基于模拟仿真技术的出水器本体低压铸造模具设计及其工艺优化

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引 言 低压铸造是一种特种铸造技术， 原理为通过可
以有效解决上述问题。 铸造数值模拟技术是针对铸造工艺建立反映 实际生产状态的本构方程， 然后运用计算机技术， 在符合实际生产的边界条件下， 进行模拟计算， 从 而得到可视化的铸造生产过程， 并对铸造结果进行 预测[2]。 2 铸造模拟仿真数学模型[3] 低压铸造充型过程中金属液为牛顿流体且具
二定律在流体力学中的表达形式。由牛顿第二定 律得到在流体中应力与流体在 X、 Y、 Z 轴上的速度 分量关系式分别为： du x ux ρ = ρF x - ∂P + ∂ [ μ(2 x - 2 div u )] + dt ∂x ∂x ∂ 3 ∂ [ μ( ∂u x + ∂u y )] + ∂ [ μ( ∂u z + ∂u x )] ∂y ∂y ∂x ∂z ∂x ∂z
场； VOF 即体积函数法用于处理流体的自由表面问
出水器本体低压铸造初始工艺设计 出水器本体概述 图 1 所示出水器 （水龙头） 本体为无铅铜合金材
(2)
3.1
质的卫浴五金铸件， 铸件形状为不规则管状， 平均
壁 厚 约 3.3 mm， 平 均 半 径 为 R44 mm， 高 度 为 117 (3)
mm。使用 Pro/Engineer 软件对铸件进行三维实体造 C 处为出水口。阀门 B 处内壁设计 2 mm 的机械加 工余量， 要求内壁处不得出现漏水缺陷。
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初始模具设计方案仿真模拟 前处理
4.1
模具工业 2012 年第 38 卷第 2 期
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.
图8
缩孔、 缩松缺陷预测结果
成较好的冷却效果。
图6
铸件充型过程温度场模拟结果
图 9 冒口设计
5.2
铸件内部结构改进 铸件内部结构壁厚不均匀， 折角多， 在这种情
况下热节 （孤岛） 很难避免[5]， 缩孔、 缩松只能改变位 置而不易消除。在不影响铸件性能要求前提下， 对 铸件内部结构进行适当修改， 主要有减少折角、 均 匀内部壁厚等， 以改变缩孔、 缩松区域。图 10 为原 铸件内部结构， 图 11 为改进后铸件内部结构。
2 2 2 式中： ∇2 = ∂ 2 + ∂ 2 + ∂ 2 。 ∇2 ——拉普拉斯算子， z ∂x ∂y ∂
图1
铸件二维图
2.3
能量守恒方程 流体力学中热力学第一定律的表示意义为单
3.2
低压铸造初始模具设计 低压铸造模具设计包括浇道设计、 砂芯设计和
元体所受合外力做的功与热量之和等于总能量的 改变量。
控气体传递压力将金属液自下而上流经升液管， 压 入模具型腔并在压力作用下冷却、 凝固成型最终获 得所需铸件 。其主要优点为： 加工尺寸精度高， 加 工余量小甚至无加工余量， 生产效率高， 易进行自 动化生产等。当前低压铸造技术的主要问题为铸 件成品率低， 开模周期长甚至需要反复试模、 修模， 模具寿命短， 铸件质量低等。应用数值模拟技术可
[1]
有以下特点： 不可压缩， 受热不膨胀， 液体黏度随温 度升高而降低。 2.1 连续性方程 连续性方程即质量守恒方程 （见式 1） 表达式， 表示
模具工业 2012 年第 38 卷第 2 期 的意义为单元体内质量流出量等于周围流入该单 元的质量。 ∂ρ ∂(ρu x) ∂(ρu y) ∂(ρu z) + x + + =0 (1) ∂t ∂ ∂y ∂z 式中： ρ ——流体密度； ux——流体速度在 X 坐标轴 的分量； uy——流体速度在 Y 坐标轴的分量； uz—— 流体速度在 Z 坐标轴的分量。 2.2 粘性流体运动方程 粘性流体运动方程是动量守恒定律即牛顿第
图7
铸件凝固过程温度场模拟结果
5
工艺优化方案设计 冒口设计 对模拟结果中出现的铸造缺陷进行改善， 在图
5.1
8 中 A 处和 D 处： 将铸件端口向上延长 34 mm 并在侧
部阀门处设计冒口如图 9 所示。冒口可以有效地对 于型腔死角气体的排出且有效改善模具热平衡， 形
缩孔、 缩松部位进行补缩， 其中侧部的冒口还有利
图4 低压铸造模具设计
由图 6 可见， t=2.2 s 时金属液经升液管流入铸
见， t=5.1 s 时铸件开始凝固， t=8.3 s 时铸件完全凝 现象， 产生图 8 所示缩孔、 缩松缺陷预测结果。 和 D 处， 需设计优化方案以改善这些缺陷。
固。凝固过程中出水器本体型腔内多处出现孤岛 由图 8 可见， 铸件缩孔、 缩松主要出现在 A、 B、 C
排气槽设计等。根据零件的体积、 质量， 模具采用 1
模 2 腔布局。浇口位置的选择主要遵循以下原则： 首先要确保填充过程通畅以使金属液流动所受阻
