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摘要：目的采用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)塑料風扇葉片，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，對鋁合金風扇葉片的壓鑄模具進行設(shè)計，包括分型面設(shè)計、型芯型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計、澆注系統(tǒng)設(shè)計、溢流槽設(shè)計、排氣系統(tǒng)設(shè)計、推出機構(gòu)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計等，并對其壓鑄成形過程進行了數(shù)值模擬。結(jié)果風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，加強對缺陷處的排氣，缺陷基本消失。結(jié)論設(shè)計的壓鑄模具滿足鋁合金風扇葉片的生產(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；風扇葉片；壓鑄
為了適應(yīng)節(jié)能減排、綠色發(fā)展的趨勢，傳統(tǒng)的塑料風扇葉片由于強度低、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)用于高速列車冷卻系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機等場合。傳統(tǒng)鋁合金風扇葉片采用鑄鋁ZL402，然而此種合金縮松傾向較大，需設(shè)置較大冒口進行補縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進行成形，力學性能較差。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)動機高推進比的要求，對鋁合金風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，將有利于擴展鋁合金風扇葉片的使用范圍。壓鑄作為一種近凈成形工藝，具有生產(chǎn)效率高、尺寸精度高和力學性能優(yōu)異等特點，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，對鋁合金風扇葉片的壓鑄模具進行了設(shè)計，并對其壓鑄成形過程進行了數(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10.76mm，平均壁厚為3.2mm。
2壓鑄性能分析
傳統(tǒng)鋁合金風扇葉片采用鑄鋁ZL402，然而此種合金縮松傾向較大，需設(shè)置較大冒口進行補縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進行成形，力學性能較差。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)計中采用ZL107進行代替，以擴大其在耐熱、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性能，因而廣泛用作壓鑄合金。此外該合金具有較好的熱強性，可在250℃以下工作。ZL107合金含有質(zhì)量分數(shù)為6.0%~7.5%的Si，3.5%~4.5%的Cu，余量為Al。
3.1分型面設(shè)計
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)計中的分型面設(shè)計見圖2。
3.2成形零件結(jié)構(gòu)設(shè)計
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、浪費貴重的熱作模具鋼、不易修復(fù)等缺點，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)計分別見圖3a和3b。
3.3澆注系統(tǒng)設(shè)計
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，導(dǎo)致鑄件比較容易發(fā)生翹曲變形，不能達到期望的質(zhì)量要求，所以依據(jù)風扇的構(gòu)造和技術(shù)條件，選擇輪輻式澆口。澆注系統(tǒng)設(shè)計見圖4。
3.4溢流槽設(shè)計
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)計中溢流槽設(shè)計在壁厚較薄的風扇葉片處，故采用半圓形結(jié)構(gòu)。溢流槽設(shè)計見圖5。
3.5排氣系統(tǒng)設(shè)計
一般情況下，溢流槽的后面需要設(shè)計排氣槽，這樣有利于氣體和其他雜質(zhì)的溢出。排氣槽的設(shè)計主要有以下幾點要求：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，而不是將排氣槽做得更深，因為排氣槽太深容易導(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)計時可不列入排氣總面積。結(jié)合以上設(shè)計要點，本次排氣系統(tǒng)設(shè)計見圖6。
3.6推出機構(gòu)設(shè)計
推桿推出機構(gòu)在模具開模過程中的運動簡單，不容易發(fā)生干涉，運動準確可靠，因此在本次設(shè)計中，推出采用推桿推出的形式。推桿機構(gòu)設(shè)計見圖7，通過強度校核，本設(shè)計中采用12根推桿作為頂出機構(gòu)，可以滿足實際生產(chǎn)要求。
3.7冷卻系統(tǒng)設(shè)計
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)計中采用的是水冷卻的方式，因為水隨處可見，所以方便取用，水的降溫效果顯著，可以進一步提高冷卻效率。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)計中，為了加強冷卻效果，采用的是螺旋水道的冷卻形式，冷卻系統(tǒng)設(shè)計見圖8。
4計算機模擬
4.1充填分析
對壓鑄件進行充填模擬分析，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)加強扇葉部分的排氣，設(shè)置溢流槽進行排渣。
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、縮松等缺陷，因此對鑄件的溢流槽位置進行優(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。對改進的方案再次進行模擬分析，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。最后對該部位進行加強排氣等措施，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)風扇葉片，應(yīng)用于高溫、重載工況下，擴大鋁合金風扇葉片的使用范圍。采用UG建模的方法，對風扇葉片壓鑄模具進行了設(shè)計，包括分型面設(shè)計、型芯型腔結(jié)構(gòu)設(shè)計、澆注系統(tǒng)設(shè)計、溢流槽設(shè)計、排氣系統(tǒng)設(shè)計、推出機構(gòu)設(shè)計、冷卻系統(tǒng)設(shè)計等。2)采用Anycasting對壓鑄鋁合金風扇葉片成形過程進行了數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風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行調(diào)整，加強對缺陷處的排氣，缺陷基本消失。
作者:許銳 李浩宇 林波 單位:貴州大學