概率,優(yōu)化后的結(jié)果見圖10b,可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇葉片處的鑄造缺陷基本消失。 5結(jié)語 1)采用ZL107鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料和ZL402,并采用壓鑄的工藝方法代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重力鑄造及低壓鑄造,來生產(chǎn)風(fēng)扇葉片,應(yīng)用于高溫、重載工況下,擴(kuò)大鋁合金風(fēng)扇葉片的使用范圍。采用UG建模的方法,對風(fēng)扇葉片壓鑄模具進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括分型面設(shè)計(jì)、型芯型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)、溢流槽設(shè)計(jì)、排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)、推出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。2)采用Anycasting對壓鑄鋁合金風(fēng)扇葉片成形過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇扇葉部分最后凝固,且容易產(chǎn)生縮松和氣孔。通過對溢流槽的位置進(jìn)行調(diào)整,加強(qiáng)對缺陷處的排氣,缺陷基本消失。

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