基于Flow-3D的三通阀压铸工艺设计及优化

原标题：基于Flow-3D的三通阀压铸工艺设计及优化

铝合金因密度小、比强度高、耐腐蚀等特点，在工业中得到广泛使用。铝合金常采用压铸成形，在压铸过程中，金属液充型速度快，如果浇注系统和溢流系统设计不合理，会造成氧化夹杂和卷气等缺陷，影响铸件品质，降低其力学性能。传统压铸工艺设计要依靠经验进行多次尝试，极大提高了成本并延长设计周期。

基于三通阀的结构特点，设计了压铸工艺的浇注系统和溢流槽，采用Flow-3D软件进行充型过程数值模拟。在初始方案中, 铸件整体卷气较严重，随着对浇注系统和溢流槽的逐步优化，降低了铸件的内部卷气量。根据优化后的方案，设计制造了压铸模具并进行了生产验证。通过对铸件的模拟分析, 基于铸件的卷气量、温度场和金属液的流动特征，设计并优化了浇注系统和溢流槽。利用优化后的系统设计模具并进行生产，获得了合格的铸件。

图文结果

三通阀的轮廓尺寸为152.5mm×119.5mm×121mm，平均壁厚约为5.56mm。铸件的外形为圆筒形，左侧有一圆形平台和阶梯通孔，其上下对称，下表面带有凸台，中心有一带有隔板的通孔，直径为φ90mm，通过UG软件建立1∶1实体三维体造型，见图1。铸件分型面的选择要考虑压铸模设计的繁简程度、易于加工和保证铸件的尺寸精度等。根据铸件的结构特点，因其左侧平台上完全对称，所以优化的方案选择三通阀主通道的水平面，即平台中心线和圆筒轴线组成的面作为分型面。分型面处于铸件水平中心，有利于排气。

图1 三通阀实体造型示意图

图2 分型面示意图

图3 初步设计浇注系统示意图

图4 铸件充型过程

可以看出，铸件正面桶壁卷气较为严重，会严重影响铸件质量。对于上述情况，可能是由于金属液在横浇道上的流速过快导致。通过在浇道上增加弯道可以降低金属液的流速使其获得良好的充型，改善浇道未充满问题。

图5 改进方案浇注系统示意图

图6 改进方案1铸件充型过程

图7 改进方案1铸件温度场

图8 改进方案2浇注系统示意图

图9 改进方案2模拟结果

图10 增加辅助浇道后温度场

图11 改进方案3浇注系统示意图

图12 不同方案卷气量对比

图13 不同方案氧化渣对比

图14 不同浇注系统下卷气体积

从图14可以看出，改进方案1和改进方案3明显降低铸件内的卷气量，改进方案2虽然整体卷气量并没有明显下降，但是从卷气云图可以看出，铸件内的卷气位置发生改变，其中一部分已转移到溢流槽中，也相当于降低内部卷气量。改进方案3的卷气量最低、整体充型顺序良好、无浇不足缺陷、且温度无明显降低、氧化夹杂聚集较少，可以作为最终试制方案。

图15 实际生产的三通阀铸件

图16 X射线检测结果

本文作者：

郭广思 陈晨沈阳理工大学材料科学与工程学院孙晶莹东北大学材料科学与工程学院

本文来自：《特种铸造及有色合金》杂志，《压铸周刊》战略合作伙伴