【技術電子報】使用FLOW-3D CAST 軟體的鑄件模流與電鍍良率的研究

施大金[1] 渠立歡[2]

1.蘇州中日興通訊有限公司

2.帕盛博(蘇州)軟體科技有限公司

壓鑄作為一種先進的精密零組件成形技術，適合現代製造業中產品複雜化、精密化、輕量化、節能化、綠色化的要求，應用領域不斷拓寬。然而，由於壓鑄高速、高壓的特點，在實際生產中不可避免會出現各種缺陷，影響鑄件品質，甚至讓鑄件報廢，其中常見的缺陷為氣孔。產生於鑄件內部、表面或近表面，呈現大小不等的圓形、長形及不規則形，內壁光滑。在生產實際中根據形狀與生成原因不同，一般分為氣孔、氣泡、針孔、氣縮孔等。氣孔易導致鑄件內部組織緻密性低、附近易引起應力集中、機械性能下降，對於特殊用環境如耐腐蝕性、耐熱性、氣密性都會降低。皮下氣孔容易存在於鑄件表面以下1-3mm處，在鑄態時不易被發現；但經熱處理、表面處理、機械加工後會暴露出來。

氣孔缺陷產生的原因十分複雜，不僅與鑄型工藝相關，而且與鑄造合金的性質、合金的熔煉、造型材料的性能等一系列因素有關。因此，分析鑄件缺陷產生的原因時，要從具體情況出發，根據缺陷的特徵、位置、採用製程等因素，進行綜合分析，然後採取相對應的技術措施，防止和改善缺陷。而氣孔是鑄件中最常見的缺陷之一，解決好鑄件的氣孔問題對於鑄件品質的提高有很大的意義。

本文以我司某型號鋅合金醫用輪椅控制器支架為例，通過FLOW-3D CAST軟體模擬找出鑄件產生缺陷的類型及位置，並與實際生產相比較，對出現氣孔缺陷進行分析和解決，降低支架不良率，提升產品品質。

1 產品分析

(圖1)是醫用輪椅控制器支架鑄件，以鋅合金ZMAK5生產，其鑄件外形尺寸為199.5mm×81.6mm×75mm，產品平均壁厚1.39mm。此支架壁厚不均勻，有一些部位是環形狀，金屬液充填時易發生卷氣、紊流，導致該部位易出現氣孔、縮孔。

圖1 醫用輪椅控制器支架

2 壓鑄缺陷及原因分析

2.1 鑄件壓鑄缺陷

該支架採用的是高壓鑄造，(圖2)為初期設計的澆注系統。在試模中，有很多缺陷，電鍍時也發現有很多因氣孔導致的電鍍不良品，鑄件不良率高達33.78%，嚴重影響了生產進度。

圖2 澆注系統

2.2 原因分析

圖3 支架卷氣含量模擬分析結果

針對支架發生的缺陷，使用FLOW-3D CAST軟體進行模流分析來查找缺陷位置及發生原因。充型時卷氣結果如(圖3)。結果顯示，充填結束時有5處卷氣含量很高，發生氣孔缺陷的風險很高。

圖4 實際鑄件氣孔缺陷

圖5 實際鑄件缺陷

我們將模擬結果與實際產品發生缺陷位置對比，發現模擬與實際完全吻合(圖3、4、5)。

缺陷產生的主要原因是模具流道系統和溢料井設計不合理，澆口的分佈影響充填時的排氣，而且在金屬液充填型腔時，最後的充填區域沒有溢料井，氣體無法排出，導致氣孔產生，以及因氣體阻礙導致的充填不良缺陷。

3 製程措施

3.1 修改澆注系統和溢料井

由於鑄件形狀各有差異，就要用經驗和實踐去合理的分佈澆口，讓金屬液合理填充，不困氣、卷氣。合理修改溢料井位置及大小，使溢料井能將最後填充處、金屬液匯合處的氣體排出，減少氣體缺陷的發生。首先我們提出了兩種優化改善方案，用FLOW-3D CAST軟體進行模擬分析，選出最佳方案，並進行生產驗證。

圖6 方案A澆注系統

圖7 方案B澆注系統

方案A：調整澆口位置，使金屬液合理平穩充填，並在溢料井處增加排氣閥，加強排氣能力。

方案B：調整澆口位置，在鑄件周邊增加溢料井數量，來容納金屬液充填時包裹的氣體。

3.2 模流分析

對提出的這兩種優化方案，我們使用FLOW-3D CAST軟體來進行數值模擬，來提前預測金屬液的流動形態、溫度分佈、卷氣含量、氧化渣濃度等，在模具修改之前找出最佳方案，減少試模成本和開發週期。

通過數值模擬分析發現，(圖8)方案A與原方案對比，卷氣含量大大減少。一些關鍵部位卷氣也基本上消失；

圖8 方案A 卷氣分佈模擬結果

圖9 方案B 卷氣分佈模擬結果

(圖9)方案B卷氣有減少，產品兩側大大減少，但是在產品的上部和下部，發生卷氣的風險非常大。

對比方案A和方案B，發現方案A充填效果更好，卷氣含量低，表面緻密，並且放置溢料井數量少，在產品生產製程上，可以有效減少工序，提高生產效率。

3.3 模擬與實際對比

按照方案A進行修改模具，生產出的產品(圖10)，氣孔基本沒有，表面緻密，電鍍良率大大提高。生產時的不良率由之前的33.78%降到了0.4%，生產效率也得到了很大的提高。

圖10 方案A的實際生產驗證品

4 結論

1) 利用FLOW-3D CAST軟體預測了氣體產生位置並分析了產生原因，結果與實際生產情況一致，鑄件氣孔及充填不良的原因主要是鑄件流道系統設置不合理，溢料井的集氣性較差；

2) 利用軟體進行優化與模擬，更改澆注位置，增加排氣閥，卷氣的風險降低，實際生產中鑄件的氣孔及充填不良的不良率大大降低。

參考文獻

[1] 馬廣興，萬里等.轎車底盤鋁合金後副車架的壓鑄工藝及模具設計[J].特種鑄造及有色合金，2012,32(1):55~59

[2] 潘憲曾.壓鑄模具設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3] 魏娟娟, 米國發, 張錦志, et al. 基於Flow-3D軟體的鋁合金濾清器座的壓鑄工藝優化[J]. 鑄造, 2017, 66(6):568-571.