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基于数值模拟的镁合金手机后盖压铸模具优化
发布日期:2015-06-10  来源:北京科技大学材料科学与工程学院)  作者:张欢欢 康永林 周 冰 祁明凡 朱国明  浏览次数:625
核心提示:采用ProCAST软件,对镁合金手机后盖压铸过程进行了模拟。镁合金液在充填过程中多处存在交汇,前沿较冷 的合金液在型腔内部汇集,和最后充填部位在型腔的内部产生卷气,影响镁合金液的充填效果。去除上下通孔,增加引流 槽,镁合金液交汇的现象减少,较冷的合金液在型腔内部汇集的现象消失,但最后填充区域仍在型腔内部。连通中间的通 孔,在最后充填的部分开设溢流槽,解决了镁合金液在充填过程中的问题。实际铸件的外观检测和 X 射线检测表明,优化 后的模具设计方案合理。
模具设计对于生产高质量的镁合金压铸件非常关键。模具设计不合理,镁合金压铸件会产生许多缺陷,例如,缩孔、缩松、卷气、冷隔、浇不足及表面质量不高等。严晨晓对镁合金的充型和凝固过程进行了 系统的研究。李师君等对充型过程中的卷气现象进 行了数值模拟;逯志浩等对复杂结构的镁合金充型过 程中的卷气现象进行了研究。镁合金由于其特殊的熔 炼方式和冷却特性,在压铸的过程中,更容易产生各 类缺陷。模具设计和优化,对生产出合格的镁合金压 铸件显得更为重要。传统铸件的生产主要依靠实际工 作经验,特别对于复杂件和重要件,生产中往往要反 复地修改铸件结构或铸造工艺方案来达到最终的技 术要求,导致铸件的研制周期长、成本高、质量不可靠等。

本课题采用商业铸造模拟软件ProCAST,通过对镁合金的压铸过程模拟,实现了模具的优化设计。

1 铸件工艺性分析

采用三维画图软件 CATIA 进行手机后盖的三维模型的构造。手机后盖的尺寸是136mm×66mm×5.6mm,平均厚度为0.4mm,该产品 要进行装配,因而有一定的尺寸精度要求;对外观的喷漆要求表面无 沉点等喷涂缺陷。手机后盖上端分布着大小不一的通 孔,边部分布着卡扣,结构较复杂,属于超薄复杂型零件。

2 压铸过程数值模拟及模具优化

2.1 模拟参数设置

手机后盖的体网格模型见图1。在模拟过程中,使用虚拟模具。采用AZ91D 镁合金,模具材料是 H13模 具钢。表1是AZ91D镁合金的化学成分。模具和铸件的界面传热系数为1000W/ m2·K)。




 
 
 
 
 
 
 

2 .2 模拟结果分析

图2是在各个不同的充型阶段的模拟结果,温度的 大小用不同的灰度来表示。由图2可以看出,镁合金液 经过直浇道,流经横浇道,在充填量达到74%时通过内浇口充填型腔。图 2b、图 2c、图2d中黑色线框标出的区域,是镁合金液产生交汇的区域。在充填过程中,镁 合金液交汇对模具的充填会产生不利影响,应尽量避免。图2e中黑色线框标出的区域是充填过程中液相前 沿温度较低的镁合金液汇集的区域,在实际的压铸过程 中,合金液的前沿与空气接触会有部分被氧化,在模具 的型腔中汇集,影响铸件的品质。由图2f可知,黑色线 框内的区域是模具型腔最后充填的部分,未和溢流槽的 液相连接,造成卷气。

2 .3 压铸模具初步优化方案

经分析,认为是手机后盖的通孔对镁合金液的分流和阻碍作用,改变了镁合金液的流动速度和流动方向。 镁合金液在充填过程中存在合金液的交汇,较冷的合金 液在型腔中产生汇聚和型腔最后填充的区域不是和溢 流槽连接的区域等现象。去掉模具的上下两个通孔,同 时,在大的通孔中间位置添加引流槽,以减少通孔对合 金液的分流和阻碍的作用,进而减少通孔对合金液流动的影响。其中,大通孔的最大尺寸为10mm,引流槽的宽度 为6mm,厚度为0.27mm。具体的网格模型见图3。其次,为了便于分析和比较,在模拟过程中,采用的工艺参数和初始设计的模拟参数相同。

 

图4是不同充填阶段的温度场分布。从图4b可以看出,由于通孔数量减少及引流槽的添加,使得镁合金 液在充填过程中的交汇明显减少。其次,较冷的镁合金 液在型腔中汇集的现象消失,但模具型腔的最后充填部位仍处于型腔内部,同时,造成卷气,见图4c。

 

2 .4 压铸模具最终优化方案

在充填过程中,为了进一步减少镁合金液的交汇,同时,减少型腔的最后填充部位产生的缺陷,对模具作如下修改。首先,去除引流槽,将中间的通孔完全连通,然后在最后充填的部位开设溢流槽,划分好体网格的3D模型见图5,采用的模拟参数和初始的模拟相同。

 

图6是充填过程的各个不同阶段。可以看出,充填过程平稳。模具通孔的去除,使镁合金液在充填的过程 中不发生分流,同时,边部的液态金属液的流动速度不 再滞后于中间的合金液,从而避免了镁合金液在充填过 程中产生交汇现象。添加的溢流槽很好地解决模具型腔的最后充填部位在型腔内部而造成的气体卷入问题。从图6c可知,模具完全充填后,金属液的温度分布较均 匀且均在镁合金的液相线以上,处于完全流动状态,未产生冷隔和浇不足等缺陷。

 

图7是第二次工艺优化后凝固缺陷的分布图。可以看出,在凝固完成以后,缺陷主要集中在浇注系统和溢流槽。

 

3 试验验证

根据优化方案,对模具进行相应的设计变更。将实际加工完成的模具进行现场的试验和调试,经过外观和X射线检测,铸件质量符合要求。优化后的模具和质量 合格的铸件见图8。实际加工完成的手机后盖模具的 动模见图8a,溢流槽的大小和位置见黑色线框。为了便于压铸,去除手机后盖上的通孔,图8b中零件上的通孔由冲床加工而成。

 

4 结 论

(1)通过对初始模具进行模拟分析,发现在充填型 腔的过程中,镁合金液存在交汇现象,较冷的合金液在 型腔内部汇集和最后填充的部分在型腔内部,造成气体 卷入,影响模具的充填效果。

(2)去掉模具的上下两个通孔,在大的通孔中间位 置添加分流槽,模具初步优化后,镁合金液在充填过程 中的交汇现象明显减少,但型腔的最后填充区域仍在型 腔的内部,不利于气体的排出,产生卷气。

(3)将中间的通孔完全连通,将溢流槽改在最后充 填的部位,实现了模具的最终优化,镁合金液在充填过 程中的交汇和卷气现象消失。

(4)将实际加工完成的模具进行现场检验,铸件经 过外观和X射线检测,铸件品质符合要求。


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