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模具工业 2012 年第 38 卷第 2 期 量， 将 CAD 模型剖掉一半后再转换成相关格式导入 procast 软件 meshcast 模块进行网格划分、 装配 [4]， 最 单元体为 356 020 个。 后生成体网格如图 5 所示。其中节点数为 62 574， 模具 CAD 模型关于中心轴对称， 为减少计算
ρ du y u = ρF y - ∂P + ∂ [ μ(2 y - 2 div u )] + dt ∂y ∂y ∂y 3 ∂ [ μ( ∂u y + ∂u z )] + ∂ [ μ( ∂u x + ∂u y )] ∂z ∂z ∂y ∂x ∂y ∂x du z ρ = ρF z - ∂P + dt ∂z ∂ [ μ( ∂u x + ∂u x )] + ∂x ∂x ∂z
型如图 2 所示， 其中 A 处为进水口， B 处为开关阀门，
∂ [ μ(2 u z - 2 div u )] + ∂z ∂z 3 (4) ∂ [ μ( ∂u y + ∂u z )] ∂y ∂z ∂y
式中： Fx——X 轴 方 向 单 位 质 量 的 体 积 力 分 量 ；
Fy——Y 轴方向单位质量的体积力分量； Fz——Z 轴 方向单位质量的体积力分量； τ——切应力； P—— 压力； u——速度分量。 式 （2） ~ （4） 中有 9 个应力， 3 个速度分量， 共计 12 个未知数， 故无法求解。根据切应力与角变形的 关系以及法向应力与线变形速度的关系， 可以得到 足够的方程组求解未知数， 整理得： du =F - 1 grad P + v∇2 u (5) dt ρ
Design of low pressure casting die and process optimization based on simulation technology for water outlet device body
TIAN Lei, SHEN Jiang-nan, DUAN Hui-zhen, WANG Qin-feng, LIN Yan-ping (College of Mechanical Engineering, Jimei University, Xiamen, Fujian 361021, China) Abstract: Finite element analysis software Procast, a professional software for simulating casting process, was used to simulate and analyze the initial low pressure casting process for a water outlet device body. The result shows that the internal cavity of the body has many “isolated islands” and severe necking and shrinkage porosity defects. Improvement was then made on the body and die structure. Simulation analysis indicates that the island⁃ ing has been reduced a lot with the new process and the result of sample surveys agrees well with that from the simulation. Key words: water outlet body; low pressure casting; die design; simulation; process optimi⁃ zation
/W · m-2 · K-1 填充 压力 /MPa 0.040 冷却 方式 空冷
界面换热系数 铸件/ 铸型 1 300 砂芯/ 铸件 500 砂芯/ 铸型 500
图3
铸件浇道设计
4.2
仿真模拟与结果分析 采用仿真模拟多线程并行运算， 对铸件进行数
值模拟后得到充型过程温度场模拟结果如图 6 所 示。 件直浇道， t=3.4 s 时金属液由内浇口流入型腔， t= 5.0 s 时铸件充型完毕。充型过程中铸件内壁折角结 构阻碍充型， 且阀门处上端为死角不能排气。铸件 凝固过程温度场模拟结果如图 7 所示。由图 7 可
ρc( ∂T + u ∂T + v ∂T + w ∂T ) ∂t ∂x ∂y ∂z 1 + 1 + 1 )+S = λ∂T ( 2 ∂ x ∂2 y ∂2 z
57 (6)
式中： ρ——流体密度； c——比热容。 2.4 数学模型的求解 流体方程采用 SOLA-VOF 解法进行求解， 其中
SOLA （solution algorithm） 用于求解速度场和压力 题。 3
图 10 原铸件内部结构
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