作者：陈磊１　游国强１，２　李阳１　明玥１　杨明华１　李扬德３　李卫荣３  

（１．重庆大学材料科学与工程学院；２．国家镁合金材料 工程技术研究中心；３．东莞宜安科技股份有限公司） 

 文章节选：

 镁合金产品通常采用压铸工艺成形，在工业生产中得到广泛的应用。对压铸件的充型凝固过程进行数值模拟，可有效预测压铸件可能出现的各种缺陷及其大小、部位和发生时间，以便采取相应对策。尤其对于壳体类零件，其结构复杂，壁厚不均匀，压铸过程极易形成缩孔缩松等缺陷。 

 为此，本课题运用AnyCasting软件，对压铸AZ91D 镁合金复杂壳体类零件的充型凝固过程进行了数值模拟，根据模拟结果预测了缺陷可能出现的位置，制定出优化的成形工艺方案，从而减少了压铸件的缺陷，提高了铸件质量。 

 一、结构分析及浇注系统的设计 

 1.1 铸件结构分析 

 图1为使用Pro/E软件进行实体造型的复杂壳体类镁合金零件，零件长为475 mm，宽为360 mm，高为55.8 mm，平均壁厚约为2.5 mm。图1a为该零件的正面结构，右侧散热片的面积比较大，且壁厚较薄。图1b为反面结构图，实线圈出的部位为3个螺孔，该部位应避免出现卷气，缩孔缩松等缺陷。虚线圈出的部分结构复杂，且壁厚不均匀，易形成缩孔缩松等缺陷。 

 （a）正面图 

 （b）反面图 

1.2 浇注系统的设计 

 该零件散热片面积较大，壁厚较薄，容易产生浇不足及冷隔等缺陷，因此浇注系统应设计在有散热片一端。这样既可保证散热片的成形，也有利于零件的整体充型。为了便于充型，零件上的三个螺孔及其它小孔不铸出。使用三维软件Pro/E进行实体造型，带有浇注系统及溢流槽的模型见图2。 

 图2 初始浇注系统设计 

 根据铸件壁厚确定t、 Vn，参考铸造手册可确定内浇口面积为320 mm2，压室直径为70 mm。 

 二、铸造工艺设计及分析 

 2.1 主要铸造工艺参数 

 铸件材料为AZ91D，模具材料为H13，根据铸造手册，镁合金的浇注温度范围是640~700℃，模具温度范围是180~220℃，由于该零件布有较多散热片，对金属液流动性要求较高，对此可以通过提高浇注温度及模具温度来改善合金的流动性。综合考虑，浇注温度定为685℃，模具初始温度210℃。 

 镁合金的充填速度一般为40~90 m/s。根据公式：S1V1=S2V2 ，可将充填速度转化为压射速度，式中，V1 与V2 分别为压射速度和充填速度，S1 与S2 分别为压射冲头面积和内浇口面积。 根据计算，得内浇口面积为350 mm2，压射冲头面积为3846.5 mm2，选择压射冲头速度为7 m/s。 

 2.2 原始方案充型模拟分析 

 使用铸造工艺模拟软件AnyCasting得到的凝固结果见图3。图3a为铸件完全凝固的时间分布图，整个铸件凝固所需时间为25.6 s，蓝色区域凝固相对较早，红色区域凝固相对较晚。 利用AnyCasting 提供的Retained Melt Modulus（残余熔体模数）可以预测铸件缩孔缩松的位置。模拟结果见图3b，缩孔主要分布在实线圈出的光亮处。 图3c为铸件内部最大缩孔剖面分布图，可见该部位缩孔缩松缺陷较多，主要原因为该部位在凝固后期缺少金属液补缩。 

 镁合金压铸件凝固时的缩孔缩松与铸件的形状结构有关，缩孔缩松一般出现在与薄壁区域相连的厚壁区域。当铸件厚薄不均时，金属熔体在模具中的冷却速度不同，与模具相邻的薄壁部分先凝固，厚壁部分凝固较晚。因此在凝固过程中形成孤立熔池，且因无外部金属液补充，因此铸件缩孔多集中出现在金属液最后凝固及金属液积聚的热节处。图3d是散热片部位内部剖面图，可以看出，在散热片部位，金属液凝固较早，成形良好。 

 2.3 优化方案1及模拟结果分析 

 针对原方案存在的缩孔缩松等缺陷，从两个方面对其进行优化： ①对铸件排溢系统进行优化； ②在工艺参数上进行优化。 

 由原方案可知，散热片部分成形良好，可以适当的降低浇注温度和模具温度，这样可以减少厚大部分金属液积聚处热节的热量，降低压铸件厚大部位凝固过程的收缩，进而减少缩孔缩松缺陷。综合考虑，浇注温度降为670℃，模具温度降为180℃，优化后的零件图见图4。 

 按上述方案对该压铸件进行数值模拟，模拟结果见图5。 

 由图5a可见，缩孔缩松减少不多；而由图5b可见，散热片成形良好。 优化方案1是通过增加溢流槽数量和体积，降低浇注温度和模具温度的方法，但效果并不明显。溢流槽与铸件相连接的部位太薄，在厚大部位凝固时，这部分薄壁组织基本已凝固，它对厚大部位补缩的补缩能力比较差。降低浇注温度，可以减少厚大部分金属液积聚处热节的热量；降低模具温度，可以加快金属液的冷却速度，但是，与厚大部分相连的薄壁部分仍然先于厚大部分凝固，最后凝固的厚大部分成为孤立熔池，得不到金属液的补缩。因此，上述方法未从根本上解决厚大部位的补缩问题，故其缩孔缩松缺陷并无明显变化。 

 2.4 优化方案2及模拟结果分析 

 针对原方案和方案1模拟结果中的缩孔缩松缺陷，方案2优化了浇注系统，工艺参数同方案1，具体零件图见图6。 

 在压铸件

缩孔缩松多的厚大部位开设内浇道。在压铸件中，与薄壁相连的厚大部位凝固较晚，容易形成孤立熔池，产生缩孔缩松，将厚大部位与内浇道相连，内浇道的金属液就可以对孤立熔池进行补缩，可以减少缩孔缩松等缺陷。 按上述方案对该压铸件进行数值模拟，模拟结果见图7。 

图7a中的缩孔缩松明显减少，图7b 中散热片成形良好。 由此可见，通过在厚大部位设置内浇道，来改变厚大部位的凝固顺序和增加对厚大部位的补缩，可以有效减少厚大部位的缩孔缩松。工程应用上采用这种方案来减少甚至消除缩孔缩松等缺陷，可以提高压铸产品的质量。 

 三、结论 

 （1）压铸AZ91D镁合金复杂壳体类零件，缩孔缩松缺陷一般出现在与薄壁区域相连的厚壁区域，原因在于厚大部位最后凝固时没有金属液补缩。 （2）在厚大部位增加溢流槽的数量和体积、降低浇注温度和模具温度，由于其补缩能力有限，以致缩孔缩松等缺陷减少不多。 （3）在厚大部位设置内浇道，由于改变了厚大部位的凝固顺序，增加了对厚大部位的补缩，从而有效地减少了缩孔缩松等缺陷。