鋁合金風(fēng)扇葉片壓鑄模具設(shè)計(jì)初探

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、綠色鑄造開(kāi)展的趨勢(shì)。方法采用UG建模和Anycasting軟件，對(duì)鋁合金風(fēng)扇葉片的壓鑄模具進(jìn)展設(shè)計(jì)，包括分型面設(shè)計(jì)、型芯型腔構(gòu)造設(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(duì)其壓鑄成形過(guò)程進(jìn)展了數(shù)值模擬。結(jié)果風(fēng)扇扇葉局部最后凝固且容易產(chǎn)生縮松和氣孔，將溢流槽向扇葉方向挪動(dòng)，搜集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜，加強(qiáng)對(duì)缺陷處的排氣，缺陷根本消失。結(jié)論設(shè)計(jì)的壓鑄模具滿足鋁合金風(fēng)扇葉片的消費(fèi)要求，符合節(jié)能減排、綠色鑄造開(kāi)展的趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：鋁合金；風(fēng)扇葉片；壓鑄為了適應(yīng)節(jié)能減排、綠色開(kāi)展

2、的趨勢(shì)，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(wú)法滿足市場(chǎng)的需求，因此，用鋁合金材料代替塑料來(lái)消費(fèi)鋁合金風(fēng)扇葉片，將具有重量輕、散熱性好、無(wú)磁性、易切削、可再生、耐蝕性和耐氣候性好等多方面優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于高速列車?yán)鋮s系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)等場(chǎng)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)展補(bǔ)縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進(jìn)展成形，力學(xué)性能較差。此外由于自動(dòng)淬火效應(yīng)，過(guò)飽和的alpha;(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(guò)100。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)高推進(jìn)比的要求，對(duì)鋁合金風(fēng)扇葉片的耐熱性能提出了更高要求，因此采

3、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，具有消費(fèi)效率高、尺寸精度高和力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)，特別合適于薄壁鋁合金鑄件的消費(fèi)。文中采用UG建模和Anycasting軟件，對(duì)鋁合金風(fēng)扇葉片的壓鑄模具進(jìn)展了設(shè)計(jì)，并對(duì)其壓鑄成形過(guò)程進(jìn)展了數(shù)值模擬。1產(chǎn)品構(gòu)造分析利用UG軟件測(cè)定產(chǎn)品材料及密度，密度為2.685g/cm3，通過(guò)測(cè)量體;測(cè)得鑄件的體積為V=583377mm3=583.4cm3，質(zhì)量為m=1.57kg。通過(guò)UG軟件測(cè)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(fēng)扇葉片采用鑄鋁ZL

4、402，然而此種合金縮松傾向較大，需設(shè)置較大冒口進(jìn)展補(bǔ)縮，只能采用重力鑄造和低壓鑄造進(jìn)展成形，力學(xué)性能較差。此外由于自動(dòng)淬火效應(yīng)，過(guò)飽和的alpha;(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(guò)100，因此本設(shè)計(jì)中采用ZL107進(jìn)展代替，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，因此廣泛用作壓鑄合金。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%的Si，3.5%4.5%的Cu，余量為Al。3模具設(shè)計(jì)分型面就是用來(lái)使型芯和型腔別離的面，一般是指動(dòng)模與

5、定模結(jié)合的外表，亦稱合模面。一般情況下，分型面選擇在型芯和型腔接觸的外表，也就是鑄件外表積最大的地方。本次設(shè)計(jì)中的分型面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。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構(gòu)造和整體組合式構(gòu)造。整體式構(gòu)造相比整體組合式構(gòu)造來(lái)說(shuō)，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(shí)，給熱處理和外表處理帶來(lái)很大困難，適用于批量小、產(chǎn)品試制、形狀簡(jiǎn)單、不需要熱處理的單腔模具，所以采用整體組合式構(gòu)造。型腔型芯構(gòu)造設(shè)計(jì)分別見(jiàn)圖3a和3b。首先由于側(cè)澆口在液態(tài)金屬充填時(shí)容易產(chǎn)生渦流、包裹氣體雜質(zhì)，而且型腔內(nèi)部交織橫生，比擬復(fù)雜并且型腔比擬深，所以金屬液的流動(dòng)比擬混亂，金屬液之間互相集合

6、后容易形成冷隔、氣孔、縮孔或外表花斑等缺陷。其次，金屬液流動(dòng)的路程曲折且比擬長(zhǎng)，而風(fēng)扇鑄件的壁厚比擬薄，導(dǎo)致金屬液充滿型腔不容易。最后，澆口處的溫度比擬高，容易形成熱節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致鑄件比擬容易發(fā)生翹曲變形，不能到達(dá)期望的質(zhì)量要求，所以根據(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(jiàn)圖4。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，故采用半圓形構(gòu)造。溢流槽設(shè)計(jì)見(jiàn)圖5。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：排氣槽最好設(shè)置在分型面上，并且要么

7、同在動(dòng)模上，要么同在定模上，制造的時(shí)候比擬方便；當(dāng)型腔內(nèi)要排出的氣體比擬多時(shí)，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；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(shí)可不列入排氣總面積。結(jié)合以上設(shè)計(jì)要點(diǎn)，本次排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)見(jiàn)圖6。推桿推出機(jī)構(gòu)在模具開(kāi)模過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單，不容易發(fā)生干預(yù)，運(yùn)動(dòng)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(jiàn)圖7，通過(guò)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)際消費(fèi)要求。冷卻系統(tǒng)是壓鑄模中用來(lái)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

8、卻到最正確的工作溫度。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(jiàn)，所以方便取用，水的降溫效果顯著，可以進(jìn)一步進(jìn)步冷卻效率。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(jiàn)圖8。4計(jì)算機(jī)模擬對(duì)壓鑄件進(jìn)展充填模擬分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖9，其中1區(qū)域是金屬液集合的區(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局部，容易產(chǎn)生氣孔、縮松等缺陷，所以應(yīng)加強(qiáng)扇葉局部的排氣，設(shè)置溢流槽進(jìn)展排渣。根據(jù)以

9、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(duì)鑄件的溢流槽位置進(jìn)展優(yōu)化。將溢流槽向扇葉方向挪動(dòng)，搜集扇葉和扇葉之間的氣體和夾雜。對(duì)改良的方案再次進(jìn)展模擬分析，分析鑄件的剩余熔體參數(shù)，鑄件容易產(chǎn)生缺陷的局部由每個(gè)扇葉轉(zhuǎn)移至如圖10a所示的部位。最后對(duì)該部位進(jìn)展加強(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(jiàn)圖10b，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇葉片處的鑄造缺陷根本消失。5結(jié)語(yǔ)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(lái)消費(fèi)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(duì)風(fēng)扇葉片壓鑄模具進(jìn)展了設(shè)計(jì)，包括分